INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/5238/1/APLICACIONRADIO.pdf · compañías como Telcel se acaba de implementar la 3G a principios

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

“APLICACIÓN DE RADIO COGNITIVO PARA TÉCNICAS DE CODIFICACIÓN Y CONTROL DE ERROR”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA:

JOSÉ VLADIMIR HERRERA SÁNCHEZ

ASESORES:

M. EN C. DAVID VÁZQUEZ ÁLVAREZ

M. EN C. GABRIELA SÁNCHEZ MELÉNDEZ ING. LUIS GUILLERMO LÓPEZ GONZÁLEZ

MÉXICO, D.F, 2008

AGRADECIMIENTOS A mis padres Ramón y Tere. Por su infinito amor, su apoyo incondicional y comprensión que me han alentado en todo el camino para la culminación de mi carrera profesional, porque siempre fueron y serán el pilar para alcanzar todos mis objetivos y cumplir todas mis metas, por sus sacrificios, desvelos y consejos que sin duda los valoré y ahora han dado frutos. A mi hermana Montse. Por su gran cariño, apoyo y confianza, porque creyó en mí y siempre tuvo las palabras correctas para seguir adelante y no claudicar a lo largo de esta meta y también a su nueva familia Toño y Edson “Chiquitín” que siempre me dieron ánimos para seguir adelante. A mi tío Tomás. Que me brindó su apoyo cuando más lo necesite, me ayudo a levantarme y me alentó para que no desertará en los tropiezos que enfrenté en los principios de mi carrera. A mis maestros, asesores de tesis y amigos M. en C. David Vázquez Álvarez y M. en. C. Gabriela Sánchez Meléndez. Que creyeron en mí, por su infinita paciencia y sus valiosas enseñanzas, por los consejos antes de cada congreso y sobre todo en el examen final, porque más que un proyecto fue un trabajo en equipo donde se convirtió en una de las experiencias más importantes de mi vida.

A la ESIME y sus profesores. Por sus enseñanzas, experiencias y conocimientos que marcaron una de las etapas más bellas de mi vida, la de ser estudiante, por que sigan formando excelentes profesionistas y nunca pierdan el amor por la enseñanza a las nuevas generaciones. A mis amigos. Alejandro (+), Juan, Dulce, Liliana y a todos mis compañeros de ICE, por la amistad que formamos a lo largo de este tiempo en la que nos apoyamos mutuamente para logra nuestra meta esperando que nuestra amistad perdure por muchos años. A todos ellos mi respeto y agradecimiento.

GRACIAS.

J. VLADIMIR HERRERA SÁNCHEZ

I

ÍNDICE.

CAPÍTULO 1. Comunicaciones Móviles e Inalámbricas.

1.1 Introducción …………………………………………………………………………2

1.2 Comunicaciones Móviles …………………………………………………………...2

1.3 Servicios de Comunicaciones Móviles ……………………………………………...3

1.3.1 Telefonía Móvil Terrestre …………………………………………………….3

1.3.2 Telefonía Móvil Vía Satélite ………………………………………………….8

1.3.3 Redes Móviles Privada ………………………………………………………..8

1.3.4 Radiolocalización GPS ………………………………………………………..9

1.3.5 Internet Móvil …………………………………………………………………9

1.4 Comunicaciones Inalámbricas ……………………………………………………..10

CAPÍTULO 2. Radio Definido por Software y Radio Cognitivo.

2.1 Introducción ………………………………………………………………………..14

2.2 Radio Definido por Software ……………………………………………………...14

2.3 La Arquitectura de un Radio Definido por Software ……………………………...15

2.4 Características y Beneficios de un Radio Definido por Software …………………19

2.5 Radio Cognitivo …………………………………………………………………...22

2.5.1 Introducción ………………………………………………………………….22

2.6 ¿Qué es el Radio Cognitivo? ………………………………………………………23

2.7 Tipos de Radios Cognitivos ……………………………………………………….24

2.8 La Arquitectura del Radio Cognitivo ……………………………………………...28

2.8.1 La Estructura del Motor Cognitivo y el Dominio del Conocimiento ………..30

2.9 Las Características y los Beneficios de un Radio Cognitivo ………………………32

CAPÍTULO 3. Revisión de Técnicas de Codificación y Control de Error.

3.1 Introducción ………………………………………………………………………..37

3.2 Técnicas de Control de Error ………………………………………………………39

3.3 Códigos de Bloque ...................................................................................................40

3.3.1 Códigos de Bloque Lineal ...............................................................................41

3.3.2 Códigos de Distancia Mínima (Códigos Hamming) .......................................43

3.3.3 Códigos Cíclicos .............................................................................................46

3.3.4 Códigos Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) ............................................51

3.3.5 Códigos Reed-Solomon (RS) ..........................................................................52

3.4 Códigos Convolucionales ………………………………………………………….52

CAPÍTULO 4. Implementación, Pruebas y Resultados.

4.1 Implementación de Códigos de Bloque ……………………………………………56

4.1.1 Codificador Cíclico (7,4) ……………………………………………………..56

4.1.2 Decodificador Cíclico (7,4) …………………………………………………..59

4.1.3 Codificador BCH (15,11) …………………………………………………….62

II

4.1.4 Decodificador BCH (15,11) ………………………………………………….64

4.1.5 Codificador Hamming (7,4) ………………………………………………….67

4.1.6 Decodificador Hamming (7,4) ……………………………………………….68

4.1.7 Implementación del Motor Cognitivo para Codificador ……………………..71

4.1.8 Implementación del Motor Cognitivo para Decodificador …………………..72

Conclusiones. …………………………………………………………………………...75

Anexo.

A. Programas que implementan el concepto de Radio Cognitivo …………...……….77

B. Artículos presentados en congresos ……………………………………………….98

Glosario. ………………………………………………………………………………..118

Bibliografía. ……………………………………………………………………………122

III

Objetivo

Diseñar un módulo de software utilizando el concepto de Radio Cognitivo para la

utilización de Técnicas de Codificación y Control de Error.

Objetivos Específicos

Revisión de los conceptos de comunicaciones móviles e inalámbricas.

Revisión de los conceptos de Radio Definido por Software y Radio Cognitivo.

Revisión de diferentes técnicas de codificación y control de error.

Utilizar el lenguaje C++ para implementar diferentes técnicas de codificación y

control de error bajo el concepto de Radio Cognitivo.

Justificación

Las comunicaciones móviles han tenido una evolución importante en los últimos

años provocando cambios sociales, comerciales y tecnológicos, lo que ha permitido tener

el acceso a una amplia gama de medios de comunicación, contenidos y aplicaciones que a

su vez han propiciado el desarrollo de nuevas formas y métodos para la transmisión de

información de un lugar a otro.

Esto se debe principalmente a los constantes avances de la tecnología en las

comunicaciones móviles (generaciones de telefonía celular y transmisión de datos), que ha

tenido en los últimos 15 años una increíble evolución, desde que surgió la primera

generación (1G), la cual comenzó a finales de los 70´s, caracterizado por usar sistemas

analógicos y su uso estrictamente limitado para voz, en los 90´s comenzó a operar la

segunda generación (2G) la cual se caracterizó por ser digital lo que permitió brindar

servicios digitales enfocados a voz y datos.

En Japón, posteriormente en el 2001 surgió con gran éxito y aceptación la

tecnología de tercera generación conocida popularmente como 3G; y que se caracteriza

principalmente por la velocidad de la transmisión de datos con acceso inalámbrico a

Internet de banda ancha para brindar servicios como videoconferencias, aplicaciones

multimedia y televisión, mediante tecnologías como WCDMA, TD-SCDMA, GSM GPRS

y CDMA2000.

Por ejemplo en México, a pesar de las constantes evoluciones, y de las nuevas y

múltiples aplicaciones que han surgido, los proveedores de telefonía celular se han visto en

la necesidad de actualizarse más rápidamente en cuestión de nuevos equipos y servicios, un

ejemplo de esto ha sido la compañía Iusacell que se ha caracterizado por ser una de las

primeras compañías en ofrecer nuevos servicios y tecnologías en el mercado la cual fue

IV

pionera al introducir la tercera generación en el país en el 2004 mientras que en otras

compañías como Telcel se acaba de implementar la 3G a principios del 2008.

Actualmente en el desarrollo de la cuarta generación (4G), China se propone como

candidato pionero en esta generación, ya que se encuentra haciendo las primeras pruebas de

telefonía móvil 4G y se estima que se comercializara hasta el 2010. Dentro de los

problemas que se enfrentan por la constante evolución de las comunicaciones móviles es

que han surgido un sin número de estándares y técnicas de acceso (GSM, CDMA, TDMA,

PDC, WCDMA, TD-SCDMA, GSM-GPRS Y CDMA2000) que han facilitado el uso

eficiente de la utilización del espectro pero que necesitan ser soportados por distintas

industrias de terminales y de estaciones base.

Para darle una solución a estos problemas, han surgido tecnologías que han

empezado a desarrollarse y que están siendo aceptadas y apoyadas por la Industria de la

Tecnología de las Comunicaciones prueba de esto es la aplicación del Radio Cognitivo en

sistemas de comunicaciones móviles el cual está ayudando a su vez a la evolución del

Radio Definido por Software ya que anteriormente la mayoría de estas transmisiones se

basaba principalmente en hardware y con muy pocas aplicaciones de software; y que

conjuntamente estas dos tecnologías podrían evitar el actual caos en las técnicas de acceso

y la falta de flexibilidad de las bandas radioeléctricas no autorizadas, lo que permitirá que

existan arquitecturas flexibles y adaptables a sistemas móviles avanzados.

Entre las características del Radio Definido por Software (RDS) se encuentra el uso

de dispositivos lógicos programables que ayudan a mejorar el procesamiento de la señal,

necesario para la transmisión y recepción de la información, además de que resuelve mucho

de los problemas causados por las múltiples interferencias entre usuarios. Algunas de las

ventajas que ofrece el RDS es que su software puede ser fácilmente actualizado, el RDS

puede detectar las interferencias y satisfacer múltiples necesidades entre las estaciones base

y las terminales. Ya que permite la digitalización en radiofrecuencia de las señales,

mediante el Muestreo (discretizar en tiempo una señal analógica), Cuantificación

(discretizar en amplitud una señal analógica) y Codificación (conversión de una señal

analógica a una señal digital representada por un grupo de pulsos digitales con un sistema

de código binario) de las señales para su posterior Modulación (conjunto de técnicas para

transportar información sobre una onda portadora) que son esenciales para la transmisión

y recepción de información lo que permitirá usar una amplia variedad de tecnologías de

acceso, y soportar las diferentes redes, lo que propiciará el desarrollo de terminales móviles

(3G y 4G) que podrán incorporar múltiples interfases físicos o definidos por software y

permitir la conmutación entre diferentes tecnologías de acceso además de facilitar la

integración de múltiples arquitecturas de redes de comunicación y su reconfigurabilidad de

software de protocolos apoyándose en el uso del Radio Cognitivo.

El radio cognitivo es concebido como un punto al cual debe de evolucionar el radio

definido por software, el radio cognitivo es un radio inteligente que es capaz de escoger los

mejores caminos para enrutar datos, es capaz de escoger la mejor radiofrecuencia a utilizar,

de entender la actividad de la red, la actividad del usuario, seleccionar y usar las formas de

onda, frecuencia, y protocolos correctos para apoyar de manera eficiente al usuario y la red,

todas estas características se logran basándose en la observación de varios factores internos

V

y externos de la radio, tales como el espectro de la radio frecuencia, el comportamiento del

usuario y el estado de la red, con el fin de comunicarnos eficazmente y eficientemente, el

radio cognitivo nos asegurará que el usuario podrá establecerse en un roaming mundial

donde podremos comunicar y transmitir información a pesar de los cambios en la cobertura,

conectividad y la carga en el sistema de comunicaciones.

Por todo lo antes mencionado es de suma importancia tener las bases teóricas y

prácticas que se deben tomar en cuenta para el diseño de un modulo de software que tenga

la capacidad de seleccionar y utilizar diferentes Técnicas de Codificación y Control de

Error para un sistema de comunicaciones, y utilizarlas para la implementación de un Radio

Definido por Software, basándose en el concepto de Radio Cognitivo.

- 1 -

CAPÍTULO 1

CCOOMMUUNNIICCAACCIIOONNEESS MMÓÓVVIILLEESS

EE

IINNAALLÁÁMMBBRRIICCAASS

Capítulo 1 ___ Comunicaciones Móviles e Inalámbricas

- 2 -

Capítulo 1

Comunicaciones Móviles e Inalámbricas.

En este capitulo se revisarán los diversos tipos de comunicaciones móviles e

inalámbricas existentes, sus características, los estándares que han surgido, y las nuevas

tecnologías que se están implementando, lo que reflejará la gran evolución que se ha tenido

en los últimos años y las dificultades que se están presentando; además se revisarán los

avances que se han tenido en la tecnología inalámbrica que actualmente han traído como

consecuencia que se tenga una gran demanda para tener acceso a Internet disponible en

cualquier momento.

1.1 Introducción _________________________________________________________________________

Las comunicaciones han tenido en los últimos 15 años grandes avances tecnológicos

lo que ha propiciado grandes cambios sociales y comerciales en la forma de comunicarse y

de transmitir información de manera rápida y óptima, ya que su evolución comenzó siendo

un servicio analógico para después transformarse a un servicio digital además de que se

agregaron otros grandes beneficios para los usuarios (identificador de llamadas, transmisión

de datos, mensajes cortos, Internet, videoconferencias, etc.) de tal forma que se tenga una

comunicación total, todo esto se han desarrollado de tal forma que se ha convertido en un

servicio ampliamente utilizado pero que a su vez a requerido de constantes avances

tecnológicos lo que ha originado que se tengan un sin número de estándares y no se tenga

actualmente un estándar a nivel mundial para comunicaciones móviles generando

constantemente grandes inversiones en cuestión de terminales y estaciones base, sin

embargo uno de los grandes beneficios que se han obtenido a pesar de todo lo anterior es

que este tipo de comunicaciones actualmente esta disponible para cualquier usuario, lo que

ha permitido que tenga el acceso a una amplia gama de medios de comunicación y

aplicaciones, lo que ha permitido que el usuario pueda comunicarse rápidamente y

eficientemente de forma móvil e inalámbrica.

1.2 Comunicaciones Móviles

_______________________________________________________________

Las comunicaciones siempre han tenido como objetivo primordial transmitir o

mover información de un lugar a otro, por lo que sus principales formas en que lleva acabo

su comunicación son por cable o por aire, donde a veces estas dos opciones llegan a

participar en un mismo proceso comunicativo (radio, TV y telefonía).

Las comunicaciones móviles se caracterizan principalmente porque el emisor o el

receptor están en movimiento y para su funcionamiento utiliza la comunicación vía radio,

lo que permite tener la posibilidad de trasladar información de un sitio a otro de forma

dinámica y cubrir grandes distancias en lo que respecta a su cobertura, dentro de las

principales ventajas y desventajas de las comunicaciones móviles se pueden mencionar las

siguientes:


- 3 -

Ventajas:

Movilidad en sus extremos de conexión.

Proporcionan gran ancho de banda.

No se llevan acabo obras civiles.

Excluye casi por completo la utilización de cables.

Cubre grandes distancias de transmisión.

Desventajas:

Mayor inmunidad a amenazas externas (ruido o interferencias).

Competencia por el espectro de radiofrecuencias con otras fuentes.

Dificultad en la transmisión debido a obstáculos (edificios, árboles, etc.) y a la

orografía, con respecto al área de cobertura [1].

1.3 Servicios de Comunicaciones Móviles _________________________________________________________________________

Entre los servicios de comunicaciones móviles más desarrollados son:

1.3.1 Telefonía Móvil Terrestre

En este tipo de servicios, se utilizan estaciones terrestres que se encargan de

monitorear la posición de cada terminal encendida, posteriormente pasa el control de una

llamada que este en curso a otra estación y esta a su vez envía la llamada a la terminal de

destino.

Cada estación tiene un área de cobertura, es decir, es una zona en que las

comunicaciones de una terminal a otra se pueden hacer en buenas condiciones. Las zonas

de cobertura teóricamente son hexágonos regulares o celdas como se muestra en la Figura

1.1 pero toman muy distintas formas debido a obstáculos en el medio además de que las

celdas se pueden empalmar unas con otras, es por eso, que cuando un móvil se llega a

localizar cerca de los límites entre dos celdas, el móvil tomara la estación que le ofrezca

mayor nivel de señal.

Fig. 1.1.- Zonas de cobertura ó celdas.


- 4 -

Los primeros sistemas de telefonía móvil terrestre de 1era

Generación (1G), la

cual comenzó a finales de los setentas y que en México comenzó a principios de los

ochentas, se caracterizó por ser analógico, sus terminales eran muy voluminosos, su

cobertura se limitaba solo a grandes ciudades y a las principales carreteras y su uso era

estrictamente para voz, además de que empezó a operar en la banda de 800-900 MHz,

utilizando un ancho de banda limitado a 20 MHz. Cada estación trabajaba con un rango de

frecuencias lo que limitaba a un numero máximo de llamadas simultáneas que podía

soportar, puesto que a cada llamada se le asignaba un par de frecuencias diferente una para

cada sentido de la comunicación, ya que su método de acceso al medio se realizaba por

medio de FDMA (Frequency Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de

Frecuencia) es decir que divide el ancho de banda disponible entre varios canales donde

cada canal se le asigna a los distintos usuarios que ocupan una parte del ancho de banda de

la frecuencia total, por lo que era muy ineficiente, insegura e imprecisa.

Entre las tecnologías más sobresalientes de esta generación destacan NMT (Nordic

Mobile Telecommunications/Telefonía Móvil Nórdica) y TACS (Total Access

Communications System / Sistema de Comunicación de Acceso Total) implantado en

Europa, AMPS (Advanced Mobile Phone System/Sistema Telefónico Móvil Avanzado) en

USA y NAMTS (Nippon Advanced Mobile Telephone System/Sistema Telefónico Móvil

Avanzado Nipón) en Japón, todos estos estándares se sintetizan en la tabla 1.1 [1-3], [7].

NAMTS (Sistema

Telefónico Móvil

Avanzado Nipón)

AMPS (Sistema Telefónico

Móvil Avanzado)

NMT (Telefonía Móvil

Nórdica)

TACS (Sistema de

Comunicación de

Acceso Total)

ESTÁNDARES

JAPONESES

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

NAMTS (Sistema

Telefónico Móvil

Avanzado Nipón)

AMPS (Sistema Telefónico

Móvil Avanzado)

NMT (Telefonía Móvil

Nórdica)

TACS (Sistema de

Comunicación de

Acceso Total)

ESTÁNDARES

JAPONESES

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

Tabla 1.1.- Estándares de la telefonía móvil de primera generación.

Los sistemas de telefonía móvil terrestre de 2da

Generación (2G) comenzaron a

operar en los noventas se caracterizaron por ser digitales, el tamaño de sus terminales se

hicieron cada vez más pequeños, su espectro de radiofrecuencias opera en bandas de 1850-

1970 MHz lo que origino que sus coberturas se extendieran, se comenzó a transmitir datos,

se introduce el envío de mensajes SMS (Short Message Service / Servicio de Mensajes

Cortos) y la compatibilidad entre los servicios mejora.

Para establecer y mantener las comunicaciones entre las terminales móviles y las

estaciones base de la red, surgieron estándares como GSM (Global System for Mobile

Communications / Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) implantado en

Europa y en la mayoría de los países del resto del mundo; en México fue adoptada por las

compañías Telcel y Telefónica Movistar, CDMA (Code Division Multiple Access / Acceso

Múltiple por División de Código) y TDMA (Time Division Multiple Access / Acceso

Múltiple por División de Tiempo) en USA; en México las compañías Unefon, Iusacell y

Pegaso adoptaron el estándar CDMA y PDC (Personal Digital Cellular / Celular Digital


- 5 -

Personal) introducidos por NTT DoCoMo que solo se utilizó en Japón, estos estándares se

sintetizan de manera más general en la tabla 1.2 [1-3], [7].

PDC (Celular Digital

Personal)

CDMA (Acceso Múltiple por

División de Código)

TDMA (Acceso Múltiple por

División de Tiempo)

GSM (Sistema

Global para las

Comunicaciones

Móviles)

ESTÁNDARES

JAPONESES

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

PDC (Celular Digital

Personal)

CDMA (Acceso Múltiple por

División de Código)

TDMA (Acceso Múltiple por

División de Tiempo)

GSM (Sistema

Global para las

Comunicaciones

Móviles)

ESTÁNDARES

JAPONESES

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

Tabla 1.2.- Estándares de la telefonía móvil de segunda generación.

A finales de los noventas empezaron a surgir sistemas de telefonía móvil terrestre

de Generación 2.5 (2.5G), que servían de puentes entre la segunda generación y la

telefonía móvil de tercera Generación UMTS (Universal Mobile Telecommunications

System / Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles), que intentó estandarizar las

comunicaciones móviles a nivel mundial.

En los sistemas 2.5G surgieron estándares como HSCSD (High Speed Circuit

Switched Data Service / Servicio de Datos de Circuito Conmutado de Alta Velocidad) y

GPRS (General Packet Radio System / Sistema General de Paquetes por Radio) utilizados

en Europa y EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution / Tasa de Datos Mejoradas

para la Evolución de GSM) en USA; en México siguen ofreciendo estos servicios mediante

las tecnologías GPRS, HSCSD y EDGE por parte de Telcel.

Una de las características principales de los sistemas de telefonía móvil 2.5G fue la

velocidad de la información o velocidad de transmisión de datos, que se convirtió en una

prioridad en esa generación debido a que se estaban incorporando mejoras y nuevas

tecnologías para que posteriormente se evolucionara a la telefonía móvil 3G, ejemplos de

estos casos fueron los estándares GPRS que alcanzaron los 115 Kbps, mientras que EDGE

los 384 Kbps, una de las características del sistema EDGE es que permitió que los

operadores de GSM y TDMA integraran a sus redes este sistema mientras que Japón fue

directo a la telefonía móvil de tercera Generación (3G) en el 2001, estos estándares se

sintetizan en la tabla 1.3 [1-4], [7].

EDGE (Tasa de Datos

Mejoradas para la Evolución

de GSM )

GPRS (Sistema

General de Paquetes por

Radio )

HSCSD (Servicio de

Datos de Circuito

Conmutado de Alta

Velocidad )

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

EDGE (Tasa de Datos

Mejoradas para la Evolución

de GSM )

GPRS (Sistema

General de Paquetes por

Radio )

HSCSD (Servicio de

Datos de Circuito

Conmutado de Alta

Velocidad )

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS

Tabla 1.3.- Estándares de la telefonía móvil de generación 2.5.


- 6 -

Posteriormente los sistemas de telefonía móvil terrestre de 3ra

Generación (3G)

empezaron a operar en el 2001, el primer país en implementar una red comercial 3G a gran

escala fue Japón, por NTTDoCoMo, en Europa y parte de Asia operaron en el 2002, los

sistemas de telefonía móvil terrestre utilizan CDMA (Code Division Multiple Access /

Acceso Múltiple por División de Código ) para compartir el espectro entre usuarios y su

ancho de banda es superior a los 5MHz, lo cual permite incrementar las velocidades de

descarga de datos y ser superiores a los 3 Mbps e incrementa el desempeño en general de

los equipos, otra de las características de la 3G es que permite tener una transmisión de

datos con acceso inalámbrico a Internet de banda ancha para brindar servicios como

videoconferencias, videollamadas, aplicaciones multimedia y televisión mediante

tecnologías como WCDMA (Wideband-Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple

por División de Código de Banda Ancha ) implementados en Europa y Japón, TD-SCDMA

(Time Division Synchronus Code Division Multiple Access / Sincronización por División de

Tiempo mediante el Acceso Múltiple por División de Código) en China, GSM GPRS

(Global System for Mobile Communications General Packet Radio System / Sistema Global

para las Comunicaciones Móviles mediante el Sistema General de Paquetes por Radio) y

CDMA2000 en América, estos estándares se sintetizan en la tabla 1.4.

En México, a pesar de las constantes evoluciones y de las nuevas y múltiples

aplicaciones que han surgido, los proveedores de telefonía celular (Iusacell, Telcel,

Telefónica Movistar, Unefon y Nextel) se han visto en la necesidad de actualizarse más

rápidamente en cuestión de nuevos equipos y servicios, un ejemplo de esto ha sido la

compañía Iusacell que sea caracterizado por ser una de las primeras compañías en ofrecer

nuevos servicios y tecnologías en el mercado la cual fue pionera al introducir la tercera

generación en el país en el 2004 ofreciendo la tecnología CDMA 2000, mientras que otras

compañías como Telcel se acaba de implementar la 3G a principios del 2008 mediante la

tecnología GSM GPRS.

TD-SCDMA

(Sincronización por

División de Tiempo

mediante el Acceso

Múltiple por División

de Código)

CDMA 2000 (Acceso Múltiple

por División de Código 2000)

GSM GPRS (Sistema Global

para las Comunicaciones Móviles

mediante el Sistema General de

Paquetes por Radio)

WCDMA (Acceso


de Código de Banda

Ancha)

ESTÁNDARES

CHINOS

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS Y

JAPONESES

TD-SCDMA

(Sincronización por

División de Tiempo

mediante el Acceso


de Código)

CDMA 2000 (Acceso Múltiple

por División de Código 2000)

GSM GPRS (Sistema Global

para las Comunicaciones Móviles

mediante el Sistema General de

Paquetes por Radio)

WCDMA (Acceso


de Código de Banda

Ancha)

ESTÁNDARES

CHINOS

ESTÁNDARES

NORTEAMERICANOS

ESTÁNDARES

EUROPEOS Y

JAPONESES

Tabla 1.4.- Estándares de la telefonía móvil de tercera generación

En la actualidad, existen 164 redes comerciales en 73 países usando la tecnología

WCDMA, los sistemas de tercera generación se están convirtiendo en la forma más

habitual de acceso a Internet y esta permitiendo la transmisión de todo tipo de

comunicaciones (voz, datos, imágenes, video, televisión). Los estándares vistos en estas

primeras tres generaciones de la telefonía móvil se resumen en la Figura 1.2 y en la Figura

1.3 donde se sintetizan las características principales de cada generación [2-4], [7], [8].


- 7 -

• NMT

• TACS

• AMPS

• NAMTS

1G

• GSM

• CDMA

• TDMA

• PDC

2G

• GPRS

• HSCSD

• EDGE

2.5G

• WCDMA

• CDMA 2000

• GSM GPRS

• TD-SCDMA

3G

Fig. 1.2.- Estándares de la telefonía móvil desde la primera generación hasta la tercera

generación.

SERVICIOS ANALÓGICOS• Servicios de voz

• Cobertura limitada

• Baja calidad de

servicio (QoS)

• Bajo nivel de

estandarización

• Baja velocidad de

transmisión

• Conmutación de

circuitos

1G

SERVICIOS DIGITALES• Servicios de voz y SMS

• Cobertura extensa

• Gran (QoS)

• Fuerte estandarización

• Baja velocidad de

transmisión

• Conmutación de

circuitos

2G

SERVICIOS MULTIMEDIA• Servicios de voz y datos

• Cobertura extensa

• Gran (QoS)


• Alta velocidad de

transmisión

• Conmutación de

paquetes

3G

Fig. 1.3.- Características de la telefonía móvil desde la primera generación hasta la tercera

generación.

En los sistemas de telefonía móvil terrestre de 4ta

Generación (4G), todavía está

por definirse, pero ya se está trabajando en las características que deberá cumplir este tipo

de tecnología, mientras tanto China se propone como candidato pionero en esta generación,

en Shangai se llevan acabo los primero ensayos en el mundo con tecnología móvil de cuarta

generación, completamente desarrollada por investigadores del país, la cual transmite datos

hasta 50 veces más rápido que la 3G, se pretende comercializar en el 2010.

Japón también está experimentando con las tecnologías de cuarta generación,

estando la empresa de telefonía NTTDoCoMo a la vanguardia, esta empresa ha presentado

los primeros móviles de cuarta generación que están desarrollando aunque de momento se

trata solo de prototipos.

Entre las características que podrían tener la 4G en base a lo ya establecido, sería

acceso a Internet desde el teléfono móvil a una velocidad de 100 Mbps en movimiento y 1

Gbps en reposo, utilizando un ancho de banda aproximadamente de 20MHz, manteniendo

una calidad de servicio (QoS) de punta a punta y de alta seguridad todo manejado bajo

TCP/IP, lo que propiciará que la 4G funcione como una red con la tecnología de Internet


- 8 -

combinada con otros usos y tecnologías como Wi-Fi (Wíreless-Fidelity / Fidelidad

Inalámbrica) y Wi-Max (Worldwide Interoperability for Microwave Access /

Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas) lo que permitirá a la 4G tener

una gama de tecnologías y protocolos que permitirán el máximo rendimiento de

procesamiento con la red inalámbrica más barata sustituyendo la comunicación o el acceso

vía radio de tipo CDMA al uso del RDS (Radio Definido por Software) para su

optimización, en la Figura 1.4 se muestran algunas de las características que podría ofrecer

la 4G [2], [5-8].

SERVICIOS MULTIMEDIA• Servicios de voz, audio y video

en tiempo real

• Establecer un Roaming Mundial

• Gran QoS


• Máxima velocidad de

transmisión (100Mbps-1Gbps)

• Conmutación de paquetes (IP)

4G

Fig. 1.4.- Características de la telefonía móvil de cuarta generación.

1.3.2 Telefonía Móvil Vía Satélite

En este tipo de comunicación las estaciones están en los satélites, que en su mayoría

suelen ser de órbita baja, es decir que se localizan a no más de 800km de la Tierra. Su

cobertura cubre casi todo el planeta por lo que es una de las principales ventajas que

presentan en comparación con la telefonía móvil terrestre, entre las desventajas que tiene

este servicio de comunicación son: mayor volumen de la terminal utilizada que se refleja

en los precios de las llamadas y sus terminales.

Entre los operadores que ofrecen este servicio a nivel mundial son: Iridium y

GlobalStar, el primero esta a punto de comenzar el derribo de sus satélites, debido a las

grandes deudas que ha contraído mientras que GlobalStar sus teléfonos se conectan a las

redes terrestres si la cobertura de estos se lo permite y sino recurren a los satélites, lo que

provoca que su costo sea muy variado y limitado para otras funciones.

Existen otros sistemas que están a punto de operar en los próximos años como son

ICO, Skybridge y Teledesic que aparte de prestar servicios de telefonía prestaran servicios

como acceso a Internet de alta velocidad y radiobúsqueda.

1.3.3 Redes Móviles Privadas

Es un servicio de telefonía móvil que solo se presta a un grupo de personas en una

determinada zona geográfica, también se le conoce como radiocomunicación en grupo

http://es.wikipedia.org/wiki/Microondas


- 9 -

cerrado. Existen dos modalidades de este servicio. En la primera cada grupo de usuarios

utiliza una determinada frecuencia. Y en la segunda el sistema se encarga de asignar las

frecuencias libres para los diferentes grupos.

Entre los primeros sistemas se destaca EDACS (Enhanced Digital Access

Communications System / Realce al Acceso a Sistema de Comunicación Digital), que es

controlado por un equipo fabricado por ERICSSON, muy utilizado por bomberos, equipo

de salvamento, policías y ambulancias; es un sistema muy seguro, capaz de establecer

comunicación en condiciones muy adversas.

1.3.4 Radiolocalización GPS

La radiolocalización sirve para conocer la posición de un receptor móvil. El sistema

más conocido es el GPS (Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global)

que está constituido por una constelación de 24 satélites, divididos en 6 planos orbitales de

4 satélites cada uno. Cada satélite emite una señal con su posición y su hora, codificada con

su propio código, lo que permite saber de que satélite se recibe la transmisión, su velocidad

le permite pasar por un punto determinado de la tierra dos veces al día. La distribución de

los satélites permite averiguar la latitud, longitud, altura y tener una referencia del tiempo

donde un receptor es el encargado de recoger las señales de los satélites y procesarlas, entre

las aplicaciones más comunes para el GPS son el control de flotas de camiones, taxis,

autobuses, navegación marítima y aérea.

1.3.5 Internet Móvil

El servicio de telefonía móvil con acceso a Internet, comenzó con la aparición de

WAP (Wireless Application Protocol / Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas) ideada por

las compañías Nokia, Ericsson, Motorola y Phone, que permitió acceder a diversos

contenidos y servicios de Internet desde un móvil a través de conexiones inalámbricas,

además puede funcionar sobre tecnologías móviles de segunda y tercera generación, los

teléfonos WAP cuentan con un navegador especial (micro-browser o micro-navegador) y

un gateway conectado a Internet, que interpreta páginas escritas en una versión reducida de

HTML, denominada WML diseñado para pantallas pequeñas, el único inconveniente es que

los gráficos se reducen al mínimo.

Entre las aplicaciones más importantes de los teléfonos WAP son el acceso a

noticias, pago de compras, e-mail y avisos, etc. lo que convirtió a los móviles en agendas

personales, laptops y demás dispositivos de mano.

En Japón, NTT DoCoMo lleva en los últimos años prestando servicios de telefonía

móvil con acceso a Internet. Este servicio es conocido como i-mode que ha tenido gran

éxito y aceptación en el país, i-mode no utiliza WAP, sino que utiliza un HTML compacto

que lo hace que se adapte a las páginas Web de las terminales móviles, la gran ventaja es

que los teléfonos WAP pueden soportar este tipo de servicios [9].


- 10 -

1.4 Comunicaciones Inalámbricas _________________________________________________________________________

Este tipo de comunicación se caracteriza porque no utiliza un medio físico de

propagación alguno, por lo que utiliza la modulación de ondas de radiofrecuencia de baja

potencia mediante una banda específica de uso libre, para transmitir entre dispositivos, los

cuales se propagan por el espacio sin necesidad de un medio físico que comunique cada

uno de los extremos de la transmisión, cabe aclarar que los dispositivos físicos sólo están

presentes en los emisores y receptores de la señal, por ejemplo: Laptops, PDAs (Personal

Digital Assistant / Asistente Digital Personal), teléfonos celulares, etc. Este tipo de

comunicaciones que normalmente no tienen una regulación (comunicaciones de corta

distancia), u ondas de radiofrecuencia de alta potencia que requieren normalmente de un

permiso para poder transmitir a una frecuencia específica (comunicaciones de larga

distancia), lo que permite tener la posibilidad de conectar varios dispositivos entre sí o

conectar a una red sin necesidad de cables, entre las aplicaciones básicas de las

comunicaciones inalámbricas son:

Dar movilidad a los usuarios de telefonía fija para que puedan efectuar sus

llamadas.

Conectar dispositivos entre si.

La idea de establecer una nueva generación de dispositivos inalámbricos tiene la

finalidad de establecer capacidades para realizar llamadas de voz con cobertura mundial,

obtener y cargar información desde Internet, hacer posible la transferencia de datos por

medio de protocolos IP, hacer posible la transmisión en línea de voz, video y audio.

Para poder realizar esto, los principales fabricantes de infraestructura y dispositivos

de comunicación inalámbrica han desarrollado consorcios que buscan lograr los sistemas

operativos y aplicaciones de software, además de que propiciará el desarrollo de futuros

dispositivos inalámbricos y su uso en el soporte de las comunicaciones, entre las principales

redes inalámbricas o protocolos destacan:

El estándar DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications /

Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente), implementado en Europa y

que fue uno de los primeros estándares para los teléfonos inalámbricos digitales y fueron

utilizados para transferencias inalámbricas de datos, donde su radio de operación era de 25

hasta 100mts, posteriormente se trabajo en terminales duales DECT-GSM, lo que permito

utilizar las redes de telefonía fija en caso de que se estuviera cerca de las bases que

controlan la parte DECT, y las redes de telefonía móvil GSM en el resto de las

circunstancias.

La herramienta Wireless o tecnología WAP (Wireless Application Protocol /

Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas) que es un protocolo o estándar abierto

internacionalmente para aplicaciones que utilizan las comunicaciones inalámbricas, por

ejemplo el acceso a servicios de Internet desde un teléfono móvil, es decir, se trata de la

especificación de un entorno de aplicación y de un conjunto de protocolos de

http://es.wikipedia.org/wiki/Internet

http://es.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9fono_m%C3%B3vil


- 11 -

comunicaciones para normalizar el modo en que los dispositivos inalámbricos, se pueden

utilizar para acceder a correo electrónico, grupo de noticias y otros.

i-mode (Mobile Internet Service / Servicio de Internet Móvil) es un conjunto de

tecnologías y protocolos diseñados para poder navegar a través de minipáginas diseñadas

específicamente para dispositivos móviles como celulares o PDAs el cual está diseñado

para ser empleado con los móviles de última generación. Se utiliza para mostrar las páginas

un lenguaje muy parecido al HTML normal pero modificado para los teléfonos móviles.

Wi-Fi (Wíreless-Fidelity / Fidelidad Inalámbrica) o red de área local inalámbrica

(WLAN / Wíreless Lan-Red Inalámbrica), es un conjunto de estándares para redes

inalámbricas, el cual es utilizado en redes locales inalámbricas pero actualmente también es

utilizado para acceder a Internet, lo que permite acceder a redes privadas de empresas. Fue

diseñada para ambientes inalámbricos internos y con capacidad sin línea de vista de muy

pocos metros.

Wi-Max (Worldwide Interoperability for Microwave Access / Interoperabilidad

Mundial para Acceso por Microondas) es un estándar de transmisión inalámbrica de datos,

que proporciona accesos concurrentes en áreas de hasta 48 Km. de radio y a velocidades de

hasta 70 Mbps, utilizando tecnología que no requiere visión directa con las estaciones base.

Wi-Max es un concepto parecido a Wi-Fi, pero con mayor cobertura y conectividad de

banda ancha, fue diseñado como una solución de última milla en redes metropolitanas

(MAN) para prestar servicios a nivel comercial.

Bluetooth (Bluetooth / Diente Azul), es utilizado para la conexión de dispositivos,

se trata de una iniciativa completamente privada, en la que están involucradas empresas,

como Ericsson, Toshiba, IBM, Motorola, Qualcomm, Lucent, Compaq, utilizando la banda

de los 2.4 GHz que permite enlazar dispositivos vía radio situados a distancias de entre

10cm y 10mts, permitiendo que los ordenadores, laptops, cadenas de música, y otros

dispositivos puedan conectarse entre sí a través de estas terminales.

En el desarrollo de dispositivos de acceso inalámbrico con el protocolo WAP y la

tecnología Bluetooth también tiene fines como disminuir la interferencia entre los

receptores y hacerlos compatibles en una sola plataforma para el intercambio de archivos y

la comunicación.

Sin embargo, también existen ventajas y desventajas en la comunicación

inalámbrica como son:

Ventajas:

Movilidad para conectarse y comunicarse vía Internet.

Gran capacidad y cobertura de red.

Constituye una eficaz y poderosa herramienta que permite la transferencia de voz,

datos y video, sin la necesidad de utilizar cables para establecer la conexión.

http://es.wikipedia.org/wiki/Correo_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_de_noticias

http://es.wikipedia.org/wiki/PDA

http://es.wikipedia.org/wiki/HTML


http://es.wikipedia.org/wiki/Km

http://es.wikipedia.org/wiki/Mbps

http://www.monografias.com/trabajos10/vire/vire.shtml


- 12 -

Desventajas:

El desarrollo de esta tecnología es mucho más lenta en comparación con los

sistemas de telefonía móvil.

Problemas en la propagación de múltiples destinos, es decir que cuando se transmite

información de un lugar a otro, la señal se separa y empieza a rebotar en objetos

(árboles, autos, edificios, etc.) en su camino.

Existe interferencia de usuarios múltiples, es decir los usuarios interfieren unos con

otros.

En un futuro las aplicaciones aumentarán con la transmisión de audio y video en

tiempo real especialmente para los servicios médicos, televisión móvil, conferencias y

video musical donde será necesario ampliar el ancho de banda, para que los equipos tengan

una mayor calidad, eficiencia y fidelidad [10-14].

En este capítulo se presentaron las diferencias que existen entre las comunicaciones

móviles e inalámbricas, sus características, ventajas, desventajas y los múltiples estándares

que han surgido lo que ha originado la necesidad de implementar nuevas tecnologías para

que se aproveche el acceso a las ondas de radio debido a la necesidad de implementar

Internet en los nuevos sistemas de telefonía móvil, esto origina que se tengan tecnologías

que ayuden a solucionar este problema y se tenga una optimización ordenada del espectro

de radiofrecuencia que facilite la comunicación, del cual ha surgido una tecnología que ha

empezado a desarrollarse, la cual solucionará problemas como interferencias, sustituirá la

forma de acceso que se tienen de tipo CDMA, nos referimos a la utilización de radio

cognitivo orientado a un Radio Definido por Software (RDS) en el siguiente capítulo se

explicara su arquitectura y funcionamiento el cual se está tomando en cuenta para las

nuevas generaciones de sistemas de telefonía celular en el caso particular de la

implementación de Internet del cual se tendrá que hacer un uso eficiente del espectro de

radiofrecuencias para satisfacer las necesidades a nivel mundial en cuestión de las

comunicaciones móviles actuales.

- 13 -

CAPÍTULO 2

RRAADDIIOO DDEEFFIINNIIDDOO PPOORR SSOOFFTTWWAARREE

YY

RRAADDIIOO CCOOGGNNIITTIIVVOO

Capítulo 2 ___ Radio Definido por Software y Radio Cognitivo

- 14 -

Capítulo 2

Radio Definido por Software y Radio Cognitivo.

En este capitulo se definirá el concepto de Radio Definido por Software, la

importancia que tiene en las comunicaciones móviles e inalámbricas, sus características, la

arquitectura y la definición de cada uno de los elementos que la componen, las aplicaciones

que se establecerán para una cuarta generación en sistemas de telefonía móvil y finalmente

las características a una evolución hacia el establecimiento de un Radio Cognitivo.

2.1 Introducción _________________________________________________________________________

Dentro de los problemas que se enfrenta por la constante evolución de las

comunicaciones móviles, es el surgimiento de un sin número de estándares (GSM, CDMA,

TDMA, PDC, WCDMA, TD-SCDMA, GSM-GPRS y CDMA200) y técnicas de acceso al

medio (FDMA, CDMA, WCDMA), que han facilitado el uso eficiente de la utilización del

espectro pero que necesitan ser soportados por distintas industrias de terminales y de

estaciones base. Además de que se ha generado una gran demanda en la conectividad

inalámbrica de Internet pero con múltiples servicios, por ejemplo la integración de servicios

para ofrecer una perfecta cobertura global y un control sobre la calidad de servicio (QoS),

todo esto mediante protocolos o estándares (WAP, i-mode, Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth) que

propiciarán el desarrollo de futuros dispositivos inalámbricos y utilizarlos en el soporte de

las comunicaciones.


empezado a desarrollarse y que están siendo aceptadas y apoyadas por la industria de la

tecnología de las comunicaciones prueba de esto es el Radio Definido por Software (RDS).

Ya que anteriormente la mayoría de estas transmisiones se basaba principalmente en

hardware y con muy pocas aplicaciones de software; el cual tendrá aplicaciones en sistemas

de comunicaciones móviles para que posteriormente el RDS evolucione al establecimiento

de un Radio Cognitivo, estas dos tecnologías podrían evitar el actual caos en las técnicas de

acceso y la falta de flexibilidad de las bandas radioeléctricas no autorizadas, lo que

permitirá que existan arquitecturas flexibles y adaptables a sistemas móviles avanzados.

2.2 Radio Definido por Software

_______________________________________________________________

La radio es un sistema de comunicación inalámbrica el cual emplea la transmisión

de información por medio de ondas radioeléctricas propagadas por el espacio, donde el

propósito de un radio es propiciar movilidad y la creación de redes para facilitar la

comunicación; anteriormente la mayoría de estas transmisiones se basaban en hardware y

con muy pocas aplicaciones de software.

El Radio Definido por Software (RDS) es un término acuñado por Joe Mitola en

1991 para referirse a la clase de “radios” que son reprogramables o reconfigurables, es


- 15 -

decir, una misma pieza de hardware puede realizar diferentes funciones en diferente tiempo

[15-16].

Esta clase de radio acepta información de tráfico programable y de control con el fin

de soportar cualquier rango de frecuencias e interactuar en el medio mediante aplicaciones

de software es decir su funcionalidad permite que se actualice o se reconfigure mediante

software esto debido a la gran variedad de diferentes tipos de enlace de radio que están en

servicio, las diferentes frecuencias de funcionamiento, las diferentes técnicas de

modulación para imprimir información sobre las ondas de radio y los diferentes formatos

de codificación de la información o protocolos.

El RDS mejorará las técnicas de modulación, la detección y corrección de errores,

los procesos de código, funciones de seguridad en comunicaciones y requerimientos en la

forma de onda, todo lo anterior podrá ser fácilmente programable ya sea para transmitir y

recibir una amplia gama de frecuencias utilizando una variedad de formatos de transmisión

utilizados en todo el mundo, el control sobre la radiofrecuencia lo que deriva la flexibilidad

a través de software y el cual podrá aplicarse a equipos tales como las estaciones base de

los sistemas de telefonía móvil debido a que se incluyen en ellas grandes infraestructuras

fijas además también existen otras áreas de máximo interés como es el caso en las

aplicaciones militares y de defensa.

El Radio Definido por Software propiciará la creación de una revolución en las

comunicaciones inalámbricas basadas en tecnologías de radio reconfigurable y hacer frente

a muchas de las problemáticas que enfrenta la industria inalámbrica tales como la

incompatibilidad en los estándares de telefonía móvil y las diferencias en los servicios que

ofrecen los diferentes operadores que compiten en el mercado por lo que se debe de

considerar la integración de múltiples arquitecturas de comunicaciones además de que no

solo se debe tomar en cuenta el nivel de hardware sino también la parte del software que

establecerá los pasos a seguir para realizar una comunicación eficiente [15-16], [18].

2.3 La Arquitectura de un Radio Definido por Software

_______________________________________________________________

Anteriormente los equipos receptores y transceptores de radiocomunicaciones

estaban constituidos por múltiples componentes electrónicos, los cuales a su vez formaban

parte de circuitos sintonizadores, etapas de frecuencia intermedia, amplificadores, filtros,

osciladores, etc., es decir estaban constituidos por hardware, pero se pensó en introducir la

posibilidad de controlar los equipos de radio desde una computadora, añadiéndole al equipo

de radio puertos de comunicación o interfaces para la conexión a la PC.

El RDS se caracteriza por que la parte del hardware es mínima, y la mayor parte de

las funciones del equipo se definen por software es decir un radio con plataforma común en

hardware y su funcionalidad depende de las modificaciones o actualizaciones en su

software lo que permite que se adapte a las necesidades de cada usuario, un RDS debe tener

un control de sí mismo, de soportar un rango amplio de frecuencias, de interactuar con el

aire, manejar cambios dentro del sistema de redes, de soportar múltiples protocolos, de que


- 16 -

se reconfigure por sí mismo basándose en el sistema con el que interactúa y las funciones

que este soporte. Debe tener la capacidad por medio de su software de hacer correcciones

en su modulación, en la detección y corrección de errores, en los procesos de código,

establecer un control en el acceso a la radiofrecuencia todas estas capacidades se deriva de

la flexibilidad a través de su software al usar una plataforma estática del hardware [19-20].

Para todo lo antes mencionado el RDS usa dispositivos digitales programables para

mejorar el procesamiento de la señal necesarios para transmitir y recibir información en

banda base a radiofrecuencias, el procesado digital se realiza mediante software utilizando

herramientas como:

Procesadores Digitales de Señales / Digital Signal Processors (DSP´s).

Arreglos de Compuertas de Campo Programables / Field Programable Gate Array

(FPGA´s).

Aplicación de Circuitos Integrados Específicos / Application Specific Integrated

Circuits (ASIC´s).

Todos basados en software para proveer de funcionalidad del procesamiento de la

señal requerido, el RDS definirá el esquema de modulación a emplear (AM, FM, PM,

SSB) [19], [21].

Una arquitectura básica de un RDS se muestra en la Figura 2.1.

(7)

Unidad

de

proces

a

miento

E/S

(UES)

(1)

Unidad

de

enlace

INFRAESTRUCTURA COMUM

(2)

Unidad

de

radio

frecuen

cia

(URF)

(3)

Unidad

de

frecuen

cia

Interme

dia

(UFI)

(4)

Unidad

A/D y

D/A

(CAD/

CDA)

(6)

Unidad

de

control

de

trans

misión

(UCT)

(8)

Unidad

de

procesa

miento de tempori

zación de

extremo a

extremo

(UPT)

(5)

Unidad

de

banda

base

(UBB)

SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE

TR

AN

SM

ISO

RR

EC

EP

TO

R

(7)

Unidad

de

proces

a

miento

E/S

(UES)

(1)

Unidad

de

enlace

INFRAESTRUCTURA COMUM

(2)

Unidad

de

radio

frecuen

cia

(URF)

(3)

Unidad

de

frecuen

cia

Interme

dia

(UFI)

(4)

Unidad

A/D y

D/A

(CAD/

CDA)

(6)

Unidad

de

control

de

trans

misión

(UCT)

(8)

Unidad

de

procesa

miento de tempori

zación de

extremo a

extremo

(UPT)

(5)

Unidad

de

banda

base

(UBB)


TR

AN

SM

ISO

RR

EC

EP

TO

R

Fig. 2.1.- Arquitectura básica propuesta de un radio definido por software.

UNIDAD DE ANTENA.- Es el elemento que realiza la adaptación desde el medio

en que se generan las ondas al medio en el que se propagan, y viceversa por lo que se

requiere de una antena omnidireccional, de baja pérdida y de banda ancha, debido a que

pueden ser usadas por una variedad de sistemas de comunicaciones inalámbricas.

Aunque generalmente es un elemento pasivo, es posible utilizar sistemas activos

para que se tenga una configuración dinámica y adaptablemente a zonas especiales donde la


- 17 -

emisión y recepción es máxima, lo que permite aumentar la capacidad del sistema mediante

una reutilización más densa de las frecuencias disponibles esto lo hace mediante

tecnologías de procesamiento de señales basada en arreglos de antenas haciendo posible

seleccionar el funcionamiento del RDS de acuerdo a la aplicación y realiza la selección

óptima del algoritmo de procesamiento, lo que propiciara una ganancia para minimizar

interferencias, multicaminos y ruido.

El software de antena es capaz de realizar acceso múltiple por división de espacio

(SDMA), en el cual la antena configura el haz en la dirección de los usuarios elegidos. El

acceso múltiple se consigue cambiando la dirección del haz de la antena, o por cancelación

de interferencia, en donde el software de antena configura la dirección hacia el usuario

deseado o bien asigna nulos en la dirección de interferencias o de usuarios no deseados.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DE RF (URF).- Es conocida

como la etapa frontal de radiofrecuencia (RF), en el lado de la transmisión (URF), las

señales vienen de la unidad de frecuencia intermedia (UFI) o de la unidad de banda base y

son convertidas a una banda de frecuencia más elevada, estas señales de RF son

amplificadas y transmitidas a la unidad de antena es decir se produce una amplificación de

la señal entregada por las etapas anteriores hasta el nivel de potencia suficiente para su

transmisión por el medio físico.

En la recepción, las señales recibidas por la unidad de antena se amplifican a un

nivel constante que es conveniente para el procesamiento de la señal y son convertidas

directamente hacia abajo a una banda de frecuencia intermedia FI o bien a banda base es

decir su función es convertir la señal de radio recibida, transfiriéndola a frecuencias muy

inferiores. El procesamiento de la señal de esta etapa se hace con un circuito analógico

(filtros de banda seleccionables en el paso de la antena), además de que la señal se recibe

con una gran atenuación, su nivel debe de incrementarse miles de veces y sin agregar ruido,

antes de poder procesarla en los circuitos siguientes.

Por lo que la linealidad o eficiencia del amplificador de RF y el método de

conversión a bandas de frecuencia más bajas en el receptor son puntos de análisis

principales debido a las altas frecuencias empleadas.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE SEÑAL DE FRECUENCIA

INTERMEDIA (UFI).- Es conocida como la unidad (UFI) donde en el transmisor las

señales de la unidad de conversión analógica a digital y digital a analógica (CAD/CDA) son

convertidas hacia arriba a señales de banda de FI, amplificadas y transferidas a la URF es

decir se procesa la señal a una frecuencia inferior y después es convertida a un valor final

para su posterior amplificación en la aplicación de la antena.

En la recepción, la mayor parte de la amplificación en recepción se produce a una

frecuencia inferior conocida también como frecuencia intermedia donde las señales de la

unidad de URF son amplificadas a un nivel adecuado para el procesamiento de la señal en

la UFI y directamente convertidas hacia abajo a una frecuencia adecuada es decir donde la

unidad de procesamiento de la señal de RF realiza una conversión o adaptación de la


- 18 -

frecuencia recibida a valores más manejables para la unidad CAD/CDA o unidad de banda

base.

Cuando las señales de varios sistemas son recibidas en el receptor se debe generar

las frecuencias apropiadas para convertir la frecuencia intermedia en frecuencias de trabajo,

donde la banda de frecuencia requerida se debe seleccionar usando un filtro analógico para

su amplificación en la etapa de frecuencia intermedia.

UNIDAD DE CONVERSIÓN A/D Y D/A (CAD/CDA).- En una primera etapa la

señal digital de la unidad de banda base es convertida a una señal analógica usando un

CDA, y transferida a una unidad de banda de frecuencia superior (UFI o URF), donde el

procesamiento de la señal es realizado en un software usando DSP´s, FPGA´s o ASIC´s y

esto se lleva internamente en los convertidores A/D, para convertirlas posteriormente a

señales de audio equivalentes para su posterior amplificación y conducirlas a la salida de la

antena.

En el receptor las señales de la UFI o de la URF se amplifican a un nivel adecuado

para el CAD. Es decir, se incluyen convertidores analógico-digitales (CAD), que digitaliza

las señales que se encuentran presentes en las entradas de la tarjeta, lo que posteriormente

generara un flujo continuo de bits que representaran digitalmente las señales analógicas de

entrada. La señal estabilizada es entonces muestreada por un CAD y enseguida convertida a

una señal digital.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DE BANDA BASE (UBB).-

En esta unidad los datos se modulan digitalmente y se transfieren a la unidad CAD/CDA

del transmisor. Los datos transmitidos se recuperan a través del uso de la señal muestreada

de la unidad CAD/CDA y usando el procesamiento de señal digital en el receptor. En la

UBB del transmisor, los bloques referidos a la trama, codificación mapeo/modulación y el

filtro de transmisor son los bloques clave. Ya que esta parte contiene toda la información

presente en la señal original, por lo que debe mantenerse en la señal convertida, en un

ancho de banda determinado y reducido.

Por otra parte, en la UBB del receptor los bloques como el filtro receptor, código y

sincronización de símbolo, tasa de conversión de muestreo (remuestreo),

demapeo/demodulación y bloque de decodificación son claves en esta sección. Además, en

ésta sección se encuentra el bloque de compensación de atenuación (ecualización) y el

bloque de eliminación de interferencia para eliminar las señales no deseadas y reducir el

ruido. En la mayoría de los casos, la UBB está configurada por varia unidades DSPH

(hardware de procesamiento de señales digitales) tales como DSP, FPGA o ASIC. La

configuración de las BBUs puede ser modificada cambiando el DSPS (software de

procesamiento de señales digitales).

UNIDAD DE CONTROL DE TRANSMISIÓN (UCT).- En el caso del

transmisor la UCT configura el formato de flujo de bits de entrada a la UBB a través del

ajuste del protocolo de transmisión de la capa de control de acceso al medio MAC.


- 19 -

En el caso del receptor, los datos detectados de la UBB son verificados de acuerdo

al formato de datos detectados del protocolo de transmisión de la capa MAC. Si el número

de errores de bits en los datos detectados es grande, se requiere entonces una retransmisión.

Además de éste control de transmisión, esta unidad maneja también tareas de

codificación. En la mayoría de los casos, la UCT se puede configurar a través de una serie

de DSPHs, y todos los bloques componentes podrían también ser descritos usando DSPS. A

través de la modificación de DSPS, la UCT puede configurar el protocolo de transmisión a

conveniencia del usuario.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE ENTRADA/SALIDA (UES).- En la

estación móvil, todos los datos de información vienen de un equipo portátil, de una terminal

PDA (asistente digital personal) o de una computadora personal, y todos los datos recibidos

regresan a éstas terminales o computadoras. Las unidades de entrada/salida y de

sincronización tienen el propósito de realizar conexiones flexiblemente con las terminales

externas.

UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE TEMPORIZACIÓN EXTREMO A

EXTREMO (UPT).- Controla el retraso de transmisión entre el transmisor y el receptor.

En la mayoría de los RDS, se usan varios programas de software, los cuales describen todos

los componentes de telecomunicaciones dentro de los lenguajes usados por el DSPS, y

estos lenguajes se usan para configurar los componentes sobre la unidad DSPH. Este

software puede fácilmente modificarse para adaptar los requerimientos de un sistema

particular [19-20].

Como se ha visto, cada elemento de procesamiento en un RDS tiene su propio

conjunto de módulos de software para su aplicación lo que origina que se tenga en todos los

módulos la capacidad de procesamiento de la señal para que sea aplicable al RDS mediante

un control sobre la información y su funcionalidad. La ventaja de un RDS es que se le

puede atribuir a su sistema cambios entorno a su software de aplicación sin ningún tipo de

cambio, sustitución o modificación en el hardware.

El RDS dará una solución a la incompatibilidad entre los estándares de telefonía

móvil y las técnicas de acceso al medio, pero ha surgido un nuevo concepto o evolución del

RDS, se trata del radio cognitivo el cuál se convertirá en una referencia para desarrollar

futuras aplicaciones que se podrían establecer para una cuarta generación de

comunicaciones móviles.

2.4 Características y beneficios de un Radio Definido por Software

_______________________________________________________________

Se espera que en el desarrollo de terminales móviles para una cuarta generación

(4G) se tenga mayores niveles de flexibilidad en el que se incorporen múltiples interfaces,

físicos o definidos mediante software, permita a los usuarios acceder entre las diferentes

tecnologías de acceso y cambiar entre los diferentes estándares celulares e interconectarse a

otros servicios de red sin importar las áreas de cobertura; ya que las características más


- 20 -

relevantes que definirán los sistemas 4G son la movilidad global (Roaming Mundial), la

portabilidad del servicio y las mejoras en la gestión de los recursos de forma integrada para

asegurar la Calidad de Servicio (QoS) que el usuario demande.

El Radio Definido por Software (RDS) tiene como propósito integrar una cobertura

global libre de irregularidades a través de cualquier región geográfica, establecer interfaces

con diferentes sistemas y estándares que proveen de servicios completos y libres de

irregularidades.

Es decir tener un “Teléfono Móvil Multimodo”, que sea fácil de gestionar, que sea

capaz de ofrecer flujos de datos de diferentes niveles de calidad, que se tenga una QoS

necesaria para soportar adecuadamente los diferentes tipos de aplicaciones; ya que la

utilización de una reconfigurabilidad deberá permitir incrementar la habilidad de la

terminal para alcanzar la calidad de servicio requerida, el RDS tiene que comunicarse,

manejar cambios dentro del sistema de redes emitidos en los protocolos usando

arquitecturas del radio software en el cual el radio se reconfigure a sí mismo basándose en

el sistema en el que esté interactuando y las funciones que soporte, propiciando a que los

estándares celulares converjan globalmente [17-18].

El uso de tecnologías reconfigurables y procesos de descarga de software, permite

plantear el desarrollo de terminales 4G los cuales ofrecerán configuraciones optimizadas

para aplicaciones concretas dependiendo de la interfaz del aire que se este utilizando lo que

a su vez propiciara el desarrollo de nuevas arquitecturas para las estaciones base y la red de

soporte de las comunicaciones. La flexibilidad en la arquitectura le permite a países

proveedores de servicios mejorar la infraestructura y comercializar servicios nuevos

rápidamente, sin olvidar que el usuario debe tener la habilidad de seleccionar al proveedor

de la red y así como también los servicios que necesite. Entre los factores más importantes

que propician a que se acepte la implementación del RDS son:

Reconfigurabilidad.- El RDS permite la existencia simultánea de múltiples

módulos de software, empleando diferentes estándares en el mismo sistema lo que

permite la configuración dinámica únicamente a través de la selección apropiada del

módulo de software para poder funcionar todo esto es posible tanto en los equipos

portátiles como en la infraestructura de los equipos.

Conectividad Ubicua.- La capacidad que tiene el usuario para acceder

transparentemente a cualquier servicio, en cualquier lugar y en cualquier momento,

lo que permite fácilmente la realización del roaming mundial, lo que hace esta

tecnología es facilitar la realización de sistemas de radio de arquitectura abierta.

Multifuncionalidad.- La capacidad de reconfiguración del RDS para que pueda

soportar una variedad casi infinita de capacidades de servicio de un sistema

(Bluetooth, WLAN, WPAN, etc.).

Movilidad Mundial (Roaming Mundial).- Debido al número de estándares

existentes y la incompatibilidad entre ellos, el RDS tendrá la habilidad de operar

con algunos o preferentemente con todos los estándares en diferentes regiones


- 21 -

geográficas del mundo, lo que ha influenciado el crecimiento del concepto de radio

definido por software.

Compactación y eficiencia de uso de potencia.- La propuesta del RDS ofrece

diseños compactos, lo que permite un manejo eficiente de la potencia,

especialmente cuando el número de sistemas se incrementa.

Facilidad de manufactura.- La digitalización de la señal antes de entrar en la

cadena del receptor puede resultar en un diseño que incorpore significativamente

pocas partes, lo que da como consecuencia un inventario reducido para el

fabricante.

Facilidad de actualización.- Durante el transcurso de la implementación, los

servicios requieren actualizarse o en su caso deben introducirse nuevos servicios.

Tales cambios deben realizarse sin la interrupción o la desestabilización de la

operación de la infraestructura actual [18], [24].

El reto principal del RDS es brindarle al usuario un teléfono móvil que utilice

cualquier servicio en cualquier región del mundo, lo cual es posible sólo reconfigurando el

aparato receptor para cualquier estándar de telefonía móvil usado en la región respectiva,

haciendo un uso dinámico de descarga de software para cubrir el estándar necesitado de la

interfaz de aire, es decir una actualización por aire para la implementación rápida de

programas mejorados del software y las características nuevas que vayan surgiendo, con la

habilidad para cambiar un sinnúmero de parámetros del sistema en tiempo real [22].

El RDS propicia un eficaz mecanismo para el diseño y la aplicación de dispositivos

que se pueden mejorar mediante la actualización de programas, entre las grandes ventajas y

aplicaciones tecnológicas destacan:

Ventajas: Intercambio transparente de datos, en tiempo real y sin rupturas.

Calidad en la transferencia de datos como de procesos ejecutándose en diferentes

plataformas.

Ejecución y monitoreo coordinado en tiempo real de los datos o servicios de

aplicación y la adaptación de los mismos

Gestión de eventos y errores.

Dispositivos de comunicaciones de seguridad pública que puedan comunicarse con

cualquier número de organismos distintos de los específicos de las bandas asignadas

a cada uno.

Teléfonos celulares que puedan usar cualquier variedad de redes, bandas de

frecuencia y aplicaciones [22-23].

Al disponer de terminales de usuario reconfigurables por software permitirá que

exista un roaming mundial con diferentes grados de implementación, el disponer de

estaciones bases reconfigurables y actualizadas por software representa una ventaja

económica y competitiva. Lo que propiciará el desarrollo y el despliegue en la evolución en

las comunicaciones por lo que el RDS se convertirá en una base fundamental para el


- 22 -

desarrollo de la 4G de comunicaciones móviles, debido a las grandes capacidades y

servicios que se pretenden ofrecer al usuario, un esquema donde se presenta la evolución y

la implementación del RDS en las comunicaciones móviles e inalámbricas se ve en la

Figura 2.2 [15], [24].

2G

1G

• Teléfono móvil

• Tecnología analógica

• Macro células

3G

• Voz digital, envío de mensajes

y servicio de datos

• Bucle inalámbrico fijo, servicio

LAN inalámbrico

• Celular digital y PCS

• Macro, micro y pico células

4G

• Gran realce en los servicios

de comunicación de datos

• Banda angosta y servicios

Multimedia de banda ancha

• Espectro superior para aplicaciones

de banda ancha

• Macro, micro y pico células

RDS Y LA EVOLUCIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS

• Gran mejoramiento en la

tasa de bits Multimedia

Ca

pa

cid

ad

es y

se

rvic

ios

1980 1990 2000 2010 2020

Radio Definido por Software

Fig. 2.2.- El RDS y su evolución en las comunicaciones móviles e inalámbricas.

2.5 Radio Cognitivo _______________________________________________________________

2.5.1 Introducción

_________________________________________________________________________

La tecnología del radio cognitivo introduce un revolucionario mecanismo de

comunicación inalámbrica en sus terminales y segmentos de red, a fin de que puedan

aprender de su ambiente y adaptarse a la forma más apropiada inteligentemente es decir el

radio cognitivo será autónomo y capaz de ajustar sus configuraciones para cambios en el

ambiente con tal que el servicio cubra las necesidades exactas del usuario. El radio

cognitivo es concebido como un punto al cual debe de evolucionar el radio definido por

software, el radio cognitivo es un radio inteligente que es capaz de escoger los mejores

caminos para enrutar datos, es capaz de escoger la mejor radiofrecuencia a utilizar, de

entender la actividad de la red, la actividad del usuario, seleccionar y usar las formas de

onda, frecuencia, y protocolos correctos para apoyar de manera eficiente al usuario y la red,


- 23 -

todas estas características se logran basándose en la observación de varios factores internos

y externos del radio, tales como el espectro de radiofrecuencia, el comportamiento del

usuario y el estado de la red, con el fin de comunicarnos eficaz y eficientemente, el radio

cognitivo asegura que el usuario podrá establecerse en un roaming mundial donde

podremos comunicar y transmitir información a pesar de los cambios en la cobertura,

conectividad y la carga en el sistema de comunicaciones [25], [27].

2.6 ¿Qué es el Radio Cognitivo?

_______________________________________________________________

Definimos un radio cognitivo como un dispositivo inteligente de comunicación que

se da cuenta tanto de su ambiente como de las necesidades aplicativas y se puede

reconfigurar para optimizar la calidad de servicio. Después de esta definición, proveemos

una solución del nodo de radio cognitivo con una capa inteligente de conciencia, razonando

y aprendiendo lo necesario para optimizar su función bajo situaciones dinámicas e

imprevisibles. Esa capa inteligente está realizada por un sistema de software llamado motor

cognitivo. El motor cognitivo puede ser aplicado para diferentes plataformas de radio

reconfigurable por su interconexión general de radio. El motor cognitivo implanta un doble

ciclo de cognición como su centro de aprendizaje. El ciclo cognitivo integra la detección,

el reconocimiento del ambiente por parte del radio, el razonamiento basado en casos, la

creación de soluciones y su mejor solución. El conocimiento del radio esta definido y

conocido mediante la implementación de una base de datos para soportar y reforzar lo

aprendido a través del ciclo cognitivo.

Será apropiado para aplicaciones diversas, en las cuales la solución del radio

cognitivo se enfatizará en sistemas con una arquitectura de plataformas independientes y el

motor cognitivo tiene una base de algoritmos de estructura accesible y modular, lo cual

puede ser fácilmente reconfigurado para el objetivo del problema. Basado en esta estructura

general del nodo de radio cognitivo, un funcionamiento completamente público y seguro

del nodo de radio cognitivo (RCPS) es proveer un prototipo de interoperabilidad pública

universal para una comunicación segura.

La investigación del radio cognitivo es multidisciplinaria, combinando

comunicaciones inalámbricas, ingeniería de radio, mecanismos de aprendizaje, regulación

del espectro de radiofrecuencias, la aplicación de servicios, y muchos otros aspectos. La

tecnología del radio cognitivo involucra tres campos principales, el dominio de operación,

el dominio del radio y el dominio del usuario:

El dominio de operación.- Contiene información regulable, tal como un plan de

frecuencia, transmitir en los límites de la intensidad y de la interferencia, eso es

interpretado como un conjunto de reglas de estructuras jerárquicas (dispuestas por

prioridades) usados como límites en el área operacional de la radio. El conocimiento

del dominio de operación se usa para garantizar la seguridad y la legalidad de las

operaciones del radio cognitivo.


- 24 -

El dominio del usuario.- Define ambos desde las preferencias de acceso al servicio

y los requisitos de ejecución de ambos es decir el proveedor del servicio y el usuario

final. Principalmente incluye objetivos como la disponibilidad de acceso, el tipo de

servicio y la Calidad de Servicio (QoS). El radio cognitivo necesita interpretar tales

objetivos, encontrarlos y adaptarlos a su operación.

El dominio del radio.- Consiste principalmente en el ambiente y la plataforma del

radio. Lo correspondiente a la parte externa y a su autoconocimiento, están

combinados para proveer los mecanismos de razonamiento en dos formas: Ya sea

proveer de los objetivos en caso de que algunas capacidades de la radio sean

utilizadas bajo la observación de las condiciones del ambiente o si no de las

restricciones o las limitaciones de los recursos del radio.

El radio cognitivo (RC) dará soporte al sistema de redes de forma eficiente en el

espectro de radiofrecuencia, dónde los dispositivos dinámicamente se adapten a sus

ambientes operativos, mejorando la eficiencia en el uso de ancho de banda debido a su

habilidad para aprender y adaptarse al conocimiento local y global acerca del ambiente del

espectro, además sientan su ambiente local, los cambios de ruta, las observaciones de

cambios con otros radios cognitivos y eventualmente las acciones sobre este conocimiento

compartido para dar soporte a la adaptación [28-30].

2.7 Tipos de Radios Cognitivos _________________________________________________________________________

Existen tres tipos de radios cognitivos (RCs) que en particular pueden adaptar su

tecnología de comunicaciones y consecuentemente deben poder observar e interactuar con

una variedad de redes existentes de radio. Esto significa que los RCs deberán poder

intercambiar frecuentemente información entre ellos en términos de la implementación así

como también con los sistemas inalámbricos existentes.

A. Radio IEEE802.22

El panorama del IEEE802.22 espera que una terminal móvil (TM) seleccione su

espectro de radiofrecuencia preferente a partir de los espectros disponibles provistos por

una estación base (EB). Hay tres clases de componentes involucradas, terminales móviles

(TM1-6), estaciones base (EB1-3) y una fuente de base de datos (BD) del radio. Todas las

estaciones base consultan a la base de datos durante la fase de inicialización para

información sobre recursos e identificar un canal candidato después de sensoriarlo y

confirmar si se encuentra vacante, después una estación base establece comunicación sobre

el canal confirmado. Una terminal móvil escanea una lista predefinida de canales o de todos

los canales para encontrar uno que este disponible cuando trata de establecer comunicación

y conectarse con al menos una estación base, luego obtiene los recursos de esos parámetros

tal como la identificación de los canales de enlace superior e inferior o de los niveles de

intensidad, lo anteriormente mencionado está representado en la Figura 2.3.


- 25 -

OPERACIÓN & DATOS

EB3EB1EB2

TM1 TM3

TM5

TM2

TM4TM6

FUENTE DE

BASE DE DATOS

DEL RADIO

Fig. 2.3.- Panorama para el radio IEEE802.22.

Las estaciones base y las terminales móviles están en un estado de comunicación

después de la inicialización y ambos periódicamente reportan su información sobre los

recursos a la base de datos. La lista de información recomendada incluye la localización de

la terminal móvil, su nivel de intensidad, su banda de transmisión, su formato de

modulación y la relación señal a ruido (RSR). La base de datos reconfigura ambos, es decir

las estaciones base y las terminales móviles después de obtener esta información. Cada

estación base puede controlar a la terminal móvil a la que le este prestando el servicio,

administrar el uso del espectro de radiofrecuencia para evitar interferencias y configurar de

manera más poderosa y eficiente la modulación y la codificación teniendo acceso a la base

de datos.

El radio cognitivo IEEE802.22 usa ambas informaciones (el espectro de

radiofrecuencia y la base de datos) dependiendo de la posición y la información

independiente de la posición. Aunque una terminal móvil deterministicamente seleccione a

una estación base a partir de las estaciones bases disponibles y se enlace para consultar

información, no hay negociación o coordinación entre las terminales móviles y las

estaciones base en este escenario [30].

B. Múltiples Radios con Funciones Cognitivas

Este escenario visualiza la integración de un radio, como un chip radiodifusor

acoplado a estándares Wi-Fi / Wi-MAX, que estará incrustado en las terminales móviles y

las estaciones base para permitir respuestas radiodifusoras flexibles. Una terminal móvil

selecciona su radio preferente para comprobar las características del sistema de radio que

son proporcionadas por el operador.

Una terminal móvil con funciones radio cognitivas, el cual está esquematizado en la

Figura 2.4, primero detecta a los radios, encuentra a los candidatos y consulta la base de

datos para comprobar si hay algún conflicto potencial (por ejemplo, problemas de

terminales ocultos). La base de datos recopila información de comunicación, desde las TMs

/ EBs e informa a las terminales móviles que radio es el apropiado seleccionar en el área.


- 26 -

La terminal móvil reconfigura el control de acceso al medio (MAC) / nivel físico (PHY)

para el radio seleccionado e inicia la autentificación siguiendo el protocolo especificado por

el sistema del radio.

Centro de la red

Fuente de

base de datos

del radio

CR

Operador Único

Control del nodo

cognitivoAdministración del

nodo cognitivo

Estación base cognitiva

Red de acceso

(3GPP/2)

Red de acceso

(Wi-MAX)

Red de acceso

(Wi-Fi)

TM

Función cognitiva en terminal móvil

Cuerpo del área

de red (CAR)

Fig. 2.4.- Panorama para múltiples radios con funciones radio cognitivas.

Este panorama también usa información dependiente de la posición para seleccionar

el sistema del radio y la red de acceso, para establecer referencias para el operador de la

información que esta localizada independientemente.

Una terminal móvil tendría ambos estándares Wi-Fi y Wi-MAX y el control de

acceso al medio (MAC) / nivel físico (PHY), con una “capa de convergencia" encima de

los controles de acceso al medio (MAC) y el sensor del espectro de radiofrecuencia en la

terminal, lo que detectaría la presencia de otros radios, y esta información le permitiría a la

capa de control de acceso al medio (MAC) / nivel físico (PHY) ser seleccionada para

cualquier sistema de radio mejorando los beneficios de la terminal para consultar la base de

datos. La terminal móvil esta bien posicionada a manera de coordinar el cuerpo del área de

red (CAR) que selecciona la más adecuada comunicación de largo alcance para enviar los

datos del sensor a la red [30].

C. Radio Re-configurable con Función Cognitiva

El radio reconfigurable involucra tecnologías de RDS y RC y se reorganiza por sí

mismo dentro de un sistema de radio que experimenta menos interferencia entre otros

sistemas de radio usados en una misma área. Un componente del RDS, por ejemplo, está

hecho de una unidad de procesamiento digital de señales (DSP) con FPGA´s y puede ser

configurado como cualquier dispositivo de radio cargando módulos de software para el

control de acceso al medio (MAC) / nivel físico (PHY) dentro de los FPGA´s. Una vez que

la configuración tiene éxito, el dispositivo es agregado para integrarse bajo el enlace del

RDS como se muestra en la Figura 2.5.


- 27 -

Capa de integración

Base de datos

Administración

de la calidad

del radio

Administración

del perfil

Administración de

las funciones del RDS

Administración de la

configuración del radio


selección del radio

Administración del

análisis de la calidad


detección del espectro

PerfilCAM1

PHY1

RF

RDS

Agregar el enlace al RDSAgregar el enlace al RDS

RF

RDS

CAMn

PHYn

IP

Radio Definido por Software (RDS) para W-CDMA,

IEEE802.11a/b, y transmisiones digitales terrestres

Tarjeta FPGA

Combinación de

las 3 tarjetas

Tarjeta CPU

Tarjeta RF

Componentes del RDS

(un software conmutador que pueda cambiar

de diversos sistemas de comunicación)

Se despliegue

en el móvil

Fig. 2.5.- Funciones del RDS y el RC.

La dirección del RDS consiste de una administración de la configuración del radio,

de la administración en la selección del radio, un análisis de la calidad y de una dirección

que detecte el espectro de radiofrecuencia con su administración de la base de datos (BD) y

la adición de interfaces.

La administración de la configuración del radio inicializa el dispositivo RDS,

después de instalar los módulos FPGA y activa el sensor del espectro de radiofrecuencia

para monitorear la calidad del radio. El sensor del espectro recoge los datos del espectro

para comprobar los datos en el componente RDS, sin generar interferencia para la fluidez

de datos empleando el dispositivo.

El análisis de la calidad prueba la intensidad de señal y las reglas de codificación

básica (RCB) de los datos recogidos y detectados por el sensor para comprobar la calidad

radiodifusora y enviar la información al selector del radio en caso de cualquier cambio que

se espere. El selector de radio consulta la administración de la base de datos siguiendo el

perfil, determina un cambio de enlace en caso de que sea apropiado, y pregunta al enlace

del RDS para agregar los cambios al radio.

Este panorama permite una reconfiguración flexible del radio y se espera menos

interferencia de otros dispositivos de radio para establecer referencias en la base de datos


- 28 -

(BD) en la red. La información depende de la posición en que se encuentre en la red y se

establecen referencias frecuentemente, por el cual se espera una gran cantidad de tráfico por

el enorme número de terminales [30].

2.8 La Arquitectura del Radio Cognitivo

_______________________________________________________________

La arquitectura del sistema del radio cognitivo en una plataforma independiente está

definido por un paquete de algoritmos mediante software llamado Motor Cognitivo con una

interfaz general de radio. Dentro del motor cognitivo los módulos funcionales son

diferentes y están definidos para tener en cuenta las capacidades cognitivas incluyendo

conciencia, razonamiento, creación de soluciones y su optimización y el control adaptable

del radio.

Una solución general del radio cognitivo está definida en la forma del paquete del

software que pueda trabajar con plataformas de radio reconfigurable para proveer

funcionabilidad cognitiva. Este paquete de software, llamado motor cognitivo, consta de un

conjunto de mecanismos generales de aprendizaje y algoritmos de aplicaciones específicas

y puedan ser aplicadas para plataformas de radio con implementación de hardware. Como

se muestra en el bloque de la arquitectura del sistema del radio cognitivo representado en

forma de diagrama en la Figura 2.6, el motor cognitivo maneja recursos y adapta la

operación del radio para optimizar su función.

Algoritmos cognitivos

Algoritmos de aplicación

Radioparámetros

Plataforma independiente

para servicios API

Adaptación Detector/Sensor

Radio transmisor

Interfaz de aire

Capa 1

Capa 2

Capa 3

Capa 4

Capa 5

Software Software

Figura 2.6.- Modelo de un sistema de radio cognitivo.

La interacción entre el motor cognitivo y la plataforma de radio es a través de un

estándar de interfase entre ellos, el radio cognitivo puede ser presentado conforme a la lista

[28-29].

Un paquete de algoritmos mediante software, denominado motor cognitivo, es

diseñado y revestido en la plataforma de hardware del radio. El motor cognitivo

maneja los recursos del radio para lograr funcionalidades cognitivas y adaptar las


- 29 -

operaciones de radio para optimizar su función. El motor cognitivo le permite al

radio proveer de funcionalidades cognitivas combinando los procesos de los

mecanismos de aprendizaje con la operación radiodifusora.

El centro de los mecanismos de aprendizaje son diseñados para permitir

capacidades cognitivas para aplicaciones inalámbricas. Reforzando el aprendizaje y

su óptima evolución, son principios claves para el diseño del centro de aprendizaje.

Un doble ciclo de cognición es implantado en el centro de aprendizaje.

Cualquier radio con un nivel apropiado de reconfigurabilidad puede soportar y

puede ser controlado por el motor cognitivo por medio de una interfaz con la

plataforma independiente del radio. Dado que el motor cognitivo no es una

plataforma específica, el conocimiento general y el aprendizaje pueden ser

aplicados para una variedad de problemas de aplicaciones.

La funcionabilidad cognitiva se enfoca desde la capa 1 hasta la 3, para lograr en

esas capas una intersección óptima, los algoritmos generales de cognición pueden

ser extendidos a las capas superiores y configurarlos para encontrar diversos

requisitos para aplicaciones específicas.

Un radio cognitivo puede trabajar individualmente o conjuntamente en la

administración de recursos y la optimización de sus funciones. La estructura de

aprendizaje del radio cognitivo consta de tres pasos: El reconocimiento, el

razonamiento y la adaptación, el cuál puede ser flexiblemente implementado ya sea

de forma centralizada como un nodo de radio cognitivo completamente funcional.

En la Figura 2.7 se muestra un modelo general en el cual se ve la independencia del

hardware del diseño principal de la solución del radio cognitivo, lo cual posibilita tender un

puente sobre los mecanismos de aprendizaje con el funcionamiento del radio. La

plataforma de interfaz independiente tiene dos flexibilidades de diseño o propósito: dar

soporte a los mecanismos generales de aprendizaje y a los algoritmos específicos de

aplicación; y dar soporte y reconfigurabilidad a las plataformas de radio como las del RDS

[29].


- 30 -

Ambiente inalámbrico

Plataforma de radio

Funcionamiento de API

Radio API

Dominio de radio

Reconocimiento

Dominio de radio

Adaptación

Toma de decisiones

Centro de aprendizaje

Transparencia

Dominio específico

del radioProcedimiento del

proceso

Dominio

independiente

Proceso

existencial

Figura 2.7.- El modelo general de la interfase de radio.

2.8.1 La estructura del motor cognitivo y el dominio del conocimiento

Aunque el motor cognitivo puede trabajar con cualquier radio que puede

proporcionar o necesitar una reconfigurabilidad, la plataforma del radio definido por

software es la más preferente por su máximo grado de flexibilidad y reconfigurabilidad. El

radio le pasa la información al motor cognitivo con un formato paramétrico estándar,

nombrado como perfil. El motor cognitivo toma una decisión y le pasa la decisión también

en el formato del perfil al radio, logrando así las condiciones para su actuación.

Para segmentar el conocimiento, las funciones cognitivas pueden ser modularizadas.

De esa manera el motor cognitivo puede ser diseñado con una estructura accesible, lo cual

es importante para modular los algoritmos específicos para una tarea específica, mientras se

mantenga un diseño general. El motor cognitivo consta de los siguientes conjuntos

importantes de módulos:

Módulos modeladores del ambiente.- Manejan el reconocimiento y el conjunto de

información para dominios específicos. El radio, el usuario y los dominios de

operación (incluyendo seguridad) son modelados, interpretados y son reportados

para el centro de aprendizaje.

Módulos creadores de soluciones.- Es el núcleo que genera una solución viable

según el panorama actual del problema en sí (incluyendo el ambiente, los objetivos

del usuario, los recursos disponibles, etc.).

Módulos para la base de conocimientos.- Está contenida en el dominio de una

base de datos que relaciona esos datos como información situacional, criterios de

funcionamiento y como principios generales de razonamiento y aprendizaje.


- 31 -

Módulo para el motor cognitivo.- Provee una interconexión entre sí mismo y cada

dominio. Para el dominio del radio, una plataforma de radio con una interfaz

independiente está construida con la cual el motor cognitivo pueda monitorear,

configurar y controlar diferentes hardwares de radio sin cambiar su propio

algoritmo [28].

Para el sistema del radio cognitivo, el diseño del dominio de conocimiento debe

permitir mecanismos de razonamiento y aprendizaje para las aplicaciones de radio. Donde

se puedan elegir metodologías eficientes para la observación y modelado del dominio de la

información útil y se abstraiga tal información con una representación general para los

mecanismos de razonamiento y aprendizaje, y así poder establecerlo como el centro de

aprendizaje en el sistema de Radio Cognitivo. Además de implementar un idioma adecuado

para describir tal dominio de conocimiento para la transferencia de información entre

unidades inteligentes.

La representación del dominio del conocimiento es llamado un perfil. Se debe

entender que en el sistema del radio cognitivo está considerado como el centro del radio,

los usuarios y los dominios de práctica, definimos los siguientes perfiles del dominio del

conocimiento relacionados con la interfaz de la radio:

El perfil del ambiente del radio: Contiene la información reconocida del ambiente

del radio, incluyendo la ocupación del espectro de energía, del formato de la forma

de onda en los canales de interés, y las oportunidades disponibles del enlace.

El perfil del desempeño: Contiene un conjunto de parámetros métricos como la

evaluación de la función del radio, las reglas de codificación básica, el rendimiento

específico de los datos, consumo de poder, etc. Esta métrica esta en una plataforma

independiente y así puede ser aplicada a los diferentes sistemas de radio hardware.

La definición del perfil de la plataforma del radio: Contiene la lista de recursos

funcionales de radio disponibles, su relatada capacidad de procesamiento en

términos del rango dinámico y los modos de operación, y sus características

funcionales como dependencias, manejador reglas, etc.

Perfil de la forma de onda: Contiene el nivel de las funciones de comunicación

representadas por las especificaciones de la forma de onda como la frecuencia

trasportadora, el esquema de modulación, la forma del pulso, la tasa del símbolos, el

esquema de codificación, el formato de la unidad de la información, los protocolos

de control de acceso al medio, etc.

El perfil de la configuración de la plataforma de radio: Contiene el conjunto de

parámetros para la configuración de la plataforma de radio que implica los

requerimientos de la forma de onda y las operaciones de enlace. La configuración

de plataformas específicas y los ajustes internos están sujetos a las funcionalidades

requeridas del radio.


- 32 -

El dominio del conocimiento representado en la forma del dominio de los perfiles

permite la independencia de la metodología del procesamiento de la información sobre el

contenido específico de la información. Para el sistema de radio cognitivo, se asegura que

las estructuras generales de los mecanismos del razonamiento y aprendizaje pueda ser

diseñados y aplicados a través de dominios múltiples. Un ejemplo del razonamiento y los

procesos de decisión del radio cognitivo con perfiles de dominios múltiples es mostrado en

la Figura 2.8.

Definición del perfil de

la plataforma de radio

Perfil de la forma de onda

Perfil de la configuración

del radio

Perfil del ambiente

de radio Perfil de servicio

al usuario

Perfil de operación

Motor cognitivoCodificación

Área operacional

Crear solución

Formular solución

Figura 2.8.- Radio cognitivo con perfiles de dominio.

El motor cognitivo toma la definición del perfil del radio para establecer el espacio,

tomar el ambiente, los planes de acción y los perfiles del usuario para formar las

dimensiones y los límites de su cobertura para darle el soporte y tomar del ambiente del

radio, el plan de acción y los perfiles del usuario para formar los objetivos del

funcionamiento y los razonamientos asociados, a fin de dar una solución viable que pueda

ser proyectado y optimizado. La solución generada es entonces formulada dentro de la

forma de onda y los perfiles de la configuración del radio con un formato estándar que

puede ser aplicada a las diversas plataformas de radio [29].

2.9 Las características y los beneficios de un Radio Cognitivo.

_______________________________________________________________

Este sistema es un concepto que se esta volviendo muy importante entre los

dispositivos móviles y los sistemas de comunicaciones inalámbricos por dos razones

fundamentales:

Realza la eficiencia del espectro de radiofrecuencias, mejora su acceso, haciendo

asignaciones dinámicas del canal, lo que le permite reconocer los diferentes tipos de

tráfico de información, estableciendo prioridades dinámicas, e integrar rasgos de

seguridad lo que se evitaría en gran medida la interferencia entre redes.


- 33 -

Permite establecer radios inteligentes con sistemas que se configuran solos, que se

auto adapten al entorno, que establezcan cambios en sus funciones dependiendo de

las necesidades del usuario y el estado de la red [25], [27].

El radio cognitivo podría propiciar que se tenga que aumentar el ancho de banda, ya

que conforme se establecen las evoluciones de dispositivos móviles e inalámbricos, estos

tienen que compartir una cantidad finita del espectro de radiofrecuencias, el radio

cognitivo puede establecer una mejor manera de utilizar el espectro, de descubrir

frecuencias que sean raramente usadas y se la asigne a servicios específicos sobre las cuales

se puedan llegar a transmitir y recibir información, propiciando el progreso hacia la

flexibilidad de bandas de radiofrecuencia no reglamentadas.

Las capacidades del radio cognitivo permitirá que todos los sistemas inalámbricos

puedan localizar cualquier banda libre del espectro de radiofrecuencia a su alcance y

conectarse a ella, este radio cognitivo debe configurar sus funciones de comunicación

constantemente para satisfacer las demandas de las redes de transmisión y recepción de los

usuarios, mediante dispositivos detectores de alta calidad y algoritmos para intercambiar los

datos de detección del espectro entre nodos.

El Radio cognitivo evitara las congestiones en la transmisión, propiciara el

mejoramiento del roaming mundial, estructurará códigos configurables para recibir y

transmitir nuevos protocolos de comunicación y la interferencia entre sistemas que ira

evolucionando para propiciar mejoras continuas entre el radio cognitivo y el radio definido

por software [26]. Las principales ventajas que se establecen con un Radio Cognitivo son

las siguientes:

Beneficios para los consumidores:

Plataforma común para múltiples usos.

Acceso a una amplia gama de aplicaciones y contenidos multimedia.

Capacidad para traspasar los limites del operador y lograr una verdadera movilidad.

Ofrece la posibilidad de agregar un conjunto de características y servicios con un

fácil mecanismo de actualización para una variedad de dispositivos móviles.

Aumenta la vida útil de un equipo y provee una ganancia segura contra la

obsolescencia.

Beneficios para los operadores:

Capacidad para desplegar nuevos servicios adaptados a los diferentes niveles de

usuarios que utilicen una plataforma de hardware común.

Prueba de mercado más rápida y sencilla de nuevos servicios y diferenciación de

otros operadores.

Reduce los costos a través de un largo ciclo de vida de móviles, la reducción de

componentes, y software con actualizaciones más rápidas de la estación base.

Capacidad de ofrecer a todos los usuarios el mismo conjunto de funciones y

servicios independientemente del estándar utilizado.


- 34 -

Ayuda a lograr "acceso abierto" al proporcionar un conjunto de APIs (Application

Programming Interface / Interfaz de Programación de Aplicaciones) claramente

definidos.

Ayuda a quitar el papel del "proveedor de servicio" a partir del "proveedor de la

red", lo cual puede crear sustancialmente nuevas fuentes de recursos.

Provee interoperabilidad entre organizaciones de seguridad públicas para encargarse

de asuntos relacionados con los diversos sistemas de radio.

Beneficios para los fabricantes:

El fabricar una plataforma común se cubren muchos mercados, interfaces de aire

digital y bandas de frecuencias. Ofrece capacidad para expandir un nuevo y

adyacente mercado con soluciones de red común.

Un real uso de técnicas avanzadas para la utilización del espectro radioeléctrico

usando antenas inteligentes y procesamiento de señales.

Permite una adición flexible de nuevas características y de fácil adaptación para

asociarse con ASPs (Active Server Pages / Páginas Activas del Servidor) & ISPs

(Internet Service Provider / Proveedor de Servicios de Internet) para realzar la

fluidez de su ingreso.

Capacidad de mejorar los servicios, funciones y mecanismos de seguridad.

Bajo costo del producto debido a la reducción de los componentes.

Mayor rendimiento y menor consumo de energía para las funciones avanzadas tales

como video / gráficos en tiempo real y aplicaciones.

La habilidad para absorber mercados adyacentes con una misma plataforma que

soporte diferentes interfaces digitales de aire y bandas de frecuencia.

Permite que sobre el medio los productos y servicios se mejoren – provee la

habilidad para realzar, reprogramar o reconfigurar dispositivos del usuario.

Permite sobre el medio ajuste de productos y mejora de servicios.

Provee la habilidad para conseguir en parte una manera fluida el acceso a Internet

inalámbrico.

Se transfiere un software más cercano al hardware, por consiguiente se incrementa

su importancia.

Facilita el apoyo de todas las nuevas tecnologías emergentes (WAP, Bluetooth)

[15].

En este capítulo se presentaron las tecnologías que se están desarrollando para la

implementación de una cuarta generación de comunicaciones móviles, que es el caso del

Radio Definido por Software, cuál es su propuesta, para qué sirve, la arquitectura que la

compone, su funcionamiento, y los beneficios que se obtendrán, además de su evolución

hacia el Radio Cognitivo, las características e innovaciones que esta tendrá y para que estas

tecnologías se desarrollen se debe tomar en cuenta, tanto la manufactura de sistemas

inalámbricos, sistemas móviles y los proveedores de servicios inalámbricos deben

responder a los cambios como sucedan, mejorando los sistemas para que incorporen las

últimas innovaciones o centrarse en los defectos de los sistemas como se descubran.


- 35 -

El RDS y su evolución como Radio Cognitivo va a fomentar el desarrollo y

despliegue de una evolución de las comunicaciones inalámbricas basadas en tecnologías de

radio reconfigurable, lo que permitirá tener arquitecturas flexibles y adaptables a los

sistemas inalámbricos avanzados, pero también sin olvidar que el usuario debe tener la

habilidad de seleccionar los proveedores y servicios que necesite. Y con el objetivo de este

trabajo es necesario revisar algunas técnicas de codificación y control de errores en especial

los códigos de bloque, que se analizarán en el siguiente capítulo para la posterior

implementación de algunas de ellas estableciendo como base fundamental el concepto de

Radio Cognitivo.

- 36 -

CAPÍTULO 3

RREEVVIISSIIÓÓNN DDEE TTÉÉCCNNIICCAASS DDEE

CCOODDIIFFIICCAACCIIÓÓNN YY CCOONNTTRROOLL DDEE

EERRRROORR

Capítulo 3 ___ Revisión de Técnicas de Codificación y Control de Error

- 37 -

Capítulo 3 Revisión de Técnicas de Codificación y Control de Error.

Una vez que se conoce el concepto y la arquitectura de un Radio Definido por Software y su evolución como un Radio Cognitivo, es conveniente proponer algunas técnicas de control de error para la implementación de un motor cognitivo capaz de seleccionar entre diversos tipos de código. El primer paso consiste en conocer el concepto de codificación y decodificación, describir algunos tipos de código de bloque, para así escoger algunos de ellos para su implementación. 3.1 Introducción _________________________________________________________________________

Las operaciones básicas de procesamiento de señales en un sistema de comunicación digital son: codificación de la fuente, codificación de canal y modulación digital en el lado del transmisor, como se muestra en el diagrama a bloques de la Figura 3.1, así como los procesos inversos en el lado receptor. Los códigos para detección y corrección de errores corresponden a la codificación de canal.

Codificador de lafuente

Codificador de canal

Moduladordigital

Fig. 3.1.- Procesos de la señal en el lado transmisor de un sistema de comunicaciones.

La tarea que encara el diseño de un sistema digital de comunicaciones es proveer una instalación al costo más conveniente para transmitir información desde un extremo del sistema a una velocidad y nivel de confiabilidad y calidad aceptables para el usuario en el otro extremo. Los dos parámetros principales del sistema con que se cuentan para el diseño de un sistema de comunicación digital son la potencia de la señal transmitida y el ancho de banda del canal. Otro de los parámetros que mide el desempeño de un sistema de comunicación digital es la tasa de error binaria (BER) para un cierto valor, establece la razón entre la energía de la señal por bit y la densidad espectral de potencia del ruido ( ob NE / ). En la práctica llegamos con frecuencia a un esquema de modulación y

descubrimos que no es posible proporcionar una calidad de datos aceptable (es decir, un desempeño de errores suficientemente bajo). Generalmente, debido al ruido del canal de transmisión, la única manera de proporcionar un valor de BER aceptable y cambiar la calidad de los datos de problemática a aceptable consiste en utilizar la Codificación de Control de Error.

El control de error es parte del área de la “Teoría de la Información”, cuando se detecta un error existen dos métodos para corregirlo y se divide en:


- 38 -

• Detección de Error.- Le permite al receptor detectar si hubo algún error en la información transmitida y en su caso rechaza la información recibida y solicita la retransmisión de la información.

• Corrección de Error.- Este tipo de control de error le permite al receptor reconstruir o corregir parte de los datos recibidos al encontrar la palabra código válida más próxima al mensaje recibido si hubo algún tipo de pérdida de información.

Actualmente se emplean dos formas de control de errores. Una de las técnicas es

conocida como ARQ (Acknowledgment Request / Solicitud de Confirmación), ya que el receptor comprueba los datos recibidos y si hubo error solicita una retransmisión, de lo contrario retorna una confirmación de recepción correcta. La otra técnica se conoce como FEC (Forward Error Correction / Corrección de Errores Directa), es utilizado en los sistemas de comunicaciones que operan en tiempo real y sirve para la integridad de los datos. La FEC se fundamenta en el uso controlado de redundancia en la palabra código transmitida tanto para la detección como corrección de los errores en los que se incurre durante el curso de la transmisión por un canal ruidoso. La Figura 3.2 muestra el modelo de un sistema de comunicación digital que utiliza un procedimiento de este tipo.

Fuentediscreta

Codificadorde canal

ModuladorCanal de la

forma de ondaDetector

Decodificadorde canal

Usuario

Ruido

Canal discreto

Fig. 3.2.- Modelo simplificado del sistema de comunicación (Codificación y Modulación efectuadas por separado).

En el modelo, las operaciones de codificación del canal y modulación se efectuarán

por separado en el transmisor; lo mismo ocurre en las operaciones de detección y decodificación en el receptor. La fuente discreta genera información en la forma de símbolos binarios. El codificador del canal en el trasmisor acepta los bits del mensaje y agrega redundancia de acuerdo con una regla preestablecida, produciendo de ese modo datos codificados a una tasa de bits más alta. El decodificador del canal en el receptor explota la redundancia para decir cuales bits del mensaje se transmitieron realmente. La meta combinada del codificador y el codificador de canal reside minimizar el efecto del ruido del canal. Es decir, se minimiza el numero de errores entre la entrada del codificador del canal (obtenida de la fuente) y la salida del decodificador del canal (entregada al usuario).

En un esquema de modulación fijo, la adición de redundancia en los mensajes codificados implica la necesidad de aumentar el ancho de banda de la transmisión. Además, el uso de la codificación de control de error añade complejidad al sistema, en especial en la puesta en práctica de las operaciones de decodificación en el receptor. De ese modo, los compromisos del diseño en el uso de la codificación de control de error para lograr un


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desempeño de errores aceptable incluyen consideraciones del ancho de banda y la complejidad del sistema [32], [34-35]. 3.2 Técnicas de Control de Error _______________________________________________________________

La función principal de las técnicas de control de error es introducir redundancia controlada permitiendo que los mensajes transmitidos que hayan sido corrompidos sean corregidos antes de ser procesados. Con esta redundancia controlada solo un subconjunto de todos los posibles mensajes (secuencia de bits) contiene mensajes válidos. Este subconjunto de posibles mensajes transmitidos se llama código y a los mensajes válidos que lo forman los llamamos codewords / palabras código.

Existen muchos códigos diferentes de corrección de errores que podemos usar. Históricamente, estos códigos se han clasificado en códigos de bloque y códigos de convolución. El rasgo distintivo para esta clasificación particular es la presencia o ausencia de memoria en los codificadores de los dos códigos.

Códigos de Bloque.- Para generar un código de bloque ( )kn, , el codificador del canal acepta información en bloque en sucesivos de k bits; en cada bloque agrega kn − bits redundantes que se relacionan algebraicamente con los k bits de mensaje, produciendo por ello un bloque codificado completo de n bits, donde kn > . El bloque de n bits se denomina una palabra de código y n se llama la longitud del bloque del código. El codificador del canal produce bits a razón de ( ) sRknR /0 = , donde sR es la tasa de bits de

la fuente de información. La razón adimensional nkr /= se conoce como la tasa de código, donde 10 << r . La tasa de bits 0R , proveniente del codificador, se denomina tasa

de datos del canal. Así, la tasa de código es una razón adimensional, en tanto que la tasa de datos producida por la fuente y del canal se mide en ambos casos en bits por segundo.

Código de Convolución.- La operación de codificado puede verse como la convolución en tiempo discreto de la secuencia de entrada con la respuesta al impulso del codificador. La duración de la respuesta al impulso es igual a la memoria del codificador. En consecuencia, el codificador es un código convolucional y opera sobre la secuencia del mensaje entrante, empleando una “ventana de deslizamiento” igual en duración a su propia memoria. Lo que significa que en un código convolucional, a diferencia de un código de bloque, el codificador de canal acepta bits de mensaje con una secuencia continua, por lo que genera una secuencia de bits codificados a una tasa más alta. Sin embargo, cuando la eficiencia del ancho de banda es de interés principal, el método más efectivo para poner en práctica la corrección de codificación directa del control de error consiste en combinarla con la modulación, con una sola función, según se muestra la Figura 3.3.


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Fuentediscreta

Codificador/ModuladorCanal de la

forma de ondaDetector/Decodificador Usuario

Ruido

Fig. 3.3.- Modelo simplificado del sistema de comunicación (Codificación y Modulación combinadas).

En un método de estas características, la codificación se redefine como un proceso

de imponer ciertos patrones sobre la señal transmitida. Cada técnica de control de error implica el uso de un codificador de canal en el transmisor y de un algoritmo de decodificación en el receptor [31], [35].

Los códigos que se describen en este capítulo son binarios, los cuales consisten únicamente en los símbolos 0 y 1. En un código de este tipo, las funciones de codificación implican operaciones de aritmética binaria de suma y multiplicación módulo 2 efectuadas sobre palabras de código en el código. Por tanto, las reglas para la suma módulo 2 que en sí es la operación OR EXCLUSIVA en la lógica son como sigue:

A ⊕ B = F 0+0 = 0 1+0 = 1 0+1 = 1 1+1 = 0

Las reglas para la multiplicación módulo 2 que es la operación AND, son las

siguientes:

AB = F 0x0 = 0 1x0 = 0 0x1 = 0 1x1 = 1

3.3 Códigos de Bloque _______________________________________________________________

La característica más destacada de los códigos bloque es que cada bloque de n bits o palabra código generada en el codificador depende solamente del correspondiente bloque de k bits generado por la fuente de información, siendo por la tanto una codificación sin memoria. Este tipo de códigos podemos verlos como k2 palabras código direccionadas por los mensajes de entrada. Para representarlos se utiliza la notación ( )kn, . Los códigos bloque pueden ser lineales o no lineales.


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En este tipo de codificación, la secuencia de datos a transmitir se divide en bloques de bits que se introducen juntos en el codificador. La salida es otro bloque de bits que ya contiene redundancia [33]. 3.3.1 Códigos de Bloque Lineal

Se dice que un código es lineal si cualesquiera dos palabras de código pueden sumarse en aritmética módulo 2 para producir una tercera palabra código en el código. Considerando entonces un código de bloque lineal ( )kn, , en el cual k bits de los n bits de código son siempre idénticos a la secuencia del mensaje que se va a transmitir. Los kn − bits en la porción restante se calculan a partir de los bits de mensaje de acuerdo con la regla de codificación preestablecida que determina la estructura matemática del código. Por tanto, estos ( )kn, bits se conocen como bits de paridad. Un código lineal se define mediante una asignación lineal del espacio de mensajes de entrada al espacio de palabras código, y puede representarse como un producto de matrices. Los códigos lineales se denominan también códigos de comprobación de paridad, pues la palabra código se obtiene a partir de sumas módulo dos de subconjuntos de los bits de entrada.

Los códigos de bloque en los cuales se transmiten los bits del mensaje en una forma inalterada se denominan códigos sistemáticos es decir son un tipo de bloques lineales y se caracterizan porque parte de la palabra código coincide con el mensaje de k bits. Los ( )kn, bits restantes son bits de paridad y se utiliza para aplicaciones que requieren tanto detección como corrección de errores, el uso de códigos de bloque sistemáticos simplifica la puesta en práctica del codificador. Considere que 110 ,.....,, −kmmm constituyen un bloque de k bits

de mensaje arbitrarios. De ese modo tenemos k2 bloques de mensajes distintos. Supongamos que esta secuencia de bits de mensaje se aplica a un codificador de bloques lineal, produciéndose una palabra de código de n bits cuyos elementos se denotan por medio de 110 ,.....,, −nccc . Sean 110 ,.....,, −−knbbb los ( )kn, bits de paridad en la palabra

código. Para que el código posea una estructura sistemática, una palabra de código se divide en dos partes, una de las cuales la ocupan los bits de mensaje y la otra los bits de paridad. Tenemos la opción de enviar los bits de mensaje de una palabra código antes de los bits de paridad o viceversa. La primera opción se ilustra en la Figura 3.4.

0 1 1, , . . . . . , n kb b b − − 0 1 1, , . . . . . , km m m −

Bits de paridadn-k dígitos

Bits de mensajek dígitos

REDUNDANCIAREDUNDANCIAREDUNDANCIAREDUNDANCIA MENSAJEMENSAJEMENSAJEMENSAJE

Fig. 3.4.- Estructura de la palabra código sistemática.

La estructura matemática del código de bloques lineal ( )kn, , puede escribirse en una forma compacta utilizando la notación de matrices. Por lo que definimos el vector de


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mensaje de 1 por k, o vector de información m, el vector de paridad b de 1 por ( )kn − y el vector c de 1 por n de la manera siguiente:

m = [ ]110 ,.....,, −kmmm ……………… (3-1)

b = [ ]110 ,.....,, −−knbbb ……………… (3-2)

c = [ ]110 ,.....,, −nccc ……………… (3-3)

De ese modo podemos reescribir el conjunto de ecuaciones simultáneas definiendo los bits de paridad en la forma de matriz compacta:

b = mP ……………… (3-4)

Donde P es la matriz de coeficientes de k por ( )kn, definida por:

=

−−−−−

−−

−−

1,11,10,1

1,11110

1,00100

knkkk

kn

kn

ppp

ppp

ppp

P

L

MMM

L

L

……………… (3-5)

Donde ijp es 0 o 1.

A partir de las definiciones dadas en las ecuaciones (3-1)-(3-3), vemos que es posible expresar c como un vector renglón dividido en términos de los vectores m y b en la forma siguiente:

c = [ ]mbM ……………… (3-6)

Por lo tanto, al sustituir la ecuación (3-4) en la (3-6) y factorizar el vector de mensaje común m, obtenemos

c = m[ ]kIPM ……………… (3-7) donde I k es la matriz identidad de k por k:

=

1 0 0

0 1 0

0 0 1

L

MMM

L

L

kI ……………… (3-8)

Y definimos la matriz generadora de k por n.

[ ]kIPG M= ……………… (3-9)


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La matriz G generadora de la ecuación (3-9) se dice que es un código de comprobación de paridad y queda completamente caracterizado por G, donde kI es la

matriz identidad de dimensión k x k y P es la matriz de paridad. Si denominamos m al vector fila que contiene los k bits del mensaje y c al vector fila que contiene la palabra código de n bits, utilizando la definición de la matriz G generadora, podemos simplificar la ecuación (3-7) como:

c = mG ……………… (3-10)

Donde las sumas que se producen al multiplicar las matrices son módulo dos. La propiedad de linealidad se refleja también en el hecho de que la suma de dos palabras código cualesquiera es otra palabra código. Esta propiedad básica de los códigos de bloque lineales se llama cerradura.

Definiremos ahora la matriz H, o matriz de comprobación de paridad del código, a partir de la cual será posible decodificar los vectores recibidos. Considere que H denota una matriz de ( )kn − por n, definida como:

H = [ ]Tkn PI M− ……………… (3-11)

Donde TP es una matriz de ( )kn − por k, que representa a la transpuesta de la

matriz de coeficientes P, e knI − es la matriz identidad de ( )kn − por ( )kn − . En aritmética

módulo 2 tenemos que =+ TT PP 0, donde 0 denota una matriz nula de ( )kn − por k (es decir, una matriz que tiene ceros en todos sus elementos, por tanto se puede definir que:

HGT = 0 ……………… (3-12)

De manera equivalente, tenemos que GHT = 0, donde cero es una nueva matriz nula. Al multiplicar después ambos miembros de la ecuación (3-10) por HT, la transpuesta de H, y al utilizar la ecuación (3-12) se obtiene:

0==

T

TT

cH

mGHcH ……………… (3-13)

Así podremos utilizar H para comprobar si un vector recibido es una palabra código

y al conjunto especificado por 0=TcH se asigna el nombre de ecuación de verificación de paridad [31-33], [35]. 3.3.2 Códigos de Distancia Mínima (Código Hamming)

Un código Hamming es clasificado como un código de bloque lineal porque tiene como entrada un grupo (bloque) de m bits de datos, a los cuales se le agrega un grupo de k bits de paridad de acuerdo a reglas preestablecidas, dando como salida un grupo de n bits comúnmente llamado palabra código. Asimismo, se dice que es lineal porque satisface la condición de que cualquier par de palabras código al ser sumadas en módulo dos produce


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otra palabra código existente dentro del conjunto empleado para codificar los posibles mensajes. Además, se dice que es sistemático porque los bits de paridad se agregan sin alterar la posición de los bits del mensaje.

Considerando un par de vectores de código c1 y c2 que tienen el mismo número de elementos. La distancia de Hamming ( )21,ccd entre tal par de vectores de código se define como el número de localidades en las cuales difieren sus elementos respectivos.

El peso de Hamming w(c) de un vector de código c se define como el número de elementos distintos de cero en el vector de código. De manera equivalente, es posible establecer que el peso de Hamming de un vector de código corresponde a la distancia entre el vector de código y el vector de código de puros ceros, es decir el peso de Hamming es obtenido con el número de bits que difieren los vectores de las palabras código con respecto al vector de puros ceros y nos sirve para conocer el número de unos en un vector código.

La distancia mínima mínd de un código de bloques lineal se define como la distancia

de Hamming más pequeña entre cualquier par de vectores de código en el código. Es decir, la distancia mínima es la misma que el peso de Hamming más pequeño de la diferencia entre cualquier par de vectores de código. Por tanto, es posible establecer que la distancia mínima de un código de bloques lineal es el peso de Hamming más pequeño de los vectores de código distintos de cero en el código. La distancia mínima mínd se relaciona con la

estructura de la matriz H de verificación de paridad del código de una manera fundamental. Si la matriz H se expresa en términos de sus columnas de la manera siguiente:

H = [ ]nhhh ,.....,, 21 ……………… (3-14)

Entonces, para que un vector de código c satisfaga la condición de 0=TcH , el vector c debe tener unos en posiciones tales que los renglones correspondientes de HT sumen el vector cero. Sin embrago, por definición, el número de unos en un vector código es el peso de Hamming de dicho vector. Asimismo, el peso de Hamming más pequeño de los vectores de código distintos de cero es código de bloques lineal es igual a la distancia mínima del código. Por tanto, la distancia mínima de un código de bloques lineal se define mediante el número mínimo de renglones de la matriz HT cuya suma es igual al vector cero. La distancia mínima de un código de bloques lineal mínd , es un parámetro importante

del código. Específicamente determina la capacidad de corrección de errores de este último.

Los códigos Hamming comúnmente son empleados en aplicaciones donde ocurre un solo error por bloque, como por ejemplo en el proceso de escritura y lectura de una memoria RAM de una computadora.


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Fig. 3.5.- Memoria RAM y Mother Board utilizan código Hamming en su interior.

Una familia de estos códigos tiene los siguientes parámetros que se muestran en la tabla 3.1:

Tamaño del bloque 12 −= mn bits Bits de paridad ( )3; ≥−= mknm bits

Tamaño del mensaje 12 −−= mk m bits Distancia mínima 12 +≥ tdmín bits

Errores a corregir t bits

Tabla 3.1.- Parámetros del código Hamming.

Como se observa en los parámetros, el número de errores t que se pueden corregir por bloque de palabra código está relacionado con la distancia Hamming d. Donde esta distancia es el número de bits distintos entre los vectores que representan las palabras código. Considerando, por ejemplo, el código de Hamming (7, 4) con n = 7 y k = 4, correspondiendo a m = 3. La siguiente matriz representa una matriz generadora apropiada para el código de Hamming (7, 4):

=

43421321

kIP

G

1 0 0 0:1 0 1

0 1 0 0:1 1 1

0 0 1 0:1 1 0

0 0 0 1:0 1 1

……………… (3-15)

La correspondiente matriz de verificación de paridad esta dada por:

=

−

43421321T

kn PI

H

1 1 1 0:1 0 0

0 1 1 1:0 1 0

1 1 0 1:0 0 1

………………(3-16)


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Con k = 4 hay 2k = 16 palabras de mensajes distintas, la cual para una palabra de mensaje determinada, la palabra código correspondiente se obtiene utilizando la ecuación c = mG. Por tanto, la aplicación de dicha ecuación produce las 16 palabras de código que se enlistan en la tabla 3.2.

Mensajes Palabras Código ( 0 0 0 0 ) ( 0 0 0 0 0 0 0 ) ( 0 0 0 1 ) ( 1 0 1 0 0 0 1 ) ( 0 0 1 0 ) ( 1 1 1 0 0 1 0 ) ( 0 0 1 1 ) ( 0 1 0 0 0 1 1 ) ( 0 1 0 0 ) ( 0 1 1 0 1 0 0 ) ( 0 1 0 1 ) ( 1 1 0 0 1 0 1 ) ( 0 1 1 0 ) ( 1 0 0 0 1 1 0 ) ( 0 1 1 1 ) ( 0 0 1 0 1 1 1 ) ( 1 0 0 0 ) ( 1 1 0 1 0 0 0 ) ( 1 0 0 1 ) ( 0 1 1 1 0 0 1 ) ( 1 0 1 0 ) ( 0 0 1 1 0 1 0 ) ( 1 0 1 1 ) ( 1 0 0 1 0 1 1 ) ( 1 1 0 0 ) ( 1 0 1 1 1 0 0 ) ( 1 1 0 1 ) ( 0 0 0 1 1 0 1 ) ( 1 1 1 0 ) ( 0 1 0 1 1 1 0 ) ( 1 1 1 1 ) ( 1 1 1 1 1 1 1 )

Tabla 3.2.- Código de Hamming (7, 4).

Cabe resaltar que el más pequeño de los pesos de Hamming para las palabras de

código distintas de cero es 3, se puede decir que la distancia mínima del código es 3. En realidad, los códigos de Hamming tienen la propiedad de que la distancia mínima 3=mínd ,

independientemente del valor asignado al número de bits de paridad m [32], [34-35]. 3.3.3 Códigos Cíclicos

Los códigos cíclicos forman una subclase de códigos de bloques lineales. Una ventaja de los códigos cíclicos sobre la mayor parte de los otros tipos de código es que son más fáciles de codificar. Además, los códigos cíclicos poseen una estructura matemática perfectamente definida, la cual ha conducido al desarrollo de esquemas de decodificación muy eficientes para ellos.

Se afirma que un código binario será cíclico si exhibe dos propiedades fundamentales:

1. Propiedad de linealidad: La suma de cualesquiera dos palabras de código en el código es también una palabra de código.


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2. Propiedad cíclica: Cualquier corrimiento cíclico de una palabra de código en el código también es una palabra de código.

La propiedad 1 renuncia el hecho de que el código cíclico es un código de bloques

lineal (es decir, puede describirse como un código de verificación de paridad). Para desarrollar las propiedades algebraicas de los códigos cíclicos, utilizamos los elementos

110 ,.....,, −nccc de una palabra de código para definir el polinomio del código.

( ) 1

12

210 ..... −−++++= n

n XcXcXccXc ……………… (3-17)

Cada potencia de X en el polinomio ( )Xc representa un corrimiento a tiempo de

un bit. Por tanto, la multiplicación del polinomio ( )Xc por X puede verse como un corrimiento hacia la derecha. De ese modo es posible establecer formalmente la propiedad cíclica en notación de polinomios de la forma siguiente: Si ( )Xc es un polinomio de código, entonces el polinomio también es un polinomio de código para todo corrimiento cíclico i;

( ) ( ) ( ) ( )1mod += nii XXcXXc ……………… (3-18) el término mod es la abreviación de módulo. La forma especial de la multiplicación de polinomio descrita en la ecuación (3-18) se conoce como módulo de multiplicación 1+nX . Se dice que un código es cíclico cuando cualquier desplazamiento en lazo cerrado de una palabra código da como resultado otra palabra código existente dentro del conjunto empleado para codificar los posibles mensajes. Los códigos cíclicos son empleados en aplicaciones de telefonía para comunicación de voz IP.

Fig. 3.6.- Telefonía para comunicación de voz IP, código cíclico en su interior.

Polinomio Generador. El polinomio 1+nX y sus factores desempeñan un papel fundamental en la

generación de códigos cíclicos. Sea ( )Xg un polinomio de grado kn − que es un factor de

1+nX ; como tal, ( )Xg es el polinomio de menor grado en el código. En general, ( )Xg puede expandirse del modo siguiente:


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( ) ∑−−

=

−++=1

1

1kn

i

knii XXgXg ……………… (3-19)

Donde el coeficiente ig es igual a 0 o 1. De acuerdo con esta expansión, el

polinomio ( )Xg tiene dos términos con coeficiente 1 separados por 1−− kn términos. El

polinomio ( )Xg recibe el nombre de polinomio generador de un código cíclico.

Polinomio de Verificación de Paridad. Un código cíclico ( )kn, está especificado en forma única por su polinomio

generador ( )Xg de orden ( )kn − . Un código de este tipo se específica también en forma única mediante otro polinomio de grado k, que se denomina polinomio de verificación de paridad, definido por

( ) ∑−

=

++=1

1

1k

i

kii XXhXh ……………… (3-20)

donde los coeficientes ih son 0 o 1. El polinomio generador ( )Xg es equivalente a la

matriz generadora G como una descripción del código. En forma correspondiente, el polinomio de verificación de paridad, denotado por ( )Xh , es una representación equivalente de la matriz de verificación de paridad H.

Codificador para Códigos Cíclicos. El procedimiento de codificación para un código cíclico ( )kn, en una forma

sistemática y consistente en un registro de corrimiento realimentado lineal con ( )kn − etapas, y se representa por medio del codificador de la Figura 3.7.

Flip-flop Flip-flop Flip-flop Flip-flop…..

g1 g2

Compuerta

…..1−−kng

SumadorMódulo 2

Bits del mensaje

Bits deparidad

Palabrade

código

Fig. 3.7.- Codificador de un modo cíclico ( )kn, .

Las cajas de la Figura 3.7 representan flip-flops o elementos de retardo unitario. El flip-flop es un dispositivo que reside en uno de dos posibles estados denotados por 0 y 1.


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Un reloj externo controla la operación de todos los flip-flops. Cada vez que el reloj marca, el contenido de los flip-flops (inicialmente establecido en el estado 0) se corren hacia la dirección de las flechas. Además de los flip-flops, el codificador incluye un segundo conjunto de elementos lógicos, es decir, sumadores, los cuales calculan las sumas módulo 2 de sus respectivas entradas. Por último, los multiplicadores multiplican sus respectivas entradas por los coeficientes asociados.

La operación de codificador que se muestra en la Figura 3.7 procede de la manera siguiente:

1) La compuerta se activa. Por tanto, los k bits de mensaje se corren hacia el canal. Tan rápido como los k bits de mensaje han entrado al registro de corrimiento, los ( )kn − bits resultantes en el registro forman los bits de paridad.

2) La compuerta se desactiva, interrumpiendo las conexiones de realimentación. 3) Los contenidos del registro de corrimiento se leen en el canal.

Cálculo del Síndrome. Recordando que si el síndrome es cero, no hay errores de transmisión en la palabra

recibida. Si, en cambio, el síndrome es distinto de cero, la palabra recibida contiene errores de transmisión que es necesario corregir. En el caso de un código cíclico en la forma sistemática, consideramos que la palabra recibida se representa por medio de un polinomio de grado 1−n o menor, como se indica

( ) 1110 ..... −

−+++= nn XrXrrXr ……………… (3-21)

sea ( )Xq el cociente y ( )Xs el residuo, los cuales resultan de dividir ( )Xr entre el

polinomio generador ( )Xg . Por tanto, es posible expresar ( )Xr en la forma siguiente:

( ) ( ) ( ) ( )XsXgXqXr += ……………… (3-22)

El residuo ( )Xs es un polinomio de grado 1−− kn o menor, que es el resultado de interés. Se le denomina polinomio del síndrome debido a que sus coeficientes integran el síndrome s de ( )kn − por 1. La Figura 3.8 muestra un calculador de síndrome donde los

bits recibidos se alimentan de las ( )kn − etapas del registro de corrimiento realimentado desde la izquierda.


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Flip-flop Flip-flop…..

g2

Compuerta

…..1−−kng

SumadorMódulo 2

Flip-flop

g1

Bitsrecibidos

Fig. 3.8.- Calculador del síndrome para código cíclico ( )kn, .

Tan pronto como los bits recibidos se han corrido hacia el registro de corrimiento, sus contenidos definen al síndrome s.

El polinomio del síndrome ( )Xs tiene las siguientes propiedades útiles: 1) El síndrome de un polinomio de palabra recibida es también el síndrome del

correspondiente polinomio de error. Dado que un código cíclico con polinomio ( )Xc se envía por un canal ruidoso, el

polinomio de la palabra recibida se define mediante

( ) ( ) ( )XeXcXr += ……………… (3-23) donde ( )Xe es el polinomio de error.

2) Sea ( )Xs el síndrome de un polinomio de palabra recibida ( )Xr . Entonces, el

síndrome de ( )XXr , un corrimiento cíclico de ( )Xr , es ( )XXs . Al aplicar este corrimiento cíclico en ambos miembros de la ecuación (3-22)

obtenemos: ( ) ( ) ( ) ( )XXsXgXXqXXr += ……………… (3-24)

( )XXs es el residuo de la división de ( )XXr entre ( )Xg . Por tanto, el síndrome de

( )XXr es ( )XXs .

3) El polinomio de síndrome ( )Xs es idéntico al polinomio de error ( )Xe ,

suponiendo que los errores están confinados a los ( )kn − bits de verificación de

paridad del polinomio de la palabra recibida ( )Xr . El polinomio de error ( )Xe y el polinomio del síndrome ( )Xs son el mismo. La

corrección del error puede conseguirse sumando simplemente el polinomio del síndrome ( )Xs al polinomio de la palabra recibida ( )Xr [31], [34-35].


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3.3.4 Códigos Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)

Los códigos BCH constituyen una de las clases más importantes y poderosas de códigos de bloques lineales. Los códigos BCH binarios más comunes, conocidos como códigos BCH primitivos, están caracterizados por cualesquiera enteros positivos 3≥m y

( ) 2/12 −< mt mediante los siguientes parámetros mostrados en la tabla 3.3.

Longitud del bloque 12 −= mn Bits Bits de paridad kn − Bits

Tamaño del mensaje mtnk −≥ Bits Distancia mínima 12 +≥ tdmín Bits

Errores a corregir t Bits

Tabla 3.3.- Parámetros del código BCH.

Cada código BCH es un código de corrección de t errores en el sentido de que puede detectar y corregir hasta t errores aleatorios por palabra de código. Además, en longitudes de bloque de unos cuantos cientos de bits o menos, los códigos BCH son de los mejores para un mismo tamaño de bloque, índice de código y tasa de código (relación entre el bloque de entrada y el bloque de salida).

Algunos códigos comunes se expresan en la forma ( )tkn ,, en BCH, para proporcionar una idea de su capacidad, en la tabla 3.4 se presentan los parámetros de código y los polinomios generadores correspondientes a códigos BCH de bloques binarios de longitud hasta de 125 − [34-35].

n k t Polinomio Generador ( )Xg

7 4 1 1 011 15 11 1 10 011 15 7 2 111 010 001 15 5 3 10 100 110 111 31 26 1 100 101 31 21 2 11 101 101 001 31 16 3 1 000 111 110 101 111 31 11 5 101 100 010 011 011 010 101 31 6 7 11 001 011 011 110 101 000 100 111 Notación: n = longitud del bloque, k = número de bits del mensaje, t = número máximo de errores detectables.

Tabla 3.4.- Código BCH binarios de longitud hasta de 125 − .


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3.3.5 Códigos Reed-Solomon (RS)

Los códigos Reed-Solomon constituyen una subclase importante de códigos BCH no binarios; se abrevian en ocasiones como códigos RS. El codificador para un código RS difiere de un codificador binario en el sentido de que éste opera sobre bits múltiples en vez de bits individuales. Específicamente, un código RS ( )kn, se utiliza para codificar

símbolos de m bits en bloques consistentes de 12 −= mn símbolos, donde 1≥m . Un código RS de corrección de t errores tiene los siguientes parámetros que se muestran el la tabla 3.5.

Longitud del bloque 12 −= mn símbolos Tamaño de paridad tkn 2=− símbolos Tamaño del mensaje k símbolos

Distancia mínima 12 += tdmín símbolos

Errores a corregir t símbolos

Tabla 3.5.- Parámetros del código Reed-Solomon.

La longitud de bloque del código RS es una unidad menor que el tamaño de un símbolo de código, y la distancia mínima es mayor en uno que el número de símbolos de verificación de paridad. Los códigos RS usan con gran frecuencia la redundancia, las longitudes de bloque y los tamaños del símbolo pueden ajustarse fácilmente para alojar una amplia gama de tamaños de mensaje. Además, los códigos RS ofrecen un extenso intervalo de tasa de código que es posible elegir para optimizar el desempeño. Los códigos RS son útiles cuando los errores ocurren en ráfagas, como en los sistemas de audio digital de discos compactos [34-35].

Fig. 3.9.- Sistemas de audio digital (CD´s y DVD´s) código Reed-Solomon en su interior.

3.4 Códigos Convolucionales. _______________________________________________________________

La codificación convolucional es una técnica de codificación para el control de error que genera una secuencia codificada de bits a partir de una secuencia de entrada de bits de información. La secuencia codificada de salida se genera a partir de cada bit de la secuencia de entrada y no de bloques como en el caso de códigos RS. La salida del codificador, además de depender del bit actual de entrada, depende de los bits de entrada anteriores, en un proceso continuo que crea redundancia.


- 53 -

El codificador tiene memorias internas para recordar los bits de entradas anteriores. A mayor cantidad de memorias, mayor posibilidad de disminuir el error, con la desventaja de mayor calidad de bits redundantes, mayor retardo del producto y de la complejidad de cálculos que agrega cada memoria. Sin embargo, hay aplicaciones en que los bits del mensaje vienen en forma serial y no en bloques grandes; en este tipo de situaciones, es probable el empleo de codificación convolucional.

Un código convolucional genera bits redundantes utilizando convoluciones módulo 2, el codificador de un código convolucional binario puede considerarse como una máquina de estado finito que consiste en un registro de corrimiento de M etapas con conexiones preestablecidas a n sumadores módulo 2 y a un multiplexor que pone en serie las salidas de los sumadores. Una secuencia de entrada, correspondiente a un mensaje de L bits produce una secuencia de salida codificada de longitud ( )MLn + bits. De manera que la relación entre la entrada y la salida, conocida como la tasa de código esta dada por:

( )MLn

Lr

+= ……………… (3-25)

Por lo común, tenemos ML >> . Por tanto, la tasa de código se simplifica en:

nr

1≅ ……………… (3-26)

La longitud de restricción de un código convolucional, expresada en términos de

bits de mensaje, se define como el número de corrimientos sobre el cual un bit de un solo mensaje puede influir en las salidas del codificador. En un codificador con un registro de corrimiento de M etapas, la memoria del codificador es igual a M bits de mensaje y se requieren 1+= MK corrimientos para que un bit de mensaje entre al registro de corrimiento y finalmente salga. La Figura 3.10 muestra un codificador convolucional con

2=n y 3=K . De este modo, la tasa de código de este codificador es 1/2. El codificador de la Figura 3.10 opera sobre la secuencia de mensaje entrante, un bit a la vez.

Flip-flopFlip-flop

SumadorMódulo 2

Trayectoria 1

Trayectoria 2

EntradaSalida

Fig. 3.10.- Codificador convolución de tasa ½ y longitud de restricción.


- 54 -

Cada trayectoria que conecta la salida con la entrada de un codificador convolucional puede caracterizarse en términos de su respuesta al impulso, definida como respuesta de esa trayectoria a un símbolo 1 aplicada en su entrada, con cada flip-flop del codificador inicializado en el estado cero. Podemos caracterizar cada trayectoria en términos de un polinomio generador cuyos coeficientes son los elementos de la respuesta al impulso. De manera correspondiente, el polinomio generador de la i-ésima trayectoria esta definido por:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) MiM

iiii DgDgDggDg ++++= .....2210 ……………… (3-27)

Donde D denota la variable de retardo unitario y los coeficientes

( ) ( ) ( ) ( )iM

iii gggg ,.....,,, 210 son iguales a 0 o 1. Estos códigos son buenos para utilizar en canales

con baja probabilidad de error. Un código convolucional queda especificado por tres parámetros ( )Kkn ,, :

n = número de bits de la palabra codificada. k = número de bits de la palabra de datos. K = memoria del código o longitud restringida.

Los códigos convolucionales son ampliamente usados en enlaces de radio en línea

de vista y en comunicaciones móviles, tales como la telefonía celular [31], [34-35].

Fig. 3.11.- Teléfono celular, código convolucional en su interior.

En este capítulo se hizo una revisión de los códigos de bloque y en especial la de los códigos cíclicos, que nos servirán para la implementación, ya que como se analizó anteriormente estos tipos de código dentro de las ventajas que tienen es que son fáciles de implementar usando una circuitería basada en registros de desplazamiento y que tienen una estructura algebraica bien definida por lo que serán los códigos que implementaremos para construir los diferentes módulos de software para la parte de control de error de un motor cognitivo que sea capaz de seleccionar entre diferentes tipos de códigos.

- 55 -

CAPÍTULO 4

IIMMPPLLEEMMEENNTTAACCIIÓÓNN,, PPRRUUEEBBAASS

YY

RREESSUULLTTAADDOOSS

Capítulo 4 ___ Implementación, Pruebas y Resultados

- 56 -

Capítulo 4 Implementación, Pruebas y Resultados.

Una vez que se han revisado algunas técnicas de codificación y control de error en bloques lineales, procederemos a la implementación de 3 códigos diferentes, el código cíclico (7,4), el código BCH (15,11) y el código Hamming (7,4), los cuales utilizan decodificación Meggitt. Primeramente se realizara la implementación de cada código para posteriormente juntarlos en una base de datos para el motor cognitivo en el cual se pueda elegir entre los diferentes códigos implementados.

4.1 Implementación de Códigos de Bloque _________________________________________________________________________

Para realizar la implementación de un módulo de software utilizando el concepto de Radio Cognitivo se propone para la programación de los circuitos utilizar lenguajes de programación de alto nivel, por lo que se utilizará C++.

Como primer paso se desarrollaron las funciones del transmisor para simular el funcionamiento de tres diferentes codificadores, de igual forma se desarrollaron las funciones del lado del receptor para posteriormente establecerlos en una base de datos para el motor cognitivo, donde se tenga la capacidad de elegir entre los diferentes codificadores establecidos, entre los cuales se obtuvieron los siguientes:

� Codificador Cíclico (7,4) � Decodificador Cíclico (7,4) � Codificador BCH (15,11) � Decodificador BCH (15,11) � Codificador Hamming (7,4) � Decodificador Hamming (7,4)

4.1.1 Codificador Cíclico (7,4)

A continuación se muestra el diagrama general para implementar un codificador cíclico en la Figura 4.1, el cual es la base de la implementación del codificador, posteriormente la Figura 4.2 muestra el diagrama del circuito codificador cíclico (7,4).

Flip-flop Flip-flop Flip-flop Flip-flop…..

g1 g2

Compuerta

…..1−−kng

SumadorMódulo 2

Bits del mensaje

Bits deparidad

Palabrade

código

Fig. 4.1.- Codificador general cíclico ( )kn, .


- 57 -

SumadorMódulo 2

Flip-flop Flip-flop

Palabracódigo

Flip-flop

Compuerta

Bits del mensaje

Bits deparidad

Fig. 4.2.- Codificador cíclico ( )4,7 .

Una vez teniendo el circuito codificador cíclico (7,4) mediante el polinomio

generador ( )xg se procedió a generar el circuito del codificador cíclico (7,4) basado en

( )xh que se muestra en la Figura 4.3, el cual se estableció como base para su implementación mediante software, donde se puede establecer la creación de módulos de software mediante el conocimiento del hardware específico para dicha codificación. Posteriormente en la Figura 4.4 se presenta el diagrama de flujo que ayudo a la creación del circuito codificador (7,4).

SumadorMódulo 2

Bits deparidad

Flip-flop Flip-flop Flip-flopBits del mensaje

Flip-flop

Compuerta 2

Compuerta 1

Palabracódigo

Fig. 4.3.- Codificador cíclico ( )4,7 basado en h(x).


- 58 -

CODIFICADOR CICLICO

U[K], V[N]

cont=0,i,j

i>N-K-1

V[i]=U[N-K-cont]

cont++

V[i]=U[3]Û[2]Û[1]

U[j]=U[j-1]

U[j]=U[j-1]

F

NO

NO

NO

SISI

SI

i=N-1;i>=0;i--

j=N-K;j>=1;j--

Fig. 4.4.- Diagrama de flujo para el codificador cíclico ( )4,7 .

En esta función se implementa un algoritmo para utilizar el codificador cíclico (7,4), el cual utiliza un polinomio generador ( ) 13 ++= xxxg , a partir de ese polinomio se puede

calcular ( ) 124 +++= xxxxh que servirá para generar el circuito del codificador basado

en ( )xh , donde se tendrá una función que recibe el valor del vector de información U[K]= 4 elementos, el vector de información U[K] entra al registro de corrimiento, posteriormente se calculan los bits de redundancia que son establecidos en el circuito para que se añada a la palabra código, es decir se utilizan los 4 bits de información o del mensaje original, se calculan los 3 bits de redundancia que se van a añadir al vector información los cuales nos darán el control de error y se imprime la palabra codificada V[N] de 7 bits.


- 59 -

Esta implementación nos da un codificador cíclico (7,4) y el resultante del programa se muestra en la Figura 4.5, en el que se obtenemos la palabra código de un vector de información.

Fig. 4.5.- Resultante de la implementación del codificador cíclico ( )4,7 . 4.1.2 Decodificador Cíclico (7,4)

Una vez establecido el codificador es necesario implementar su decodificador donde podamos recuperar a partir de la palabra código la información que el transmisor nos ha mandado, pero la implementación del decodificador va a tener la capacidad de detectar y corregir un error cuando se llegué a presentar en el momento de recepción de la información.

También es importante mencionar que los otros códigos van a estar establecidos con las mismas características, a continuación se muestra el diagrama para el cálculo del Síndrome de un código cíclico y su decodificador Meggitt, se muestra en la Figura 4.6, el cual es la base para la implementación del decodificador.

x3r(x)

rn-1n-Etapas de Buffer

0S 1S 2S

r(x) )(ˆ xv

1ˆ −ne

Fig. 4.6.- Síndrome y Decodificador Meggitt para el código cíclico( )kn, .


- 60 -

Función del decodificador cíclico (7,4).

“ASIGNACION DELVECTOR RECIBIDO,INICIALIZACION DEL

BUFFER Y SINDROME”

SI

DECODIFICADOR CICLICOV[N], VCR[N]

s[3], Aux[3], R[N], BUF[N],BUFX[N], i, j

i=0,j=N-1; i<N; i++,j--

R[j]=V[i]

NO

SI

i=0; i<7; i++

BUF[i]=0

NO

SI

i=0; i<3; i++

S[i]=0

NO

ITERACION R(X) SINDROME BUFFER

“VECTORCORREGIDO”

NONO

“CORRECION DEPALABRA CODIGO”

“ASIGNACIONDE S Y BUFFER”

“CALCULO DEL SINDROME”

SI

SI

i=0; i<14; i++

i<=6

i=0; i<N; i++

VCR[i]=BUF[i]

NO

NO

NO

SI

F

Aux[0]=S[0]Aux[1]=S[1]Aux[2]=S[2]

S[0]=Aux[2]^R[i]S[1]=Aux[0]Âux[2]S[2]=Aux[1]

SI

j=0; j<7; j++

BUFX[j]=BUF[j]

BUF[0]=R[i]BUF[1]=BUFX[0]BUF[2]=BUFX[1]BUF[3]=BUFX[2]BUF[4]=BUFX[3]BUF[5]=BUFX[4]BUF[6]=BUFX[5]


Aux[0]=S[0]Aux[1]=S[1]Aux[2]=S[2]

S[0]=Aux[2]^(Aux[0]&!Aux[1]&Aux[2])S[1]=Aux[0]Âux[2]S[2]=Aux[1]

SI

j=0; j<7; j++

BUFX[j]=BUF[j]

BUF[0]=BUFX[6]^(Aux[0]&!Aux[1]&Aux[2])BUF[1]=BUFX[0]BUF[2]=BUFX[1]BUF[3]=BUFX[2]BUF[4]=BUFX[3]BUF[5]=BUFX[4]BUF[6]=BUFX[5]


Fig. 4.7.- Diagrama de flujo para el decodificador cíclico ( )4,7 .


- 61 -

En la función del decodificador se implementa un algoritmo que utiliza un decodificador Meggitt basándose en el calculo del Síndrome por medio de ( )xg , primeramente debemos inicializar los elementos del buffer y el Síndrome con cero para saber si no hay errores en la transmisión de la palabra codificada de lo contrario es necesario detectarlo y corregirlo, su implementación se baso en el circuito de la Figura 4.5 el cual nos ayuda a realizar el calculo del Síndrome mediante el registro de la palabra código para determinar los siete primeros valores del Síndrome, pero hace falta la detección y corrección, aquí es donde se implementa el decodificador Meggitt el cual corrige el error en la palabra código y se le asignara el vector corregido a VCR y recuperar la información ya decodificada.

En la Figura 4.8 observamos la simulación que se realizo en C++, donde se presenta el decodificador cíclico (7,4), la detección y corrección de un error.

Fig. 4.8.- Resultante de la implementación del decodificador cíclico ( )4,7 .


- 62 -

4.1.3 Codificador BCH (15,11)

A continuación se muestra la tabla 4.1 para el código Bose-Chaudhuri-Hocquenghem-BCH (15,11), en la cual se presentan los parámetros de código que están expresados por los valores de n, k y t y los polinomios generadores correspondientes a códigos BCH de bloques binarios, el cual se tomo de base para la implementación del codificador. n k t Polinomio Generador ( )Xg

7 4 1 1 011 15 11 1 10 011 15 7 2 111 010 001 Notación: n = longitud del bloque, k = número de bits del mensaje, t = número máximo de errores detectables.

Tabla 4.1.- Códigos BCH binarios con su respectivo polinomio generador.

Diagrama de flujo de la función del codificador BCH (15,11).

SI

CODIFICADOR BCHU[K], V[N]

bb[N-K], g[5]={1,1,0,0,1},retro,i,j

i=0;i<N:i++

bb[i]=0

i=K-1;i>=0;i--

retro=U[i]^bb[N-K-1]

retro!=0

j=N-K-1;j>0;j--

g[i]!=0

bb[j]=bb[j-1]^retro bb[j]=bb[j-1]

bb[0]=g[0]&&retro

j=N-K-1;j>0;j--

bb[j]=bb[j-1]

bb[0]=0

i=0;i<N-K;i++

V[i]=bb[i]

i=0;i<K;i++

V[i+N-K]=U[i]

NO

NO

NO

NO

NO

NO

NO

NO

SI

SISI

F

SI

SI

SI

SI

Fig. 4.9.- Diagrama de flujo del codificador BCH ( )11,15 .


- 63 -

En la función del codificador BCH se implementa un algoritmo para utilizar el codificador BCH mediante el polinomio( ) 13 ++= xxxg el cual debido a su funcionamiento solo se tendrá que hacer cambios a los valores del vector de información U[K] y la palabra codificada V[N] los cuales facilitan el calculo de los bits de redundancia bb[] mediante la introducción del polinomio generador para posteriormente obtener la palabra codificada V[N].

El resultante del programa para el codificador BCH se muestra en la Figura 4.10, en el que se obtenemos una palabra código de 15 bits a partir de un vector de información de 11 bits.

Fig. 4.10.- Resultante de la implementación del codificador BCH ( )11,15 .


- 64 -

4.1.4 Decodificador BCH (15,11)

A continuación es necesario implementar su decodificador, que debe tener la capacidad de detectar y corregir un error que se presente en la palabra código, a partir del diagrama del circuito decodificador Meggitt que se muestra en la Figura 4.11, es posible realizar su implementación en software una vez conociendo las características del hardware, por tanto se establece como base para la implementación del decodificador BCH (15,11).

g1

r(x) rn-115-Etapas de Buffer

0S 1S 3S2S

entrada

entrada)(ˆ xv

1ˆ −ne

( ) 41 xxxg ++=

Fig. 4.11.- Decodificador Meggitt para código BCH ( )11,15 .

A continuación se muestra el diagrama de flujo de la función del decodificador BCH (15,11). Posteriormente en la Figura 4.13 se presenta la simulación realizada en C++, del decodificador BCH (15,11), la detección y la corrección de un solo error.


- 65 -

NONO

“VECTORCORREGIDO”

i<=14

i=0; i<N; i++

VCR[i]=BUF[i]

NO

NO

SI

F

Aux[0]=S[0]Aux[1]=S[1]Aux[2]=S[2]Aux[3]=S[3]

S[0]=Aux[3]^R[i]S[1]=Aux[0]Âux[3]S[2]=Aux[1]S[3]=Aux[2]

j=0; j<N; j++

BUFX[j]=BUF[j]

BUF[0]=R[i] BUF[7]=BUFX[6]BUF[1]=BUFX[0] BUF[8]=BUFX[7]BUF[2]=BUFX[1] BUF[9]=BUFX[8]BUF[3]=BUFX[2] BUF[10]=BUFX[9]BUF[4]=BUFX[3] BUF[11]=BUFX[10]BUF[5]=BUFX[4] BUF[12]=BUFX[11]BUF[6]=BUFX[5] BUF[13]=BUFX[12]

BUF[14]=BUFX[13]


S[0]=Aux[3]^(Aux[0]&!Aux[1]&Aux[2]&Aux[3])S[1]=Aux[0]Âux[3]S[2]=Aux[1]S[3]=Aux[2]

j=0; j<N; j++

BUFX[j]=BUF[j]

BUF[0]=BUFX[14]^(Aux[0]&!Aux[1]&!Aux[2]&Aux[3])BUF[1]=BUFX[0] BUF[8]=BUFX[9]BUF[2]=BUFX[1] BUF[9]=BUFX[10]BUF[3]=BUFX[2] BUF[10]=BUFX[11]BUF[4]=BUFX[3] BUF[11]=BUFX[12]BUF[5]=BUFX[4] BUF[12]=BUFX[13]BUF[6]=BUFX[5] BUF[13]=BUFX[14]BUF[7]=BUFX[6] BUF[14]=BUFX[15]

“CORRECION DE PALABRA CODIGO”

“ASIGNACION DE S Y BUFFER”

“CALCULO DEL SINDROME”i=0; i<14; i++

NO

Aux[0]=S[0]Aux[1]=S[1]Aux[2]=S[2]Aux[3]=S[3]

SI SI SI

SI


NO

NO

NO

DECODIFICADOR BCHV[N], VCR[N]

s[N-K], Aux[N-K], R[N], BUF[N]BUFX[N], i, j

i=0,j=N-1; i<N; i++,j--

R[j]=V[i]

i=0; i<N; i++

BUF[i]=0

i=0; i<N-K; i++

S[i]=0


“ASIGNACION DELVECTOR RECIBIDO,INICIALIZACION DEL

BUFFER Y SINDROME”

SI

SI

SI

Fig. 4.12.- Diagrama de flujo del decodificador BCH ( )11,15 .


- 66 -

En esta función se implementa un algoritmo el cual utiliza un decodificador Meggitt (15,11) basándose en el calculo del Síndrome por medio de ( )xg , donde primeramente debemos inicializar los elementos del buffer y el Síndrome con cero para saber si no hay errores en la transmisión de la palabra codificada además de realizar el calculo del Síndrome, posteriormente se implementa el decodificador Meggitt el cual se baso en el circuito de la Figura 4.11 el cual detecta y corrige el error en la palabra código y la asigna al vector corregido VCR para recuperar la información.

Fig. 4.13.- Resultante de la implementación del decodificador BCH ( )11,15 .


- 67 -

4.1.5 Codificador Hamming (7,4)

A continuación se muestra el circuito del codificador Hamming (7,4), el cual se tomo de base para la implementación, se muestra en la Figura 4.14 para la generación de las palabras código del codificador Hamming.

U1A74136N U2A

74136N

3U0

U1

U2

U3

U3A74136N

U4A74136N

6

U5A74136N

U6A74136N

2

4

5

8

11

7

10

9

V0

V1

V2

V3

V4

V5

V6

Fig. 4.14.- Circuito codificador Hamming ( )4,7 .

Diagrama de flujo de la función del codificador Hamming (7,4).

CODIFICADOR HAMMIING

U[K], V[N]

V[0]=U[0]Û[2]Û[3]

V[1]=U[0]Û[1]Û[2]

V[2]=U[1]Û[2]Û[3]

V[3]=U[0]

V[4]=U[1]

V[5]=U[2]

V[6]=U[3]

F

Fig. 4.15.- Diagrama de flujo del codificador Hamming ( )4,7 .


- 68 -

En esta función se implementa un algoritmo para utilizar el codificador Hamming (7,4), el cual a partir del circuito digital establecido en la Figura 4.14 se puede calcular, donde primeramente se recibe el arreglo de los cuatro elementos de información U[K] que simulan las entradas del circuito codificador para posteriormente formar el otro arreglo de siete elementos que se establezcan como la palabra codificada V[N] que simulan la salida del codificador, es decir donde el vector de información U[K] nos ayuda a establecer las operaciones suma módulo 2 (XOR) para el establecimiento de los bits de redundancia que se van a añadir al vector información y posteriormente se imprima la palabra codificada V[N] para su transmisión.

El resultante del programa para el codificador Hamming se muestra en la Figura 4.16, en el que se obtiene a partir del vector información de 4 bits una palabra código de 7 bits.

Fig. 4.16.- Resultante de la implementación del codificador Hamming ( )4,7 . 4.1.6 Decodificador Hamming (7,4)

Una vez establecido el codificador es necesario implementar su decodificador donde podamos recuperar a partir de la palabra código la información que el transmisor nos ha mandado, va a tener la capacidad de detectar y corregir un error que se llegué a presentar en la palabra código en el momento de la recepción.

A continuación se muestra el diagrama de flujo de la función del decodificador Hamming (7,4).


- 69 -

“DETERMINAVALORES

DEL SINDROME”NO

DECODIFICADOR HAMMINGV[N], VCR[N]

S[N-K], e[16][17], suma,i, j, k

k=0; k<3; k++

S[0]=V[0]^V[3]^V[5]^V[6]S[1]=V[1]^V[3]^V[4]^V[5]S[2]=V[2]^V[4]^V[5]^V[6]

S[k]=k

S[0]==1 || S[1]==1 || S[2]==1

E[16][4]={0,0,0,0, 1,0,0,0,0,0,0,1, 1,0,0,1,0,0,1,0, 1,0,1,0,0,0,1,1, 1,0,1,1,0,1,0,0, 1,1,0,0,0,1,0,1, 1,1,0,1,0,1,1,0, 1,1,1,0,0,1,1,1, 1,1,1,1}

VCR[0]=V[0]VCR[1]=V[1]VCR[2]=V[2]VCR[3]=V[3]VCR[4]=V[4]VCR[5]=V[4]VCR[6]=V[6]

NOSI

SI

NOSI

NO

“CALCULAVALOR DE E[2]”

i=0; i<16; i++

suma=E[i][0]Ê[i][2]Ê[i][3]

S[0]==1

suma==0

e[i][0]=1 e[i][0]=0

NOSIsuma==0

e[i][0]=0

NOSI

suma=E[i][0]Ê[i][1]Ê[i][2]

S[1]==1

suma==0

e[i][1]=1

NO

NO

SI

SIsuma==0

e[i][1]=0

NOSI

suma=E[i][1]Ê[i][2]Ê[i][3]

S[2]==1

suma==0

e[i][2]=1

NO

NO

SI

SIsuma==0

e[i][2]=0

NOSI

e[i][0]=1

e[i][1]=0 e[i][1]=1

e[i][2]=0 e[i][2]=1



SI

e[i][3]=E[i][0]e[i][4]=E[i][1]e[i][5]=E[i][2]e[i][6]=E[i][3]

“DETECCION Y

CORRECCIONDE

ERROR”

acumula, renglon

i=0; i<16; i++

acumula=0

j=0; j<7; j++

e[i][j]==1

acumula==1

renglon=i

NO

NO

NO

NO

SI

F

ITERACION VECTOR ERROR NUM.DE1

acumula=acumula+1

e[i][j]

EL VECTOR ERRORES LA FILA:

SI

SI

SI

VCR[0]=V[0] ê[renglon][0]VCR[1]=V[1] ê[renglon][1]VCR[2]=V[2] ê[renglon][2]VCR[3]=V[3] ê[renglon][3]VCR[4]=V[4] ê[renglon][4]VCR[5]=V[4] ê[renglon][5]VCR[6]=V[6] ê[renglon][6]

SI

Fig. 4.17.- Diagrama de flujo del decodificador Hamming ( )11,15 .


- 70 -

En la función del decodificador se implementa un algoritmo que utiliza las ecuaciones para el Síndrome de detección de errores (4-1) el cual ayuda a saber si el mensaje recibido presenta algún error y poder corregirlo;

65422

54311

65300

eeeeS

eeeeS

eeeeS

+++=+++=+++=

……………… (4-1)

posteriormente se establece un vector error e[0] que ayudara a corregir el error en la palabra código y establecer una matriz con los resultados de las correcciones de errores y así recuperar la información decodificada. En la Figura 4.18 se observa la simulación realizada en C++, donde se presenta el decodificador Hamming (7,4), y su característica de detección y corrección de un error.

Fig. 4.18.- Resultante de la implementación del decodificador Hamming ( )4,7 .


- 71 -

4.1.7 Implementación del Motor Cognitivo para Codificador

De esta forma se implementaron tres diferentes tipos de codificadores para códigos de bloque lineales:

� Codificador Cíclico (7,4) � Codificador BCH (15,11) � Codificador Hamming (7,4)

Posteriormente se establecieron en una base de datos para el diseño del motor

cognitivo que como se revisó en el capítulo 2, es de suma importancia para el soporte de los mecanismos de aprendizaje en el Radio Cognitivo el cual tendrá la capacidad de elegir entre las diferentes técnicas de codificación.

A continuación se muestra la implementación principal del motor cognitivo para

codificador de la parte del transmisor mediante un diagrama de flujo que es mostrado en la Figura 4.19 implementando el concepto de Radio Cognitivo y la simulación realizada en C++.

SI

CASO 4CASO 3CASO 2CASO 1

I

u[K], KK, v[N], NN, opc

DO

CODIFICADOR COGNITIVO1.- CODIFICADOR CÍCLICO2.- CODIFICADOR BCH3.- CODIFICADOR HAMMING4.- SALIR

opc

SELECTOR (opc)

cc=4n1=7

LeeInformacion (cc, u)

ImprimePalabra (cc, u)

CodificadorCiclico (cc, u, n1, v)

ImprimeCodigo (n1, v)

bch=11n2=15

LeeInformacion (bch, u)

ImprimePalabra (bch, u)

CodificadorBCH (bch, u, n2, v)


ch=4n3=7

LeeInformacion (ch, u)

ImprimePalabra (ch, u)

CodificadorHamming (u, v)


ADIOS

opc!=4

F

DEFAULT

NO

OPCIÓNINCORECTA

Fig. 4.19.- Diagrama de flujo de la base de datos del motor cognitivo: Codificador Cognitivo.


- 72 -

Fig. 4.20.- Resultante de la implementación del menú: Codificador Cognitivo. 4.1.8 Implementación de Motor Cognitivo para Decodificador

En lo que respecta a la parte de decodificación se implementaron tres diferentes tipos de decodificadores para códigos de bloque lineales con la capacidad de corrección de un solo error:

� Decodificador Cíclico (7,4) � Decodificador BCH (15,11) � Decodificador Hamming (7,4)

Posteriormente se establecieron en una base de datos para el diseño del motor

cognitivo que servirá para el soporte de los mecanismos de aprendizaje en el Radio Cognitivo el cuál tendrá la capacidad de elegir entre las diferentes técnicas de decodificación y control de error el cual es mostrado en la Figura 4.21 mediante un diagrama de flujo para el decodificador del lado del receptor tomando como base el concepto de Radio Cognitivo.

A continuación se muestra la implementación principal del motor cognitivo para decodificador mediante un diagrama de flujo y la simulación realizada en C++.


- 73 -

NOSI

CASO 2 CASO 4CASO 3

I

U[K], V[N], VCR[N], e, R[K], opc

DO

DECODIFICADOR COGNITIVO1.- DECODIFICADOR CÍCLICO2.- DECODIFICADOR BCH3.- DECODIFICADOR HAMMING4.- SALIR

opc

SELECTOR (opc)

dc=4n1=7

LeeInformacion (dc, V)

ImprimePalabra (dc, V)

IntroduceError (V, e-1)

ImprimeError (dc, V)

opc!=4

F

DecodificadorCicl (dc,V, VCR)

ImprimeCodigo (dc, VCR)

RecuperaInfoCicl (R, VCR)

ImprimePalabraInfo (n1, R)

dbch=15n2=11

LeeInformacion (dbch, V)

ImprimePalabra (dbch, V)


ImprimeError (dbch, V)

DecodificadorBCH (dbch,V, VCR)

ImprimeCodigo (dbch, VCR)

RecuperaInfoBCH (R, VCR)


dham=4n3=7

LeeInformacion (dham,V)

ImprimePalabra (dham,V)


ImprimeError (dham, V)

DecodificadorHamm (V, VCR)

ImprimeCodigo (dham,VCR)

RecuperaInfoHamm (R, VCR)


CASO 1DEFAULT

OPCIÓNINCORECTA

ADIOS

Fig. 4.21.- Diagrama de flujo de la base de datos del motor cognitivo: Decodificador Cognitivo.

Fig. 4.22.- Resultante de la implementación del menú: Decodificador Cognitivo.


- 74 -

Como se ha visto en este capítulo, la implementación de técnicas de codificación y

control de errores tanto para el codificador como para el decodificador es posible gracias a esa capacidad de poder convertir las funciones de hardware en software lo que ayuda a la realización de una fácil autoreconfiguración además de que se pueden implementar múltiples técnicas de control de errores e implementarlas con la base que nos brinda el Radio Definido por Software pero ahora bajo el concepto y su evolución como Radio Cognitivo, el cual se implementó mediante una base de datos que sirve para el diseño del motor cognitivo y para futuros mecanismos de aprendizaje.

Ya que una de las principales características de esta nueva tecnología, es la de tener

la capacidad de elegir entre diferentes tipos de codificación y control de error para aplicarlas dependiendo de las necesidades del usuario y del ambiente operativo en el que se encuentre, ayudado del diseño e implementación de algoritmos cognitivos lo que establece grandes ventajas en la evolución en el área del las comunicaciones móviles e inalámbricas.

___ Conclusiones

- 75 -

Conclusiones

En este trabajo se logró implementar tres diferentes tipos de códigos y establecerlos

para las funciones tanto de transmisión como de recepción mediante un switch selectivo,

que cumple con el concepto del Radio Cognitivo, dentro de los códigos implementados se

encuentran los códigos cíclicos, los códigos BCH y los códigos Hamming, los que nos

brindan una visión general para entender el gran trabajo que se realiza en el procesamiento

de señales y su control en el área de las comunicaciones.

Se puede establecer varios aspectos sobre la implementación realizada en este

trabajo por una parte los códigos cíclicos son más fáciles de implementar en relación a los

otros tipos de código, esto debido a las características que presentan como poseer una

estructura matemática bien definida lo que da como consecuencia, que se tenga una

estructura general para n longitudes de información, además de la propiedad de corrimiento

cíclico que facilita tanto su implementación como la seguridad de su eficiencia, pero a

pesar de eso los demás códigos también presentan sus ventajas como son los códigos BCH

que mediante el establecimiento del polinomio generador se pueden obtener diferentes

códigos para diferentes longitudes de información simplemente cambiando algunos

parámetros del polinomio, por otra parte en los códigos Hamming mediante el diseño y la

implementación del circuito electrónico se obtiene la palabra código de una forma rápida y

concreta pero no cuenta con una estructura más general como la de los códigos cíclicos. Es

por eso que en el análisis de estos códigos de bloque nos ayuda a establecer que en general

los códigos cíclicos presentan menos complicaciones para su implementación debido a las

características anteriormente mencionadas y a la estructura general que presentan

En lo que respecta a la parte de la decodificación se puede afirmar que presentan un

mayor grado de complejidad debido a los registros de corrimiento que depende de la

longitud del código, al cálculo del Síndrome, y a los diferentes circuitos de corrección de

errores que se establecen para la decodificación de cada código pero gracias a la

decodificación Meggitt que emplea registros de corrimiento para establecer una forma más

fácil de implementación, el aseguramiento de la detección y corrección de error es posible

realizar su implementación, a pesar de que los programas establecidos solo corrigen un

error son muy eficientes y se pueden establecer mejoras para la detección de un número

mayor de errores, ya que a pesar de que se tiene una estructura general para cada tipo de

decodificador solo es necesario cambiar algunos parámetros para establecer otros

decodificadores de diferente longitud.

Este trabajo refleja en general la importancia sobre el procesamiento de las señales y

de las nuevas formas que se están desarrollando para la solución de los problemas actuales

en las comunicaciones móviles e inalámbricas, de la grandes expectativas que se tienen

para el establecimiento de nuevas generaciones de comunicaciones móviles basadas en

tecnologías de Radio Definido por Software y su evolución como Radio Cognitivo, a pesar

de las características que implica todo el proceso de comunicación el cual debido a los

componentes y al establecimiento de algunas etapas específicas en el sistema de

comunicaciones es difícil poder establecer todo el proceso de comunicación mediante

software, pero esta tecnología abarca etapas muy importantes que benefician a que se tenga

___ Conclusiones

- 76 -

un control más preciso de la información, a una mayor eficiencia en la transmisión de datos

debido a las nuevas exigencias en los servicios y aplicaciones en tiempo real por parte de

los usuarios por lo que es imposible solicitar una retransmisión de la información ya que

afectaría importantes objetivos sobre la calidad que se desea seguir brindando en las


Por todo lo antes mencionado es importante que se conozcan las nuevas tecnologías

que se están desarrollando, para que se sigan desarrollando nuevas aplicaciones y servicios

donde finalmente los usuarios se puedan comunicar de una forma más eficiente y segura ya

que el área de las comunicaciones se ha caracterizado por los importantes avances que ha

tenido en los últimos años, y sobre todo siempre va existir esa necesidad de comunicarnos

de una manera más rápida y eficiente, donde habrá nuevos problemas que enfrentar y a los

cuales se le tendrá que dar solución debido al auge que se ha establecido en el ámbito de las

comunicaciones móviles e inalámbricas.

Finalmente es por eso que al Radio Cognitivo se le tiene una gran expectativa ya

que puede hacer surgir una verdadera revolución en las comunicaciones que propiciara al

surgimiento de múltiples capacidades y servicios, por lo que es importante seguir de cerca

los avances en este tipo de tecnología ya que como se vio en este trabajo se tiene grandes

ventajas además de que va a dar solución a los problemas de incompatibilidad de estándares

de telefonía móvil, a las técnicas de acceso al medio y el establecimiento de un uso más

eficiente y controlado del espectro de radiofrecuencia que originara a tener un dispositivo

universal que se autoreconfigure por sí mismo lo que marcará de manera trascendental el

avance hacia el surgimiento de una comunicación total.

Recomendaciones para trabajos futuros

Este trabajo solo se centro en algunas técnicas de codificación por lo que sería

factible seguir desarrollando otros tipos de codificadores como los códigos convolucionales

que son de suma importancia por su aplicación en telefonía celular, además de que se

pueden desarrollar otras etapas del sistema de comunicación que se pueden implementar

mediante software como lo es la digitalización de las señales mediante procesos como el

muestreo, cuantificación y modulación ya que estos procesos también se pueden

programar.

Además de que se pueden implementar en otros lenguajes de programación de alto

nivel como MATLAB y VHDL, para posteriormente implementarlo en una tarjeta FPGA o

en otro dispositivo lógico programable se tenga todos estos procesos de digitalización de la

señal sin olvidar que se debe establecer con capacidades cognitivas ya que es una de las

principales características del Radio Cognitivo, por lo que este trabajo es solo la base en el

desarrollo de la digitalización de las señales en la parte de la codificación y sería interesante

desarrollar otras etapas del sistema de comunicación como la modulación.

- 77 -

ANEXO A

PPRROOGGRRAAMMAASS QQUUEE IIMMPPLLEEMMEENNTTAANN

EELL CCOONNCCEEPPTTOO DDEE

RRAADDIIOO CCOOGGNNIITTIIVVOO

- 78 -

Anexo A. Programas que implementan el concepto de radio

cognitivo.

1. Programa desarrollado para simular un Codificador Cognitivo mediante los

siguientes codificadores: Codificador Cíclico (7,4), Codificador BCH (15,11) y

Codificador Hamming (7,4).

/*

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

PROGRAMA QUE SIMULA UN CODIFICADOR COGNITIVO

ASESOR: M. EN C. DAVID VAZQUEZ ALVAREZ

HECHO POR: JOSE VLADIMIR HERRERA SANCHEZ

*/

#include<iostream.h>

#include<conio.h>

#include<stdio.h>

#define K 100

#define N 100

/*

SIMULACION DE UN CODIFICADOR COGNITIVO

N: LONGITUD DE LA PALABRA CODIGO

K: LONGITUD DE LA PALABRA A CODIFICAR

U(X): VECTOR DE INFORMACION O PALABRA A CODIFICAR

V(X): PALABRA CODIFICADA

*/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE LEE EL VECTOR DE INFORMACION U(X) ////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void LeeInformacion(int KK, int U[K])

{

int i;

cout<<"\n\n\n\t INTRODUCE EL VECTOR DE INFORMACION U(X): \n\n";

for(i=0; i<KK; i++)

{

cout << "\t\t\tU[" << i << "]= ";

cin >> U[i];

}

}//FIN DE FUNCION

- 79 -

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA PALABRA A CODIFICAR /////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimePalabra(int KK, int U[K])

{

cout<<"\n\n VECTOR INFORMACION:\n\n\t\t\t";

for(int i=0; i<KK; i++)

{

cout<<U[i];

}

}//FIN DE FUNCION

/*** CODIFICADOR CICLICO (7,4) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION EN DONDE SE IMPLEMENTA UN ALGORITMO ////////////////////////////////

///// PARA UTILIZAR UN CODIFICADOR CICLICO (7,4) ///////////////////////////////////////////

///// UTILIZANDO UN POLINOMIO G(X) = X^3 + X + 1, /////////////////////////////////////////////

///// A PARTIR DE G(X), CALCULAMOS H(X) = X^4 + X^2 + X + 1 ////////////////////////////

///// PARA IMPLEMENTAR EL CIRCUITO DEL CODIFICADOR BASADO ////////////////

///// EN H(X) ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void CodificadorCiclico(int KK, int U[K],int NN, int V[N])

{

int cont=0, i;

//CALCULA LOS BITS DE REDUNDANCIA Y LOS AÑADE EN

//V(X) QUE ES LA PALABRA CODIGO

for (i=NN-1; i>=0; i--)

{

//DEJA LOS ULTIMOS CUATRO BITS DE INFORMACION

if(i > NN-KK-1)

{

V[i]=U[NN-KK-cont];

cont++;

}

//CALCULA LOS BITS DE REDUNDANCIA B(X)

else

{

//CIRCUITO BASADO EN H(X) PARA OBTENER LOS BITS DE

REDUNDANCIA

V[i] = U[3] ^ U[2] ^ U[1];

for(int j=NN-KK; j>=1; j--)

{

U[j] = U[j-1];

}

U[0] = V[i];

}

}

- 80 -

}//FIN DE FUNCION

/*** CODIFICADOR BCH (15,11) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


///// PARA UTILIZAR UN CODIFICADOR BCH (15,11) //////////////////////////////////////////////

///// UTILIZANDO UN POLINOMIO G(X) = X^3 + X + 1, /////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void CodificadorBCH(int KK, int U[K],int NN, int V[N])

{

/*

CALCULA LOS BITS DE REDUNDANCIA bb[], LOS COEFICIENTES DE b(x).

*/

int bb[K];

int g[5]={1,1,0,0,1};

int i, j;

int retro;

for (i = 0; i < NN - KK; i++)

{

bb[i] = 0;

} /*INICIALIZA TODOS LOS VALORES DEL VECTOR DE

REDUNDANCIA EN 0*/

for (i = KK - 1; i >= 0; i--)

{

retro = U[i] ^ bb[NN - KK - 1];

if (retro != 0)

{

for (j = NN - KK - 1; j > 0; j--)

if (g[j] != 0)

bb[j] = bb[j - 1] ^ retro;

else

bb[j] = bb[j - 1];

bb[0] = g[0] && retro;

}

else

{

for (j = NN - KK - 1; j > 0; j--)

bb[j] = bb[j - 1];

bb[0] = 0;

}

}

for (i = 0; i < NN - KK; i++)

{

V[i] = bb[i];

- 81 -

}

for (i = 0; i < KK; i++)

{

V[i + NN - KK] = U[i];

}

}//FIN DE FUNCION

/*** CODIFICADOR HAMMING (7,4) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


///// PARA UTILIZAR UN CODIFICADOR HAMMING (7,4) ///////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void CodificadorHamming(int U[K], int V[N])

{

V[0] = U[0] ^ U[2] ^ U[3];

V[1] = U[0] ^ U[1] ^ U[2];

V[2] = U[1] ^ U[2] ^ U[3];

V[3] = U[0];

V[4] = U[1];

V[5] = U[2];

V[6] = U[3];

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA PALABRA CODIFICADA //////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimeCodigo(int NN, int V[N])

{

cout<<"\n\n PALABRA CODIGO:\n\n\t\t\t";

for(int i=0; i<NN; i++)

{

cout<<V[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION PRINCIPAL-CODIFICADOR COGNITIVO ///////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void main(void)

{

int KK, u[K], NN, v[N], opc;

clrscr();

do

{

cout<<"\n\n\t*** MENU: CODIFICADOR COGNITIVO ***";

- 82 -

cout<<"\n\n\n\t 1.-Codificador C¡clico";

cout<<"\n\n\n\t 2.-Codificador BCH";

cout<<"\n\n\n\t 3.-Codificador Hamming";

cout<<"\n\n\n\t 4.-Salir";

cout<<"\n\n\n\t Elige una opci¢n: ";

cin>>opc;

switch(opc)

{

case 1:

int cc=4, n1=7;

LeeInformacion(cc,u);

ImprimePalabra(cc,u);

CodificadorCiclico(cc, u, n1, v);

ImprimeCodigo(n1, v);

break;

case 2:

int bch=11, n2=15;

LeeInformacion(bch,u);

ImprimePalabra(bch,u);

CodificadorBCH(bch, u, n2, v);


break;

case 3:

int ch=4, n3=7;

LeeInformacion(ch,u);

ImprimePalabra(ch,u);

CodificadorHamming(u, v);


break;

case 4:

cout<<"\n\n\t\t\t\t**ADIOS**";

break;

default:

cout<<"\n\t\t\t**OPCION INCORRECTA";

cout<<"\n\t\t\t VERIFICA TU OPCION**";

break;

}//FIN DE SWITCH

}//FIN DE DO

while (opc!=4);

getch();

}//FIN DE MAIN

- 83 -

2. Programa desarrollado para simular un Decodificador Cognitivo mediante los

siguientes decodificadores: Decodificador Cíclico (7,4), Decodificador BCH (15,11)

y Decodificador Hamming (7,4).

/*

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

PROGRAMA QUE SIMULA UN DECODIFICADOR COGNITIVO

ASESOR: M. EN C. DAVID VAZQUEZ ALVAREZ

HECHO POR: JOSE VLADIMIR HERRERA SANCHEZ

*/

#include<iostream.h>

#include<conio.h>

#include<stdio.h>

#define N 100

#define K 100

/*

SIMULACION DE UN DECODIFICADOR COGNITIVO

N: LONGITUD DE LA PALABRA CODIGO

K: LONGITUD DE LA PALABRA A CODIFICAR

U(X): VECTOR DE INFORMACION O PALABRA A CODIFICAR

V(X): PALABRA CODIFICADA

S(X): SINDROME

RX(X): PALABRA CODIGO CON ERROR

R(X): PALABRA DECODIFICADA Y CORREGIDA

*/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE LEE LA PALABRA CODIGO V(X) ///////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void LeeInformacion(int NN, int V[N])

{

int i;

cout<<"\n\n\n\t INTRODUCE LA PALABRA CODIGO V(X): \n\n";

for(i=0; i<NN; i++)

{

cout << "\t\t\tV[" << i << "]= ";

cin >> V[i];

}

}//FIN DE FUNCION

- 84 -

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA PALABRA CODIGO //////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimePalabra(int NN, int V[N])

{

cout<<"\n\n VECTOR CODIGO:\n\n\t\t\t";


{

cout<<V[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE INTRODUCE UN ERROR A LA PALABRA CODIGO //////////////////

///// SELECCIONANDO EL BIT EN DONDE SE QUIERE APLICAR EL ERROR //////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void IntroduceError(int V[N], int e)

{

if(V[e] == 0)

{

V[e] = 1;

}

else

{

V[e] = 0;

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA PALABRA CODIGO CON EL ERROR ////////////////////

///// INTRODUCIDO ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimeError(int NN, int V[N])

{

int i;

cout<<"\n\n PALABRA CODIGO CON ERROR:\n\n\t\t\t";

for(i=0; i<NN; i++)

{

cout<<V[i];

}

}//FIN DE FUNCION

- 85 -

/*** DECODIFICADOR CICLICO (7,4) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


///// PARA UTILIZAR UN DECODIFICADOR MEGGIT UTILIZANDO ////////////////////////

///// UTILIZANDO EL CALCULO DEL SINDROME POR MEDIO DE G(X) //////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void DecodificadorCicl(int NN,int V[N], int VCR[N])

{

int S[3], Aux[3], R[N], RX[N], BUF[N], BUFX[N];

int i, j;

//ASIGNAMOS AL VECTOR R(X) QUE ES EL VECTOR RECIBIDO EL VECTOR

V(X)

for (i=0, j=NN-1; i<NN; i++, j--)

{

R[j] = V[i];

}

//INCIALIZAMOS CON CERO LOS ELEMENTOS DEL VECTOR BUFFER

for(i=0; i<7; i++)

{

BUF[i] = 0;

}

//INICIALIZAMOS CON CERO LOS ELEMENTOS DEL SINDROME

for (i=0; i<3; i++)

{

S[i] = 0;

}

//IMPRIME LOS VALORES INICIALES DEL SINDROME Y DEL BUFFER

cout<<"\n\n ITERACION\t\tR(X)\t\tSINDROME\tBUFFER\n";

cout<<"\n\t0\t\t-

\t\t"<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[4]<<B

UF[5]<<BUF[6];

getch();

//REALIZA EL CALCULO DEL SINDROME

for (i=0; i<14; i++)

{

//ESTA PARTE PONE EN LOS REGISTROS LA PALABRA CODIGO Y

DETERMINA LOS PRIMEROS 7 VALORES DEL SINDROME, HASTA R(X)

if(i<=6)

{

//ASIGNAMOS A UN AUXILIAR LOS VALORES DE S

Aux[0] = S[0];

- 86 -

Aux[1] = S[1];

Aux[2] = S[2];

S[0] = Aux[2] ^ R[i];

S[1] = Aux[0] ^ Aux[2];

S[2] = Aux[1];

//ASIGNA AL BUFFER

for(j=0; j<7; j++)

{

BUFX[j] = BUF[j];

}

BUF[0] = R[i];

BUF[1] = BUFX[0];

BUF[2] = BUFX[1];

BUF[3] = BUFX[2];

BUF[4] = BUFX[3];

BUF[5] = BUFX[4];

BUF[6] = BUFX[5];

//IMPRIME EN PANTALLA LOS VALORES DEL SINDROME Y EL

BUFFER

cout<<"\n\t"<<i+1<<"\t\t"<<R[i]<<"\t\t"

<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[4]<<BUF[5

]<<BUF[6];

getch();

}

else

{

//CORRECCION DE LA PALABRA CODIGO


Aux[0] = S[0];

Aux[1] = S[1];

Aux[2] = S[2];

S[0] = Aux[2] ^ (Aux[0] & !Aux[1] & Aux[2]);

S[1] = Aux[0] ^ Aux[2];

S[2] = Aux[1];

//ASIGNA AL BUFFER

for(j=0; j<7; j++)

{

BUFX[j] = BUF[j];

}

BUF[0] = BUFX[6] ^ (Aux[0] & !Aux[1] & Aux[2]);

BUF[1] = BUFX[0];

BUF[2] = BUFX[1];

- 87 -

BUF[3] = BUFX[2];

BUF[4] = BUFX[3];

BUF[5] = BUFX[4];

BUF[6] = BUFX[5];

//IMPRIME EN PANTALLA LOS VALORES DEL SINDROME Y LA

PALABRA CORREGIDA

cout<<"\n\t"<<i+1<<"\t\t-"<<"\t\t"

<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[4]<<BUF[5

]<<BUF[6];

getch();

}

}

//ASIGNA EL VECTOR CORREGIDO EN EL BUFFER A VCR

for(i=0; i<NN; i++)

{

VCR[i] = BUF[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE RECUPERA LA INFORMACION DECODIFICADA /////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void RecuperaInformacionCicl(int U[K], int R[N])

{

U[0] = R[3];

U[1] = R[4];

U[2] = R[5];

U[3] = R[6];

}//FIN DE FUNCION

/*** DECODIFICADOR BCH (15,11) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


///// PARA UTILIZAR UN DECODIFICADOR MEGGIT (15,11) ///////////////////////////////////

///// UTILIZANDO EL CALCULO DEL SINDROME POR MEDIO DE G(X) //////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void DecodificadorBCH(int NN,int V[N], int VCR[N])

{

int S[N], Aux[N], R[N], BUF[N], BUFX[N];

int i, j;

//ASIGNAMOS AL VECTOR R(X) QUE ES EL VECTOR RECIBIDO EL VECTOR

V(X)

for (i=0, j=NN-1; i<NN; i++, j--)

{

- 88 -

R[j] = V[i];

}

//INICIALIZAMOS CON CERO LOS ELEMENTOS DEL VECTOR BUFFER

for(i=0; i<NN; i++)

{

BUF[i] = 0;

}

//INICIALIZAMOS CON CERO LOS ELEMENTOS DEL SINDROME

for (i=0; i<NN; i++)

{

S[i] = 0;

}

//IMPRIME LOS VALORES INICIALES DEL SINDROME Y DEL BUFFER

cout<<"\n\n ITERACION\t\tR(X)\t\tSINDROME\tBUFFER\n";

cout<<"\n\t0\t\t-

\t\t"<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<S[3]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[

4]<<BUF[5]<<BUF[6]<<BUF[7]<<BUF[8]<<BUF[9]<<BUF[10]<<BUF[11]<<BUF[12]<

<BUF[13]<<BUF[14];

getch();

//REALIZA EL CALCULO DEL SINDROME

for (i = 0; i <30; i++)

{

//ESTA PARTE PONE EN LOS REGISTROS LA PALABRA CODIGO Y

DETERMINA LOS PRIMEROS 15 VALORES DEL SINDROME, HASTA R(X)

if(i <= 14)

{


Aux[0] = S[0];

Aux[1] = S[1];

Aux[2] = S[2];

Aux[3] = S[3];

S[0] = Aux[3] ^ R[i];

S[1] = Aux[0] ^ Aux[3];

S[2] = Aux[1];

S[3] = Aux[2];

//ASIGNA AL BUFFER

for(j=0; j<NN; j++)

{

BUFX[j] = BUF[j];

}

- 89 -

BUF[0] = R[i];

BUF[1] = BUFX[0];

BUF[2] = BUFX[1];

BUF[3] = BUFX[2];

BUF[4] = BUFX[3];

BUF[5] = BUFX[4];

BUF[6] = BUFX[5];

BUF[7] = BUFX[6];

BUF[8] = BUFX[7];

BUF[9] = BUFX[8];

BUF[10] = BUFX[9];

BUF[11] = BUFX[10];

BUF[12] = BUFX[11];

BUF[13] = BUFX[12];

BUF[14] = BUFX[13];

//IMPRIME EN PANTALLA LOS VALORES DEL SINDROME Y EL

BUFFER

cout<<"\n\t"<<i+1<<"\t\t"<<R[i]<<"\t\t"

<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<S[3]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[4]<<

BUF[5]<<BUF[6]<<BUF[7]<<BUF[8]<<BUF[9]<<BUF[10]<<BUF[11]<<BUF[12]<<BU

F[13]<<BUF[14];

getch();

}

else

{

//CORRECCION DE LA PALABRA CODIGO


Aux[0] = S[0];

Aux[1] = S[1];

Aux[2] = S[2];

Aux[3] = S[3];

S[0] = Aux[3] ^ (Aux[0] & !Aux[1] & !Aux[2] & Aux[3]);

S[1] = Aux[0] ^ Aux[3];

S[2] = Aux[1];

S[3] = Aux[2];

//ASIGNA AL BUFFER

for(j=0; j<NN; j++)

{

BUFX[j] = BUF[j];

}

BUF[0] = BUFX[14] ^ (Aux[0] & !Aux[1] & !Aux[2] & Aux[3]);

BUF[1] = BUFX[0];

- 90 -

BUF[2] = BUFX[1];

BUF[3] = BUFX[2];

BUF[4] = BUFX[3];

BUF[5] = BUFX[4];

BUF[6] = BUFX[5];

BUF[7] = BUFX[6];

BUF[8] = BUFX[7];

BUF[9] = BUFX[8];

BUF[10] = BUFX[9];

BUF[11] = BUFX[10];

BUF[12] = BUFX[11];

BUF[13] = BUFX[12];

BUF[14] = BUFX[13];

//IMPRIME EN PANTALLA LOS VALORES DEL SINDROME Y LA

PALABRA CORREGIDA

cout<<"\n\t"<<i+1<<"\t\t-"<<"\t\t"

<<S[0]<<S[1]<<S[2]<<S[3]<<"\t\t"<<BUF[0]<<BUF[1]<<BUF[2]<<BUF[3]<<BUF[4]<<

BUF[5]<<BUF[6]<<BUF[7]<<BUF[8]<<BUF[9]<<BUF[10]<<BUF[11]<<BUF[12]<<BU

F[13]<<BUF[14];

getch();

}

}

//ASIGNA EL VECTOR CORREGIDO EN EL BUFFER A VCR

for(i = 0; i < NN; i++)

{

VCR[i] = BUF[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void RecuperaInformacionBCH(int U[K], int R[N])

{

U[0] = R[4];

U[1] = R[5];

U[2] = R[6];

U[3] = R[7];

U[4] = R[8];

U[5] = R[9];

U[6] = R[10];

U[7] = R[11];

U[8] = R[12];

U[9] = R[13];

U[10] = R[14];

- 91 -

}//FIN DE FUNCION

/*** DECODIFICADOR HAMMING (7,4) ***/

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


///// PARA UTILIZAR UN DECODIFICADOR HAMMING (7,4) //////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void DecodificadorHamm(int V[N], int VCR[N])

{

int S[N], e[16][7];

int i, j, k, suma;

//DETERMINA LOS VALORES DEL SINDROME

S[0] = V[0] ^ V[3] ^ V[5] ^ V[6];

S[1] = V[1] ^ V[3] ^ V[4] ^ V[5];

S[2] = V[2] ^ V[4] ^ V[5] ^ V[6];

cout<<"\n\n VALORES DEL SINDROME:\n";

for(k = 0; k < 3; k++)

{

cout<<"\n\t\t\t S["<<k<<"]="<<S[k];

}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

if(S[0] == 1 || S[1] == 1 || S[2] == 1)

{

int E[16][4] = {0,0,0,0,

0,0,0,1,

0,0,1,0,

0,0,1,1,

0,1,0,0,

0,1,0,1,

0,1,1,0,

0,1,1,1,

1,0,0,0,

1,0,0,1,

1,0,1,0,

1,0,1,1,

1,1,0,0,

1,1,0,1,

1,1,1,0,

1,1,1,1};

for(i = 0; i < 16; i++)

{

//CALCULA EL VALOR DE E[0]

suma = E[i][0] ^ E[i][2] ^ E[i][3];

- 92 -

if(S[0]==1)

{

if(suma == 0)

{

e[i][0] = 1;

}

else

{

e[i][0] = 0;

}

}

else

{

if(suma == 0)

{

e[i][0] = 0;

}

else

{

e[i][0] = 1;

}

}


suma = E[i][0] ^ E[i][1] ^ E[i][2];

if(S[1] == 1)

{

if(suma == 0)

{

e[i][1] = 1;

}

else

{

e[i][1] = 0;

}

}

else

{

if(suma == 0)

{

e[i][1] = 0;

}

else

{

e[i][1] = 1;

}

}

- 93 -


suma = E[i][1] ^ E[i][2] ^ E[i][3];

if(S[2] == 1)

{

if(suma == 0)

{

e[i][2] = 1;

}

else

{

e[i][2] = 0;

}

}

else

{

if(suma == 0)

{

e[i][2] = 0;

}

else

{

e[i][2] = 1;

}

}

e[i][3] = E[i][0];

e[i][4] = E[i][1];

e[i][5] = E[i][2];

e[i][6] = E[i][3];

}//CIERRA EL PRIMER FOR

//IMPRIME LA MATRIZ CON LOS RESULTADOS DE CORRECCION DE

ERROR Y DETECTA EL VECTOR ERROR CON MENOS ERRORES UNO

int acumula, renglon;

cout<<"\n\n\t MATRIZ CON LAS POSIBLES CORRECCIONES\n";

cout<<"\n\n\t\tITERACION VECTOR ERROR NUM. DE 1";

for(i = 0; i < 16; i++)

{

acumula = 0;

cout<<"\n\t\t "<<i<<" ";

for(j = 0; j < 7; j++)

{

if(e[i][j] == 1)

{

acumula = acumula + 1;

}

- 94 -

cout<<e[i][j];

}

if(acumula == 1)

{

renglon = i;

}

cout<<" "<<acumula;

getch();

}//CIERRA EL PRIMER FOR

cout<<"\n\n\t EL VECTOR ERROR ES LA FILA: "<<renglon;

VCR[0] = V[0] ^ e[renglon][0];







/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

}//FIN DEL IF

else

{

VCR[0] = V[0];

VCR[1] = V[1];

VCR[2] = V[2];

VCR[3] = V[3];

VCR[4] = V[4];

VCR[5] = V[5];

VCR[6] = V[6];

}//FIN DEL ELSE

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void RecuperaInformacionHamm(int U[K], int R[N])

{

U[0] = R[3];

U[1] = R[4];

U[2] = R[5];

U[3] = R[6];

}//FIN DE FUNCION

- 95 -

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA PALABRA CODIFICADA //////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimeCodigo(int NN,int V[N])

{

cout<<"\n\n PALABRA CODIGO:\n\n\t\t\t";


{

cout<<V[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION QUE IMPRIME LA INFORMACION /////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void ImprimePalabraInfo(int KK,int U[K])

{

cout<<"\n\n VECTOR INFORMACION:\n\n\t\t\t";

for(int i=0; i<KK; i++)

{

cout<<U[i];

}

}//FIN DE FUNCION

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///// FUNCION PRINCIPAL-DECODIFICADOR COGNITIVO //////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void main(void)

{

int U[K], V[N], VCR[N], e, R[K], opc;

clrscr();

do

{

cout<<"\n\n\t*** MENU: DECODIFICADOR COGNITIVO ***";

cout<<"\n\n\n\t 1.-Decodificador C¡clico";

cout<<"\n\n\n\t 2.-Decodificador BCH";

cout<<"\n\n\n\t 3.-Decodificador Hamming";

cout<<"\n\n\n\t 4.-Salir";

cout<<"\n\n\n\t Elige una opci¢n: ";

cin>>opc;

switch(opc)

{

case 1:

int dc=7, n1=4;

LeeInformacion(dc,V);

ImprimePalabra(dc,V);

- 96 -

// PREGUNTA EN QUE BIT SE DESEA PROVOCAR EL ERROR

cout<<"\n\n EN QUE BIT DESEAS INTRODUCIR EL ERROR,

[1,2,3,4,5,6,7].....";

cin>>e;

IntroduceError(V,e-1);

ImprimeError(dc,V);

DecodificadorCicl(dc,V,VCR);

ImprimeCodigo(dc,VCR);

RecuperaInformacionCicl(R,VCR);

ImprimePalabraInfo(n1,R);

break;

case 2:

int dbch=15, n2=11;

LeeInformacion(dbch,V);

ImprimePalabra(dbch,V);


cout<<"\n\n EN QUE BIT DESEAS INTRODUCIR EL ERROR,\n\n\t

[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].....";

cin>>e;


ImprimeError(dbch,V);

DecodificadorBCH(dbch,V,VCR);

ImprimeCodigo(dbch,VCR);

RecuperaInformacionBCH(R,VCR);


break;

case 3:

int dham=7, n3=4;

LeeInformacion(dham,V);

ImprimePalabra(dham,V);


cout<<"\n\n EN QUE BIT DESEAS INTRODUCIR EL ERROR,

[1,2,3,4,5,6,7].....";

cin>>e;


ImprimeError(dham,V);

DecodificadorHamm(V,VCR);

ImprimeCodigo(dham,VCR);

RecuperaInformacionHamm(R,VCR);


break;

case 4:

cout<<"\n\n\t\t\t\t**ADIOS**";

break;

- 97 -

default:

cout<<"\n\t\t\t**OPCION INCORRECTA";

cout<<"\n\t\t\t VERIFICA TU OPCION**";

break;

}//FIN DE SWITCH

}//FIN DE DO

while (opc!=4);

getch();

}//FIN DE MAIN

- 98 -

ANEXO B

AARRTTÍÍCCUULLOOSS PPRREESSEENNTTAADDOOSS

EENN CCOONNGGRREESSOOSS

- 99 -

3er. CONGRESO MEXICANO

DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

México, D.F., 12 al 14 de Mayo, 2008

Anexo B. Artículos presentados en congresos.

El radio cognitivo en el desarrollo de la cuarta generación

de comunicaciones móviles

David Vázquez Alvarez, J. Vladimir Herrera Sánchez, Gabriela Sánchez Meléndez

Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

ESIME Zacatenco IPN, México, D. F., México

Teléfono: (55) 57296000 Ext. 54553 E-mail: [email protected]

Resumen: Debido al rápido desarrollo de las comunicaciones móviles en el mundo una nueva

tecnología ha surgido desde principios de los 90’s conocida como Radio Definido por Software

(RDS) y ahora su evolución como Radio Cognitivo. Esto con el fin de darle una solución a la

incompatibilidad entre los estándares de telefonía móvil y las técnicas de acceso al medio. En

este artículo se presentan las ventajas, limitaciones, la arquitectura del radio definido por

software y el concepto de radio cognitivo el cual será una referencia para desarrollar futuras

aplicaciones que se podrían establecer para una Cuarta Generación de comunicaciones móviles.

Palabras clave: Comunicaciones Móviles, Radio Definido por Software, Radio Cognitivo.

I. Introducción

Las comunicaciones móviles han tenido una evolución importante en los

últimos años provocando cambios sociales, comerciales y tecnológicos, lo que ha

permitido tener el acceso a una amplia gama de medios de comunicación, contenidos y

aplicaciones que a su vez han propiciado el desarrollo de nuevas formas y métodos

para la transmisión de información de un lugar a otro.

Esto se debe principalmente a los constantes avances de la tecnología en las

comunicaciones móviles (generaciones de telefonía celular y transmisión de datos),

que ha tenido en los últimos 15 años una increíble evolución, desde que surgió la

primera generación (1G), la cual comenzó a finales de los 70´s, caracterizado por usar

sistemas analógicos y su uso estrictamente limitado para voz, en los 90´s comenzó a

operar la segunda generación (2G) la cual se caracterizó por ser digital lo que permitió

brindar servicios digitales enfocados a voz y datos[1,2].

Posteriormente en el 2001 surgió con gran éxito y aceptación la tecnología de

tercera generación conocida popularmente como 3G; y que se caracteriza

principalmente por la velocidad de la transmisión de datos con acceso inalámbrico a

Internet de Banda Ancha para brindar servicios como videoconferencias, aplicaciones

multimedia y televisión, mediante tecnologías como WCDMA, TD-SCDMA, GSM

GPRS y CDMA2000.

Actualmente en el desarrollo de la cuarta generación (4G), China se propone

como candidato pionero en esta generación donde lleva acabo en Shangai los primeros

ensayos en el mundo con tecnología móvil de cuarta generación, completamente

desarrollada por investigadores del país, la cual transmite datos hasta 50 veces más

rápido que la 3G, donde se pretende comercializar en el 2010. Japón también está

mailto:[email protected]

- 100 -

experimentando con las tecnologías de cuarta generación, estando la empresa de

telefonía NTTDoCoMo a la vanguardia, esta empresa ha presentado los primeros

móviles de cuarta generación que están desarrollando aunque de momento solo se trata

de prototipos [1,2,3].

II. Cuarta Generación de Comunicaciones Móviles (4G)

Una de las características principales que pretende tener la 4G, en base a lo ya

establecido es acceso a Internet desde el teléfono móvil a una velocidad de 100 Mbps

en movimiento y 1 Gbps en reposo, utilizando un ancho de banda aproximadamente de

20MHz, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta y de alta

seguridad todo manejado bajo TCP/IP, lo que propiciará que la 4G funcione como una

red con la tecnología de Internet combinada con otros usos y tecnologías como Wi-Fi y

Wi-Max lo que permitirá a la 4G tener una gama de tecnologías y protocolos que

permitirán el máximo rendimiento de procesamiento con la red inalámbrica más barata

sustituyendo la comunicación o el acceso vía radio de tipo CDMA al uso del RDS

(Radio Definido por Software) para su optimización, entre las características que

podría ofrecer la 4G son:

Servicios de voz, audio y video en tiempo real.

Cobertura extensa.

Gran QoS.

Fuerte estandarización.

Máxima velocidad de transmisión (100Mbps-1Gbps).

Dentro de los problemas que se enfrentan por la constante evolución de las

comunicaciones móviles es que han surgido un sin número de estándares y técnicas de

acceso (GSM, CDMA, TDMA, PDC, WCDMA, TD-SCDMA, GSM-GPRS Y

CDMA200) en el caso de estándares y (FDMA, CDMA, WCDMA) en el caso de las

técnicas de acceso al medio, que han facilitado el uso eficiente de la utilización del

espectro pero que necesitan ser soportados por distintas industrias de terminales y de

estaciones base.

Además de que se ha generado una gran demanda en la conectividad

inalámbrica de Internet pero con sumas capacidades, por ejemplo la integración de

servicios para ofrecer una perfecta cobertura global y un control sobre la calidad y el

servicio (QoS), todo esto mediante protocolos o estándares (WAP, i-mode, Wi-Fi, Wi-

Max, Bluetooth) que propiciarán el desarrollo de futuros dispositivos inalámbricos y

utilizarlos en el soporte de las comunicaciones [3,4].


empezado a desarrollarse y que están siendo aceptadas y apoyadas por la industria de la

tecnología de las comunicaciones prueba de esto es la aplicación de radio cognitivo en

sistemas de comunicaciones móviles el cual está ayudando a su vez a la evolución del

radio definido por software ya que anteriormente la mayoría de estas transmisiones se

basaba principalmente en hardware y con muy pocas aplicaciones de software; y que

conjuntamente estas dos tecnologías podrían evitar el actual caos en las técnicas de

- 101 -

acceso y la falta de flexibilidad de las bandas radioeléctricas no autorizadas, lo que

permitirá que existan arquitecturas flexibles y adaptables a sistemas móviles

avanzados. De este modo el radio definido por software y su evolución a un radio

cognitivo se vuelve una parte primordial para alcanzar una cuarta generación de


III. Radio Definido por Software (RDS)

El radio definido por software (RDS) tiene como propósito integrar una

cobertura global libre de irregularidades a través de cualquier región geográfica,

establecer interfaces con diferentes sistemas y estándares que proveen servicios

completos. Es decir tener un “Teléfono Móvil Multimodo”, que tenga la capacidad de

cambiar entre los diferentes estándares celulares y tenga la habilidad de interconectarse

con otros servicios de red, para que nos podamos comunicar exitosamente con

diferentes sistemas, el RDS tiene que comunicarse y manejar cambios dentro del

sistema de redes emitidos en los protocolos usando arquitecturas del radio software en

el cual el radio se reconfigure a sí mismo basándose en el sistema en el que esté

interactuando y las funciones que soporte, donde probablemente se tenga la capacidad

de controlar la calidad del servicio[5].

Anteriormente los equipos receptores y transceptores de radiocomunicaciones

estaban constituidos por múltiples componentes electrónicos, los cuales a su vez

formaban parte de circuitos sintonizadores, etapas de frecuencia intermedia,

amplificadores de bajas frecuencia es decir estaban constituidos por hardware, pero se

pensó en introducir la posibilidad de controlar los equipos de radio desde un ordenador,

añadiéndole a estos puertos de comunicación o interfaces para la conexión a la

computadora, el RDS se caracteriza por que la parte del hardware (circuitería) es

mínima, y la mayor parte de las funciones del equipo se definen por software en una

computadora.

Fig. 1. Arquitectura básica de un radio definido por software.

(7)

Unidad de

procesa miento

I/O

(IOU)

(1)

Unidad de

enlace

I N F R A E S T R U C T U R A C O M U N

(2)

Unidad de radio

frecuen cia

(RFU)

(3)

Unidad de

frecuen cia

Interme dia

(IFU)

(4)

Unidad A/D y

D/A

(ADC/

DCA)

(6)

Unidad de

control de trans misión

(TCU)

(8)

Unidad de

procesa miento

de temporizacin de extremo

a

extremo

(5)

Unidad de

banda base

(BBU)


TR

AN

SM

ISO

R

RE

CE

PT

OR

- 102 -

El RDS es una clase de radio reprogramable o reconfigurable y su

funcionalidad depende significativamente de las modificaciones o actualizaciones de

su software lo que permite que se adapte a las necesidades de cada usuario, la

flexibilidad en su arquitectura le permite a países proveedores de servicios mejorar la

infraestructura y comercializar servicios nuevos rápidamente, un RDS debe tener un

control de sí mismo, de soportar un rango amplio de frecuencias, interactuar con el aire,

el radio definido por software debe tener la capacidad por medio de su software de

hacer correcciones en su modulación, en la corrección de errores, en los procesos de

código, establecer un control en el acceso a su radiofrecuencia, para todo lo antes

mencionado el RDS usa dispositivos digitales programables para mejorar el

procesamiento de la señal necesarios para transmitir y recibir información en banda

base a radiofrecuencias, utilizando herramientas como procesadores digitales de

señales (DSP´s), y arreglos de compuertas de campo programables (FPGA´s) todos

basados en software para proveer de funcionalidad el procesamiento de la señal

requerido, el RDS definirá el esquema de modulación a emplear (AM, FM, SSB). Una

arquitectura básica de un RDS se muestra en la Figura 1.1 [5,7,8,10] Las principales

ventajas que se establecen con un RDS son las siguientes:



Acceso a una amplia gama de aplicaciones y contenidos multimedia.

Capacidad para traspasar los limites del operador y lograr una verdadera

movilidad.

Ofrece la posibilidad de agregar un conjunto de características y servicios

con un fácil mecanismo de actualización para una variedad de dispositivos

móviles.

Aumenta la vida útil de un equipo y provee una ganancia segura contra la

obsolescencia.


Capacidad para desplegar nuevos servicios adaptados a los diferentes niveles

de usuarios que utilicen una plataforma de hardware común.

Prueba de mercado más rápida y sencilla de nuevos servicios y diferenciación

de otros operadores.

Reduce los costos a través de un largo ciclo de vida de móviles, la reducción

de componentes, y software con actualizaciones más rápidas de la estación

base.

Capacidad de ofrecer a todos los usuarios el mismo conjunto de funciones y

servicios independientemente del estándar utilizado.

Ayuda a lograr "acceso abierto" al proporcionar un conjunto de APIs

claramente definidos.

Beneficios a los fabricantes:

El fabricar una plataforma común se cubren muchos mercados, interfaces de

aire digital y bandas de frecuencias. Ofrece capacidad para expandir un nuevo

y adyacente mercado con soluciones de red común.

- 103 -

Un real uso de técnicas avanzadas para la utilización del espectro

radioeléctrico usando antenas inteligentes y procesamiento de señales.

Capacidad de mejorar los servicios, funciones y mecanismos de seguridad.

Bajo costo del producto debido a la reducción de los componentes.

Mayor rendimiento y menor consumo de energía para las funciones

avanzadas tales como video / gráficos en tiempo real y aplicaciones

Facilita el apoyo de todas las nuevas tecnologías emergentes (WAP, MexE,

Bluetooth). [8,9]

IV. Radio Cognitivo

En lo que respecta al radio cognitivo es concebido como un punto al cual debe

de evolucionar el radio definido por software, el radio cognitivo es un radio inteligente

que es capaz de escoger los mejores caminos para enrutar datos, es capaz de escoger la

mejor radiofrecuencia a utilizar, de entender la actividad de la red, la actividad del

usuario, seleccionar y usar las formas de onda, frecuencia, y protocolos correctos para

apoyar de manera eficiente al usuario y la red, todas estas características se logran

basándose en la observación de varios factores internos y externos de la radio, tales

como el espectro de la radio frecuencia, el comportamiento del usuario y el estado de la

red, con el fin de comunicarnos eficazmente y eficientemente, el radio cognitivo nos

asegurará que el usuario podrá establecerse en un roaming mundial donde podremos

comunicar y transmitir información a pesar de los cambios en la cobertura,

conectividad y la carga en el sistema de comunicaciones.[11,13]

Este sistema es un concepto que se esta volviendo muy importante entre los

dispositivos móviles y los sistemas de comunicaciones inalámbricos por dos razones

fundamentales:

Realza la eficiencia del espectro de radiofrecuencias, mejora su acceso,

haciendo asignaciones dinámicas del canal, lo que le permite reconocer los

diferentes tipos de tráfico de información, estableciendo prioridades

dinámicas, e integrar rasgos de seguridad lo que se evitaría en gran medida la

interferencia entre redes.

Permite establecer radios inteligentes con sistemas que se configuran solos,

que se auto adapten al entorno, que establezcan cambios en sus funciones

dependiendo de las necesidades del usuario y el estado de la red.[11,13]

El radio cognitivo podría propiciar que se tenga que aumentar el ancho de

banda, ya que conforme se establecen las evoluciones de dispositivos móviles e

inalámbricos, estos tienen que compartir una cantidad finita del espectro de radio

frecuencias, el radio cognitivo puede establecer una mejor manera de utilizar el

espectro, de descubrir frecuencias que sean raramente usadas y se la asigne a servicios

específicos sobre las cuales se puedan llegar a transmitir y recibir información,

propiciando el progreso hacia la flexibilidad de bandas radioeléctricas no

reglamentadas.[12]

Una red inteligente (cognitiva), es una red basada en establecer enlaces entre

sus nodos que son radios cognitivos que proveen de conectividad y la ajusten para su

adaptación a los cambios topológicos manejado por condiciones y necesidades de los

- 104 -

usuarios, esta red tiene conciencia de su ambiente, donde podrá tomar dediciones más

allá del espectro inalámbrico y esos nodos pueden optimizarla, esta red considerará

estas capacidades en una información colectiva, lo que permitirá la coordinación y la

colaboración entre nodos.

Las capacidades del radio cognitivo permitirá que todos los sistemas

inalámbricos puedan localizar cualquier banda libre del espectro radioeléctrico a su

alcance y conectarse a ella, este radio cognitivo debe configurar sus funciones de

comunicación constantemente para satisfacer las demandas de las redes de transmisión

y recepción de los usuarios, mediante dispositivos detectores de alta calidad y

algoritmos para intercambiar los datos de detección del espectro entre nodos.

El radio cognitivo evitara las congestiones en la transmisión, propiciara el

mejoramiento del roaming mundial, estructurará códigos configurables para recibir y

transmitir nuevos protocolos de comunicación y la interferencia entre sistemas que ira

evolucionando para propiciar mejoras continuas entre el radio cognitivo y el radio

definido por software.[11,12,13]

IV. Conclusiones

Como se ha visto, tanto la manufactura de sistemas inalámbricos, sistemas

móviles y los proveedores de servicios inalámbricos deben responder a los cambios

como sucedan, mejorando los sistemas para que incorporen las últimas innovaciones o

centrarse en los defectos de los sistemas como se descubran, el RDS y Radio Cognitivo

va a fomentar el desarrollo y despliegue de una evolución de las comunicaciones

inalámbricas basadas en tecnologías de radio reconfigurable, lo que permitirá tener

arquitecturas flexibles y adaptables a los sistemas inalámbricos avanzados, pero

también sin olvidar que el usuario debe tener la habilidad de de seleccionar los

proveedores y servicio que necesite.

V. Referencias

[1] Ramírez Alejandro, “Historia e inventos”,

www.detodounpocotv.com/aburrimiento/telefoniacelular.htm

[2] Martínez José Manuel, “La Portabilidad acelera la telefonía”, Febrero 15, 2008,

www.evdoplus.blogspot.com/2008/02/la-portabilidad-acelerar-la-telefona.html

[3] Klew Willy, “4G, La cuarta generación de sistemas de comunicaciones”,

Noviembre 16, 2007,

www.neoteo.com/tabid/54/ID/4706/Title/4G__la_Cuarta_Generacion_de_Sistemas

_de_Comunicacion/Default.aspx

[4] “China hace las primeras pruebas mundiales de telefonía móvil 4G”, Enero 2007,

www.mundo-

contact.com/enlinea_detalle.php?recordID=2877&PHPSESSID=eb0baf98251c96c

8732b7

[5] H. Reed Jeffrey, Software Radio, “A modern approach to radio engineering”,

Prentice Hall PTR 2002

[6] Juárez José Luis, “Software Radio”, www.maderkraft.com/software_radio.pdf

http://www.detodounpocotv.com/aburrimiento/telefoniacelular.htm

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http://www.maderkraft.com/software_radio.pdf

- 105 -

[7] Fernández de Villegas F., “Equipos de Radio Definidos por Software”, Junio 2004,

www.ea1uro.com/sdr.html

[8] “Open-Source Reference Implementation Now Available For New Software

Defined Radio Technology”, Mayo 2002, www.sdrforum.org

[9] Ralston John D. y Chairman Vice, “SDR Forum Liaison Proposal to MExE”,

Febrero 2000, www.sdrforum.org

[10] Proaño Enrique, “Transmisores de Radio Basados en Software”, Diciembre 2005,

www.clusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/Oct05Marzo06/Inalambricas/Tra

bajo1/TRaduccion/NewT5.doc

[11] “Uses cases for cognitive aplications in public safety communications systems”,

Noviembre 2007, www.sdrforum.org/pages/documentLibrary/documents/SDRF-

07-P-0019-V1_0_0.pdf

[12] Zheng Heather, “Tecnologías que cambiaron al mundo”, Technology Review, 2006

www.tempresas.cl/revista/edicion_07/pdf/054-065_Diez_tecnologias.pdf

[13] Urán Ramón, “Militares investigan redes inteligentes, seguras e inalámbricas”,

2006, www.spacio2.com/s2/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=51

http://www.ea1uro.com/sdr.html

http://www.sdrforum.org/


http://www.clusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/Oct05Marzo06/Inalambricas/Trabajo1/TRaduccion/NewT5.doc

http://www.clusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/Oct05Marzo06/Inalambricas/Trabajo1/TRaduccion/NewT5.doc

http://www.sdrforum.org/pages/documentLibrary/documents/SDRF-07-P-0019-V1_0_0.pdf


http://www.tempresas.cl/revista/edicion_07/pdf/054-065_Diez_tecnologias.pdf

http://www.spacio2.com/s2/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=51

6th International Conference on Electrical and Electronics Engineering Research. November 2008

- 106 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

VI CONGRESO INTERNACIONAL

DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Aguascalientes, Ags., México, 03 al 07 de Noviembre, 2008

Resumen –– Debido a los constantes avances tecnológicos en el

área de las comunicaciones móviles e inalámbricas, los

servicios que se desean implementar para una cuarta

generación, los problemas que están enfrentando en cuestión

de la incompatibilidad de estándares de telefonía móvil y

técnicas de acceso al medio y al futuro establecimiento de una

mejor manera de utilizar el espectro de radiofrecuencias, se

está desarrollando una tecnología que ayudara a solucionar

estos problemas tal es el caso del Radio Definido por Software

pero ahora hacia su evolución como Radio Cognitivo. En este

artículo se presenta el concepto del radio cognitivo, sus

ventajas, limitaciones, su arquitectura, y como se convertirá en

base fundamental para el desarrollo de nuevas aplicaciones y

servicios de cuarta generación.

Palabras Clave – Motor cognitivo, radio cognitivo

Abstract –– Due to the constant technologies advances in the

area of the mobile communication and wireless

communication, the serves that it will wish implement for a

fourth generation, the problems that it is confront in the

matter of the standards incompatibility of mobile phone and

the technologies of the access environment and the future

establishment of the best way to use the radio-frequency

spectrum, it is developing a technology that helps to resolve its

problems and that is the case of a Software Defined Radio but

now toward its evolution as a Cognitive Radio. This paper

shows the concept of Cognitive Radio, its advantages,

limitations, architecture, and how it will become in

fundamental base for the development of new applications and

services for fourth generation. Keywords –– Cognitive engine, cognitive radio

I. INTRODUCCIÓN

La tecnología del radio cognitivo introduce un

revolucionario mecanismo de comunicación inalámbrica

desde las terminales móviles hasta los segmentos de red, a

fin de que puedan aprender de su ambiente y adaptarse a la

forma más apropiada inteligentemente, es decir el radio

cognitivo será autónomo y capaz de ajustar sus

configuraciones para cambios en el ambiente con tal de

optimizar la calidad del servicio y cubrir las necesidades

exactas del usuario. El radio cognitivo (RC) es concebido

como un punto al cual debe de evolucionar el radio definido

por software, el radio cognitivo es un radio inteligente que

es capaz de escoger los mejores caminos para enrutar datos,

es capaz de escoger la mejor radiofrecuencia a utilizar, de

entender la actividad de la red, la actividad del usuario,

seleccionar y usar las formas de onda, frecuencia, y

protocolos correctos para apoyar de manera eficiente al

usuario y a la red, todas estas características se logran

basándose en la observación de varios factores internos y

externos del radio, tales como el espectro de

radiofrecuencia, el comportamiento del usuario y el estado

de la red, con el fin de comunicarnos eficaz y

eficientemente, el radio cognitivo nos asegurará que el

usuario podrá establecerse en un roaming mundial donde

podremos comunicar y transmitir información a pesar de los

cambios en la cobertura, conectividad y la carga en el

sistema de comunicaciones [1], [3].

II. EL RADIO COGNITIVO

Definimos un radio cognitivo como un dispositivo

inteligente de comunicación que se da cuenta de su

ambiente, de las necesidades aplicativas y que se puede

reconfigurar para optimizar la calidad de servicio. Después

de esta definición, se provee un nodo de radio cognitivo con

una capa inteligente de conciencia, razonando y aprendiendo

lo necesario para optimizar su función bajo situaciones

dinámicas e imprevisibles. Esa capa inteligente está

realizada por un sistema de software llamado Motor

Cognitivo. El motor cognitivo puede ser aplicado para

diferentes plataformas de radio reconfigurable por su

interconexión general de radio además de que tiene una base

de algoritmos de estructura accesible y modular, lo cual

facilita su reconfiguración. El motor cognitivo implanta un

El radio cognitivo como evolución de un radio definido por software

David Vázquez Álvarez, J. Vladimir Herrera Sánchez, Gabriela Sánchez Meléndez

Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME Zacatenco IPN, México D.F., México

Teléfono: (55) 5729-6000 Ext. 54553 E-mail: [email protected]



- 107 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

doble ciclo de cognición como su centro de aprendizaje. El

ciclo cognitivo integra la detección y el reconocimiento del

ambiente por parte del radio, el razonamiento basado en

casos y la creación de soluciones, y su mejor solución. El

conocimiento del radio esta definido y conocido mediante la

implementación de una base de datos para soportar y

reforzar lo aprendido a través del ciclo cognitivo.

La investigación del radio cognitivo es

multidisciplinario, ya que combina comunicaciones

inalámbricas, ingeniería de radio, mecanismos de

aprendizaje, regulación del espectro de radiofrecuencias, la

aplicación de servicios, y muchos otros aspectos. La

tecnología del radio cognitivo involucra tres campos

principales, el dominio de operación, el dominio del radio, y

el dominio del usuario:

El dominio de operación.- Contiene información

regulable, tal como un plan del espectro de

radiofrecuencia, transmitir en los límites de la

intensidad y de la interferencia, eso es interpretado

como un conjunto de reglas de estructuras

jerárquicas (dispuestas por prioridades) usados

como límites en el área operacional de la radio. El

conocimiento del dominio de operación se usa para

garantizar la seguridad y la legalidad de las

operaciones del radio cognitivo.

El dominio del usuario.- Define ambos desde las

preferencias de acceso al servicio y los requisitos

de ejecución de ambos es decir el proveedor del

servicio y el usuario final. Principalmente incluye

objetivos como la disponibilidad de acceso, el tipo

de servicio y la calidad de servicio (QoS). El radio

cognitivo necesita interpretar tales objetivos y

tratar de manipularlos para adaptarlos a su

operación.

El dominio del radio.- Consiste principalmente en

el ambiente del radio y la plataforma del radio. Lo

correspondiente a la parte externa y a su

autoconocimiento están combinados para proveer

los mecanismos de razonamiento en dos formas:

Ya sea proveer los objetivos en caso de que algunas

capacidades del radio sean utilizadas bajo la

observación de las condiciones del ambiente o si no

de las restricciones o limitaciones de los recursos

del radio.

El radio cognitivo dará soporte al sistema de redes de

forma eficiente en el espectro de radiofrecuencia, dónde los

dispositivos dinámicamente se adapten a sus ambientes

operativos, mejorando la eficiencia en el uso de ancho de

banda debido a su habilidad para aprender y adaptarse al

conocimiento local y global acerca del ambiente del

espectro, además sientan su ambiente local, los cambios de

ruta, las observaciones de cambios con otros radios

cognitivos, y eventualmente las acciones sobre este

conocimiento compartido para dar soporte a la adaptación.

Basado en esta estructura general del nodo de radio

cognitivo, su finalidad es establecer un funcionamiento

completamente público y seguro para proveer un prototipo

de interoperabilidad pública universal para una

comunicación segura [4], [5], [6].

III. TIPOS DE RADIOS COGNITIVOS

Existen tres tipos de radios cognitivos (RCs) que en

particular pueden fundamentalmente adaptar su tecnología

de comunicaciones, y consecuentemente deben poder

observar e interactuar con una variedad de redes existentes

de radio. Esto significa que los RCs deberán poder

intercambiar frecuentemente información entre si en

términos de la implementación así como también con los

sistemas inalámbricos existentes.

A. Radio IEEE802.22

El panorama del IEEE802.22 provee que una terminal

móvil (TM) seleccione su espectro de radiofrecuencia

preferente a partir de los espectros disponibles provistos por

una estación base (EB). Hay tres clases de componentes

involucradas, terminales móviles (TM1-6), estaciones base

(EB1-3), y una fuente de base de datos (BD) del radio.

Todas las estaciones base consultan a la base de datos

durante la fase de inicialización para información sobre

recursos e identificar un canal candidato después de

sensoriarlo y confirmar si se encuentra vacante. Una

estación base luego establece comunicación sobre el canal

confirmado. Una terminal móvil escanea una lista

predefinida de canales o de todos los canales para encontrar

uno que este disponible cuando trata de establecer

comunicación, y conectarse con al menos una estación base,

luego obtiene los recursos de esos parámetros, tal como la

identificación de los canales de enlace superior e inferior o

de los niveles de intensidad, lo anteriormente mencionado

está representado en la Fig. 1.

OPERACIÓN & DATOS

EB3EB1EB2

TM1 TM3

TM5

TM2

TM4TM6

FUENTE DE

BASE DE DATOS

DEL RADIO

Fig. 1. Panorama para el radio IEEE802.22


- 108 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

Las estaciones base y las terminales móviles están en un

estado de comunicación después de la inicialización, y

ambos periódicamente reportan su información sobre los

recursos a la base de datos. La lista de información

recomendada incluye la localización de la terminal móvil, su

nivel de intensidad, su banda de transmisión, su formato de

modulación, y la relación señal a ruido (SNR). La base de

datos reconfigura ambos, es decir las estaciones bases y las

terminales móviles después de obtener esta información.

Cada estación base puede controlar a la terminal móvil a la

que le este prestando el servicio, administrar el uso del

espectro de radiofrecuencia para evitar interferencias, y

configurar de manera más poderosa y eficiente la

modulación y la codificación teniendo acceso a la base de

datos [6].

B. Múltiples radios con funciones cognitivas

Este escenario visualiza la integración de un radio,

como un chip radiodifusor acoplado a estándares Wi-Fi

(Wíreless Lan-Red Inalámbrica) / Wi-MAX

(Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas),

que estará incrustado en las terminales móviles y las

estaciones base para permitir respuestas radiodifusoras

flexibles. Una terminal móvil selecciona su radio preferente

para comprobar las características del sistema de radio que

son proporcionadas por el operador.

Una terminal móvil con funciones radio cognitivas, el

cual está esquematizado en la Fig. 2, primero detecta a los

radios, encuentra a los candidatos, y consulta la base de

datos para comprobar si hay algunos conflictos potenciales

(por ejemplo, problemas de terminales ocultos). La base de

datos recopila información de comunicación, desde las TMs

/ EBs e informa a las terminales móviles que radio es el

apropiado seleccionar en el área. La terminal móvil

reconfigura el control de acceso al medio (MAC) / nivel

físico (PHY) para el radio seleccionado e inicia la

autentificación siguiendo el protocolo especificado por el

sistema del radio.

Centro de la red

Fuente de

base de datos

del radio

CR

Operador Único

Control del nodo

cognitivoAdministración del

nodo cognitivo

Estación base cognitiva

Red de acceso

(3GPP/2)

Red de acceso

(Wi-MAX)

Red de acceso

(Wi-Fi)

TM

Función cognitiva en terminal móvil

Cuerpo del área

de red (CAR)

Fig. 2. Panorama para múltiples radios con funciones radio cognitivas

Una terminal móvil tendría ambos estándares Wi-Fi y

Wi-MAX y el control de acceso al medio (MAC) / nivel

físico (PHY), con una “capa de convergencia" encima de los

controles de acceso al medio (MAC) y el sensor del espectro

de radiofrecuencia en la terminal, lo que detectaría la

presencia de otros radios, y esta información le permitiría a

la capa de control de acceso al medio (MAC) / nivel físico

(PHY) ser seleccionada para cualquier sistema de radio

mejorando los beneficios de la terminal para consultar la

base de datos [6].

C. Radio re-configurable con función cognitiva.

El radio reconfigurable involucra tecnologías de Radio

Definido por Software (RDS) y Radio Cognitivo como ya se

reviso en [8] y se reorganiza por sí mismo dentro de un

sistema de radio que experimenta menos interferencia entre

otros sistemas de radio usados en una misma área. Un

componente del RDS, por ejemplo, está hecho de una

unidad de procesamiento digital de señales (DSP) con

Arreglos de Compuertas de Campo Programables (FPGA´s)

y puede ser configurado como cualquier dispositivo de radio

cargando módulos de software para el control de acceso al

medio (MAC) / nivel físico (PHY) dentro de los FPGA´s.

Una vez que la configuración tiene éxito, el dispositivo es

agregado para integrarse bajo el enlace del RDS como se

muestra en la Fig. 2.5.

La dirección del RDS consiste de una administración de

configuración del radio, la administración en la selección del

radio, un análisis de la calidad, y de una dirección que

detecte el espectro de radiofrecuencia con su administración

de la base de datos (BD) y la adición de interfaces.

Este panorama permite una reconfiguración flexible del

radio, y se espera menos interferencia de otros dispositivos

de radio para establecer referencias en la base de datos en la

red [6].

Capa de integración

Base de datos

Administración

de la calidad

del radio

Administración

del perfil

Administración de

las funciones del RDS


configuración del radio


selección del radio

Administración del

análisis de la calidad


detección del espectro

PerfilCAM1

PHY1

RF

RDS

Agregar el enlace al RDSAgregar el enlace al RDS

RF

RDS

CAMn

PHYn

IP

Radio Definido por Software (RDS) para W-CDMA,

IEEE802.11a/b, y transmisiones digitales terrestres

Tarjeta FPGA

Combinación de

las 3 tarjetas

Tarjeta CPU

Tarjeta RF

Componentes del RDS

(un software conmutador que pueda cambiar

de diversos sistemas de comunicación)

Se despliegue

en el móvil

Fig. 3. Funciones del RDS y RC



- 109 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

IV. ARQUITECTURA DEL RADIO COGNITIVO

La arquitectura del sistema del radio cognitivo en una

plataforma independiente está definido por un paquete de

algoritmos mediante un software llamado Motor Cognitivo

con una interfaz general de radio. Dentro del motor

cognitivo los módulos funcionales son diferentes y están

definidos para tener en cuenta las capacidades cognitivas

incluyendo conciencia, razonamiento, creación de

soluciones y su optimización, y el control adaptable del

radio.

Como se muestra en el bloque de la arquitectura del

sistema del radio cognitivo representado en forma de

diagrama en la Fig. 4, el motor cognitivo maneja recursos

del radio y adapta la operación del radio para optimizar su

función.

Algoritmos cognitivos.

Algoritmos de aplicación.

Radioparámetros.


para servicios API.

Adaptación. Detector/Sensor.

Radio transmisor.

Interfaz de aire.

Capa 1

Capa 2

Capa 3

Capa 4

Capa 5

Software Software

Fig. 4. Modelo de un sistema de radio cognitivo

La interacción entre el motor cognitivo y la plataforma

de radio es a través de un estándar de interfase entre ellos, el

radio cognitivo puede ser presentado conforme a la lista [4],

[5].

Un paquete de algoritmos mediante software,

denominado motor cognitivo, es diseñado y

revestido en la plataforma de hardware del radio. El

motor cognitivo maneja los recursos del radio para

lograr funcionalidades cognitivas y adaptar las

operaciones de radio para optimizar su función. El

motor cognitivo le permite al radio proveer de

funcionalidades cognitivas combinando los

procesos de los mecanismos de aprendizaje con la

operación radiodifusora.

El centro de los mecanismos de aprendizaje son

diseñados para permitir capacidades cognitivas

para aplicaciones inalámbricas. Reforzando el

aprendizaje, y su óptima evolución, son principios

claves para el diseño del centro de aprendizaje. Un

doble ciclo de cognición es implantado en el centro

de aprendizaje.

Cualquier radio con un nivel apropiado de

reconfigurabilidad puede soportar y puede ser

controlado por el motor cognitivo por medio de una

interfaz con la plataforma independiente del radio.

Dado que el motor cognitivo no es una plataforma

específica, el conocimiento general y el

aprendizaje pueden ser aplicados para una variedad

de problemas de aplicaciones.

La funcionabilidad cognitiva se enfoca desde la

capa 1 hasta la 3, para lograr en esas capas una

intersección óptima, los algoritmos generales de

cognición pueden ser extendidos a las capas

superiores y configurarlos para encontrar diversos

requisitos para aplicaciones específicas.

Un radio cognitivo puede trabajar individualmente

o conjuntamente en la administración de recursos y

la optimización de sus funciones. La estructura de

aprendizaje del radio cognitivo consta de tres

pasos: El reconocimiento, el razonamiento y la

adaptación, el cuál puede ser flexiblemente

implementado ya sea de forma centralizada como

un nodo de radio cognitivo completamente

funcional.

La plataforma de interfaz independiente tiene dos

flexibilidades de diseño o propósito: dar soporte a los

mecanismos generales de aprendizaje y a los algoritmos

específicos de aplicación; y dar soporte y reconfigurabilidad

a las plataformas de radio como las del RDS [5].

V. LA ESTRUCTURA DEL MOTOR COGNITIVO

Aunque el motor cognitivo puede trabajar con cualquier

radio que puede proporcionar o necesitar una

reconfigurabilidad, la plataforma del RDS es la más

preferente por su máximo grado de flexibilidad y

reconfigurabilidad. El radio le pasa la información al motor

cognitivo con un formato paramétrico estándar, nombrado

como perfil. El motor cognitivo toma una decisión y le pasa

la decisión también en el formato del perfil al radio,

logrando así las condiciones para su actuación.

Para segmentar el conocimiento, las funciones

cognitivas pueden ser modularizadas. De esa manera el

motor cognitivo puede ser diseñado con una estructura

accesible, lo cual es importante para modular los algoritmos

específicos para una tarea específica, mientras se mantenga

un diseño general. El motor cognitivo consta de los

siguientes conjuntos importantes de módulos:

Módulos modeladores del ambiente.- Manejan el

reconocimiento y el conjunto de información para

dominios específicos. El radio, el usuario y los

dominios de operación (incluyendo seguridad) son


- 110 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

modelados, interpretados y son reportados para el

centro de aprendizaje.

Módulos creadores de soluciones.- Es el núcleo que

genera una solución viable según el panorama

actual del problema en sí (incluyendo el ambiente,

los objetivos del usuario, los recursos disponibles,

etc.).

Módulos para la base de conocimientos.- Está

contenida en el dominio de una base de datos que

relaciona esos datos como información situacional,

criterios de funcionamiento y como principios

generales de razonamiento y aprendizaje.

Módulo para el motor cognitivo.- Provee una

interconexión entre sí mismo y cada dominio. Para

el dominio del radio, una plataforma de radio con

una interfaz independiente está construida con la

cual el motor cognitivo pueda monitorear,

configurar y controlar diferentes hardwares de

radio sin cambiar su propio algoritmo [4].

VI. CARACTERISTICAS Y BENEFICIOS DEL RADIO

COGNITIVO

Este sistema es un concepto que se esta volviendo muy

importante entre los dispositivos móviles y los sistemas de

comunicaciones inalámbricos por dos razones

fundamentales:

Realza la eficiencia del espectro de

radiofrecuencias, mejora su acceso, haciendo

asignaciones dinámicas del canal, lo que le permite

reconocer los diferentes tipos de tráfico de

información, estableciendo prioridades dinámicas,

e integrar rasgos de seguridad lo que se evitaría en

gran medida la interferencia entre redes.

Permite establecer radios inteligentes con sistemas

que se configuran solos, que se auto adapten al

entorno, que establezcan cambios en sus funciones

dependiendo de las necesidades del usuario y el

estado de la red [1], [3].

El radio cognitivo puede establecer una mejor manera

de utilizar el espectro, de descubrir frecuencias que sean

raramente usadas y se la asigne a servicios específicos sobre

las cuales se puedan llegar a transmitir y recibir

información, propiciando el progreso hacia la flexibilidad de

bandas de radiofrecuencia no reglamentadas.

Las capacidades del radio cognitivo permitirá que todos

los sistemas inalámbricos puedan localizar cualquier banda

libre del espectro de radiofrecuencia a su alcance y

conectarse a ella, este radio cognitivo debe configurar sus

funciones de comunicación constantemente para satisfacer

las demandas de las redes de transmisión y recepción de los

usuarios, mediante dispositivos detectores de alta calidad y

algoritmos para intercambiar los datos de detección del

espectro entre nodos [2], [7].

El radio cognitivo se pretende establecer para una cuarta

generación de comunicaciones móviles ya que como se vio

anteriormente esta tecnología es de gran importancia debido

a sus características y ventajas, además de los futuros

servicios y aplicaciones que se desarrollen, es por eso que

países como Japón y China son candidatos para ser los

pioneros en el desarrollo y el despliegue de esta generación

que va a revolucionar las comunicaciones móviles e

inalámbricas en el mundo.

VII. CONCLUSIONES

Como se ha visto, la tecnología del radio cognitivo va a

fomentar el desarrollo y el despliegue de las comunicaciones

móviles e inalámbricas por lo que esta tecnología se

convertirá en una base fundamental para el desarrollo de una

cuarta generación de comunicaciones móviles. El radio

cognitivo esta basado en tecnologías de radio re-

configurable lo que beneficia al desarrollo de nuevos

servicios y capacidades en las comunicaciones móviles para

lograr el establecimiento de arquitecturas flexibles y

adaptables a sistemas inalámbricos avanzados sin olvidar

que el usuario debe tener la habilidad y el derecho de

seleccionar los proveedores y servicios que requiera.

El radio cognitivo como evolución del radio definido

por software es algo que se veía venir, ya que la cuarta

generación de comunicaciones móviles pretende usar un

mismo dispositivo móvil en cualquier parte del mundo, lo

que se conoce como un roaming mundial, para poder lograr

esto, el radio definido por software no solo debe tener la

capacidad de ser re-configurable sino que tiene además la

obligación de reconfigurarse o reprogramarse a si mismo y

esto se cumple con el diseño de un motor cognitivo que sea

capaz de reconfigurar esta plataforma de hardware común

dependiendo del ambiente que lo rodea, esto ayudado del

diseño y construcción de algoritmos cognitivos.

En nuestro proyecto de investigación utilizamos el

radio re-configurable con función cognitiva visto

anteriormente en este artículo y estamos desarrollando un

software que tenga la capacidad de seleccionar entre

diferentes técnicas de codificación y control de error

aplicando el concepto del Radio Cognitivo, utilizando como

herramienta de software C++ para diseñar y comprobar

nuestro algoritmo cognitivo y VHDL como lenguaje de

descripción de hardware para su implementación en un

dispositivo de lógica re-configurable, un dispositivo FPGA

o un DSP. Actualmente estamos en el desarrollo de este

algoritmo para posteriormente presentar los resultados


- 111 - ISBN: 978-607-95060-1-8 CIIIEE 2008

obtenidos y establecer conclusiones acerca de la aplicación

del radio cognitivo en diferentes técnicas de codificación y

control de error.

REFERENCIAS

[1] SDR forum, “Use cases for cognitive applications in public safety

communications systems”, Noviembre 8, 2007, http://www.sdrforum.org/pages/documentLibrary/documents/SDRF-

07-P-0019-V1_0_0.pdf.

[2] Heather Zheng, “10 Tecnologías que cambiaron al mundo”, Technology Review 2006,

www.tempresas.cl/revista/edicion_07/pdf/054-

065_Diez_tecnologias.pdf. [3] Urán Ramón, “Militares investigan redes inteligentes, seguras e

inalámbricas”, octubre 2, 2006,

www.spacio2.com/s2/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&i

d=51.

[4] Bin Le, G. Rodríguez Francisco A., “A public safety cognitive radio

node”, http://www.crtwireless.com/files/LeB_1.pdf. [5] Bin Le, W. Rondeau Thomas, “General radio interface between

cognitive algorithms and reconfigurable radio plataforms”,

http://www.crtwireless.com/files/LeB_2.pdf. [6] Kuroda Masahiro, Ishizu Kentaro, “A study of radio-information

services for networks of cognitive radios”,

http://www.winlab.rutgers.edu/~wenyuan/sdr07/papers/Kuroda_SDR.pdf

[7] SDR forum, http://www.sdrforum.org/

[8] Vázquez Álvarez D., Herrera Sánchez J. V., Sánchez Meléndez G. “El radio cognitivo en el desarrollo de la cuarta generación de

comunicaciones móviles”, CMICE, México D.F, Mayo 2008

BIOGRAFÍAS

M. en C. David Vázquez Álvarez. Es

Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica egresado de la ESIME IPN en 2001. Obtuvo el

grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería de

Telecomunicaciones en la SEPI ESIME IPN en 2007. Actualmente es profesor Asociado

“C” de la Academia de Computación del

Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica en la ESIME

IPN. Áreas de Interés Actual: Radio Definido

por Software, Radio Cognitivo, Sistemas de Comunicaciones Móviles e Inalámbricas,

Fibras Ópticas.

J. Vladimir Herrera Sánchez. Actualmente

es alumno de 9° semestre en la especialidad de

comunicaciones de la carrera de Ingeniería en

Comunicaciones y Electrónica de la ESIME

IPN. Áreas de Interés Actual: Radio Definido por Software, Radio Cognitivo, Sistemas de

Comunicaciones Móviles e Inalámbricas

M. en C. Gabriela Sánchez Meléndez. Maestra en Ciencias Físico Matemáticas con

especialidad en Ingeniera de Telecomunicaciones, egresada de la Sección

de Estudios de Posgrado e Investigación de la

ESIME - IPN. Actualmente es Profesora Asociada de la Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica unidad Profesional

Adolfo López Mateos. Áreas de Interés: Fibras Ópticas, Telecomunicaciones,

Aplicaciones de Software en

Telecomunicaciones.







http://www.crtwireless.com/files/LeB_1.pdf





- 112 -

DECIMONOVENA REUNIÓN DE OTOÑO DE COMUNICACIONES,

COMPUTACIÓN, ELECTRÓNICA Y EXPOSICIÓN INDUSTRIAL ROC&C´2008

Acapulco, Gro., México, 30 de Noviembre al 06 de Diciembre, 2008

Resumen –– En los últimos años las comunicaciones móviles

han evolucionado constantemente y siguen surgiendo

innovaciones para este tipo de tecnologías debido a las nuevas

necesidades que los usuarios tienen para comunicarse

constantemente además de las nuevas aplicaciones que van

surgiendo, sin embargo actualmente existen serios problemas en

las comunicaciones móviles debido al grave problema de

incompatibilidad de estándares de telefonía móvil y técnicas de

acceso al medio, lo que ha limitado el posible establecimiento de

un roaming mundial, una de las soluciones que han surgido para

enfrentar este tipo de circunstancias y que continua su desarrollo

para su futura comercialización es la tecnología conocida como

Radio Cognitivo.

Este artículo presenta un panorama general de las

características y ventajas que ofrece esta tecnología, una revisión

de diferentes arquitecturas que ayudará a entender las

capacidades y las limitaciones a las que se enfrentan para el

desarrollo de esta tecnología prometedora.

Palabras Clave – Comunicaciones Móviles, Radio Definido

por Software, Radio Cognitivo, Motor Cognitivo.

I. INTRODUCCIÓN

Debido a los problemas que enfrentan actualmente las

comunicaciones móviles por la constante evolución que han

tenido, al surgimiento de un sin número de estándares

(GSM, CDMA, TDMA, WCDMA, TD-SCDMA, GSM-

GPRS y CDMA200) y técnicas de acceso al medio (FDMA,

CDMA, WCDMA), que han facilitado el uso eficiente de la

utilización del espectro pero que necesitan ser soportados

por distintas industrias de terminales y de estaciones base y

que han traído como consecuencia factores como la

interoperabilidad y problemas de establecer una

conectividad libre de irregularidades. Además de que se ha

generado una gran demanda en la conectividad inalámbrica

de Internet pero con múltiples servicios, por ejemplo la

integración de servicios para ofrecer una perfecta cobertura

global y un control sobre la calidad y el servicio (QoS), que

propiciarán el desarrollo de futuros dispositivos

inalámbricos y utilizarlos en el soporte de las

comunicaciones.

Ha surgido el Radio Definido por Software, una

tecnología que ha empezado a desarrollarse y que está

siendo aceptada y apoyada por la industria de la tecnología

de las comunicaciones prueba de esto es el establecimiento

de un Radio Cognitivo el cual evitaría el actual caos en las

técnicas de acceso y la falta de flexibilidad de las bandas

radioeléctricas no autorizadas, lo que permitirá que existan

arquitecturas flexibles y adaptables a sistemas móviles

avanzados [1], [2].

II. RADIO COGNITIVO

Definimos un Radio Cognitivo (RC) como un

dispositivo inteligente de comunicación que se da cuenta de

su ambiente y las necesidades de aplicación y se reconfigura

por si mismo para optimizar la calidad de servicio. Una

solución general del Radio Cognitivo está definida en la

forma del paquete del software que pueda trabajar con

plataformas de radio reconfigurable para proveer

funcionabilidad cognitiva. Este paquete de software,

llamado motor cognitivo, consta de un conjunto de

mecanismos generales de aprendizaje y algoritmos de

aplicaciones específicas y puedan ser aplicadas para

plataformas de radio con implementación de hardware.

El motor cognitivo maneja recursos de radio y adapta la

operación del radio para optimizar su función. La

interacción entre el motor cognitivo y la plataforma de radio

es a través de un estándar de interfase entre ellos. Aunque el

motor cognitivo puede trabajar con cualquier radio que

puede proporcionar o necesitar una reconfigurabilidad, la

plataforma del Radio Definido por Software (RDS) es la

más preferente por su máximo grado de flexibilidad y

reconfigurabilidad.

La investigación del radio cognitivo es

multidisciplinario, combinando comunicaciones

inalámbricas, ingeniería de radio, mecanismos de

aprendizaje, regulación del espectro de radiofrecuencias, la

aplicación de servicios, mercado, y muchos otros aspectos.

En un sentido estrecho de diseñar a fondo, la tecnología del

Radio Cognitivo involucra tres campos principales, el

dominio de operación, el dominio de la radio, y el dominio

del usuario:

El dominio de operación contiene información

regulable, tal como un plan de frecuencia, transmitir en

los límites de la intensidad y de la interferencia, eso es

Radio Cognitivo, Una Solución a la Incompatibilidad

de Estándares en Comunicaciones Móviles

David Vázquez Alvarez, J. Vladimir Herrera Sánchez, Gabriela Sánchez Meléndez Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

ESIME Zacatenco IPN, México, D. F., México

Teléfono: (55) 57296000 Ext. 54553 E-mail: [email protected]


- 113 -

interpretado como un conjunto de reglas de estructuras

jerárquicas (dispuestas por prioridades) usados como

límites en el área operacional de la radio. El

conocimiento del dominio de operación se usa para

garantizar la seguridad y la legalidad de las operaciones

del radio cognitivo.

El dominio del usuario define ambos desde las

preferencias de acceso al servicio y los requisitos de

ejecución de ambos es decir el proveedor del servicio y

el usuario final. Principalmente incluye objetivos como

la disponibilidad de acceso, el tipo de servicio y la

Calidad de Servicio (QoS). El radio cognitivo necesita

interpretar tales objetivos y tratar de encontrarlos para

adaptarlos a su operación.

El dominio de la radio consiste principalmente en el

ambiente del radio y la plataforma del radio. Lo

correspondiente a la parte externa y a su

autoconocimiento están combinados para proveer de los

mecanismos de razonamiento en dos formas: Ya sea

proveer de los objetivos en caso de que algunas

capacidades de la radio sean utilizadas bajo la

observación de las condiciones del ambiente o si no de

las restricciones o las limitaciones de los recursos del

radio según sea el caso [3], [4], [5], [8].

III. ARQUITECTURAS DE RADIO COGNITIVO

Una vez teniendo una idea general de Radio cognitivo y

el motor cognitivo se analizara diferentes arquitecturas para

establecer cual es la más completa o en su caso proponer

mejoras a alguna de ellas.

SISTEMA DE RADIO COGNITIVO.

Algoritmos cognitivos.

Algoritmos de aplicación.

Radioparámetros.


para servicios API.

Adaptación. Detector/Sensor.

Radio transmisor.

Interfaz de aire.

Capa 1

Capa 2

Capa 3

Capa 4

Capa 5

Software Software

Figura 1.- Modelo de un sistema de radio cognitivo.

Siguiendo la definición del radio cognitivo citada

anteriormente, la primera arquitectura del radio cognitivo

puede ser presentada conforme la lista de abajo:

Un paquete de algoritmos mediante software,

denominado motor cognitivo, es diseñado y revestido

en la plataforma de hardware del radio. El motor

cognitivo maneja los recursos del radio para lograr

funcionabilidades cognitivas y adaptar las operaciones

de radio para optimizar su función. Mostrado en la

Figura 1, el motor cognitivo le permite al radio proveer

de funcionabilidades cognitivas combinando el proceso

de los mecanismos de aprendizaje con la operación

radiodifusora.

El centro de los mecanismos de aprendizaje son

diseñados para permitir las capacidades cognitivas para

aplicaciones inalámbricas. Reforzando el aprendizaje,

su evolución y su optimización son principios cruciales

para el diseño del centro de aprendizaje. Un par de

enlaces como ciclo de cognición es implantado como el

centro de aprendizaje.

Cualquier radio con un nivel apropiado de

reconfigurabilidad puede soportar y puede ser

controlado por el motor cognitivo por medio de una

interfaz con la plataforma independiente del radio.

La funcionabilidad cognitiva se enfoca desde la capa 1

hasta la 3, para lograr en esas capas una intersección

óptima. Los algoritmos generales de cognición pueden

ser extendidos a las capas superiores y configurarlos

para encontrar diversos requisitos para aplicaciones

específicas.

Un radio cognitivo puede trabajar individualmente o

conjuntamente en la administración de recursos y la

optimización de sus funciones. La estructura de

aprendizaje del radio cognitivo consta de tres pasos: El

reconocimiento, el razonamiento y la adaptación, el

cuál puede ser flexiblemente implementado ya sea de

forma centralizada como un nodo de radio cognitivo

completamente funcional. Tal estructura funcional del

nodo de radio cognitivo es mostrado en la Figura 1 [3].

ARQUITECTURA DEL PERFIL DE LA INTERFACE

DE RADIO.

Una segunda arquitectura es la del radio cognitivo con

perfiles de dominio, en esta arquitectura el sistema de radio

cognitivo y el diseño del dominio de conocimiento debe

permitir mecanismos de razonamiento y aprendizaje para las

aplicaciones de radio. Puede estar dividido en dos pasos: La

primera parte es elegir metodologías eficientes para la

observación y modelado del dominio de la información útil

y abstraiga tal información con una representación general

para los mecanismos de razonamiento y aprendizaje, como

centro de aprendizaje en nuestro sistema de Radio

Cognitivo. El segundo es implementar un idioma adecuado

para describir tal dominio de conocimiento para la

transferencia de información entre unidades inteligentes.

Se debe entender que el sistema del radio cognitivo está

considerado como el centro del radio, los usuarios y los

dominios de práctica, definimos los siguientes perfiles del

dominio del conocimiento relacionados con la interfaz del

radio:

- 114 -

Definición del perfil de

la plataforma de radio

Codificación

Crear solución

Área operacional

Formular solución

Perfil de la forma de onda

Perfil de la configuración

del radio

Perfil del ambiente

de radio Perfil de servicio

al usuario

Perfil de operación

Motor cognitivo

Figura 2.- Radio cognitivo con perfiles de dominio.

El perfil del ambiente del radio: Contiene la

información reconocida del ambiente del radio,

incluyendo la ocupación del espectro de energía, del

formato de la forma de onda en los canales de interés, y

las oportunidades disponibles del enlace.

El perfil del desempeño: Contiene un conjunto de

parámetros métricos como la evaluación de la función

del radio, las reglas de codificación básica, el

rendimiento específico de los datos, consumo de poder,

etc. Esta métrica esta en una plataforma independiente y

así puede ser aplicada a los diferentes sistemas de radio

hardware.

La definición del perfil de la plataforma de la radio:

Contiene la lista de recursos funcionales de radio

disponibles, su relatada capacidad de procesamiento en

términos del rango dinámico y los modos de operación,

y sus características funcionales como dependencias,

manejador de reglas, etc.

Perfil de la forma de onda: Contiene el nivel de las

funciones de comunicación representadas por las

especificaciones de la forma de onda , como la

frecuencia trasportadora, el esquema de modulación, la

forma del pulso, la tasa del símbolos, el esquema de

codificación, el formato de la unidad de la información,

los protocolos de control de acceso al medio, etc.

El perfil de la configuración de la plataforma de radio:

Contiene el conjunto de parámetros para la

configuración de la plataforma de radio que implicar los

requerimientos de la forma de onda y las operaciones de

enlace. La configuración de plataformas específicas y

los ajustes internos están sujetos a las funcionalidades

requeridas del radio.

El dominio del conocimiento representado en la forma

del dominio de los perfiles permite la independencia de la

metodología del procesamiento de la información sobre el

contenido específico de la información. Para el sistema de

radio cognitivo, se asegura que las estructuras generales de

los mecanismos del razonamiento y aprendizaje pueda ser

diseñada y aplicada a través de dominios múltiples. Un

ejemplo del razonamiento y los procesos de decisión del

radio cognitivo con perfiles de dominios múltiples es

mostrado en la Figura 2. El motor cognitivo toma la

definición del perfil de la radio para establecer el espacio, y

tomar el ambiente del radio, los planes de acción y los

perfiles del usuario para formar las dimensiones y los

límites de su cobertura para darle el soporte, tomar del

ambiente del radio, el plan de acción y los perfiles del

usuario para formar los objetivos del funcionamiento y los

razonamientos asociados, a fin de dar una solución viable

que pueda ser proyectado y optimizado. La solución

generada es entonces formulada dentro de la forma de onda

y los perfiles de la configuración del radio con un formato

estándar que puede ser aplicada a las diversas plataformas

de radio [4].

ARQUITECTURAS DEL RDS IDEAL.

Una tercera arquitectura muestra uno de los modelos

conceptuales más simples que describe la relación entre

radio cognitivo y el RDS puede estar descrito como se

muestra en la Figura 3.

Radio Cognitivo

Motor

Cognitivo

Funcionalidades

de la

Capa Superior

RDS

Sensor

Interno y Externo

Fig. 3.- Relación entre el RDS y el radio cognitivo.

En este simple modelo, el radio cognitivo es envuelto

alrededor del RDS. Este modelo encaja para dicha

definición del radio cognitivo, donde la combinación de

motor cognitivo, RDS, y los otros resultados de las

funcionalidades de respaldo (por ejemplo, el sensor) en el

radio cognitivo. El motor cognitivo es responsable de

optimizar o controlar al RDS basado en algunos parámetros

de entrada tal como la detección o aprendizaje del ambiente

del radio, el contexto del usuario, y la condición de la red.

El motor cognitivo se da cuenta de los recursos del hardware

del radio y las capacidades así como también los otros

parámetros de entrada. Por lo tanto, trata de satisfacer los

requisitos de enlace del radio de una capa de aplicación

superior o con los recursos del usuario disponibles como el

espectro y la intensidad. Al comparar el hardware del radio

- 115 -

Radio Digital

Reconfigurable

Software del Sistema

Analógico de Radio

Sintonizable

Sintetizador

de

Impedancia

Señal de Control del Radio

Retroalimentación

Señal de Control de la Antena

donde el radio puede realizar sólo una o una cantidad muy

limitada de funcionalidades del radio, el RDS está

construido alrededor de un software basado en el

procesamiento digital de señales junto con componentes de

software sintonizadores de radiofrecuencia (RF). Por lo

tanto, el RDS representa una plataforma de radio muy

flexible y genérica que es capaz de operar con muchos y

diferentes anchos de banda sobre una gran variedad de

frecuencias y usando muchos y diferentes formatos de

modulación de forma de onda. Como consecuencia, RDS

puede soportar múltiples estándares y múltiples tecnologías

de acceso.

La arquitectura ideal del RDS consta de tres unidades

principales, las cuales son el radio digital reconfigurable, el

software de radio sintonizable junto con una incrustación de

un sintetizador de impedancia, y el sistema de software

sintonizable de la antena. Esta estructura es ilustrada en la

Figura 4. Las principales responsabilidades del Radio

Digital Reconfigurable es realizar las funcionalidades del

radio digital como la generación de diferentes formas de

onda, la optimización de algoritmos para unidades de

software de radio sintonizable, las unidades de la antena, y

el control de estas unidades.

El software del sistema analógico sintonizable está

limitado por los componentes que no pueden ser realizados

digitalmente como filtros de radiofrecuencia combinadores

divisores de señal, Amplificador de Potencia (AP),

Amplificadores de Bajo Ruido (ABR), y convertidores de

datos. Además, esta unidad tiene subsistemas sintetizadores

de impedancia, lo cual es una unidad crucial para optimizar

la actuación de software de los sistemas analógicos del

radio sintonizable.

Figura 4.- Arquitectura ideal del RDS.

Por ejemplo, el sintetizador de impedancia se usa para

optimizar la función del software en sistemas sintonizables

de la antena para un plan de frecuencia arbitrario

especificado por el motor cognitivo.

Una relación básica entre las unidades principales de

RDS está descrita como sigue. El motor cognitivo envía los

parámetros de configuración del radio al reconfigurador del

radio digital a fin de que puede reconfigurar al radio

completamente según los parámetros. Estos parámetros

pueden ser el tipo de la forma de onda que necesita ser

generada (ejemplo, OFDM, CDMA), el plan de frecuencia

(por ejemplo el ancho de banda, la operación de la

frecuencia central), y las especificaciones de la intensidad

del espectro. Además, el motor cognitivo puede requerir de

la reconfiguración del radio digital para que mida o calcule

algunos parámetros del ambiente como la información de la

posición de un usuario en particular. El radio digital

reconfigurable se configura por sí mismo junto con el

software de los componentes sintonizadores del radio y los

sistemas de la antena. Con el propósito de optimizar la

función de las estas dos unidades, el radio digital

reconfigurable utiliza la información de retroalimentación

del software del radio sintonizable, especialmente la del

sintetizador de impedancia. Basado en esta información, se

ajusta los parámetros del software del radio sintonizable y

las unidades de la antena a través del radio y las señales de

control de la antena, respectivamente. Finalmente, la

reconfiguración del radio digital certifica al motor cognitivo

que la configuración especificada esta realizada [6].

LA ARQUITECTURA DEL NODO COGNITIVO.

Por último la arquitectura del nodo de un Radio

Cognitivo, es un dispositivo de red que necesita para

habilitar el diseño, la representación y ejecución de los

procesos cognitivos relacionados a los múltiples niveles de

abstracción. Es también deseable tener una arquitectura

evolutiva a fin de que las nuevas arquitecturas puedan ser

fortalecidas. Arquitectónicamente el radio Cognitivo puede

ser observado como la integración de una plataforma de

radio flexible con una capa de dirección cognitiva. El Radio

Definido por Software (RDS) puede proveer de los servicios

requeridos de reconfiguración y una Organización

Administrativa Cognitiva (OAC) que implemente las

capacidades cognitivas requeridas para el dispositivo.

La Figura 5 muestra una propuesta de la arquitectura del

nodo cognitivo, aquí la plataforma del RDS es resumida

como una caja negra con ciertos mecanismos para el control

/configuración del dispositivo. El entorno de la entidad

administrativa consiste de la ejecución un motor cognitivo

que corre un conjunto de metas impulsadas en los procesos.

Los procesos cognitivos serán utilizando notaciones de

procesos algebraicos específicos. Cada proceso incluirá

subprocesos como la abstracción del contexto, el

razonamiento, aprendizaje, predicción, la planificación y la

toma de decisiones. Usa una base de conocimientos

incluyendo ontología, reglas, modelos, planes, y el contexto

de la estructuras del espacio. Habrá una base de datos que

maneje las instancias del contexto, y una librería sustentada

en diversas características que se componen de algoritmos.

Un canal de comunicación cognitivo es concebido como un

canal lógico para intercambiar el control y el contexto de la

información con otros dispositivos de red.

La ejecución del motor cognitivo podría ser considerado

como una máquina virtual que ejecuta programas cognitivos

que son descripciones conceptuales de diversos procesos

cognitivos complejos. Este módulo será responsable de la

- 116 -

perfección del tiempo de ejecución, la composición y la

planificación de los procesos basados en el contexto del

conocimiento del espacio. La estructura del contexto del

espacio puede tener una representación compacta

permitiendo la fácil implantación de una memoria.

Programas

Cognitivos

Ejecución

del Motor

A

D

R

S

Ontología

Reglas

Contexto del

espacio

Modelos

Algoritmos

Organización Administrativa Cognitiva (OAC)

Historial

Planes

Contexto de

datos

RDS

Control

Comunicación

Medición

A = Analizador, D = Desición, R = Reconfiguración, S = Sensor,

Fig.5.- La arquitectura del nodo cognitivo.

Un contexto típico los principios basados en el ciclo de

adaptación con la detección o la medición del contexto de la

información, luego analizando la información pura reunida

para realizar la codificación/decodificación apropiada del

contexto, presentando los acontecimientos complejos y la

información abstraída para tomar la decisión en la

configuración de sistema y finalmente implementar la

decisión de la reconfiguración. Además de esto hay una

capacidad de comunicación para ocuparse del contexto de la

comunicación entre entidades distribuidas a través de un

canal lógico [7].

En general, las principales ventajas que se establecen

con un Radio Cognitivo son las siguientes:



Acceso a una amplia gama de aplicaciones y

contenidos multimedia.

Capacidad para traspasar los limites del operador y

lograr una verdadera movilidad.

Ofrece la posibilidad de agregar un conjunto de

características y servicios con un fácil mecanismo de

actualización para una variedad de dispositivos móviles.

Aumenta la vida útil de un equipo y provee una

ganancia segura contra la obsolescencia.


Capacidad para desplegar nuevos servicios adaptados a

los diferentes niveles de usuarios que utilicen una

plataforma de hardware común.

Prueba de mercado más rápida y sencilla de nuevos

servicios y diferenciación de otros operadores.

Reduce los costos a través de un largo ciclo de vida de

móviles, la reducción de componentes, y software con

actualizaciones más rápidas de la estación base.

Capacidad de ofrecer a todos los usuarios el mismo

conjunto de funciones y servicios independientemente

del estándar utilizado.

Ayuda a lograr "acceso abierto" al proporcionar un

conjunto de APIs (Application Programming Interface /

Interfaz de Programación de Aplicaciones) claramente

definidos.

Ayuda a quitar el papel del "proveedor de servicio" a

partir del "proveedor de la red", lo cual puede crear

sustancialmente nuevas fuentes de recursos.

Provee interoperabilidad entre organizaciones de

seguridad públicas para encargarse de asuntos

relacionados con los diversos sistemas de radio.

Beneficios para los fabricantes:

El fabricar una plataforma común se cubren muchos

mercados, interfaces de aire digital y bandas de

frecuencias. Ofrece capacidad para expandir un nuevo y

adyacente mercado con soluciones de red común.

Un real uso de técnicas avanzadas para la utilización del

espectro radioeléctrico usando antenas inteligentes y

procesamiento de señales.

Permite una adición flexible de nuevas características y

de fácil adaptación para asociarse con ASPs (Active

Server Pages / Páginas Activas del Servidor) & ISPs

(Internet Service Provider / Proveedor de Servicios de

Internet) para realzar la fluidez de su ingreso.

Capacidad de mejorar los servicios, funciones y

mecanismos de seguridad.

Bajo costo del producto debido a la reducción de los

componentes.

Mayor rendimiento y menor consumo de energía para

las funciones avanzadas tales como video / gráficos en

tiempo real y aplicaciones.

La habilidad para absorber mercados adyacentes con

una misma plataforma que soporte diferentes interfaces

digitales de aire y bandas de frecuencia.

Permite que sobre el medio los productos y servicios se

mejoren – provee la habilidad para realzar, reprogramar

o reconfigurar dispositivos del usuario.

Permite sobre el medio ajuste de productos y mejora de

servicios.

Provee la habilidad para conseguir en parte una manera

fluida el acceso a Internet inalámbrico.

Se transfiere un software más cercano al hardware, por

consiguiente se incrementa su importancia.

Facilita el apoyo de todas las nuevas tecnologías

emergentes (WAP, Bluetooth) [1], [8].

- 117 -

VI. CONCLUSIONES

Como se ha visto existen diversas arquitecturas, todas

con un mismo objetivo, pero existen pequeñas diferencias

que pueden hacer más eficiente una de la otra, analizando

las diferentes arquitecturas anteriormente revisados

podemos concluir que la arquitectura del nodo cognitivo nos

proporciona un mayor control sobre los mecanismos de

actualización, aprendizaje, ejecución y confiabilidad del

radio cognitivo, ya que el software se puede actualizar de

una forma controlada e independiente de cada una de las

etapas que lo conforman, además de que se establece una

continua relación entre el RDS, el radio cognitivo y el motor

cognitivo, lo que ayudaría a el establecimiento de una

comunicación que permita un mayor control de los procesos

y solicitudes del usuario. Además de que se establece un

control de ontología más eficiente en cuestión de la

detección del ambiente y los parámetros que seguiría para su

reconfiguración lo que ayudara a un establecimiento más

efectivo del roaming mundial y a su mejor adaptación.

Por todo esto es importante el análisis de estas

arquitecturas para establecer en relación a los diferentes

parámetros y los posibles problemas que se pueden suscitar

que solución se tomaría en cada una de las diferentes

arquitecturas sin afectar las comunicaciones del usuario y de

las aplicaciones que llegue a solicitar, para asegurar que las

características que ofrece esta tecnología sean con una

arquitectura sólida y segura, se establezca en un verdadero

tiempo real, en un roaming mundial, y el usuario tenga la

seguridad de que su equipo no va a caer en la obsolescencia

y al contrario va a tener grandes beneficios en un dispositivo

universal.

VII. REFERENCIAS


[2] CRTWIRELESS, www.crtwireless.com

[3] Bin Le, G. Rodríguez Francisco A., “A Public Safety Cognitive Radio Node”, http://www.crtwireless.com/files/LeB_1.pdf

[4] Bin Le, W. Rondeau Thomas, “General Radio Interface Between

Cognitive Algorithms and Reconfigurable Radio Plataforms”, http://www.crtwireless.com/files/LeB_2.pdf

[5] Kuroda Masahiro, Ishizu Kentaro, “A Study of Radio-

Information Services for Networks of Cognitive Radios”, http://www.winlab.rutgers.edu/~wenyuan/sdr07/papers/Kuroda_

SDR.pdf

[6] Hüseyin Arslan, Hasari Celebi, “Software Defined Radio Architectures for Cognitive Radios”, Springer 2004

[7] Balamuralidhar P., Prasad Ramjee, “A Context Driven

Architecture for Cognitive Radio Nodes”, Springer Marzo 2008 [8] COGNITIVERADIO, www.cognitiveradio.wireless.vt.edu

VIII. BIOGRAFIAS

M. en C. David Vázquez Álvarez. Maestro

en Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones en la SEPI ESIME IPN.

Actualmente es profesor Asociado “C” de la

Academia de Computación del Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y

Electrónica en la ESIME IPN. Áreas de

Interés Actual: Fibras Ópticas, Radio Definido por Software, Radio Cognitivo, Sistemas de

Comunicaciones Móviles e Inalámbricas.

J. Vladimir Herrera Sánchez. Actualmente

es alumno de 9° semestre en la especialidad de

comunicaciones de la carrera de Ingeniería en

Comunicaciones y Electrónica de la ESIME

IPN. Áreas de Interés Actual: Radio Definido

por Software, Radio Cognitivo, Sistemas de Comunicaciones Móviles e Inalámbricas

M. en C. Gabriela Sánchez Meléndez. Maestra en Ciencias en Ingeniera de

Telecomunicaciones de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del IPN.

Actualmente es Profesora Asociada de la

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Profesional Adolfo López

Mateos. Áreas de Interés: Fibras Ópticas,

Telecomunicaciones, Aplicaciones de Software.


http://www.crtwireless.com/





http://www.cognitiveradio.wireless.vt.edu/

___ Glosario

- 118 -

Glosario

1G

Sistemas de telefonía móvil terrestre de 1era

Generación

2G

Sistemas de telefonía móvil terrestre de 2da

Generación

2.5G

Sistemas de telefonía móvil terrestre de Generación 2.5

3G

Sistemas de telefonía móvil terrestre de 3ra

Generación

4G

Sistemas de telefonía móvil terrestre de 4ta

Generación

AMPS

Advanced Mobile Phone System / Sistema Telefónico Móvil Avanzado

API

Application Programming Interface / Interfaz de Programación de

Aplicación

ARQ

Acknowledgment Request / Solicitud de Confirmación

ASIC

Application Specific Integrated Circuits / Aplicación de Circuitos

Integrados Específicos

ASP

Active Server Pages / Páginas Activas de Servidor

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BD

Base de Datos

BER

Binary Error Rate / Tasa de Error Binaria

Bluetooth

Bluetooth / Diente Azul

CAD

Convertidor Analógico a Digital

CAR

Cuerpo del Área de Red

CDA

Convertidor Digital a Analógico

CDMA

Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de

Código

DECT

Digital Enhanced Cordless Telecommunications / Telecomunicaciones

Inalámbricas Mejoradas Digitalmente

DSP

Digital Signal Processing / Procesamiento Digital de Señal

DSP´s

Digital Signal Processors / Procesadores Digital de Señales

DSPH

Digital Signal Processing of Hardware / Hardware de Procesamiento de

Señales Digitales

___ Glosario

- 119 -

DSPS

Digital Signal Processing of Software / Software de Procesamiento de

Señales Digitales

EB

Estación Base

EDACS

Enhanced Digital Access Communications System / Realce al Acceso a

Sistemas de Comunicación Digital

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution / Tasa de Datos Mejoradas

para la Evolución de GSM

FDMA

Frequency Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de

Frecuencia

FEC

Forward Error Correction / Corrección de Errores Directa

FI

Frecuencia Intermedia

FPGA

Field Programable Gate Array / Arreglos de Compuertas de Campo

Programable

GPRS

General Packet Radio System / Sistema General de Paquetes por Radio

GPS

Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global

GSM

Global System for Mobile Communications / Sistema Global para las

Comunicaciones Móviles

GSM GPRS

Global System for Mobile Communications General Packet Radio

System / Sistema Global para las Comunicaciones Móviles mediante el

Sistema General de Paquetes por Radio

HSCSD

High Speed Circuit Switched Data Service / Servicio de Datos de

Circuito Conmutado de Alta Velocidad

i-mode

Mobile Internet Service / Servicio de Internet Móvil

ISP

Internet Service Provider / Proveedor de Servicios de Internet

MAC

Medium Access Control / Control de Acceso al Medio

NAMTS

Nippon Advanced Mobile Telephone System / Sistema Telefónico Móvil

Avanzado Nipón

NMT

Nordic Mobile Telecommunications / Telefonía Móvil Nórdica

PDA

Personal Digital Assistant / Asistente Digital Personal

PDC

Personal Digital Cellular / Celular Digital Personal

___ Glosario

- 120 -

PHY

Physical Level / Nivel Físico

QoS

Quality of Service / Calidad de Servicio

RC

Radio Cognitivo

RCB

Reglas de Codificación Básica

RCPS

Radio Cognitivo Público y Seguro

RDS

Radio Definido por Software

RF

Radiofrecuencia

RS

Reed-Solomon

RSR

Relación Señal a Ruido

SDMA

Space Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de

Espacio

SMS

Short Message Service / Servicio de Mensajes Cortos

TACS

Total Access Communications System / Sistema de Comunicación de

Acceso Total

TDMA

Time Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de

Tiempo

TD-SCDMA

Time Division Synchronus Code Division Multiple Access /

Sincronización por División de Tiempo mediante el Acceso Múltiple por

División de Código

TM

Terminal Móvil

UBB

Unidad de Banda Base

UCT

Unidad de Control de Transmisión

UES

Unidad de Entrada / Salida

UFI

Unidad de Frecuencia Intermedia

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System / Sistema Universal de

Telecomunicaciones Móviles

UPT

Unidad de Procesamiento de Temporización

URF

Unidad de Radiofrecuencia

___ Glosario

- 121 -

WAP

Wireless Application Protocol / Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas

WCDMA

Wideband-Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple por

División de Código de Banda Ancha

Wi-Fi

Wíreless-Fidelity / Fidelidad Inalámbrica / Red de Área Local Inalámbrica

Wi-Max

Worldwide Interoperability for Microwave Access / Interoperabilidad

Mundial para Acceso por Microondas

- 122 -

Bibliografía

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s_de_Comunicacion/Default.aspx

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48212006000200006&lng=es&nrm=iso

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