El desafío para la banda ancha inalámbrica proviene de la escasez de recursos de espectro radioeléctrico. Los organismos reguladores de todo el mundo han asignado sólo una cantidad limitada de espectro para uso comercial. La necesidad de dar cabida a un número cada vez mayor de usuarios y ofertas
las aplicaciones ricas en ancho de banda que utilizan un espectro limitado desafían al diseñador del sistema a buscar continuamente soluciones que utilicen el espectro de manera más eficiente. Las consideraciones de eficiencia espectral impactan muchos aspectos del diseño de sistemas inalámbricos de banda ancha.
La herramienta más fundamental utilizada para lograr una mayor eficiencia espectral en todo el sistema es el concepto de arquitectura celular, mediante la cual en lugar de utilizar un único transmisor de alta potencia para cubrir una gran área geográfica , se utilizan varios transmisores de menor potencia, cada uno de los cuales cubre un área más pequeña, llamada celda. Las propias células a menudo se subdividen en unos pocos sectores mediante el uso de antenas direccionales. Normalmente, un pequeño grupo de células o sectores forman un grupo, y el espectro de frecuencia disponible se divide entre las células o sectores de un grupo y se asigna de forma inteligente para minimizar la interferencia entre sí.
El patrón de asignación de frecuencia dentro de un grupo luego se repite en toda el área de servicio deseada y se denomina reutilización de frecuencia. Para lograr una mayor capacidad y eficiencia espectral, se debe maximizar la reutilización de frecuencias. Sin embargo, una mayor reutilización genera un mayor potencial de interferencia. Por lo tanto, para facilitar una reutilización más estricta, el desafío es diseñar esquemas de transmisión y recepción que puedan operar en condiciones de relación señal-interferencia más ruido (SINR) más bajas o implementar métodos efectivos para lidiar con la interferencia.
Una forma efectiva de lidiar con la interferencia es utilizar procesamiento de múltiples antenas. Además de utilizar la arquitectura celular y maximizar la reutilización de frecuencias, se pueden utilizar otras técnicas de procesamiento de señales para maximizar la eficiencia espectral y, por tanto, la capacidad del sistema. Muchas de estas técnicas explotan la información del canal para maximizar la capacidad.
Veamos el ejemplo.
Modulación y codificación adaptativas: La idea es variar la velocidad de modulación y codificación por usuario y/o por paquete en función de las condiciones SINR predominantes. . Al utilizar el nivel más alto de modulación y velocidad de codificación que puede admitir SINR, se pueden maximizar las velocidades de datos del usuario y, por lo tanto, la capacidad. La modulación y codificación adaptativa forma parte del estándar WiMAX.
Multiplexación espacial:
La idea detrás de la multiplexación espacial es que se pueden transmitir múltiples flujos independientes en paralelo a través de múltiples antenas y se pueden separar en el receptor usando múltiples cadenas de recepción mediante el procesamiento de señal adecuado. Esto se puede hacer siempre que los canales multitrayecto vistos por las distintas antenas estén suficientemente descorrelacionados, como sería el caso en un entorno rico en dispersión.
La multiplexación espacial proporciona velocidad de datos y ganancias de capacidad proporcionales al número de antenas utilizadas. Esta y otras técnicas de múltiples antenas se tratan en otra parte.
Técnicas eficientes de acceso múltiple: Además de garantizar que cada usuario utilice el espectro de la forma más eficiente posible, se deben idear métodos eficaces para compartir los recursos entre los múltiples usuarios de manera eficiente. Este es el desafío abordado en la capa MAC del sistema. Se pueden lograr mayores eficiencias en el uso del espectro acoplando información sobre la calidad del canal en el proceso de asignación de recursos. Las técnicas de la capa MAC se analizan con más detalle en otra parte.
Cabe enfatizar que la capacidad y la eficiencia espectral no pueden divorciarse de la necesidad de proporcionar una cobertura adecuada. Si a uno le preocupara únicamente una alta eficiencia o capacidad espectral, una forma obvia de lograrlo sería disminuir el radio de la celda o empaquetar más estaciones base por unidad de área.
Obviamente, esta es una forma costosa de mejorar la capacidad. Por lo tanto, es importante analizar la eficiencia espectral de manera más amplia para incluir la noción de área de cobertura. El gran desafío para el diseño de sistemas inalámbricos de banda ancha es encontrar el equilibrio adecuado entre capacidad y cobertura que ofrezca buena calidad y confiabilidad a un costo razonable.