En un sistema de red celular, ya sea 4G LTE o 5G NR, tanto la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) como la agregación de portadoras (Carrier Aggregation, CA) son tecnologías clave, pero ¿cuáles son las diferencias entre ellas?

La agregación de portadoras es una tecnología altamente innovadora introducida en la red LTE-Advanced, que permite a la red móvil combinar múltiples portadoras de frecuencia en una sola para aumentar el ancho de banda total de la portadora y lograr un aumento más significativo de la velocidad de datos para los usuarios de teléfonos móviles. Al principio, las redes LTE basadas en 3GPP Release 8 no admitían la agregación de portadoras, pero las redes LTE admiten una configuración flexible de ancho de banda, lo que significa que pueden utilizar portadoras de frecuencia con diferentes anchos de banda, como 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz.

La Release 10 de LTE-Advanced es la primera versión de LTE en introducir la agregación de portadoras (intrabanda contigua e interbanda), toma 5×20 MHz como CA estándar, pero solo es para dos operadores. La Release 12 de LTE-Advanced, presentada en 2012, incorporó soporte para la agregación de portadoras no contiguas intrabanda. Admite la agregación de hasta 5 portadoras de frecuencia con ancho de banda flexible, hasta 100 MHz de ancho de banda. Aunque 100 MHz de ancho de banda ya es impresionante, la red LTE-Advanced Pro introdujo una configuración de agregación de portadoras de mayores prestaciones. Su objetivo es ofrecer un rendimiento máximo de hasta 3 Gbps en el enlace descendente, lo que requiere portadoras de mayor tamaño. La Release 13 de 3GPP introduce la red LTE-Advanced Pro, que permite la agregación de hasta 32 portadoras y alcanza un ancho de banda máximo de hasta 640 MHz.

Aunque la agregación de portadoras es una tecnología clave ya presente en las redes LTE-Advanced y permite que LTE evolucione para alcanzar velocidades de datos de usuario superiores a 1 Gbps, en las redes 5G la agregación de portadoras respaldará la evolución hacia el 5G multigigabit, con velocidades de datos de usuario de aproximadamente 4 Gbps o más.

Después de hablar de la agregación de portadoras, veamos qué es exactamente MIMO.

En una red inalámbrica, dos nodos inalámbricos se comunican para enviar y recibir datos a través de un canal de radio; este canal utiliza una parte del espectro inalámbrico. Sin embargo, en muchas áreas el espectro adecuado es escaso, y usar más espectro resulta poco práctico.

MIMO son las siglas de Multiple Input Multiple Output (múltiples entradas y múltiples salidas), una tecnología de antenas avanzada que puede aumentar la capacidad sin ampliar el espectro, por lo que es ampliamente adoptada por las redes 4G LTE, LTE-Advanced y LTE-Advanced Pro. MIMO mejora eficazmente la velocidad de datos y la calidad de la señal mediante multiplexación espacial, diversidad de antenas y beamforming.

MIMO se centra en el principio de multiplexación espacial en 4G LTE, lo que significa que la comunicación se produce a través de múltiples antenas separadas espacialmente (multiplexación por división espacial). Asimismo, MIMO también mejora la calidad de las señales móviles al minimizar los efectos del desvanecimiento multitrayecto mediante la diversidad de antenas.

Además, MIMO se beneficia de la tecnología beamforming: múltiples antenas transmiten señales al mismo receptor para que este pueda recibir una señal más fuerte. Las redes LTE utilizan diferentes configuraciones MIMO para el enlace descendente y el ascendente, y tanto los transmisores como los receptores deben ser compatibles con estas configuraciones.

Según 3GPP Release 8, la red LTE original admite configuraciones MIMO 4×4 en el enlace descendente y configuraciones MIMO 2×2 en el enlace ascendente. La configuración 4×4 en el enlace descendente significa que cuatro elementos de antena del transmisor de la estación base envían la señal al teléfono móvil, mientras que cuatro elementos de antena del receptor del teléfono móvil son responsables de recibir la señal. La transmisión del enlace ascendente va del teléfono móvil de vuelta a la estación base.

Las redes LTE-Advanced y LTE-Advanced Pro utilizan una configuración MIMO 8×8 en el enlace descendente y una configuración MIMO 4×4 en el enlace ascendente. En resumen, MIMO y la agregación de portadoras desempeñan un papel único y crucial en las redes móviles modernas y, en conjunto, ofrecen a los usuarios una experiencia de comunicación más rápida y estable. En las redes 5G (NR), se adopta un MIMO avanzado llamado Massive MIMO, que utiliza una configuración superior y MIMO multiusuario. Massive MIMO se ha convertido en un habilitador clave y un componente fundamental del 5G ultrarrápido de ondas milimétricas.

No existe una definición fija que determine cuántas antenas debe tener un sistema para ser considerado Massive MIMO, pero los sistemas con más de 8×8 antenas generalmente se consideran sistemas Massive MIMO; el número 8×8 se refiere a 8 antenas transmisoras y 8 antenas receptoras. En general, MIMO actúa como una tecnología de antenas y tiene un enfoque diferente al de la agregación de portadoras.

La agregación de portadoras se centra en combinar portadoras de frecuencia; MIMO aumenta la velocidad de datos de los usuarios de teléfonos móviles al multiplexar espacialmente las portadoras de frecuencia existentes de forma más eficiente. La agregación de portadoras combina múltiples portadoras de frecuencia para asignar un mayor ancho de banda a los teléfonos móviles. En cambio, MIMO utiliza una gran cantidad de elementos de antena en el transmisor para enviar múltiples flujos de datos paralelos al receptor. Los receptores MIMO también están equipados con múltiples elementos de antena para recibir estos flujos de datos; la salida del dispositivo del usuario se crea combinando los distintos flujos de datos. De este modo, cada flujo de datos actúa como un canal virtual entre la estación base y el equipo del usuario.