Debido a los altos requerimientos de 5G NR no es posible asignar sólo una configuración de onda para satisfacer todo el espectro de probables aplicaciones. Por esta razón, para NR se incluyeron varios formatos de modulación, entre los que se encuentran BPSK y QPSK para la Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK, Phase Shift Keying) y 16QAM, 64QAM y 256QAM correspondientes a la Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) en [10].

La escogencia del esquema de modulación tiene implicaciones importantes en cuanto a la velocidad de bits y el alcance de la transmisión. Un esquema de mayor orden permite el envío de más símbolos simultáneos, pero es más propenso a sufrir por ruido o interferencia durante la transmisión [23].

En este escenario se optó por limitar la velocidad de bits lograble con el fin de garantizar un alcance mayor en las transmisiones de la etapa óptico-inalámbrica. Por esta razón se escogió el esquema de modulación QPSK, en lugar de los esquemas QAM de mayor orden aceptados en NR. A su vez, se descartó BPSK debido a que QPSK permite duplicar la tasa de bits posibles mientras se ocupa el mismo ancho de banda ofrecido por BPSK. Los criterios para la selección de esquemas de modulación se abarcan más detalladamente en [21].

Se seleccionaron la forma de onda OFDM y las señales portadoras RF debido a que se encuentran establecidas en el estándar NR [10], [11]. Para generar formas de onda OFDM existe una gran variedad de numerologías, al igual que un rango de frecuencias operativas más amplio que en LTE, con el fin de soportar un número mayor de servicios. Con base en lo anterior, en [4] se relacionan dichas numerologías con varios rangos de frecuencias para llevar a cabo un diseño de forma de onda apropiado, como se muestra a continuación (Tabla 1).

Tabla 1

El escenario de simulación se planteó con el fin de analizar las limitaciones de las redes de acceso 5G futuras, que están pensadas para ocupar las bandas de frecuencias más altas. Con base en esto, se escogió una frecuencia portadora RF de 50 GHz, con un tamaño de CP de 288 de 0,29 μs de duración, un tamaño de bloque IFFT de 4096 y un espaciado entre subportadoras OFDM de 240 kHz.

El canal óptico se simuló mediante el modelo de propagación óptico de la ecuación 1, el cual gobierna el comportamiento de los pulsos ópticos en una fibra SMF, en la que representa la amplitud de la envolvente óptica, la longitud de la fibra y el tiempo [24].

Ecuación 1

Para el modelo empleado en las simulaciones sólo se tuvo en cuenta la CD, como consecuencia de los parámetros de dispersión de segundo orden β 2 y la dispersión de tercer orden β 3 , los cuales se obtuvieron a partir de los valores de λ y D , establecidos en la recomendación ITU-T G.652 sobre las características de los canales de fibra SMF [25]. Los valores correspondientes a dichos parámetros se muestran a continuación (Tabla 2).

Tabla 2

Al emplear el modelo óptico mencionado se pudo omitir el uso de los dispositivos ópticos ilustrados en la Figura 2, permitiendo liberar la transmisión de las componentes de ruido agregadas por dichos dispositivos y así poder enfocar los resultados hacia el análisis de las degradaciones aportadas sólo por el canal de comunicaciones.

La obtención de los resultados se enfocó principalmente en las degradaciones aportadas por el canal óptico. Por lo tanto, el canal de tipo inalámbrico se modeló de forma básica, como una función de distribución gaussiana, como se expresa en la ecuación 2, presentada en [26], donde μ es la media, con un valor de 0 en aplicaciones de telecomunicaciones y σ 2 representa la varianza que toma valores diferentes. dependiendo de la relación señal a ruido (SNR).

Ecuación 2

Por medio de este modelo se varió la potencia de ruido del canal para alterar la información y poder evaluar hasta qué punto sería posible lograr una buena transmisión para diferentes escenarios. Para esto se calculó el valor de la SNR para la señal OFDM, de acuerdo con la ecuación 3.

Ecuación 3

En esta ecuación se tuvieron en cuenta el número de bits por símbolo k = 2 para QPSK, el número de subportadoras total N f y útiles N d = N f – N CP , así como el factor E b / N 0 (relación entre la energía por bit y la densidad espectral de potencia de ruido), que tomó valores entre 0 y 30 dB para las simulaciones que implicaban la variación de la SNR.

Para la adición de ruido se calculó la potencia de la señal OFDM, nombrada X, por medio de P = para posteriormente calcular la varianza σ 2 = P/10 SNR/10 . Una vez calculada la varianza, se generó una señal de ruido usando la función de Matlab, la cual retorna una matriz de números aleatorios normalmente distribuidos, dependiendo de la longitud de la señal X . De esta forma se obtuvo la señal de salida alterada Y = X + Z en función de la variación de E b / N 0 .

Con el fin de evaluar las degradaciones en la transmisión debidas al canal de fibra óptica, más adelante se presentan diagramas de constelación de la transmisión de una señal OFDM a lo largo de distancias de fibra de 1, 20, 60 y 100 km (Figura 3). Las gráficas obtenidas fueron soportadas con mediciones de EVM para cada escenario.

Figura 3

En los diagramas de constelación se puede apreciar una respuesta en frecuencia irregular en forma de ruido gaussiano, común a todos los diagramas de constelación, el cual se debe a irregularidades durante el proceso de recepción RF [27]. Además, se evidencia un Desplazamiento de Frecuencia de Portadora (CFO, Carrier Frequency Offset), que se aprecia como rotación de los símbolos transmitidos en el plano. El CFO se hizo más evidente usando distancias de fibra de 60 y 100 km. Esto ocasiona que se pierda información en el borde del espectro en frecuencia de la señal OFDM, debido a un desfase de frecuencia entre la señal óptica recibida y el oscilador local, lo cual provoca ICI en las transmisiones OFDM, ocasionando un bajo rendimiento de BER y EVM [28], [29].

Con base en estos resultados se puede evidenciar que el efecto de distorsión predominante en las transmisiones simuladas para distancias de fibra superiores fue el CFO, mientras que no hubo presencia de dispersión de símbolos alrededor de los puntos de constelación al aumentar la distancia de la fibra, efecto característico de la Dispersión Cromática (CD). En la bibliografía especializada, entre ellas en [21], este comportamiento se atribuye a la alta inmunidad de la técnica OFDM frente a la Dispersión Cromática, como consecuencia de la ortogonalidad entre subportadoras.

Adicionalmente, se muestran valores de EVM que representan alteraciones de amplitud y fase en los símbolos enviados, cuyo porcentaje máximo aceptado para garantizar transmisiones de buena calidad con QPSK para NR está fijado en 17,5% en [11]. Así, la transmisión a través de 100 km de fibra resultó en un bajo desempeño de EVM, mientras que para 1, 20 y 60 km se evidenció una afectación creciente a medida que aumentaba la distancia, aunque manteniendo valores por debajo del límite aceptado, garantizando una transmisión óptima.

A continuación, mediante diagramas de ojo, se puede observar la degradación de la información debida a la fibra en el dominio del tiempo (Figura 4).

Figura 4

Al igual que en los diagramas de constelación, la deformación para las distancias de 1 y 20 km es des- preciable, debido a que la cantidad de distorsión y la abertura del ojo permanecieron casi indistinguibles para ambos casos. Dicho efecto aumentó a los 60 km, en el que se observa una ligera disminución en la altura del ojo, debido a la distorsión aportada por el canal, mientras que la transmisión a 100 km muestra un nivel de distorsión aún leve, pero suficiente para arrojar un mal desempeño de EVM, indicando que el CFO tiene una incidencia negativa importante en la información enviada, aunque poco significativa cuando se analiza mediante diagramas de ojo.

En esta sección se presenta el impacto del canal óptico-inalámbrico en la transmisión usando las distancias de fibra empleadas en la sección 4.1, ante la variación de E b / N 0 entre 1 dB y 30 dB.

Para evaluar el valor máximo de E b / N 0 , que garantiza una transmisión óptima para distintos tramos de fibra óptica, se realizó un análisis cuantitativo de los efectos del canal óptico-inalámbrico, de acuerdo con las variaciones de la potencia de ruido. A continuación, se muestran las curvas BER vs. E b / N 0 obtenidas para distancias de 1, 20, 60 y 100 km de fibra (Figura 5).

Figura 5

De acuerdo con [30], el mínimo BER permitido para garantizar una transmisión correcta en telecomunicaciones ronda el orden de 10 –9 . Las transmisiones para todas las distancias mantuvieron valores de BER similares hasta ~7 dB. Por un lado, las transmisiones a 1 y 20 km exhibieron un desempeño similar, alcanzando el mínimo BER permitido a ~14 dB, lo cual indica que las degradaciones aportadas por el canal en un rango de 20 km no son significativas. Para lograr el mismo propósito a lo largo de 60 km se requirió de +3 dB que en los escenarios anteriores. Por el contrario, la transmisión a través del enlace de 100 km mostró una respuesta descendiente hasta un valor de ~25 dB, a partir del cual presentó tendencia a estabilizarse a un BER de ~10 –8 , sin antes llegar al límite aceptado.

Con el fin de analizar cualitativamente los efectos del canal óptico-inalámbrico se realizaron diagramas de constelación para mostrar el límite máximo de E b / N 0 , que garantiza una transmisión correcta de la señal OFDM (Figura 6). La distancia de fibra empleada fue de 20 km para evaluar el escenario de aplicación de servicios de baja latencia para NR, mencionado en el título 2.

Figura 6

Los diagramas de constelación permiten visualizar que el desempeño de la transmisión mejora a medida que el valor de E b / N 0 aumenta, lo cual está sustentado de forma cuantitativa por las medidas de BER. Así, para E b / N 0 = 4, 7 y 10 dB, los símbolos sufrieron degradaciones muy abruptas, arrojando un valor de BER alto e imposibilitando la transmisión, a menos de que se incluyan alternativas de ecualización en la etapa de recepción para recuperar la información enviada. En la Figura 6, para E b / N 0 = 14 db, se soportan de forma cualitativa los resultados de la Figura 5 para 20 km, demostrando que la transmisión es correcta sólo si los valores de E b / N 0 son mayores que ~14 dB, pues se logran medidas de BER cercanos a 10 –9 , que permiten que los símbolos permanezcan cercanos a los puntos de constelación.

De acuerdo con los diagramas de ojo, cuando E b / N 0 toma valores de 4 y 7 dB, la calidad del ojo presenta niveles de distorsión muy altos, que reflejan obtención de información errónea tras la transmisión (Figura 7).

Figura 7

Una vez en E b / N 0 = 10 dB la abertura del ojo es más clara, pero aún existe distorsión suficiente para descartar un posible escenario de transmisión. Sin embargo, en la Figura 7, para E b / N 0 = 14 dB, se evidencia que es posible transmitir la señal OFDM para 20 km de fibra, pues se obtienen valores de BER cerca de los límites recomendados, a pesar de que existe clara distorsión en el cruce por cero y la abertura del ojo no es totalmente clara.