Diseño de sistemas de comunicaciones mediante simulación digital

,.. DISENO DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES MEDIANTE SIMU- / LACION DIGITAL José A. Delgado P~nín Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones A modo de introduccióu El análisis y diseño de sistemas de comunicaciones mediante herramientas informáticas data de final de los años sesenta. En el inicio de los años setenta se produjo una separación de los investigadores e ingenieros que se dedicaban a la problemática de los sistemas de transmisión, de aquellos que se ocupaban de teletráfico y dimensionado de redes de telecomunicación. Las herramientas conceptuales y de formulación matemática eran y son diferentes y todavía no existe una teoría unificada que facilite el análisis y diseño de forma conjunta. En este breve articulo se pretende informar de unas herramientas que son necesarias cuando se trata de analizar y/o diseñar sistemas de transmisión que tienen cierta complejidad. La verificación del comport~miento de los sistemas antedichos puede hacerse analíticamente o mediante sucesivas pruebas de un prototipo del mismo o utilizando la simulación mediante ordenador. Con frecuencia, las dos primeras alternativas no son posibles, bien por la complejidad del modelo matemático que representa el sistema o por el coste de fabricación del prototipo. En tales casos es posible recurrir a la simulación, que consiste en el estudio del sistema mediante el tratamiento detallado de su representación matemática usando un ordenador. Para que los resultados que se obtienen de la simulación sean representativos del comportamiento del sistema real se necesita que el modelo matemático que representa a dicho sistema interprete todos los fenómenos que inciden significativamente en su funcionamiento y, que además, los errores de simulación que surgen de la representación de magnitudes analógicas en formato digital, redondeo, técnicas de estima de promedios con muestras finitas, etc., sean despreciables. El procedimiento que facilita la simulación se basa en técnicas de representación de señales y sistemas en el dominio temporal discreto [1,2,3,4,5], las cuales permiten expresar la salida de un bloque en un instante de observación, en función de un número finito de muestras de la entrada y de la salida del susodicho bloque. Una vez que se dispone de las relaciones de entrada/salida para todos los subsistemas que componen un sistema, se traducen mediante un lenguaje de programación de uso general (FORTRAN, C, PASCAL, etc.) y se ordenan de manera secuencial o paralela para constituir un programa fuente. Dentro de la planificación de una simulación digital, el programa fuente suele ir acompañado de una parte cuya misión es representar el algoritmo de evaluación de funciones representativas del comportamiento del sistema. 51 Una vez desarrollado el programa fuente el procedimiento continúa como en la forma habitual de trabajo con programas de ordenador. Cuando finalmente se obtienen unos resultados ejecutando el programa, el diseñador del mismo efectúa un conjunto de pruebas acerca de la verosimilitud de los mismos; pueden haberse cometido errores de simulación dependientes del rango de los datos de entrada del programa u otros. En todo caso, aunque no se produjesen errores de ejecución los resultados no serían representativos. El simulador universal TOPSIM En la actualidad existen varios simuladores de sistemas de comunicaciones que han nacido en ámbitos universitarios por encargo de industrias o agencias de investigación y desarrollo [5]. Entre ellos, hay diferencias de modelado y tratamiento informático, tal es el caso de BOSS y COSSAP con relación a TOPSIM. TOPSIM es un paquete de simulación desarrollado por el Politécnico de Turin en colaboración con la Agencia Espacial Europea (es el simulador oficial de ESA) y con algunos entes como sub contratistas parciales (entre ellos la UPC) [ 12] desde 1975. En la actualidad se encuentra en la versión TO PSIM -IV [5]. El lenguaje facilita una descripción sencilla de los diferentes bloques funcionales que constituyen un sistema. El procesado por parte de un modelo digital se comporta como un simulador en tiempo real, llevando a cabo una simulación en el dominio del tiempo. Las señales y sistemas que se consideran en TOPSIM son de los tipos banda base o banda trasladada y cualquier señal/sistema se trata como un vector con 3 componentes. El modelado utilizando dicha representación es el aspecto mas importante para configurar la elección de la frecuencia de muestreo, que no depende de la frecuencia central de las señales/ sistemas sino del ancho de banda de dichas señales/sistemas. La estructura del lenguaje esta orientada para facilitarle el diseño al usuario. Cada bloque funcional se representa por una sentencia con un conjunto de parámetros técnicos y unas entrada y salida, respectivamente. Por ejemplo, si se desease simular una cadena configurada por un filtro de Butterworth y un dispositivo alineal, el diseñador debe dar un nombre simbólico a todas las señales implicadas en la cadena. En efecto, a cada bloque se le hace corresponder una sentencia TOPSIM de la siguiente manera: Yl<FILBUT( .... ) <x Y2<BPNOL( .... ) <Yl donde X es la entrada al filtro, Yl1a salida del filtro y, Y2 la salida del dispositivo alineal. La librería de bloques simulables en TOPSIM-IV comprende cerca de 350 bloques diferentes, entre los que se encuentran toda clase de filtros analógicos (Buttterworth, Bessel, coseno realzado, definidos por puntos experimentales, etc.); moduladores y demoduladores utilizados en transmisión digital (pSK, MSK, QAM); codecs de fuente y canal (bloque y convolucionales); procesadores de señal digitales (ND, D/A, codecs vocales con diferentes leyes, etc.); subsistemas de sincronización de portadora y símbolo; generadores de señales aleatorias (analógicas y discretas con memoria) y bloques para realizar medidas y evaluaciones (contaje de errores, valores cuadráticos, histogramas, diagramas de «scatter», y de «ojo»,etc.). Comentarios sobre algunas aplicaciones actuales La simulación digital es una herramienta importante en todo laboratorio industrial que pretende ser competitivo. El camino a iniciar en todo diseño de sistemas de comunicación parte del estudio de viabilidad de un sistema. Este principio metodológico surge como consecuencia de la complejidad de los sistemas de comunicación que son soporte de nuevos Sistemas o servicios de telecomunicación o telemática. Así, son de interés hoy en día las: comunicaciones digitales codificadas a través de satélites alquilados [6,7]; las radiodifusiones digitales desde satélite a tierra [7]; las comunicaciones móviles utilizando satélites y aquellas celulares utilizando espectro ensanchado y técnicas CDMA [9,10] yen el caso de soporte físico, las transmisiones ópticas utilizando fibras monomodo y detecciones coherente o por polarización [11]. Todos los sistemas anteriores has sido y son diseñados partiendo de simulaciones como primera aproximación a los problemas que plantean. No es posible el intento de resolución de dichos problemas sin la utilización de simuladores con unas características muy fiables y contrastadas, como son: una buena modelización; tiempos de simulación lo mas cortos posibles; evaluaciones fiables; soportes informáticos con baja complejidad para el diseñador/analista; etc. El simulador TOPSIM es uno le los que satisfacen características como las indicadas antes y en lo que sigue se hacen algunos comentarios e indicaciones bibliográficas para el lector interesado. En el campo de las comunicaciones digitales codificadas vía satélite, el problema principal es el diseño de receptores terrenales que puedan recibir información a velocidades del orden de 120Mbit/sg. Un sistema que facilite un enlace terrenal 52 con tal capacidad exige un modelo de transmisión codificada muy complejo (del orden de 25 bloques contabilizando codecs TCM, filtros, alinealidades, procesador de Viterbi, señales interferentes, bloques generadores TDMA, sincronizadores especiales, etc.). Resultados para usos industriales (realización de circuitos VLSI) pueden encontrarse en la referencia [6-pag. 103]. Las radiodifusiones digitales desde satélite plantean problemas añadidos a los comentados en los párrafos anteriores en cuanto se refiere a la posibilidad de recibir señales codificadas en móviles desplazándose en diferentes ambientes terrestres. Aquí la simulación debe contemplar un, problema muy actual: la modelización del canal de radiocomunicación móvil con presencia de desvanecimiento y ocultación de señal( «shadowing» ) cuando el transmisor esta situado en el satélite de la tierra. Recibir señales digitales a 256Kbit/sg en un móvil terrenal utilizando modulaciones digitales codificadas es hoy en día un desafío todavía no resuelto satisfactoriamente. Algunos resultados pueden consultarse en la referencia [7] donde se ha analizado un modelo desarrollado por ESA utilizando TOPSIM-IV. El tema de las comunicaciones móviles terrestres (personales o en interiores de edificaciones) o terrenales (bajo la perspectiva de la telecomunicación espacial) está ligado fundamentalmente a tres aspectos: el tipo de señal codificada a utilizar; el tipo de acceso en la configuración de una red de comunicaciones y la banda de radiocomunicación que se usa. Los modelos de señal codificada son similares a los ya comentados; el tipo de acceso por división de código (CDMA) es una buena alternativa por la experiencia ya acumulada y, el modelo de canal es motivo de fuertes polémicas según consta en la literatura técnica. De nuevo ep este caso, las experiencias industriales y de la ESA sirven de punto de referencia de como se tratan estos problemas mediante simulaciones TOPSIM [10]. Una última consideración es la dedicada a la transmisión digital utilizando esquemas de modulación óptica coherente a través de fibras ópticas monomodo. Este tipo de sistemas ofrece sus mayores complicaciones en el conjunto canal de transmisión/receptor. Los esquemas conocidos deASK,FSK, PSKyDPSKestán dando paso a.nuevos esquemas de modulación que utilizan la polarización de la luz como base para extraer unos parámetros (parámetros de Stokes) que permitan construir nuevos receptores coherentes y heterodinos. Aquí la simulación se hace necesaria dadas las características tan diferentes de los posibles receptores de señal digital para las capacidades usuales en estos sistemas (600 Mbit/sg a 1,2 Gbit/sg)[ll]. A modo de conclusión La simulación digital de sistemas de comunicación (transmisión) es una herramienta que utiliza medios informáticos (incluida la informática gráfica de «ventanas») y que debe interesar a las personas que se ocupen/ocuparán del diseño/análisis de sistemas que soporten cualesquiera servicios de Telecomunicación o Telemáticos. Los simuladores actuales están en continuo desarrollo a causa de las ingenierías de Comunicaciones e Informática, respectivamente. No obstante, la importancia de los mismos reside en el cómo se resuelve el problema de la modelización de los diversos sistemas, y no tanto en la cantidad de bloques que pueda tener un simulador. El usuario debe tener en cuenta, que las dificultades informáticas son soportables si la modelización es brillante y sencilla ( difícil tarea). En definitiva, un paquete de simulación será muy útil si los modelos incluidos han sido elegidos convenientemente y se adecúan a las situaciones reales que se pretenden reproducir. JOSÉ A. DELGADOPENÍN es catedrático de Teoría de la señal y comuniciones. Ha investigado y enseñado en diversas universidades extrangeras. Los especiales de BURAN En aras de un expansionismo sin límites, la Buran deja la puerta abierta a aquellos que deseen realizar su propio Buran Especial ... ¿Increíble? No, todo lo que hay que tener son las ganas, el tiempo, y la posibilidad de desarroyar un tema específico. Los miembros que actualmente trabajamos en la revista, ayudaríamos a financiar, y a elaborar la publicación. Siendo los autores del especial los encargados de buscar los artículos, realizar la portada , editar la revista y, por supuesto, de controlar la calidad del contenido del especial BURAN, evidentemente dentro de sus posibilidades. La extensión del especial sería de 50 a 60 páginas, con portada a dos colores, y un número a determinar de gráficas y fotografías (las que se pudiesen pagar). 53 El grupo puede ser tanto un departamento como un conjunto de amigos con una misma afición, con colaboraciones externas (otras universidades). El plazo, entre la presentación del grupo y la publicación del número, es de seis meses, para evitar que pudiese obstaculizar el trabajo de otros grupos interesados; si no se pudiera cumplir el plazo, los artículos del especial pasarán a formar parte del fondo del BURAN regular, para su posterior publicación. Los distintos especiales han de mantener, en la medida de lo posible, el formato actual de la revista, con ello se pretende evitar que los seres humanos COn menos medios (estudiantes) se vean discriminados por la (previsible) fastuosidad con que los departamentos querrán realizar sus especiales.