DISCUSSION

Ishii (2012) propone dos tipos de configuraciones de separación del plano de control y el plano de usuario para Phantom cell: con el procesamiento banda base en un nodo y el procesamiento banda base en nodos separados. Teniendo en cuenta las ventajas que trae consigo la configuración de separación del plano de usuario y el plano de control con nodos

separados, entre ellas el soporte de la escalabilidad del sistema, se selecciona como la configuración más eficiente para la implementación de Phantom cell. Para un total beneficio de esta configuración necesitan ser satisfechos los siguientes requisitos:

- El radioenlace de Phantom cell requiere un nuevo tipo de portadora (en el espectro de las altas frecuencias).

- El plano de control de la Phantom cell es manejado por el Macro Nodo en un modo amo-esclavo.

- El procesamiento en banda base de la Phantom cell no tiene que estar localizado en el Macro Nodo.

- El plano de usuario de la Phantom cell requiere un nuevo trayecto de datos (backhaul) para el núcleo de red.

3.2.2 Massive MIMO

El uso de la tecnología Massive MIMO con un gran número de elementos de antena es una solución potencial para explotar la banda de las altas frecuencias. En sistemas prácticos, considerando el tamaño del arreglo de antena para los eNB, es más probable el uso de arreglos de antenas esféricas, cilíndricas y rectangulares. Para una realización eficiente de Massive MIMO necesitan ser satisfechos los siguientes requisitos:

- Requiere radicalmente diferentes estructuras de estaciones base con cientos de antenas diminutas alimentadas por amplificadores de baja potencia.

De acuerdo con Luther(2014) la propuesta de Massive MIMO implica hasta cientos de antena por estación base. Además DOCOMO(2014b) propone el uso de dicha tecnología para explotar la banda de las altas frecuencias, lo que implica que la distancia entre los elementos de antena puede ser miniaturizada y un mayor número de elementos de antena pueden ser co-located. De ahí que se pueda afirmar que la implementación de Massive MIMO requiere radicalmente diferentes estructuras de estaciones base donde, en lugar de algunos amplificadores de alta potencia

alimentando unas pocas antenas del sector, tendríamos cientos de antenas diminutas alimentadas por amplificadores de baja potencia.

- Modo de operación TDD para manejar el encabezado piloto para un gran número de antenas.

Larsson(2014) plantea que en Massive MIMO no es factible el envío de pilotos UL y DL para obtener información del estado del canal debido a que como escala el número de antenas, se requeriría hasta 100 veces más de recursos tiempo-frecuencia para cada enlace que en un sistema convencional. Además plantea que generalmente la solución es operar en modo TDD, aunque la operación FDD puede ser posible en ciertos casos.

Se conoce que entre las señales de referencia transmitidas en el UL en LTE se encuentra Sounding Reference Signals (SRS) dirigidas a ser usadas por la estación base para la estimación del estado del canal para el soporte de la planificación dependiente del canal UL y la adaptación del enlace. Las SRS también pueden ser usadas para estimar el estado del canal DL asumiendo suficiente reciprocidad UL/DL. Esto es de especial interés en el modo de operación TDD, donde la operación del UL y el DL es sobre la misma frecuencia portadora lo que implica un grado más alto de reciprocidad UL/DL.

Teniendo en cuenta esto, se propone como un requisito para la implementación de Massive MIMO el modo de operación TDD para manejar el encabezado piloto para un gran número de antenas entre UL y DL asumiendo reciprocidad del canal. La reciprocidad del canal permite obtener información del estado del canal obtenidos de las pilotos UL para ser usadas en el precodificador DL.

- La implementación de métodos para disminuir la contaminación piloto tales como, nuevas técnicas de pre-codificación o algoritmos de estimación del canal que puedan mitigar o eliminar el efecto de la contaminación piloto.

Las transmisiones pilotos pueden ser realizadas de forma ortogonal entre usuarios de una misma celda, para facilitar las estimaciones de canal limpias, pero deben ser

reutilizadas en otras celdas, pues de otra forma, los recursos disponibles terminarían consumidos por pilotos. De acuerdo con Andrews (2014) el efecto de reúso de pilotos de una celda en otra y las consecuencias negativas asociadas es denominado como contaminación piloto. Por otra parte Larsson(2014) plantea que la contaminación piloto es un fenómeno básico que no es realmente específico de Massive MIMO, pero es un efecto que en Massive MIMO aparece mucho más profundo que en MIMO clásico y propone varios métodos que pueden ser ejecutados para disminuir su efecto.

Considerando la inevitable interferencia entre pilotos en diferentes celdas y el hecho de que esto limita la calidad de las estimaciones del canal, además teniendo en cuenta las soluciones planteadas por Larsson(2014) se propone la implementación de métodos para disminuir la contaminación piloto tales como, nuevas técnicas de pre-codificación o algoritmos de estimación del canal que puedan mitigar o eliminar su efecto, como un requisito fundamental para la implementación de Massive MIMO.

Según Zheng(2014) dos tipos de modelos de canal, llamados Modelos Estocásticos Basados en Correlaciones (CBSMs) y Modelos Estocásticos Basados en Geometrías (GBSMs) son ampliamente usados para evaluar el desempeño de los sistemas de comunicaciones inalámbricas.

Los CBSMs son principalmente usados como modelos teóricos para evaluar el rendimiento de los sistemas Massive MIMO y pueden estar simplificados en tres clases, llamados, modelos de desvanecimiento de Rayleigh, modelo de correlación y modelo de acoplamiento mutuo.

Los GBSMs son principalmente usados para evaluar el rendimiento de sistemas de comunicaciones inalámbricos en la práctica y pueden ser clasificados en dos tipos, llamados, modelos 2D y modelos 3D. El modelo de canal 3D de Massive MIMO es un tema abierto, que necesita más investigación para mejoras en los siguientes pasos.

Basado en que el modelo de canal es fundamental para el análisis teórico y la evaluación del desempeño, así como para el diseño de los sistemas Massive MIMO se debe tener en cuenta:

- El modelo de desvanecimiento de Rayleigh y su propiedad más importante, la propagación favorable, puede no solo mejorar el desempeño, sino que también puede simplificar el algoritmo de diseño de los sistemas Massive MIMO.

- El modelo de correlación refleja la correlación de la antena causada fundamentalmente por el espaciamiento insuficiente de la misma.

- El modelo de acoplamiento mutuo permite analizar el efecto del espaciamiento de la antena sobre el desempeño de Massive MIMO teniendo en cuenta la impedancia mutua, la impedancia de la carga y la impedancia de la antena.

- El modelo 2D y el modelo 3D para evaluar el rendimiento. Cuando el arreglo es de antena lineal es empleado el modelo de canal 2D y si la configuración del arreglo de antena en el eNB es esférica, cilíndrica o rectangular es empleado el modelo de canal 3D.

3.2.3 Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA)

La nueva técnica de Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) permite a los usuarios compartir una subportadora teniendo en cuenta un valor límite de usuarios por subportadora. Para su implementación deben ser satisfechos los siguientes requisitos:

- El UE-i puede remover la interferencia inter-usuario del UE-j solo si |hj|2/N0,jes menor que |hi|2/N0,i siendo hi el coeficiente de canal entre el UE-i y la estación base y N0,i la densidad de potencia de ruido Gaussiano en el receptor incluyendo la interferencia inter-celda.

Saito(2014) propone la implementación de NOMA aplicando Cancelación de Interferencia Sucesiva en el receptor. Aplicar dicha técnica requiere de un orden de decodificación. Según el propio Saito(2014) el orden óptimo para la decodificación es el orden de incremento de la ganancia del canal normalizada por la potencia de

ruido y la interferencia inter-celda (|hi|2/N0,i). De ahí que se pueda afirmar que para la implementación de NOMA aplicando SIC en el receptor se debe tener en cuenta que el UE-i puede remover la interferencia inter-usuario del UE-j solo si |hj|2/N0,j es menor que |hi|2/N0,i .

- Asignación de potencia con ahorro de potencial en encabezado de señalización mediante técnicas tales como, grupos de usuario predefinidos y una asignación de potencia fija por grupo (FPA).

De acuerdo con Benjebbour(2014) para la asignación de potencia la técnica FSPA resulta computacionalmente compleja y con TPA dinámico, el encabezado de señalización asociado con el orden de decodificación SIC y los radios de asignación de potencia incrementa significativamente. No obstante también plantea que una variante que permite el ahorro de potencial en encabezado de señalización y simplifica la asignación de potencia es usar grupos de usuario predefinidos y una asignación de potencia fija por grupo (FPA).

Teniendo en cuenta que en NOMA se requiere una asignación de potencia eficiente debido a que la diferencia de ganancias del canal se traduce en ganancias de multiplexación mediante la superposición en el dominio de potencia de las señales transmitidas de múltiples usuarios con diferentes ganancias de canal, se propone la utilización de grupos de usuario predefinidos y una asignación de potencia fija por grupo (FPA) como requisito para la implementación de NOMA aplicando SIC en el receptor.

Desde el punto de vista del transmisor, el esquema NOMA propuesto es igual al utilizado para OFDMA, sin embargo en el receptor necesitan ser satisfechos los siguientes requisitos:

- Cancelación de Interferencia Sucesiva (SIC) usada para la cancelación de interferencia entre usuarios pertenecientes al grupo al que se le aplicó la misma precodificación.

- Interference Rejection Combining (IRC) usada para cancelación de interferencia entre grupos de UE a los cuales se le aplicó diferente precodificación.

Conclusiones del capítulo

Las principales soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación Phantom cell, Massive MIMO y NOMA se muestran como soluciones potenciales para soportar la escalabilidad del sistema. Se propone para la implementación de Phantom cell tener en cuenta un nuevo tipo de portadora, que el plano de control sea manejado por el Macro Nodo en un modo amo-esclavo y un nuevo trayecto de datos entre la Phantom cell y el núcleo de red. Se propone para la implementación de Massive MIMO tener en cuenta el modo de operación TDD para manejar el encabezado piloto para un gran número de antenas y la implementación de métodos para disminuir la contaminación piloto. Se propone para la implementación de NOMA tener en cuenta técnicas tales como, grupos de usuario predefinidos y una asignación de potencia fija por grupo (FPA), y Cancelación de Interferencia Sucesiva e Interference Rejection Combining en el receptor.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Con la realización de este trabajo de diploma se arriban a las siguientes conclusiones: - LTE-Advanced logra una eficiencia espectral pico de 30 b/s/Hz utilizando MIMO

8x8 en el enlace descendente y 15 b/s/Hz utilizando MIMO 4x4 en el enlace ascendente, además alcanza una razón de transferencia de datos de hasta 1Gbps para baja movilidad y de hasta 100 Mbps para alta movilidad utilizando agregación de portadoras.

- Las tendencias del mercado más significativas en los servicios móviles en la actualidad, la llamada Internet of Things (IoT) así como servicios de redes inalámbricas más extensos, imponen requisitos tales como: un incremento de 100 veces en la razón de transferencia de datos, una latencia de aproximadamente 1ms, un incremento de 10 -100 veces en el número de dispositivos y un incremento del tráfico de 1000-5000 veces, que conducen hacia la necesidad de una red móvil 5G. - La solución Phantom cell con la configuración de separación del plano de control y

el plano de usuario con nodos separados se muestra como una alternativa factible para soportar la escalabilidad del sistema y la integración de las bandas de las altas frecuencias y las bajas frecuencias.

- La solución Massive MIMO con un gran número de elementos de antena permite incrementar la eficiencia espectral y su aplicación en las frecuencias mmWave se presenta como una solución potencial que permitirá una razón de transferencia de datos más alta mediante el uso de mayores anchos de banda.

- La nueva técnica de Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) con SIC en el receptor que explota las diferencias de ganancia de canal entre los usuarios se presenta como

una solución potencial que permite a los usuarios compartir una subportadora, permitiendo ganancias significativas en la capacidad del sistema utilizando la banda de las bajas frecuencias.

- Se propone para la implementación de Phantom cell tener en cuenta un nuevo tipo de portadora, que el plano de control sea manejado por el Macro Nodo en un modo amo-esclavo y un nuevo trayecto de datos entre la Phantom cell y el núcleo de red.

- Se propone para la implementación de Massive MIMO tener en cuenta el modo de operación TDD para manejar el encabezado piloto para un gran número de antenas y la implementación de métodos para disminuir la contaminación piloto.

- Se propone para la implementación de NOMA tener en cuenta técnicas tales como, grupos de usuario predefinidos y una asignación de potencia fija por grupo (FPA), y Cancelación de Interferencia Sucesiva e Interference Rejection Combining en el receptor.

- Se propone para las simulaciones de sistemas Massive MIMO el modelo de desvanecimiento de Rayleigh para simplificar el algoritmo de diseño, el modelo de correlación para reflejar la correlación de la antena, el modelo de acoplamiento mutuo para analizar el efecto del espaciamiento de la antena sobre el desempeño de Massive MIMO teniendo en cuenta la impedancia mutua, la impedancia de la carga y la impedancia de la antena, y el modelo 2D y el modelo 3D para evaluar el rendimiento.

Recomendaciones

A partir de todo lo expuesto anteriormente se realizan las siguientes recomendaciones: - Se recomienda utilizar los modelos de canal propuestos en el proceso de

modelación y simulación de sistemas Massive MIMO.

- Dar seguimiento al estudio de este trabajo dado que estas soluciones de tecnologías de acceso de radioactualmente están en desarrollo.

- Consultar el presente trabajo como guía para la búsqueda y estudio de los procedimientos y técnicas capaces de satisfacer las especificaciones propuestas para la implementación de dichas tecnologías de acceso de radio.

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