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Disponibilidad, estabilidad e inteligibilidad en las comunicaciones HF: mito o realidad
TENDENCIAS. Disponibilidad, estabilidad e inteligiodas aquellas personas que hayan tenido contacto con la transmisión de voz analógica mediante un enlace HF pueden confirmar que la inteligibilidad de la comunicación es muy reducida debido al desvanecimiento del canal y la muy molesta presencia del ruido. Por el contrario, la voz digital codificada a 2400 bps (bits por segundo) proporciona una calidad muy aceptable, próxima a la telefónica, donde además el ruido no está presente. La pregunta que nos hicimos por tanto hace unos años fue: ¿es posible una comunicación digital en HF sin retardo, continua en el tiempo y de mayor calidad?. La respuesta fue encontrada en un ámbito mucho más activo tecnológicamente que el HF y que también se enfrentaba a importantes retos científicos: los sistemas de comunicaciones móviles de tercera (3G, UMTS) y cuarta generación (4G). Apoyándonos en ello propusimos un sistema complementario al HFDL denominado por nosotros HFD+VL (HF Data+Voice Link) que permitiera, a voluntad, transmitir datos o voz digital interactiva. Debemos tener en cuenta que las comunicaciones HF tienen un campo de aplicación muy extenso y el interés en conocer las bondades del presente sistema se han extendido más allá del ámbito inicial del proyecto. A finales del 2008 el Ministerio de Defensa seleccionó el sistema para participar en la demostración nacional del programa CWID 2009 (Coalliation Warrior Interoperability Demostration), lo que ha permitido verificarlo en entornos tácticos tanto de la Armada como del Ejército del Aire (Figura 1). T Disponibilidad, estabilidad e inteligibilidad en las comunicaciones HF: ¿mito o realidad? Este artículo resume una línea de colaboración entre Aena y las Universidades Politécnica de Madrid (UPM) y de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) iniciada en 1998 cuyo objetivo central era diseñar un sistema de comunicaciones digitales de bajo retardo que funcionara de una forma estable y de manera transparente para el usuario. El objetivo se ha plasmado en el diseño, implementación y verificación en enlaces reales de un sistema de comunicaciones completo que permite transmitir voz digital interactiva (sin retardo apreciable), a través del enlace ionosférico. Presentado por Aena, este trabajo ha sido dado a conocer en varias reuniones plenarias y grupos específicos de la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) y de EUROCONTROL con objeto de promover que el sistema equipe a las aeronaves comerciales; complementando las actuales prestaciones del sistema HFDL (HF Data Link). Santiago Zazo Bello Ingeniero de Telecomunicación Profesor Titular de Universidad. Universidad Politécnica de Madrid Iván A. Pérez Álvarez Ingeniero de Telecomunicación Profesor Titular de Universidad. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Figura 1. Prueba en vuelo real del sistema HFD+VL en un Hércules de la Fuerza Aérea Española. TENDENCIAS. Disponibilidad, estabilidad e inteligibilidad en las comunicaciones HF: ¿mito o realidad? El retardo en comunicaciones ionosféricas Los sistemas de comunicaciones en la banda de HF (3-30 MHz) realizan transmisiones transhorizonte, utilizando a la ionosfera como reflector natural y así alcanzar en uno o varios saltos coberturas prácticamente globales. Complementario al enlace vía satélite, permite comunicar dos puntos muy alejados con una infraestructura y precio mínima. Es fundamental tener en cuenta las características del canal de HF para entender la solución adoptada. Por un lado, en HF se produce un fenómeno de multicamino (la señal se refleja en varias capas de la ionosfera) y por otro, el canal cambia con el tiempo (la ionosfera es un medio dinámico, natural, muy dependiente de la actividad solar). El primero requiere la utilización de potentes igualadores, mientras que el segundo de sistemas de sondeo de canal. En la práctica, esta igualación y seguimiento del canal limita enormemente las prestaciones por lo que en los sistemas convencionales se requiere de un entrelazado (muy largos, normalmente de varios segundos) que rompa las ráfagas de error que se producen posibilitando así que el proceso de decodificación funcione adecuadamente. Es precisamente la presencia de estos entrelazadores lo que ha imposibilitado la aplicación de voz digital interactiva en HF. Módem HF para voz digital interactiva: diseño y desarrollo La alternativa desarrollada se basa en modulaciones tipo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) y en particular un esquema denominado MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) que combina las ventajas de OFDM y de los modernos sistemas de espectro ensanchado de tipo CDMA. El sistema OFDM consiste en descomponer la señal a transmitir en un conjunto de N portadoras de banda estrecha denominadas subportadoras, convirtiendo la transmisión serie en una transmisión paralela conociéndose como modulación multiportadora. La modulación de cada una de las subportadoras se realiza de manera convencional con el esquema de modulación que se desee (PSK o QAM). Al paralelizar la información los símbolos resultantes tiene una duración temporal N veces mayor que cada uno de los símbolos serie. Esta característica es la que hace, en parte, que la forma de onda OFDM sea extraordinariamente robusta frente a canales muy hostiles por lo que ha sido seleccionada como forma de onda para numerosos sistemas WLAN (Wireless LAN) como Wi-Fi, WiMax, sistemas de radiodifusión de audio y vídeo (DAB, DVB), transmisiones por cable (xDSL, PLC) o futuros sistemas móviles como LTE. OFDM presenta dos ventajas importantes: – Debido al incremento considerable de la longitud del símbolo el efecto del multicamino es prácticamente irrelevante, simplificando dramáticamente el igualador requerido. – Debido a que ahora se puede distribuir la información tanto en frecuencia (en las subportadoras) como en el tiempo (en los símbolos OFDM) es posible introducir señales de entrenamiento para conocer el canal de una manera mucho más eficiente. Pero OFDM, aún siendo más robusto que los sistemas monoportadora, por sí sólo no es suficientemente robusto para los canales HF. Por ello se tuvo que ir un paso más adelante, y optar por una estrategia que se podría denominar de espectro ensanchado tipo MCCDMA. La técnica, que respeta la canalización estándar de HF de 3 KHz, lo que hace es transmitir todos los símbolos por todas las portadoras de manera simultánea utilizando un conjunto de códigos ortogonales de ensanchamiento (ver Figura 2). De esta forma todas las portadoras de forma simultánea llevan algo de información, lo que supone que ante una situación Figura 2. Sistema MC-CDMA. Ensanchamiento por códigos ortogonales. adversa del canal donde se dé la desaparición de algunas portadoras pueda ser recuperadas mediante un adecuado procedimiento de reconstrucción. Las pruebas realizadas durante largos periodos de tiempo, años, muestran que el sistema se vuelve extraordinariamente robusto incluso sin codificador ni entrelazado. El módem utiliza 73 portadoras con una separación entre ellas de Δf=37.5 Hz, ocupando un ancho de banda total de 2737 Hz, encajando así en la máscara espectral de las transmisiones HF estándar. La estima espectral se realiza mediante pilotos intercalados en la rejilla tiempo-frecuencia (Figura 3) y realizando posteriormente una interpolación para la estima completa del canal. Utilizando la modulación QPSK se obtiene una tasa bruta de 3600 bps que se reduce a 2460 bps netos al considerar el proceso de ensanchado, suficiente para el uso del codificador MELP que trabaja a 2400 bps. El aspecto más destacable del desarrollo es la implementación de avanzados algoritmos de detección multiusuario que permiten resolver de forma eficiente la interferencia que producen los distintos símbolos que se transmiten simultáneamente mediante la modulación MC-CDMA. Se ha demostrado que el detector multiusuario es la estrategia de detección óptima en estos escenarios. Plataforma de comunicaciones HFD+VL La plataforma de pruebas utiliza un PC estándar bajo sistema operativo Linux y es independiente de los transceptores HF utilizados. En la Figura 4 se aprecia la arquitectura HFD+VL basada en el concepto cliente-servidor. El cliente contiene la interfaz gráfica de usuario (GUI) y el codificador de voz MELP y es el lado en el que se ubica el usuario. El servidor contiene el módem HFD+VL y controla al transceptor HF. La conexión entre ellos se realiza vía Ehternet, pudiendo estar ambos corriendo en un mismo ordenador si así se requiere. Las medidas de retardo global han verificado que en entornos de red LAN se obtienen valores inferiores a 200 mseg, encontrándose la mayor parte del tiempo entre 125 a 150 mseg. En la página web (www. hfdvl.eu) se pueden encontrar más información detallada, prestaciones, comparativas y grabaciones reales en el enlace Madrid – Las Palmas. Desarrollo actual y líneas futuras El sistema de comunicaciones desarrollado está siendo actualmente extendido a la transmisión de datos de alta velocidad y disponibilidad, donde la interactividad no es una restricción y por tanto se puede asumir en el diseño la presencia de entrelazadores. Actualmente ya se dispone de un primer prototipo que permite alcanzar velocidades de hasta 8600 bps de tasa neta. El diseño actual, además de los entrelazadores, contempla los siguientes aspectos diferenciales: – Se requieren tasas de error mucho más bajas que para voz que ahora son del orden de 10-4–10-5 lo que fuerzan al uso de potentes esquemas de codificación. Teniendo en cuenta el estado del arte, los códigos que presentan mejores prestaciones están basados en estructuras realimentadas ‘turbo’ o LDPC. – Se utiliza una modulación OFDM ya que en este caso se dispone de potentes esquemas de codificación que compensan las pérdidas de portadoras. Con objeto de poder garantizar un enlace estable y permanente tanto para la aplicación de transmisión de datos como de voz es necesario abordar técnicas de diversidad, es decir pasar a lo que se conoce como comunicaciones MIMO. Esta será la base de nuestras futuras contribuciones, donde apoyándonos en el desarrollo HW TENDENCIAS. Disponibilidad, estabilidad e inteligibilidad en las comunicaciones HF: ¿mito o realidad? Figura 3. Estima de canal HF realizada por el módem durante un segundo (con portadoras piloto resaltadas). ya disponible y operativo de un transceptor de banda ancha de 1 MHz, estamos realizando transmisiones selectivas y simultáneas en distintas bandas de frecuencia (dentro del margen del transceptor y antena). En la parte de recepción hemos implementado, y estamos evaluando con enlaces reales, toda una batería de técnicas de combinación, que nos permitirá determinar cuál, o cuales, de ellas son las más adecuadas para este entorno. Finalmente, disponemos de una visión integrada y simultánea de la transmisión de información y de sondeo de canal: esta estrategia generaliza el concepto clásico de ALE (Automatic Link Establishment) dando lugar a lo que hemos denominado ALMA (Automatic Link Management) que sondea de forma automática todos los canales disponibles utilizando el transceptor de banda ancha y permite decidir cuál es el canal más adecuado para la transmisión instantánea y gestionar de forma transparente para el usuario el cambio de canal, de manera que éste perciba el enlace de HF como estable y permanente. Equipos de trabajo El equipo de trabajo lo forman el Grupo de Aplicaciones del Procesado de la Señal (GAPS) de la ETS de Telecomunicación de la UPM (www.gaps.ssr.upm.es) y el Centro Tecnológico para la Innovación en Comunicaciones (CeTIC)® en la ULPGC (www.cetic.eu). Las capacidades complementarias de ambos grupos han posibilitado el desarrollo teórico y la implementación práctica con pruebas reales de un sistema de comunicaciones completo. Queremos destacar y agradecer, el apoyo y la financiación de Aena, que desde 1998 viene manteniendo la línea de investigación en las comunicaciones HF y sin la cual esta actividad no hubiera sido posible. Especialmente queremos mostrar nuestra gratitud a D. Eleuterio Esteban del Pozo, que siempre mantuvo la ilusión de llevar a buen puerto el trabajo que se estaba realizando. Igualmente queremos agradecer a la Armada Española y al Ejército del Aire todas las facilidades y apoyos que nos dieron para hacer posible que las demostraciones en el programa CWID09 fueran un éxito. El CeTIC® es un centro tecnológico universitario de la ULPGC con una plantilla de unas 50 personas, donde el 45% es personal contratado o becario, repartidos en cinco divisiones. Sus actividades están orientadas a temas como las comunicaciones (en aplicaciones tanto ópticas, radar, aeroespaciales, HF, etc), la seguridad y el reconocimiento biométrico, los sistemas telemáticos o los sistemas para análisis filológico. Su actividad sostenida en los últimos años ha proporcionado unos ingresos medios de 1M€ año, siendo el 75% de origen nacional e internacional. El 30% de los ingresos proceden de contratos con empresas, lo que refleja una importante capacidad de transferencia tecnológica. El GAPS es un grupo de investigación de la UPM que forma parte y que desarrolla su investigación en el campo del tratamiento digital de señales y sus aplicaciones. Entre sus líneas más destacadas cabe resaltar, la comunicaciones inalámbricas, redes de sensores, guerra electrónica, tecnología del habla y tecnología de audio. TENDENCIAS. Disponibilidad, estabilidad e inteligibilidad en las comunicaciones HF: ¿mito o realidad? Figura 4. Arquitectura de comunicaciones HFD+VL y montaje físico del sistema cliente-servidor en LPA.
30 oct 2015