Paul Harris, Universidad de Brístol
Para 2020, Cisco pronostica que 5.5 mil millones de personas tendrán teléfonos móviles. Tan solo en el Reino Unido, decenas de millones de estos usuarios móviles consumirán 20 GB de datos por mes cada uno y usarán más de 25 dispositivos inteligentes diferentes en sus rutinas diarias. Si tenemos en cuenta las aplicaciones que consumen datos, como los videos 4K, los vehículos sin conductor, las fábricas inteligentes y el acceso de banda ancha que se están expandiendo hasta los lugares más rurales de la Tierra, las actuales redes inalámbricas no pueden manejar este futuro de hiperconexión que se aproxima rápidamente.
Para abordar la demanda sin precedentes de mayores velocidades de datos, mayor capacidad de red y confiabilidad mejorada, los ingenieros e investigadores de la Universidad de Brístol y la Universidad de Lund están utilizando el sistema de prototipos de entrada múltiple, salida múltiple (MIMO) de NI para innovar y avanzar rápidamente en las redes celulares 5G para transformar el futuro de las comunicaciones inalámbricas a través de técnicas de MIMO masivo. El equipo ha demostrado con éxito un aumento de más de 20 veces en la eficiencia del ancho de banda en comparación con las tecnologías celulares 4G actuales, lo que abre nuevas posibilidades para la implementación 5G de bandas sub-6 GHz.
Paul Harris - Universidad de Brístol
Steffen Malkowsky - Universidad de Lund
Desbloquear el potencial de las redes 5G comienza al comprender los beneficios de MIMO masivo. MIMO masivo utiliza un gran número de antenas (más de 64) en una estación base para multiplexar espacialmente. Esto significa que podemos atender a más usuarios en un área densa sin consumir más espectro del radio ni causar interferencias. En otras palabras, MIMO masivo significa menos llamadas caídas, una disminución significativa en las zonas muertas y una transmisión de datos de mejor calidad, todo sin estirar los límites de nuestro espectro de radio cada vez más escaso.
Mejor aún, MIMO masivo promete reducir costos y mejorar la eficiencia energética en comparación con las redes LTE (4G) actuales y brindar mejoras de fiabilidad a través de la redundancia del mayor número de antenas.
El equipo de Brístol y Lund se dispuso a probar la viabilidad de la tecnología de MIMO masivo para ofrecer ganancias de capacidad 10 veces mayores a las futuras redes 5G. Recurrieron a NI para obtener una plataforma de generación de prototipos MIMO extensible con hardware flexible de radio definida por software y software abierto reconfigurable LabVIEW respaldado por la experiencia del grupo de investigación inalámbrica avanzada de NI.
Con el uso del sistema de generación de prototipos MIMO de NI, el equipo pudo concentrarse en aplicar los principios teóricos de MIMO masivo en condiciones del mundo real y probar rápidamente nuevas ideas en su camino hacia la implementación de la primera demostración del mundo en vivo de un banco de pruebas de MIMO masivo en tiempo real de 128 antenas. Utilizando este banco de pruebas de vanguardia, el equipo estableció dos récords mundiales consecutivos en eficiencia espectral. Lograron más de 79 b/s/Hz de eficiencia espectral en un ancho de banda de 20 MHz, enlace por aire totalmente bidireccional, en tiempo real a 3,5 GHz con 12 usuarios simultáneos. Poco después, el equipo amplió el sistema para lograr más de 145 b/s/Hz de eficiencia espectral aumentando el número de usuarios a 22 que comparten el mismo recurso de tiempo-frecuencia.
El sistema de generación de prototipos MIMO de NI es una combinación de hardware comercial de NI con el software LabVIEW. La plataforma actúa como una base sólida para el sistema de baja latencia, alta capacidad y alto rendimiento. El equipo integró casi 100 piezas diferentes de hardware e incluso desarrolló sin problemas toda la aplicación dentro de un solo framework de software. Este enfoque modular, la estrecha integración de software/hardware y la IP de FPGA en tiempo real integrada en LabVIEW le dieron al equipo la solución que necesitaba más rápido de lo previsto y aseguró que los cambios futuros en la plataforma serían rentables y efectivos.
En una colaboración conjunta entre la Universidad de Brístol y el Ayuntamiento de Brístol llamada Bristol is Open, el equipo de Brístol planea implementar su enorme banco de pruebas MIMO en una azotea dentro de los límites de la ciudad y conectarse a su red de fibra óptica; por lo tanto, abre la posibilidad de realizar más investigaciones sobre el impacto real de esta tecnología en la sociedad. Eventualmente, Brístol dividirá el sistema en cuatro subsistemas de 32 antenas, utilizando la red de fibra para implementar una configuración distribuida de MIMO masivo. Básicamente, esto permite a los operadores de red establecer mejores métodos de comunicación para todos nosotros.
La Universidad de Lund pronto realizará medidas concentrándose en escenarios al aire libre, caracterización de canales y diseño de IP del acelerador bajo condiciones de implementación más realistas en su propio banco de pruebas de MIMO masivo de NI.
Además, Brístol y Lund seguirán colaborando en próximas actividades. Lund será el anfitrión del equipo de Brístol para realizar pruebas de medidas al aire libre con usuarios móviles para investigar más a fondo la influencia de la movilidad en MIMO masivo.
El grupo de redes y sistemas de comunicación (CSN) de la Universidad de Brístol se formó en 1985 para abordar las demandas de investigación de los sectores de comunicaciones fijas e inalámbricas. Combina la investigación académica fundamental con un alto nivel de aplicación industrial. El grupo cuenta con laboratorios con equipos de pruebas y medidas de última generación e instalaciones de cómputo de primera clase.
El equipo de la Universidad de Brístol: Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan y Benny Chitambira
La Universidad de Lund busca ser una universidad de clase mundial que trabaja para comprender, explicar y mejorar nuestro mundo y la condición humana. El departamento de ingeniería eléctrica y tecnología de la información (EIT) de la Universidad de Lund cubre una amplia variedad de áreas de investigación en los campos de diseño de sistemas de comunicaciones analógicos y digitales, y ha estado a la vanguardia de la investigación de MIMO masivo (MaMi), incluyendo la teoría MaMi, medidas y caracterización de canales, y diseño de IP de aceleradores.
El equipo de la Universidad de Lund: Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao y Dimitrios Viastaras
Paul Harris
Universidad de Brístol
CSN Group, University de Brístol, Woodland Road
Brístol BS8 1UB
Reino Unido
paul.harris@bristol.ac.uk