La tecnología inalámbrica está creciendo rápidamente para lograr una conectividad ubicua, dondequiera que se encuentre. Este documento técnico analiza las tendencias y desafíos de diseño de la conectividad inalámbrica, y cómo utilizar MATLAB® y Simulink® para diseñar, modelar, simular y probar redes inalámbricas modernas.
Las telecomunicaciones permiten conectividad a internet de alta velocidad, llamadas telefónicas móviles y conexión a Internet of Things (IoT) en fábricas inteligentes. Esta conectividad ubicua es posible gracias a múltiples tecnologías inalámbricas, redes globales de área amplia (enlaces satelitales), redes de área amplia basadas en telefonía celular (5G y 5G Advanced), redes locales Wi-Fi® y redes de área personal como Bluetooth® y ZigBee®.
Figura 1. La conectividad ubicua es el objetivo de las telecomunicaciones, que involucra diferentes tipos de redes inalámbricas.
MATLAB y las toolboxes de telecomunicaciones permiten diseñar, modelar, simular, probar, validar y prototipar sistemas de conectividad inalámbrica. Los equipos de telecomunicaciones pueden utilizar estos productos para generar y analizar formas de onda basadas en estándares, realizar mediciones de rendimiento en nivel de enlace y crear modelos de referencia de alto nivel para verificar la conformidad con estándares. Los flujos de trabajo de desarrollo comprenden la creación de prototipos de algoritmos de transceptores en MATLAB o en HDL, con plataformas de radio definida por software (SDR) pertinentes. Los ingenieros también pueden simular y analizar la coexistencia de múltiples sistemas inalámbricos que pueden interferir entre sí. Las funciones de la toolbox son completamente personalizables, lo que permite acelerar las implementaciones y explorar las últimas tendencias en tecnologías satelitales, 5G, WLAN y Bluetooth.
En las siguientes secciones, exploraremos diversas tecnologías de conectividad ubicua junto con los estándares relevantes, desafíos y recursos que permiten modelar, simular, analizar, diseñar y probar estas redes.
Conectividad celular (de 5G a 5G Advanced a 6G)
El organismo de normalización responsable de las comunicaciones móviles celulares es 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Desde el comienzo de este siglo, 3GPP se ha encargado de estandarizar los sistemas y redes 3G, 4G (LTE), 5G y 5G Advanced. Recientemente, 3GPP ha comenzado a estandarizar la 6G, la próxima generación de sistemas de comunicaciones móviles.
Patrón de radiación de un array en fase terrestre.
5G NR está diseñado para soportar tres casos prácticos:
- Banda ancha móvil optimizada: Ofrece velocidad de datos y capacidad de red notablemente superiores en comparación con las generaciones anteriores (LTE)
- Comunicación ultra confiable de baja latencia: Ofrece fiabilidad y capacidad de respuesta en tiempo real esenciales para aplicaciones críticas en materia de seguridad como telemedicina, ciudades inteligentes y fábricas inteligentes
- Comunicaciones masivas de máquina a máquina: Permite el despliegue a gran escala de IoT con millones de dispositivos conectados
5G Advanced trasciende 5G y comprende los siguientes casos prácticos:
- Conectividad ubicua: La integración con redes satelitales para cobertura global utiliza satélites y plataformas de gran altitud para extender la cobertura 5G a zonas rurales, océanos y espacio aéreo.
- Detección y comunicación integradas (ISAC): Las redes pueden realizar simultáneamente comunicación y detección de su entorno, ofreciendo localización y seguimiento de alta precisión.
- Integración de inteligencia artificial (IA) y Machine Learning: IA y Machine Learning están integrados en toda la red para habilitar la asignación dinámica de recursos, optimización predictiva y adaptabilidad en tiempo real, lo que hace que una red inalámbrica sea más eficiente.
Los sistemas 6G, actualmente en desarrollo, ampliarán las prestaciones de 5G Advanced. La UIT está trabajando en el documento IMT-2030 para la próxima generación de sistemas 6G, que comprende IA integrada y comunicaciones, ISAC, cobertura ubicua con redes no terrestres (NTN) y diseño de redes ecológicas de bajo consumo energético.
Tema destacado: 5G Toolbox
Simule enlaces y sistemas 5G NR con formas de onda basadas en estándares, actualizadas con cada versión de 3GPP. Genere formas de onda, realice simulaciones en nivel de sistema, pruebas de conformidad y mucho más con MATLAB.
5G Toolbox también soporta técnicas de optimización inalámbrica impulsadas por IA y cuenta con 6G Exploration Library para el prototipado de tecnologías prometedoras de próxima generación.
Desarrollar sistemas y redes eficientes de 5G Advanced y 6G es un desafío y plantea requisitos de diseño rigurosos para alcanzar nuevas posibilidades de uso. MATLAB y sus herramientas basadas en estándares, que comprenden 5G Toolbox™, se pueden emplear para simular en nivel de enlace y sistema. 5G Toolbox se mantiene al día con las actualizaciones de estándares 5G en cada versión de 3GPP, lo que simplifica la verificación de diseño y pruebas de conformidad con estándares.
"6G está explorando sustituir bloques enteros de la cadena de procesamiento de señales, estimación de canal y ecualización, con modelos de Machine Learning entrenados".
Integración de IA nativa con Machine Learning:
- El diseño de capa física (PHY) debe dar cabida a IA y Machine Learning para mejorar el rendimiento de la estimación de canal, la gestión de haces y la optimización de la red. A diferencia del 5G, que utiliza principalmente IA para la optimización, 6G está explorando sustituir bloques enteros de la cadena de procesamiento de señales, estimación de canal y ecualización, con modelos de Machine Learning entrenados. Este enfoque aspira a crear una capa PHY totalmente con IA.
- Explore estos conceptos más a fondo con estos ejemplos de MATLAB:
MIMO masivo optimizado y sin celdas:
- Diseñar sistemas MIMO masivos aún más avanzados requiere gestionar arrays de antenas más amplios y algoritmos de beamforming más complejos. La capa PHY debe gestionar la mayor carga operativa de procesamiento y señalización asociada con configuraciones de antenas de mayor dimensión. Otra área de desarrollo desafiante es la arquitectura sin celdas propuesta para los sistemas 6G, donde los usuarios se conectan simultáneamente a múltiples puntos de acceso distribuidos.
- Explore estos conceptos más a fondo con estos ejemplos de MATLAB:
ISAC:
- Los sistemas ISAC requieren que la capa PHY soporte simultáneamente funciones de comunicación y de detección precisa. Esto implica que ambas funciones utilizan las mismas formas de onda, operan a la misma frecuencia y emplean el mismo hardware sin degradar el rendimiento. Se prevé que ISAC será un componente central de los sistemas 6G, orientado a lograr una precisión en nivel de centímetros del posicionamiento y detección del entorno de alta resolución.
- Explore estos conceptos más a fondo con estos ejemplos de MATLAB:
"En la actualidad, existen más de 8000 satélites de comunicación en órbita alrededor del planeta que ofrecen aplicaciones de transmisión por televisión y radio, navegación, telemetría, captura de imágenes y teledetección, y el número sigue aumentando".
Las comunicaciones satelitales, y específicamente las NTN, están surgiendo como importantes tecnologías fundamentales para la conectividad ubicua. En la actualidad, existen más de 8000 satélites de comunicación en órbita alrededor del planeta que ofrecen aplicaciones de transmisión por televisión y radio, navegación, telemetría, captura de imágenes y teledetección, y el número sigue aumentando. Los satélites de comunicación generalmente se clasifican en tres categorías orbitales: geoestacionarios (GEO), órbita terrestre media (MEO) y órbita terrestre baja (LEO).
El uso de constelaciones de satélites LEO para la conectividad inalámbrica es una tendencia emergente. Con una altitud orbital entre 160 a 1000 km sobre la superficie terrestre, estos sistemas están destinados a proporcionar conectividad a internet de alta velocidad en cualquier lugar del planeta. Por ejemplo, el sistema Starlink ya cuenta con miles de satélites en órbita, con planes de lanzar miles más.
Tema destacado: Satellite Communications Toolbox
Satellite Communications Toolbox de MathWorks proporciona herramientas para diseñar, simular y verificar sistemas de comunicación satelital, propagación orbital, análisis de presupuesto de enlace y generación de formas de onda para los estándares DVB-S2/S2X/RCS2, GPS, Galileo, NavIC y CCSDS.
El despliegue de sistemas de comunicación satelital es complejo, costoso y conlleva altos riesgos. Existen desafíos clave en las áreas de lanzamiento y despliegue, seguridad y elasticidad, modelos económicos y empresariales, y consideraciones ambientales. Esta sección, se presentan los desafíos específicos de comunicación junto con ejemplos relevantes en MATLAB para solucionarlos:
Desafío: Planificación de misiones y cumplimiento normativo
- Asegurar posiciones orbitales y frecuencias a través de la UIT y reguladores nacionales
- Coordinación para evitar interferencias con sistemas existentes
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Diseño técnico e integración
- Cierre del presupuesto de enlace en condiciones atmosféricas variables, como atenuación por lluvia y centelleo, que pueden degradar la intensidad de la señal
- Las antenas deben proporcionar una alta ganancia y un beamforming preciso, cumpliendo al mismo tiempo con las restricciones de tamaño, peso y potencia.
- Complejidad de la carga, por ejemplo, procesadores digitales, arquitecturas regenerativas frente a arquitecturas bent-pipe
- Enlaces intersatelitales y sincronización/temporización para grandes constelaciones
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Rendimiento en entornos exigentes
- Atenuación atmosférica en bandas más altas (Ka, Q/V) y necesidad de codificación/modulación adaptativa, control de potencia en enlace ascendente y diversidad de sitios
- Restricciones de latencia frente a elección de órbita (tradeoffs entre LEO/MEO/GEO)
- El efecto Doppler y los traspasos frecuentes en redes LEO implican que el salto de haces y la planificación de recursos son indispensables para mantener una conectividad fluida
Ejemplos de MATLAB:
Figura 2. La constelación de satélites LEO NTN cuenta con funcionalidad de enrutamiento entre satélites.
Wi-Fi es la tecnología inalámbrica más ampliamente utilizada en el mundo. Las redes Wi-Fi proporcionan conectividad a internet en residencias, lugares de trabajo, durante viajes, en aeropuertos, estadios y otros lugares públicos. Las redes Wi-Fi operan conectando los dispositivos de usuarios a un punto de acceso (AP) enrutador basado en estándares IEEE 802.11. Estos estándares de redes de área local inalámbricas (WLAN) especifican las capas PHY y las capas de control de acceso al medio (MAC) del modelo OSI.
"Wi-Fi 8 (802.11bn) está diseñado para una mayor fiabilidad, por ejemplo, en fabricación o cirugía asistida por robots. Wi-Fi 7 (802.11be) ofrece velocidades más altas y utiliza anchos de banda de frecuencia más amplios".
Wi-Fi 6, 7 y 8 son las últimas tecnologías WLAN diseñadas para una conectividad a internet confiable y de alta velocidad.
- Wi-Fi 6 (802.11ax) ofrece un rendimiento superior en entornos densos mediante tecnologías de acceso múltiple como OFDMA y MU-MIMO.
- Wi-Fi 7 (802.11be) está diseñado para velocidades más altas y utiliza anchos de banda de frecuencia más amplios (hasta 320 MHz), con velocidades máximas de transmisión de hasta 46 Gbps.
- Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) está en desarrollo y se centra en priorizar una fiabilidad ultraalta, menor latencia y rendimiento uniforme.
Desarrollar sistemas y redes Wi-Fi eficientes presenta desafíos y plantea requisitos de fiabilidad, manejo de la congestión de red y coexistencia con otras redes. MATLAB ayuda a simular muchos de estos escenarios complejos y explorar soluciones en el espacio de diseño.
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Coexistencia de Bluetooth y Wi-Fi
Los dispositivos Bluetooth en la banda de frecuencia de 2.4 GHz y los dispositivos Bluetooth de baja energía (BLE) en la banda de 6 GHz pueden interferir con las redes Wi-Fi. La interferencia entre Bluetooth y WLAN puede mitigarse con mecanismos de coexistencia colaborativos y no colaborativos.
- Los mecanismos de coexistencia no colaborativos no realizan un intercambio de información entre dos redes inalámbricas.
- Los mecanismos de coexistencia colaborativa colaboran y realizan un intercambio de información relacionada con redes entre dos redes inalámbricas.
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Mejorar el rendimiento en entornos congestionados
En entornos densos,como estadios y centros de conferencias, muchos dispositivos se conectan simultáneamente a redes Wi-Fi. Esto puede disminuir la capacidad total de la red y sobrecargar las asignaciones de recursos en los puntos de acceso (AP). Wi-Fi 6, 7 y 8 emplean varias técnicas adoptadas de la tecnología celular móvil para mejorar el rendimiento con una mayor densidad de usuarios y dispositivos:
- Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA): Divide un canal en subcanales más pequeños para atender a múltiples dispositivos simultáneamente
- Múltiples entradas y múltiples salidas multiusuario (MU-MIMO): Permite que un punto de acceso envíe y reciba datos de varios dispositivos utilizando el mismo recurso de tiempo y frecuencia
- Formato ascendente basado en activador: Desplaza el tráfico de enlace ascendente de un sistema tradicional de Wi-Fi no coordinado y basado en contención a un sistema coordinado con precisión y programado
- Calidad de servicio (QoS): Prioriza aplicaciones críticas como la voz y videoconferencias mediante ajustes de QoS
- Reutilización espacial con coloreado del conjunto de servicios básico (BSS)
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Interferencia de canales
Cuando múltiples estaciones de Wi-Fi transmiten en la misma frecuencia, puede producirse interferencia de canales, lo que causa colisiones de paquetes y una reducción en el rendimiento. Para reducir la interferencia se puede emplear:
- Transmisión ascendente basada en activador, que ofrece una programación coordinada para cada dispositivo
- Antenas direccionales (MU-MIMO) enfocadas en señales Wi-Fi donde se necesitan
- Anchos de banda de canal reducido
- Planificación de canales no solapados en la banda de 2.4 GHz
Ejemplos de MATLAB:
Otras prestaciones de Wi-Fi:
Detección por Wi-Fi
Integración con IA
Adopción de red de malla
Aceleración de la ingeniería inalámbrica con MATLAB y Simulink
MathWorks está dedicada a acelerar el progreso de la ingeniería y las ciencias. MATLAB® y Simulink® ofrecen herramientas de modelado, simulación, pruebas e implementación que aumentan la eficiencia y aceleran el diseño de telecomunicaciones.
Cada toolbox y producto mencionado en el informe se mantiene en conformidad con las últimas tendencias de la industria. Ya se trate de un prototipo de receptor 6G creado con IA o la validación de un diseño Bluetooth 6, los productos de MathWorks acortan la distancia entre el concepto y el hardware.
Bluetooth es una tecnología inalámbrica de corto alcance utilizada para el intercambio de datos entre dispositivos a distancias cortas. El estándar Bluetooth fue diseñado por Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). Bluetooth 6, anunciado en 2024, introdujo el sondeo de canales, que puede realizar estimaciones de alcance extremadamente precisas entre nodos Bluetooth.
Espectro y espectrograma de la coexistencia de Bluetooth/WLAN.
El estándar Bluetooth Classic especifica dos modos de PHY: tasa básica (BR) y tasa de datos optimizada (EDR). Además, el estándar BLE se centra en aplicaciones en los sectores de atención médica, ejercicio físico, seguridad y entretenimiento residencial. Los sistemas Bluetooth también pueden realizar localización utilizando tecnologías de triangulación y trilateración.
Esta sección describe los principales desafíos de despliegue de dispositivos y redes Bluetooth, junto con ejemplos relevantes en MATLAB para solucionarlos.
Desafío: Planificación de radio y coexistencia
- La banda de 2.4 GHz no licenciada está saturada con señales de Wi-Fi, microondas y Zigbee, lo que genera interferencias, multitrayectorias y competencia por el ciclo de trabajo.
- El salto de frecuencia adaptativo (AFH) ayuda, pero los entornos de RF densos aún degradan el rendimiento, la latencia y la fiabilidad.
- La desintonización de la antena debido a recintos o proximidad de personas puede reducir el alcance. En este caso, un diseño de RF bien pensado, zona de exclusión y ajuste refinado son esenciales.
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Topología, escalabilidad y rendimiento
- Las piconets de Bluetooth clásico (BR/EDR) tienen conexiones activas limitadas. La programación de enlaces de transporte lógico orientado a conexión asincrónica (ACL) puede convertirse en un cuello de botella.
- Los límites de conexión de baja energía por puerta de enlace/teléfono y las restricciones del intervalo de conexión ponen un tope a la escalabilidad y la capacidad de respuesta.
- La malla Bluetooth se escala a miles de nodos; sin embargo, la difusión gestionada aumenta el tiempo de ocupación del canal, las colisiones y el consumo de batería. Se requiere un tratamiento cuidadoso del tiempo de vida (TTL), la retransmisión y la configuración de friend/LPN.
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Localización
- Inestabilidad del indicador de intensidad de señal recibida (RSSI)
- Requisito basado en el ángulo de arrays de antenas
- Sincronización y calibración en magnitud, fase y tiempo
- Interferencia y disponibilidad del canal
Ejemplos de MATLAB:
Figura 3. El sondeo de canales Bluetooth se utiliza para seguir activos, poniendo de manifiesto la trayectoria del activo y las notas del localizador Bluetooth (triángulos azules y amarillos).
Esta sección describe los principales desafíos en el diseño de transceptores basados en estándares para sistemas inalámbricos, junto con ejemplos relevantes de MATLAB para solucionarlos.
Características AM/AM de un amplificador no lineal.
EVM a lo largo del tiempo y frecuencia de una forma de onda 5G OTA inalámbrica.
Desafío: Garantizar la conformidad con protocolos estándar para la interoperabilidad de sistemas y dispositivos
- Probar diseños de receptores o estimular circuitos integrados de receptores requiere que diseñadores de algoritmos y verificadores de circuitos integrados obtengan formas de onda basadas en estándares degradadas y no degradadas.
- También puede requerir bancos de pruebas de mediciones de la magnitud de vector de error (EVM), la relación de potencia de canal adyacente (ACPR) y la tasa de error de paquetes (PER).
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Optimizar parámetros de sistema integrando algoritmos con decisiones de diseño sobre antenas, arrays y transceptores de RF
- Requiere estudios comparativos sobre tamaño de arrays, tipos de elementos de array y acoplamiento de elementos, lo que conduce a desviaciones del haz, límites de no linealidad de amplificadores de alta potencia (HPA), cifras de ruido de amplificadores de bajo ruido (LNA) y niveles de discordancias de impedancia.
- También puede requerir decisiones de diseño sobre esquemas de modulación y códigos de control de errores.
Ejemplos de MATLAB:
Desafío: Verificar los diseños en prototipos de hardware con pruebas por el aire automatizadas y modelos realistas de canales y distorsiones
- En las primeras etapas del diseño, requiere conectividad entre dispositivos de captura de formas de onda SDR y el software utilizado para prototipar algoritmos de receptor.
- En las etapas posteriores del diseño, podría requerir despliegue de código HDL en arrays de compuertas programables en campo (FPGA).
Ejemplos de MATLAB:
Figura 4. Las etapas del flujo de trabajo inalámbrico comprenden estándares inalámbricos, simulación de antena a bits, implementación en dispositivos y pruebas.
A medida que el mundo avanza hacia una conectividad ubicua, desde 5G Advanced hasta 6G y más allá, la convergencia de las tecnologías celular, satelital, Wi-Fi y Bluetooth está creando un ecosistema de comunicación global unificada. Este artículo técnico ha explorado las tecnologías clave, los estándares y los desafíos que definen este panorama. Ha demostrado que MATLAB y Simulink son productos esenciales para diseñar, simular y validar estos complejos sistemas inalámbricos.
