LDM: Nueva tecnología para la supervivencia de la Televisión Digital Terrestre de la mano de la UPV

2015/12/01 Montalban Sanchez, Jon - TSR ikerketa-taldea EHUko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Carretera aérea invisible: espectro electromagnético y atascos

Somos la sociedad de la información. En esta época estamos rodeados en todo momento por miles de ondas de radio que transportan de un lado a otro el flujo de información imprescindible, a pesar de ser invisibles a la vista humana. Para dar un orden a este caos, todas las comunicaciones inalámbricas se organizan de acuerdo a la normativa establecida por los organismos públicos, y a cada uno se le asigna, entre otras cosas, un rango de espectro radioeléctrico.

De forma sencilla, las ondas electromagnéticas son un medio de transporte invisible que transporta información diaria a nuestros teléfonos móviles o a las antenas de televisión, que se propagan por el espacio y contienen componentes eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí. Para comprender con un ejemplo, la propagación de ondas es muy parecida a la de las ondas marinas que podemos observar en la costa, pero en lugar de ser agua, el medio es aire. Además de la amplitud y longitud de onda, la frecuencia es la magnitud propia de las ondas radioeléctricas. En definitiva, la frecuencia o frecuencia de una onda indica el número de veces que la misma onda se repite en segundo, por lo que, además de tener un tiempo libre para transmitir cualquier onda electromagnética, el grupo de frecuencias correspondiente debería estar libre de interferencias. La explicación gráfica de este fenómeno se puede ver en la figura 2.

Figura . Representación de una onda en el campo del tiempo y la frecuencia.

Así, en frío, aunque nos pueda extrañar, en el día a día nos encontramos con frecuencia con este concepto de frecuencia. ¿Quién no tiene en mente, por ejemplo, la frecuencia de su radio favorita a la hora de sintonizar su programa favorito (100.1 MHz, por ejemplo)? ¿O quién no ha tenido que resintonizar la señal de televisión en los últimos años o meses? En esencia, la clave de esta pregunta radica en la disposición espectral de las señales.

Asimismo, el conocimiento de esta característica de las ondas, la frecuencia, se ha convertido en una herramienta imprescindible para el desarrollo de tecnologías de nueva generación. Esta característica permite, por ejemplo, emitir varios programas de televisión simultáneamente (durante el mismo tiempo) desde una sola antena, adaptando a cada uno parte del espectro frecuencial.

Pongamos un ejemplo práctico: la transmisión inalámbrica puede asimilarse al sistema de transporte actual (ver figura 3). Supongamos que las diferentes fuentes de información, representadas en la imagen como camiones, deben viajar desde Bilbao (antena emisora) hasta Donostia (receptor). Primera opción (en el caso 1: TDM (Time Division Multiplexing), se puede enviar a través de una carretera nacional de un solo carril (por ejemplo, por la ruta de la costa), asignando a cada uno un tiempo determinado, colocando cada camión sucesivamente. Es evidente que esta solución no es muy eficaz por la posibilidad de generar grandes atascos que pueden amortiguar el “flujo de información”. ¿Cuál es la solución? Una de las opciones sería utilizar el mismo espacio para utilizar la frecuencia de cada camión o señal de información y situar el flujo de información en diferentes carriles (partes del espectro). De este modo, la carretera de un solo carril se ha convertido en una autopista multi-carril, aumentando la capacidad del vial (caso 2: FDM). Si buscamos en libros técnicos podemos observar que detrás de este fenómeno se encuentra Frequency Division Multiplexing (FDM) o Multiplexación Frecuencial. Es una técnica muy utilizada, entre otras cosas porque las señales de televisión que recibimos diariamente en casa se organizan así.

Nuevo sistema de multiplexación LDM: sin más atascos

Figura . Ejemplo gráfico de los diferentes sistemas de multiplexación.

En el nuevo sistema de multiplexación LDM desarrollado en la UPV-EHU (en colaboración con el Communication Research Centre de Canadá y el Electronics and Telecommunications Research Institute de Corea), se distribuye por el tiempo asignado y aprovechando toda la frecuencia en lugar de compartir la potencia, frecuencia o tiempo transmitido. El funcionamiento es sencillo: los flujos de información se colocan uno encima del otro y a cada uno se le asigna un rango de potencia. Esta estructura permite a los emisores utilizar al cien por cien los medios disponibles para la transmisión de señales, tanto en el ámbito temporal como en el de la frecuencia. Veamos más claramente el ejemplo de los transportes. La técnica LDM propone la utilización de vehículos de dos o tres plantas para aumentar la eficiencia, es decir, camiones que, en lugar de llevar camiones convencionales, llevarían coches, o autobuses normales, autobuses de dos plantas que doblarían la capacidad de transportar información con el mismo espacio (caso 3).

Esta tecnología será imprescindible para la futura TDT. De hecho, en cuanto al uso del espectro radioeléctrico, en los últimos años se ha producido el mayor debate entre todos los medios de comunicación de información sobre la asignación del rango de frecuencias que tiene la televisión digital. Según muchos expertos, la televisión no gestiona de forma eficiente los recursos que se le asignan, por lo que las organizaciones encargadas del espectro han recibido una serie de propuestas para ofrecer los intervalos de frecuencias que han quedado libres como consecuencia de la digitalización de la televisión a otros servicios más eficientes como la telefonía móvil.

Además, acusan a la primera generación de televisión digital, la TDT, de su incapacidad para ofrecer servicios móviles. Este problema es muy crítico ya que, según los últimos estudios, el tráfico de datos móviles aumentará once veces entre 2015 y 2018, y a finales de este periodo, dos tercios del tráfico total se adecuarán al videostreaming. Por lo tanto, para los sistemas de radio de las generaciones venideras será condición indispensable que puedan verse en cualquier lugar a través de los receptores móviles de televisión en alta definición.

Entre las tecnologías que pueden hacer frente a estos problemas, los expertos están viendo con buenos ojos el LDM. Y es que, además de ser un sistema más eficiente, es una solución totalmente compatible con la tecnología actual y, de hecho, sólo sería necesario realizar unos pocos cambios en la tecnología existente. Cabe destacar también que esta eficiencia permite ofrecer más recursos a los servicios móviles, por lo que con este sistema de multiplexación se duplicaría o triplicaría la cobertura de los servicios móviles respecto a los sistemas de multiplexación convencionales.

Así, el equipo técnico del nuevo Standard de la Televisión Digital Terrestre ATSC 3.0 de Norteamérica ha optado por la tecnología LDM como solución tecnológica para su próxima generación de televisión. Así, es posible que en un futuro, entre otros, la mayoría de los receptores de televisión que se venderán en Norteamérica y Corea del Sur tengan una implementación de esta tecnología desarrollada por la Universidad del País Vasco junto con otros grupos.

Aportaciones del Grupo TSR de la UPV/EHU en materia de LDC

El Grupo de Tratamiento de la Señal y Radiocomunicaciones de la UPV-EHU (TSR), liderado por los profesores Manuel Velez Elordi y Pablo Angueira, estuvo en los inicios del LDM, por lo que colaboró estrechamente con los grupos que iban a desarrollar la idea desde el principio. Es más, los primeros desarrollos teórico-prácticos de este nuevo sistema de multiplexación fueron liderados por el grupo TSR, ya que los algoritmos clave para el diseño del receptor se desarrollaron dentro de la tesis doctoral defendida por Jon Montalban Sanchez en la UPV. Los algoritmos desarrollados en el grupo TSR desarrollaron mecanismos para diferenciar las fuentes de información enviadas en cada canal de frecuencia o autobús. A pesar de no proponer un sistema completo, plantea una tecnología concreta que pueda dar una solución directa a los dos grandes retos que la TDT tendrá que afrontar en un futuro próximo, es decir, un nuevo sistema de multiplexación que garantice el uso eficiente del espectro radioeléctrico antes mencionado y la oferta de servicios móviles.

Finalmente, cabe destacar que en el grupo TSR se han llevado a cabo diversos estudios teóricos y prácticos para demostrar la utilidad de esta propuesta. Cabe destacar que para ello se ha utilizado el primer receptor LDM desarrollado a nivel mundial. Posteriormente, este receptor ha trasladado el nombre de la Universidad del País Vasco a diversas exposiciones internacionales para mostrar los beneficios del LDM, entre ellos el NABSHOW de Las Vegas en 2015, que reúne a más de 100.000 profesionales del sector. Además, las publicaciones basadas en la tesis anteriormente mencionada obtuvieron el premio a la mejor aportación en los congresos internacionales IEEE Broadband Multimedia Systems and Broadcasting celebrados en 2014 en Pekín (China) y 2015 en Gante (Bélgica).

Bibliografía