,..
DISENO DE SISTEMAS DE COMU-
NICACIONES MEDIANTE SIMU-
/
LACION DIGITAL
José A. Delgado
P~nín
Depa amen o de Teo ía de la Señal y Comunicaciones
A
modo
de
in oduccióu
El análisis y diseño de sis-
emas de comunicaciones median e
he amien as in o má icas da a de i-
nal de los años sesen a. En el inicio de
los años se en a se p odujo una sepa-
ación de los in es igado es e inge-
nie os que se dedicaban a la p oble-
má ica de los sis emas de ansmisión,
de aquellos que se ocupaban de
ele á ico y dimensionado
de
edes
de
elecomunicación. Las he amien-
as concep uales y de o mulación
ma emá ica e an y son di e en es y
oda ía no exis e una eo ía uni icada
que acili e el análisis y diseño de
o ma conjun a.
En
es e b e e a iculo se
p e ende in o ma de unas he a-
mien as que son necesa ias cuando se
a a
de
analiza y/o diseña sis emas
de ansmisión que ienen cie a
complejidad. La e i icación del
compo ~mien o
de los sis emas an-
edichos puede hace se analí icamen e
o median e sucesi as p uebas
de
un
p o o ipo del mismo o u ilizando la
simulación median e o denado . Con
ecuencia, las dos p ime as al e na-
i as no son posibles, bien po la com-
plejidad del modelo ma emá ico que
ep esen a el sis ema o po el cos e de
ab icación del p o o ipo. En ales
casos es posible ecu i a la simula-
ción, que consis e en el es udio del
sis ema median e el a amien o de-
allado de su ep esen ación ma e-
má ica usando un o denado .
Pa a que los esul ados que
se ob ienen de la simulación sean e-
p esen a i os del compo amien o del
sis ema eal se necesi a que el modelo
ma emá ico que ep esen a a dicho
sis ema in e p e e odos los enóme-
nos que inciden signi ica i amen e en
su uncionamien o
y,
que además, los
e o es de simulación que su gen de la
ep esen ación
de
magni udes
analógicas en o ma o digi al, edon-
deo, écnicas
de
es ima de p omedios
con mues as ini as, e c., sean des-
p eciables.
El p ocedimien o que acili a
la simulación se basa en écnicas de
ep esen ación de señales y sis emas
en
el dominio empo al disc e o
[1,2,3,4,5], las cuales pe mi en exp e-
sa la salida de un bloque en un ins an-
e de obse ación, en unción de un
núme o ini o
de
mues as de la en ada
y de la salida del susodicho bloque.
Una ez que se dispone de las elacio-
nes de en ada/salida pa a odos los
subsis emas que componen un sis e-
ma, se aducen median e un lenguaje
de p og amación de uso gene al
(FORTRAN,
C,
PASCAL, e c.) y se
o denan de mane a secuencial o pa-
alela pa a cons i ui un p og ama
uen e. Den o de la plani icación de
una simulación digi al, el p og ama
uen e suele i acompañado de una
pa e cuya misión es ep esen a el
algo i mo de e aluación de unciones
ep esen a i as del compo amien o
del sis ema.
51
Una ez desa ollado el
p og ama uen e el p ocedimien o
con inúa como en la o ma habi ual de
abajo con p og amas de o denado .
Cuando inalmen e se ob ienen unos
esul ados ejecu ando el p og ama, el
diseñado del mismo e ec úa un con-
jun o de p uebas ace ca de la e osi-
mili ud de los mismos; pueden habe se
come ido e o es de simulación de-
pendien es del ango de los da os de
en ada del p og ama u o os. En odo
caso, aunque no se p odujesen e o es
de ejecución los esul ados no se ían
ep esen a i os.
El
simulado
uni e sal
TOPSIM
En
la ac ualidad exis en a-
ios simulado es de sis emas de co-
municaciones que han nacido en ám-
bi os uni e si a ios po enca go de
indus ias o agencias de in es igación
y desa ollo [5]. En e ellos, hay di e-
encias de modelado y a amien o
in o má ico, al es el caso de BOSS y
COSSAP con elación a TOPSIM.
TOPSIM es un paque e de
simulación desa ollado po el Poli-
écnico de Tu in en colabo ación con
la Agencia Espacial Eu opea (es el
simulado o icial de ESA) y con al-
gunos en es como sub con a is as
pa ciales (en e ellos la UPC) [ 12]
desde 1975. En la ac ualidad se en-
cuen a en la e sión TO PSIM -IV [5].
El
lenguaje acili a una des-
c ipción sencilla de los di e en es
bloques uncionales que cons i uyen
un sis ema. El p ocesado po pa e de
un modelo digi al se compo a como
un simulado en iempo eal, lle ando
a cabo una simulación en el dominio
del iempo.
Las señales y sis emas que
se conside an en TOPSIM son de los
ipos banda base o banda asladada y
cualquie señal/sis ema se a a como
un ec o con 3 componen es. El
modelado u ilizando dicha ep esen-
ación es el aspec o mas impo an e
pa a con igu a la elección de la e-
cuencia de mues eo, que no depende
de la ecuencia cen al de las señales/
sis emas sino del ancho de banda de
dichas señales/sis emas.
La es uc u a del lenguaje
es a o ien ada pa a acili a le el dise-
ño al usua io. Cada bloque uncional
se ep esen a po una sen encia con un
conjun o de pa áme os écnicos y
unas en ada y salida, espec i amen-
e. Po ejemplo, si se desease simula
una cadena con igu ada po un il o
de Bu e wo h y un disposi i o
alineal, el diseñado debe da un
nomb e simbólico a odas las señales
implicadas en la cadena. En e ec o, a
cada bloque se le hace co esponde
una sen encia TOPSIM de la siguien-
e mane a: Yl<FILBUT( .... )
<x
Y2<BPNOL( .... )
<Yl
donde X es la en ada al il o,
Yl1a
salida del il o y, Y2 la salida del
disposi i o alineal.
La
lib e ía
de
bloques
simulables en TOPSIM-IV comp en-
de
ce ca de 350 bloques di e en es,
en e los que se encuen an oda clase
de
il os analógicos (Bu e wo h,
Bessel, coseno ealzado, de inidos po
pun os
expe imen ales,
e c.);
modulado es y demodulado es u ili-
zados en ansmisión digi al (pSK,
MSK, QAM); codecs de uen e y ca-
nal
(bloque
y
con olucionales);
p ocesado es
de
señal digi ales (ND,
D/A, codecs ocales con di e en es
leyes,
e c.);
subsis emas
de
sinc onización de po ado a y símbo-
lo; gene ado es de señales alea o ias
(analógicas y disc e as con memo ia)
y bloques pa a ealiza medidas y
e aluaciones (con aje de e o es, a-
lo es
cuad á icos,
his og amas,
diag amas
de
«sca e »,
y
de
«ojo»,e c.).
Comen a ios
sob e
algunas
aplicaciones ac uales
La simulación digi al es una
he amien a impo an e en odo labo-
a o io indus ial que p e ende se
compe i i o. El camino a inicia en
odo diseño de sis emas de comunica-
ción pa e del es udio de iabilidad de
un
sis ema.
Es e
p incipio
me odológico su ge como conse-
cuencia de la complejidad de los sis-
emas de comunicación que son so-
po e de nue os Sis emas o se icios
de elecomunicación o elemá ica.
Así, son
de
in e és hoy en
día las: comunicaciones digi ales co-
di icadas a a és de sa éli es alqui-
lados
[6,7];
las
adiodi usiones
digi ales desde sa éli e a ie a [7]; las
comunicaciones mó iles u ilizando
sa éli es y aquellas celula es u ilizando
espec o
ensanchado
y
écnicas
CDMA [9,10]
yen
el caso de sopo e
ísico, las ansmisiones óp icas u ili-
zando ib as monomodo y de ecciones
cohe en e o po pola ización [11].
Todos los sis emas an e io es has sido
y son diseñados pa iendo de simula-
ciones como p ime a ap oximación a
los p oblemas que plan ean. No es
posible el in en o de esolución de
dichos p oblemas sin la u ilización de
simulado es con unas ca ac e ís icas
muy iables y con as adas, como son:
una buena modelización; iempos de
simulación lo mas co os posibles;
e aluaciones
iables;
sopo es
in o má icos con baja complejidad
pa a el diseñado /analis a; e c.
El
simulado TOPSIM es
uno le los que sa is acen ca ac e ís i-
cas como las indicadas an es y en lo
que sigue se hacen algunos comen a-
ios e indicaciones bibliog á icas pa a
el lec o in e esado.
En
el campo de las comuni-
caciones digi ales codi icadas ía sa-
éli e, el p oblema p incipal es el di-
seño de ecep o es e enales que
puedan ecibi in o mación a eloci-
dades del o den de 120Mbi /sg. Un
sis ema que acili e un enlace e enal
52
con al capacidad exige un modelo de
ansmisión codi icada muy comple-
jo
(del o den de
25
bloques con abili-
zando
codecs
TCM,
il os,
alinealidades, p ocesado de Vi e bi,
señales in e e en es, bloques gene a-
do es TDMA, sinc onizado es espe-
ciales, e c.). Resul ados pa a usos in-
dus iales ( ealización de ci cui os
VLSI) pueden encon a se en la e e-
encia [6-pag. 103].
Las adiodi usiones digi ales
desde sa éli e plan ean p oblemas
añadidos a los comen ados en los pá-
a os an e io es en cuan o se e ie e a
la posibilidad de ecibi señales codi-
icadas en mó iles desplazándose en
di e en es ambien es e es es. Aquí
la simulación debe con empla un,
p oblema muy ac ual: la modelización
del canal de adiocomunicación mó-
il con p esencia de des anecimien o
y ocul ación de señal(
«shadowing» )
cuando el ansmiso es a si uado en
el sa éli e
de
la ie a. Recibi señales
digi ales a 256Kbi /sg en un mó il
e enal u ilizando modulaciones
digi ales codi icadas es hoy en día un
desa ío oda ía no esuel o sa is ac-
o iamen e. Algunos esul ados pue-
den consul a se en la e e encia [7]
donde se ha analizado un modelo de-
sa ollado
po
ESA
u ilizando
TOPSIM-IV.
El
ema de las comunicacio-
nes mó iles e es es (pe sonales o
en in e io es de edi icaciones) o e e-
nales (bajo la pe spec i a de la eleco-
municación espacial) es á ligado
undamen almen e a es aspec os: el
ipo de señal codi icada a u iliza ; el
ipo de acceso en la con igu ación de
una ed de comunicaciones y la banda
de adiocomunicación que se usa. Los
modelos de señal codi icada son si-
mila es a los ya comen ados; el ipo de
acceso
po
di isión
de
código
(CDMA) es una buena al e na i a po
la expe iencia ya acumulada y, el
modelo de canal es mo i o de ue es
polémicas según cons a en la li e a u a
écnica. De nue o ep es e caso, las
expe iencias indus iales y
de
la ESA
si en de pun o de e e encia de como
se a an es os p oblemas median e
simulaciones TOPSIM [10].
Una úl ima conside ación es
la dedicada a la ansmisión digi al
u ilizando esquemas de modulación
óp ica cohe en e a a és de ib as
óp icas monomodo. Es e ipo
de
sis e-
mas o ece sus mayo es complicacio-
nes en el conjun o canal de ansmi-
sión/ ecep o . Los esquemas conoci-
dos deASK,FSK,
PSKyDPSKes án
dando paso a.nue os esquemas de
modulación
que
u ilizan
la
pola ización de la luz como base pa a
ex ae unos pa áme os (pa áme os
de S okes) que pe mi an cons ui
nue os
ecep o es
cohe en es
y
he e odinos. Aquí la simulación se
hace necesa ia dadas las ca ac e ís i-
cas an di e en es de los posibles e-
cep o es de señal digi al pa a las capa-
cidades usuales en es os sis emas (600
Mbi /sg a 1,2 Gbi /sg)[ll].
A modo
de
conclusión
La
simulación digi al de
sis emas de comunicación ( ansmi-
sión) es una he amien a que u iliza
medios in o má icos (incluida la in-
o má ica g á ica
de
« en anas») y
que debe in e esa a las pe sonas que
se ocupen/ocupa án del diseño/aná-
lisis
de
sis emas que sopo en cua-
lesquie a se icios
de
Telecomunica-
ción o Telemá icos.
Los simulado es ac uales
es án en con inuo desa ollo a causa
de
las ingenie ías de Comunicaciones
e In o má ica, espec i amen e. No
obs an e, la impo ancia
de
los mismos
eside en el cómo se esuel e el p o-
blema de la modelización de los di-
e sos sis emas, y no an o en la can-
idad de bloques que pueda ene un
simulado . El usua io debe ene en
cuen a,
que
las
di icul ades
in o má icas son sopo ables si la
modelización es b illan e y sencilla
( di ícil a ea). En de ini i a, un pa-
que e de simulación se á muy ú il si
los modelos incluidos han sido elegi-
dos con enien emen e y se adecúan a
las si uaciones eales que se p e en-
den ep oduci .
JOSÉ A. DELGADO-
PENÍN es ca ed á ico de
Teo ía de la señal y
comuniciones.
Ha
in es i-
gado y enseñado en
di e sas uni e sidades
ex ange as.
Los especiales de
BURAN
En
a as
de
un
expansionismo sin lími es, la
Bu an deja la pue a abie a a
aquellos que deseen ealiza su
p opio Bu an Especial ... ¿Inc eí-
ble? No, odo lo que hay que ene
son las ganas, el iempo, y la po-
sibilidad de desa oya un ema
especí ico.
Los
miemb os que ac-
ualmen e abajamos en la e is-
a, ayuda íamos a inancia , y a
elabo a la publicación. Siendo los
au o es del especial los enca ga-
dos de busca los a ículos, eali-
za la po ada , edi a la e is a
y,
po supues o, de con ola la cali-
dad del con enido del especial
BURAN, e iden emen e den o de
sus posibilidades.
La
ex ensión del especial
se ía de 50 a 60 páginas, con po -
ada a dos colo es, y un núme o a
de e mina de g á icas y o og a-
ías (las que se pudiesen paga ).
53
El
g upo puede se an o
un depa amen o como un con-
jun o de amigos con una misma
a ición, con colabo aciones ex e -
nas (o as uni e sidades).
El
plazo, en e la p esen-
ación del g upo y la publicación
del núme o, es de seis meses, pa a
e i a que pudiese obs aculiza el
abajo de o os g upos in e esa-
dos; si no se pudie a cumpli el
plazo, los a ículos del especial
pasa án a o ma pa e del ondo
del BURAN egula , pa a su pos-
e io publicación.
Los dis in os especiales
han de man ene , en la medida de
lo posible, el o ma o ac ual de la
e is a, con ello se p e ende e i a
que los se es humanos
COn
menos
medios (es udian es) se ean dis-
c iminados po la (p e isible)
as uosidad con que los depa a-
men os que án ealiza sus espe-
ciales.