Arquitectura de Sistemas de Comunicaciones Tierra-Tierra y Aire-Tierra con Multiplexación Espacial

Abstract

La interacción autómata de múltiples tipos de dispositivos inteligentes (Smart Devices - SD) conforman una red conocida como internet de las cosas (Internet-of-Things - IoT) la cual ofrece potenciales beneficios para incrementar efectivamente la calidad de vida de las personas. Los potenciales beneficios del paradigma de IoT se apoyan en la integración a la red de IoT de todos los SD, a través de redes de comunicaciones entre máquinas (Machine-to-Machine - M2M). Los SD exhiben rango de comunicaciones inalámbricas limitado, debido al bajo costo y consumo de energía impuesto por el paradigma M2M. Consecuentemente, las comunicaciones entre máquinas M2M dependen de alguna infraestructura de comunicaciones, por ejemplo las redes celulares, que otorgue soporte de transporte de datos para dichos dispositivos y así realizar la integración efectiva de todos ellos a la red IoT. No obstante, debido al rango de cobertura limitado de los SD no todos ellos pueden integrarse de manera efectiva, como aquellos que operan en zonas urbanas poco frecuentadas por personas y zonas alejadas de la infraestructura de redes celulares, limitando la proyección de funcionamiento óptimo de la red IoT. Como la proyección del volumen de SD operando en simultáneo se vislumbra masivo, la combinación de tecnologías que despliegan múltiples antenas (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) y la diversidad multiusuario (Multi-User Diversity - MUD), inherente a un conjunto masivo de SD, tiene el potencial para brindar solución al rango limitado de cobertura de los SD. En la primera parte de esta Tesis se proponen y analizan aspectos de implementación de distintos receptores multiusuarios operando en una arquitectura de comunicaciones con diversidad en transmisión a lazo cerrado (Closed-Loop Transmit-Diversity - CL-TD) en canales MIMO, conformación de haz lineal (Linear BeamForming - LBF), selección de usuarios en canales MIMO con múltiples usuarios (Multi-User MIMO - MU-MIMO) en base a información de estado del canal en transmisión parcial (Channel State Information at the Transmitter side - CSIT) y operando en enlaces de canal Tierra-Tierra. En base a estos estudios se determinan cuáles son las estrategias de recepción más conveniente para el problema de rango de cobertura de los SD. Por otro lado, para aquellos SD que operan en zonas alejadas de infraestructuras de soporte de comunicaciones, se propone una infraestructura de comunicaciones alternativa a bordo de un vehículo aéreo autónomo no tripulado (Unmanned Aerial Vehicles - UAV). Sin embargo, para evaluar alguna propuesta de arquitectura de comunicaciones es necesario conocer el comportamiento de canal configurado en este tipo de escenario. Dado que en la literatura, los modelos de canal existentes hasta el momento son insuficientes para describir las características de los nuevos escenarios configurados por los UAV (Zonas rurales, urbanas y sub-urbanas) en vuelos de baja altura, otra contribución fundamental de esta Tesis es la propuesta y extensión de un modelo de canal MIMO de tres dimensiones. La misma considera la existencia de la componente con línea de vista (Line-of-Sight - LOS), la componente sin línea de vista (Non Line-of-Sight - NLOS) con distribuciones de dispersores (Scatterers) no-isotrópicos y las características de movilidad en ambos extremos del enlace. En base a esta propuesta de canal se evalúa una arquitectura de comunicaciones con CL-TD para canales MIMO-3D, LBF y mecanismos de selección de usuarios para canales MU-MIMO con CSIT parcial operando en enlaces de canal Aire-Tierra. En base a estos estudios se evalúa el desempeño de la arquitectura para estos nuevos escenarios.