Comunicaciones multiusuario con arrays masivos modulares: modelado y validación empírica de comunicaciones multiusuario en campo cercano mediante arquitecturas modulares de arrays masivos

Abstract

Este trabajo fin de grado tiene como principal objetivo explorar y validar las prestaciones y limitaciones de los sistemas de comunicación XL-MIMO desde una perspectiva tanto teórica como práctica. La tecnología XL-MIMO surge como una solución innovadora ante la creciente demanda de capacidad y cobertura en las redes de comunicación modernas, debido al incremento exponencial en el número de dispositivos conectados. Sin embargo, la implementación de arrays con un gran número de antenas presenta desafíos significativos. Para abordar estos desafíos, en este trabajo se analiza una nueva arquitectura, el array modular, el cual permite la disposición de antenas en módulos que pueden ser instalados en fachadas o tejados de edificios. Esta configuración modular ofrece ventajas en términos de flexibilidad y aprovechamiento del espacio, mitigando la necesidad de largas superficies continuas. Se realiza un estudio detallado de cómo esta arquitectura afecta a la calidad de la comunicación del sistema, evaluando tanto sus ventajas como desventajas en comparación con los arrays co-localizados, y analizando sus prestaciones en condiciones de campo cercano, algo obligado por su régimen de operación. Para ello, se ha desarrollado un simulador en Matlab para comunicaciones multiusuario en campo cercano con arrays modulares. Se han implementado diferentes técnicas de precodificación (MRT/MRC, ZF, MMSE), evaluando el impacto de los parámetros del sistema (número de antenas, frecuencia de operación, disposición del array, directividad, y posición de los usuarios). Además, se ha llevado de manera pionera una validación experimental del modelo en la banda W, lo que ha permitido completar el modelo teórico implementado, y validar la efectividad de las técnicas de precodificación y su impacto en la tasa de transmisión.

This TFG aims to objectively evaluate and validate the performance and limitations of XL-MIMO communication systems from both theoretical and practical perspectives. XL-MIMO technology emerges as an innovative solution to the growing demand for capacity and coverage in modern communication networks, due to the exponential increase in the number of connected devices. However, the implementation of arrays with a large number of antennas presents significant challenges. To address these challenges, this work analyzes a new architecture, the modular array, which allows the placement of antennas in modules that can be installed on building facades and roofs. This modular configuration offers advantages in terms of reliability and space utilization, mitigating the need for large continuous surfaces. A detailed study is conducted on how this architecture affects the quality of system communication, evaluating both its advantages and disadvantages compared to co-located arrays, and analyzing its performance under near-field conditions, something required by its operation regime. To this end, a Matlab simulator has been developed for multi-user communications in near-field with modular arrays. Different precoding techniques (MRT/MRC, ZF, MMSE) have been implemented, evaluating the impact of system parameters (number of antennas, operating frequency, antenna arrangement, directivity, and user positions). In addition, a pioneering experimental validation of the model in the W band has been carried out, allowing the complete implementation of the theoretical model, and validating the effectiveness of the precoding techniques and their impact on transmission rates.