La Universidad de Bristol y la Universidad de Lund se asocian con NI para batir records mundiales en eficiencia espectral inalámbrica 5G utilizando Massive MIMO

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"Con el sistema de creación de prototipos MIMO de NI, pudimos aliviar ciertas dificultades en este desarrollo mediante una plataforma integrada de hardware y software."

- Paul Harris, University of Bristol

The Challenge:
Para 2020, Cisco prevé que 5.500 millones de personas posean teléfonos móviles. Solo en Reino Unido decenas de millones de estos usuarios de móvil consumirán 20 GB de datos cada uno por mes y utilizarán más de 25 dispositivos inteligentes distintos en sus rutinas diarias. Si incluimos aplicaciones que consumen muchos datos, como el vídeo 4K, los vehículos sin conductor, las fábricas inteligentes y el acceso de ancho de banda que se expanden a los lugares más rurales de la Tierra, no es de extrañar que las redes inalámbricas actuales no puedan gestionar el futuro hiperconectado tan cercano.

The Solution:
Para solucionar la demanda sin precedentes de más velocidad de datos, mayor capacidad de red y mejor fiabilidad, los ingenieros e investigadores de la Universidad de Bristol y de la Universidad de Lund están utilizando el sistema de creación de prototipos Multiple Input, Multiple Output (MIMO) de NI para innovar y avanzar rápidamente las redes móviles 5G a fin de transformar el futuro de las comunicaciones inalámbricas mediante técnicas de massive MIMO. El equipo ha conseguido demostrar aumentos de eficiencia de ancho de banda de más de 20 veces en comparación con las tecnologías actuales de móviles 4G, lo que abre nuevas fronteras que baten records de posibilidades para bandas sub­6 GHz de despliegue del 5G.

Author(s):
Paul Harris - University of Bristol
Steffen Malkowsky - Lund University

Innovación mediante multiplicación

El desbloqueo del potencial de las redes 5G empieza por entender los beneficios de massive MIMO. Massive MIMO usa numerosas antenas (más de 64) en una estación base para multiplexar espacialmente. Esto significa que podemos servir a más usuarios en una zona densa sin consumir más espectro de radio ni causar interferencias. En otras palabras, massive MIMO significa menos llamadas interrumpidas, una disminución significativa en las zonas muertas y mejor calidad en la transmisión de datos, todo sin ampliar los límites de nuestro espectro de radio cada vez más escaso.

Mejor aún, massive MIMO promete reducir costes y mejorar la eficiencia energética en comparación con las redes actuales LTE (4G), a la vez que se proporcionan mejoras en fiabilidad a través de la redundancia gracias al aumento del número de antenas.

 

Investigación en tiempo real que bate records

El equipo de Bristol y Lund se dispusieron a probar la factibilidad de massive MIMO como una tecnología viable para aportar más de 10 veces de aumento de capacidad para las redes futuras de 5G. Acudieron a NI para buscar una plataforma de creación de prototipos MIMO ampliable con hardware flexible de radio definido por software y software reconfigurable y abierto de LabVIEW, todo respaldado por los conocimientos del grupo de investigación inalámbrica avanzada de NI.

Mediante el sistema de creación de prototipos MIMO de NI, el equipo podría centrarse en aplicar los principios teóricos de massive MIMO en condiciones del mundo real y probar rápidamente nuevas ideas destinadas a implementar la primera demostración en directo en el mundo de un banco de pruebas de massive MIMO en tiempo real y de 128 antenas. Mediante este banco de pruebas moderno, el equipo estableció dos records mundiales consecutivos en eficiencia espectral. Consiguieron más de 79 b/s/Hz de eficiencia espectral con un enlace de ancho de banda de 20MHz, totalmente bidireccional, en tiempo real, por el aire, a 3,5 GHz con 12 usuarios simultáneos. Poco después, el equipo amplió el sistema para conseguir más de 145 b/s/Hz de eficienciaf espectral al aumentar el número de usuarios a 22 compartiendo el mismo recurso de tiempo-frecuencia.

 

Figura 1. La Universidad de Bristol y la Universidad de Lund implementaron el primer banco de pruebas de massive MIMO en tiempo real y con 128 antenas, que se utilizó para batir dos records mundiales consecutivos en eficiencia espectral inalámbrica.

 

Tecnología

El sistema de creación de prototipos MIMO de NI es una combinación de hardware comercial listo para la venta y software de LabVIEW. La plataforma actúa como una base sólida para el sistema de gran rendimiento, gran capacidad y baja latencia. El equipo integró cerca de 100 piezas distintas de hardware, pero desarrolló perfectamente toda la aplicación en un solo marco de trabajo de software. Esta técnica modular, integración perfecta de software/hardware e IP FPGA integrada en tiempo real en LabVIEW ofreció al equipo la solución que necesitaba mucho antes de lo esperado y garantizó que los futuros cambios en la plataforma serían rentables y fluidos.

 

Figura 2. El sistema de creación de prototipos MIMO de NI es modular y se basa en radio definida por software USRP RIO y hardware PXI que permite una amplia gama de configuraciones de antena.

 

Figura 3. El Framework de Aplicación MIMO de NI dio una ventaja al equipo de Bristol y Lund en el desarrollo, por su referencia a software abierto con la IP FPGA en tiempo real.

 

¿Qué es lo siguiente?

En una empresa conjunta entre la Universidad de Bristol y el Ayuntamiento de Bristol denominada Bristol is Open, el equipo de Bristol prevé desplegar su banco de pruebas de massive MIMO en un tejado dentro de los límites de la ciudad y conectarlo a su red de fibra óptica, pudiendo así realizar más investigación del impacto en el mundo real de esta tecnología en la sociedad. Al final, Bristol dividirá el sistema en cuatro subsistemas de 32 antenas, utilizando la red de fibra para implementar una configuración distribuida de massive MIMO. Esto básicamente permite a los operadores de redes establecer mejores métodos de comunicación para todos nosotros.

La Universidad de Lund pronto realizará medidas que se concentren en escenarios del exterior, caracterización de canales y diseño IP de aceleradores con condiciones de despliegue más realistas en su propio banco de pruebas de massive MIMO de NI.

Además, Bristol y Lund seguirán colaborando en próximas actividades. Lund será el anfitrión del equipo de Bristol para que realicen pruebas de medidas en el exterior con usuarios móviles, a fin de investigar más la influencia de la movilidad en MIMO.

 

Figure 4. Paul Harris y Steffen Malkowsky prueban su conjunto de 128 antenas en la cámara anecoica de la Universidad de Bristol.

 

Acerca del equipo

El grupo de Redes y sistemas de comunicación (CSN) de la Universidad de Bristol se formó en 1985 para satisfacer las demandas de investigación de los sectores de comunicaciones inalámbricas y fijas. Combina la investigación académica fundamental con un gran nivel de aplicación industrial. El grupo dispone de laboratorios bien equipados con equipos de medida y prueba modernos e instalaciones computacionales de primer nivel.

El equipo de la Universidad de Bristol: Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan y Benny Chitambira

La Universidad de Lund pretende ser una universidad de primera clase que trabaje para entender, explicar y mejorar nuestro mundo y la condición humana. El departamento de tecnología de la información e ingeniería eléctrica (EIT) de la Universidad de Lund cubre una amplia gama de áreas de investigación en los campos analógico y digital, así como en el diseño de sistemas de comunicaciones y está al frente de la investigación de massive MIMO (MaMi) incluyendo la teoría de MaMi, la caracterización y la medición de canales y el diseño del acelerador de IP.

El equipo de la Universidad de Lund: Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao y Dimitrios Viastaras

Author Information:
Paul Harris
University of Bristol
CSN Group, University of Bristol, Woodland Road
Bristol BS8 1UB
United Kingdom
paul.harris@bristol.ac.uk

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