MIMO la próxima generación de la tecnología Wi-Fi

Por Evelio Martinez Martinez

Publicado en Revista RED, noviembre de 2005

Introducción

Las redes inalámbricas WLAN (Wireless Local Area Network) ya son parte de nuestro entorno dentro de las empresas y organizaciones. Los usuarios están siendo testigos de sus innumerables beneficios, pero también están siendo testigos de las desventajas de este tipo de redes. Los principales inconvenientes radican principalmente en la pobre capacidad de ancho de banda y la limitada cobertura de la señal.

Fig. 1.- Enrutador Inalámbrico de NETGEAR RangeMAX
provisto con 7 antenas inteligentes


El cambio repentino del nivel de fuerza la señal es un problema común que ocurre en los clientes de WLAN con IEEE 802.11a/b/g (una laptop, un PDA u otro dispositivo con una tarjeta inalámbrica). Si uno mueve el dispositivo unos cuantos centímetros, la fuerza de la señal que se recibe del punto de acceso (access point) fluctúa del máximo al mínimo, o viceversa. Ocasionando, en la mayoría de las veces, que el enlace se corte entre el punto de acceso y el dispositivo cliente.

En este artículo describiremos una nueva tecnología conocida como MIMO que permitirá aumentar las capacidades en ancho de banda, velocidad, la cobertura, y por ende, una mejora en la calidad de la señal de las redes inalámbricas Wi-Fi de la actualidad.

¿Qué es MIMO?
MIMO (multiple input multiple output) es una tecnología de radio comunicaciones que se refiere a enlaces de radio con múltiples antenas en el lado del transmisor y del receptor. Debido a las múltiples antenas, la dimensión espacial puede ser explotada para mejorar el desempeño del enlace inalámbrico, haciendo la señal más fuerte, más confiable y transmisiones más rápidas.

Según los proponentes de esta tecnología, incrementará hasta mas de 8 veces la cobertura y hasta más de 6 veces la velocidad de las actuales redes IEEE 802.11g. Aunque en la actualidad MIMO es una tecnología no estandarizada, ya esta considerada en el estándar 802.11n de la IEEE, el cual piensa liberarse a finales de 2006 o principios del 2007. Los consumidores ven a MIMO como una nueva clase de productos inalámbricos categorizados como “pre-n”, debido a que se anticipan al estándar 802.11n de IEEE.

La batalla por el estándar 802.11n

El proceso para establecer de la siguiente generación del estándar Wi-Fi ha sido dificil y todavia no llega a un feliz término. Ya se han hecho varias reuniones alrededor del mundo entre el comité 802.11n y los principales proponentes, y aún no hay una decisión condensada del nuevo estándar. Para que una propuesta sea aceptada como estándar oficial por el IEEE, se requiere de un 75% de conceso de los votos por los miembros del comité. Hace un año, más de 30 propuestas fueron sometidas para definir especificaciones del estándar 802.11n.

En la actualidad, dos son los grupos principales que están contendiendo y sometiendo propuestas para el estándar IEEE 802.11n. Estos consorcios son TGn Sync y WWiSE. Ambas propuestas son muy similares, pero difieren en varios detalles. TGn Sync (Task Group 'n' synchronization, www.tgnsync.org) es un consorcio que incluye compañias como Agere, Atheros, Intel, Sony, Nortel, Samsung, Qualcomm, Philips, Panasonic, entre otros. TGn Sync propone expander el tamaño del canal de 20 MHz a 40 MHz, permitiendo así un caudal eficaz máximo de 315 Mbps con multicanalización por división espacial MIMO.

Este cambio podría disminuir el número de canales disponibles de 22 a 11 en la banda de 5 GHz. WWiSE (World-Wide Spectrum Efficiency) es un consorcio que está compuesto por compañías como Airgo Networks, Broadcom, Motorota, Nokia, Conexant Systems, STMicroelectronics, Texas Instruments, France Telecom, NTT, entre muchos otros. WWiSE propone utilizar el canal existente de 20 MHz, dos antenas MIMO, y cambios en la capa de MAC (media control access) para permitir una capacidad de canal de 135 Mbps.

El mercado de productos y chips MIMO En lo que respecta a productos en el mercado, actualmente Airgo Networks (www.airgonetworks.com) fabrica chips de una tecnología propietaria conocida como True MIMO, lidereando el mercado con productos “pre-n”. Es importante notar que el término “pre-n” no es una terminología oficial, más bien es un término de mercadotecnia, que implica un estatus de borrador del estándar 802.11n, cuando tal borrador no existe.

Otros fabricantes de chips MIMO son Atheros (www.atheros.com), Video54 (www.video54.com) y Athena (www.athenasemi.com). Entre los fabricantes de equipos WLAN con tecnología MIMO se encuentran Belkin, Linksys, Samsung, Netgear, entre muchos otros. La mayoria de ellos utiliza el chip True MIMO de Airgo Networks. Netgear, otro fabricante de equipos, ha lanzado productos bajo el nombre de “RangeMax” el cual utiliza una mezcla de la tecnología Super-G de Atheros y BeamFlex de Video54, pero también producen una línea de productos que utiliza True MIMO de Airgo. Otros fabricantes como D-Link han optado por la tecnología MIMO conocida como channel-bonding spectrum-hogging. Según pruebas independientes de benchmark, los equipos con True MIMO han demostrado tener una mayor cobertura y mejor caudal eficaz que las otras tecnologías competidoras.

¿Cómo funciona MIMO?

La propagación multitrayectorias es una característica de todos los ambientes de comunicación inalámbricos. Usualmente existe una ruta o trayectoria principal desde un transmisor en el punto “A” al receptor en el punto “B”. Desafortunadamente, algunas de las señales transmitidas toman otras trayectorias, irrumpiendo objetos, la tierra o capas de la atmósfera. Aquellas señales con trayectorias menos directas, llegan al receptor desfasadas y atenuadas.

Una estrategia para negociar con señales débiles multitrayectoria es simplemente ignorarlas. Las señales multitrayectoria con mucha potencia pueden ser demasiado fuertes como para ignorarse, sin embargo, pueden degradar el desempeño de los equipos WLAN basados en los estándares actuales. MIMO toma ventaja de la propagación multitrayectorias para incrementar el caudal eficaz, cobertura y fiabilidad de las señales.

Más allá de combatir las señales multitrayectoria, MIMO pone señales multitrayectoria a trabajar acarreando y concentrando más información. Cada una de estas señales son moduladas y transmitidas por una serie antenas al mismo tiempo y en el mismo canal de frecuencia. El empleo de múltiples formas de onda constituye un nuevo tipo de radio comunicación, la cual es el único medio para mejorar los tres parámetros básicos del desempeño del enlace (cobertura, velocidad y calidad de la señal).

MIMO tiene la habilidad de multiplicar la capacidad, la cual es un sinónimo de velocidad. Una medida para medir la capacidad inalámbrica es conocida como la eficiencia espectral (EE). La EE es el número de unidades de información por unidad de tiempo por unidad de ancho de banda, denotada usualmente como bps/Hz (bits por segundo sobre Hertz). Si se transmiten múltiples señales, conteniendo diferentes ráfagas con información, sobre el mismo canal, se puede doblar o triplicar la eficiencia espectral. Más eficiencia espectral da como resultado más velocidad de información, más cobertura, más usuarios, una mejor calidad de la señal.

Los transmisores MIMO aprovechan las bondades de OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing). OFDM es una técnica de modulación digital que divide la señal en varios canales de banda angosta a diferentes frecuencias. Dentro de las bondades de OFDM incluyen: gran eficiencia espectral, resistencia en contra de interferencia por multitrayectorias, filtrado de ruido externo.

Los principales bloques de procesamiento de un transmisor utilizando MIMO incluyen dos antenas de transmisión con dos moduladores OFDM idénticos, convertidores analógico-digital (ADC), moduladores analógicos de radio frecuencia (RF), amplificadores de potencia (AMP POT) y antenas con patrón omnidireccional. Un transmisor MIMO con dos antenas es un modulador digital que alimenta dos cadenas analógicas idénticas (circuitería DAC & RF) y dos antenas idénticas omnidireccionales.

De esta manera, la transmisión MIMO-OFDM es exactamente la misma, como si dos transmisiones OFDM simultáneas ocurrieran en el mismo canal, pero con diferentes datos digitales.

Fig 2.- Bloques principales de un transmisor básico MIMO-OFDM con dos antenas

Guillermo Marconi, inventor de la radio, demostró el funcionamiento del primer sistema de comunicaciones inalámbricas en 1896. Desde ese día, los ingenieros vieron a las señales multitrayectorias como una molestia para las comunicaciones.

En 1984 Jack Winters de los Laboratorios Bell patentó un sistema de comunicaciones inalámbricas utilizando antenas múltiples. Jack Salz, también de Laboratorios Bell publicó un artículo sobre MIMO en 1985, basado en el trabajo de Winters. Winters y muchos otros, publicaron artículos sobre MIMO en el periodo de 1986 a 1995.

En 1996, Greg Raleigh y Gerald J. Foschini desarrollaron nuevas mejoras a la tecnología MIMO. Greg Raleigh es el fundador de Airgo Networks, quién reclama ser el inventor del MIMO-OFDM, ofreciendo un chip “pre-n” conocido como True MIMO.

Conclusiones

La redes inalámbricas WLAN están impactando las industrias, pequeños negocios y hasta en los hogares. En la actualidad, decenas de millones de unidades WLAN son vendidas anualmente. Con la incursion de la tecnología MIMO las ventas podrian aumentar en cientos de millones de unidades anualmente. Las aplicaciones de entretenimiento en el hogar serían las de más impacto, tales como televisión, sistemas de sonido estereofónico, reproductores de DVD, pantallas y bocinas remotas, dispositivos portátiles de reproducción de audio y video, video camaras, alarmas de seguridad en el hogar, entre otras aplicaciones. Según la empresa consultora ABI Research (http://www.abiresearch.com/) en el 2008, un año después de que se libere el estándar, más de 150 millones de chips con 802.11n serán vendidos, predominando los dispositivos electrónicos de consumo con esta tecnología. MIMO promete y promete mucho, ojala que los organismos proponentes TGn Sync y WWiSE lleguen a un consenso para que la IEEE ratifique el 802.11n y pronto podamos gozar de los beneficios de esta tecnología inalámbrica en nuestros hogares y lugares de trabajo.





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