Una característica fundamental en los sistemas de comunicación bidireccional (dúplex) por radio es la forma de separar la señal transmitida de la recibida. Normalmente, el estándar establece, o bien alternarlas en intervalos temporales y que el equipo conmute rápidamente entre transmisión y recepción, o bien enviarlas por bandas de frecuencia distintas y separarlas mediante filtros de radiofrecuencia.

Para el usuario final la diferencia puede no ser apreciable, puesto que ambas opciones proporcionan aparente simultaneidad. Sin embargo, la electrónica que las soporta y las prestaciones, cuando los sistemas modernos quieren llevar la capacidad hasta sus límites físicos, son muy diferentes.

¿Qué es Time Division Duplex – TDD?

El ubicuo y universal Wi-Fi emplea división por tiempo o TDD – Time Division Duplex: el punto de acceso y los equipos terminales transmiten en la misma frecuencia, pero en ranuras de tiempo diferentes, lo cual ofrece gran flexibilidad para asignar el ancho de banda disponible al sentido de la comunicación que más datos requiera, sea uplink, del usuario hacia la red, o downlink, para la descarga de datos de la red. Por otra parte el TDD tiene:

• Algunas limitaciones, como posibles colisiones en el tiempo.
• Pérdida de eficiencia por el tiempo de propagación de los paquetes en el aire.
• La potencia que entrega el circuito transmisor es inferior en promedio, a la máxima que podría, puesto que parte del tiempo se inhibe para poder recibir.

La telefonía móvil hasta ahora ha funcionado mayoritariamente en división por frecuencia FDD – frequency division duplex. Eso significa que las estaciones base tienen unas bandas de frecuencia en las cuales solo ellas transmiten, y los terminales de usuario reciben, y viceversa.

En principio, FDD es la estrategia más adecuada para redes móviles, sin embargo LTE/4G prevén ya algunas bandas para uso en TDD, y en 5G su uso aumentará. El motivo para emplear TDD en redes celulares es que se trata de un sistema mucho más adecuado para la tecnología que permitirá aumentar mucho más la capacidad de la red, proporcionando no solo altas velocidades puntuales, sino haciéndolo a varios usuarios simultáneamente: “massive MIMO”. Esta tecnología hace posible transmitir varios flujos de información en el mismo tiempo y en la misma frecuencia de radio.

¿Qué es MIMO?

¿Y qué es al fin y al cabo el sistema MIMO – Multiple Input/Multiple Output, tan común en los folletos de routers y teléfonos móviles que anuncian ser 2×2 o 4×4?

Hagamos un brevísimo repaso a sus principios físicos.

La caracterización de un canal de propagación desde una antena transmisora a una receptora se puede reducir a un número, una cifra compleja con amplitud y fase, que representa la transformación que sufre la señal debida a la distancia y a las reflexiones en objetos.

Si un punto de acceso Wi-Fi o una estación base de telefonía móvil está dotada de un número m de antenas superior (2, 4, 8, 20, 100…), el canal de propagación desde cada una de ellas hasta un terminal de usuario será diferente. Si el terminal consta de n antenas receptoras, o si tenemos n usuarios en la zona de cobertura, cada uno de esos canales, y de esas mxn combinaciones, también será diferente.

Ahora bien, ¿serviría de algo que cada antena transmitiese una información diferente, si por el aire se mezclan sus señales como si muchas personas hablaran a la vez? Ese batiburrillo es el resultado de multiplicar un vector m por una matriz mxn y la recuperación de las múltiples señales que originariamente eran diferentes, cada una aportando megabits de información por segundo, pasa por resolver esas ecuaciones invirtiendo la matriz (en la práctica se emplean varios algoritmos, pero el ejemplo de invertir la matriz es una buena aproximación intuitiva).

La clave para que esto funcione es conocer los coeficientes de esa matriz, que en el caso de comunicaciones MIMO se llaman información del estado del canal o CSI. Conocerlos y resolverlos resulta mucho más práctico cuando la mayor parte del trabajo lo hace la estación base, que puede ser un aparato más grande, caro, pesado y energéticamente voraz que un pequeño teléfono móvil alimentado con batería.

Pero para ello hace falta (o se simplifica mucho su trabajo) que el canal de subida sea el mismo que el de bajada. Es decir, que estén en la misma frecuencia, lo cual explica la motivación de operadores y fabricantes de equipos para plantearse algo hasta hace poco impensable: emplear TDD en redes celulares.

En definitiva, podemos estar seguros de dos cosas: que el TDD y el “massive MIMO” aumentarán drásticamente la capacidad de las redes celulares 5G y que la asignatura de álgebra tiene importantes aplicaciones.