Francisco Ramos Pascual. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.
E-mail: framos@upvnet.upv.es




Las últimas generaciones de sistemas inalámbricos de banda ancha se benefician de una mayor capacidad, un mayor alcance, así como una mejor fiabilidad, gracias al empleo de la tecnología MIMO. Los sistemas MIMO (multiple input multiple output), cuyo nombre proviene del empleo de múltiples antenas en transmisión y en recepción, consiguen una mejora de la eficiencia espectral (bit/s/Hz) y una reducción de los desvanecimientos mediante la utilización de técnicas de codificación y diversidad.
Se asemejan, en cierto modo, a la tecnología de antenas inteligentes (smart antennas) que emplean técnicas de procesado de señal para realizar un apuntamiento dinámico del haz, aunque en este caso con el fin principal de aumentar la tasa de bit. En el mercado se pueden encontrar multitud de dispositivos que emplean la tecnología MIMO, habitualmente en combinación con técnicas de modulación OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). A modo de ejemplo, las redes 3G y los sistemas WiMAX ya implementan esta tecnología, y en el futuro se espera que lo hagan todas las redes 4G.

Arquitectura del sistema y fundamentos básicos
El esquema básico de un sistema MIMO consiste en la utilización de N antenas transmisoras y M antenas receptoras, las cuales trabajan de forma coordinada con el fin de optimizar el rendimiento del canal de transmisión en términos de tasa de bit y propagación multicamino. Podemos decir, pues, que MIMO crea múltiples flujos (enlaces) de datos paralelos entre las diferentes antenas transmisoras y receptoras, los cuales pueden diferenciarse en recepción gracias a las técnicas de codificación empleadas en la propagación multicamino. Luego se trata de sendas agrupaciones de antenas alimentadas desde un punto común, ya que en el caso de antenas independientes el sistema no funcionaría.
El fundamento de las técnicas MIMO se basa en conseguir una ganancia de canal, la cual puede obtenerse mediante técnicas de diversidad (fiabilidad del sistema con respecto a desvanecimientos), o bien mediante multiplexación (capacidad del sistema). Se tiene así los dos métodos que se emplean habitualmente en los sistemas MIMO, los cuales pueden a su vez combinarse:
• Multiplexación espacial: en este caso, la señal a transmitir se divide en varios flujos de datos de menor velocidad que se transmiten a la misma frecuencia por medio de cada una de las antenas transmisoras. Posteriormente, bajo ciertas condiciones de diseño, en el receptor se pueden volver a recuperar dichos flujos de datos y crear varios canales en paralelo. Es un método muy eficiente para aumentar la capacidad del sistema con relaciones señal a ruido altas.
• Codificación de diversidad: a diferencia del caso anterior, se transmite un único flujo de datos, pero la señal se codifica empleando códigos espacio-temporales. La técnica puede aplicarse en el transmisor sin tener conocimiento de las propiedades del canal. La mejora de la señal por diversidad se basa en que los desvanecimientos se producen de forma relativamente independiente en cada uno de los enlaces individuales. La polarización de las antenas se convierte también en un aspecto importante en esta técnica.
Los diversos enlaces entre antenas constituyen lo que se conoce como matriz de canal. Luego matemáticamente un sistema MIMO se puede expresar por medio de la ecuación:
y = Hx + n,
donde “x” e “y” son los vectores de señal transmitida y recibida, respectivamente, H es la matriz de canal, de dimensiones MxN, y n es el vector de ruido. Con estas variables, la capacidad media de un sistema MIMO es mín(M,N) veces mayor que la de un sistema SISO (single input single output) tradicional, es decir, con una única antena tanto en transmisión como en recepción.

Ejemplo de sistema MIMO: WiMAX 802.16e
Como se ha comentado con anterioridad, las redes inalámbricas WiMAX son un ejemplo de sistema MIMO. En la especificación móvil 802.16e, se propone el uso del código espacio-temporal propuesto por Alamouti en 1998 y referido como “matriz A”. Este método se basa en el uso de diversidad en el transmisor y de dos antenas receptoras cuyas salidas se combinan en un esquema MRC (maximum ratio combining). Por otro lado, el método referido como “matriz B” representa un esquema de conversión serie/paralelo (multiplexación espacial pura), el cual proporciona el doble de tasa de transmisión de símbolos que el método de “matriz A”. En este caso no se realiza ninguna técnica de diversidad en transmisión, aunque en la configuración 2x2 se consigue una ganancia de diversidad igual 2 en el extremo receptor cuando se detecta la señal con el esquema ML (maximum likelihood).
Para un determinado valor de relación señal a ruido (SNR), el método de “matriz A” es el que proporciona la mejor eficiencia espectral, pudiendo trabajar incluso con valores de SNR inferiores a 8 dB. No obstante, dicho método está limitado a una eficiencia de 4,5 bit/símbolo (64QAM con una tasa de código de 3/4), obteniéndose eficiencias mayores con el método de “matriz B” si el valor de SNR es suficientemente grande. En cualquier caso, ambos esquemas MIMO son siempre más eficientes que el sistema SISO convencional.

En definitiva, podemos decir que MIMO es una tecnología clave en las nuevas generaciones de sistemas inalámbricos, proporcionando, en combinación con OFDM, buenas eficiencias espectrales y gran escalabilidad. Este último aspecto resulta de gran importancia conforme los teléfonos móviles, reproductores MP4, PDAs y otro tipo de dispositivos portátiles se equipan de acuerdo a los nuevos estándares para proporcionar al usuario conectividad de banda ancha en todo momento y en cualquier lugar.