⚡ electrical engineering

Comparison of OTFS and OFDM for RIS-aided Systems in the Presence of Phase Noise

Este artículo propone y evalúa una técnica de estimación conjunta del canal RIS y del ruido de fase mediante filtrado de Wiener, demostrando que los sistemas OTFS asistidos por RIS superan significativamente a los sistemas OFDM en presencia de ruido de fase, logrando mejoras de hasta 3 dB en la tasa de error de bits.

Autores originales: Stephen McWade, Arman Farhang

Publicado 2026-02-16

📖 4 min de lectura☕ Lectura para el café

CC BY 4.0

Autores originales: Stephen McWade, Arman Farhang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que quieres enviar un mensaje de texto muy importante a un amigo que está en movimiento rápido (como en un tren de alta velocidad). Para que el mensaje llegue claro, necesitas que la señal de radio viaje sin distorsionarse.

Aquí es donde entran dos protagonistas de esta historia: OFDM y OTFS. Son dos formas diferentes de "empaquetar" la información para enviarla por el aire. Además, tenemos un nuevo héroe tecnológico llamado RIS (una superficie inteligente reconfigurable), que actúa como un espejo gigante y mágico colocado en la pared. Este espejo puede redirigir la señal para que llegue a tu amigo, incluso si hay edificios bloqueando la línea directa.

Pero hay un villano en la historia: el Ruido de Fase. Imagina que el reloj interno de tu teléfono y el de tu amigo no son perfectos; se desincronizan un poquito, como si un músico en una orquesta empezara a tocar un poco fuera de tiempo. Esto hace que la señal se vuelva borrosa y el mensaje se pierda.

¿Qué descubrieron los autores?

Los investigadores de Trinity College Dublin se preguntaron: "¿Qué pasa si usamos nuestro espejo mágico (RIS) con estas dos formas de enviar mensajes (OFDM y OTFS) cuando el reloj está desincronizado (ruido de fase)?"

Aquí está la explicación sencilla de sus hallazgos:

1. El problema del espejo y el reloj roto

OFDM (El viejo confiable): Es como enviar cartas por correo tradicional. Funciona muy bien cuando todo está tranquilo. Pero si el reloj (la fase) se mueve o tiembla, las cartas se mezclan y el mensaje se vuelve ilegible. Cuando se añade el espejo (RIS), el problema se agrava: el espejo amplifica la señal, pero también amplifica el desorden del reloj.
OTFS (El nuevo resistente): Es como enviar el mensaje en una red de seguridad tridimensional. En lugar de enviarlo en una sola línea, lo distribuye en un patrón que es muy difícil de romper, incluso si el canal cambia rápidamente (como en un tren) o si el reloj tiembla.

La analogía: Imagina que el ruido de fase es una tormenta de viento.

OFDM es como un barco de papel: el viento lo desvía fácilmente y se hunde.
OTFS es como un submarino: puede navegar bajo la tormenta y mantenerse estable.

2. La solución: Un "Filtro Inteligente"

El gran problema es que nadie sabía cómo arreglar el desorden del reloj (ruido de fase) específicamente cuando se usa el espejo (RIS) con el sistema resistente (OTFS).

Los autores propusieron una nueva técnica, que llamaremos "El Filtro de Wiener".

La analogía: Imagina que estás tratando de escuchar a alguien gritar a través de una ventana con mucho ruido de tráfico.
- Los métodos antiguos (como BEM o Spline) son como intentar adivinar el mensaje basándose en patrones fijos. Si el ruido cambia de repente, adivinan mal.
- Su nuevo método es como tener un asistente con orejas de superhéroe que conoce exactamente cómo suena el ruido del tráfico (su estadística) y cómo se mueve el viento. Este asistente no solo escucha, sino que "resta" matemáticamente el ruido del tráfico de tu voz, limpiando el mensaje paso a paso.

3. Los Resultados (La prueba de fuego)

Los investigadores hicieron simulaciones (como pruebas de laboratorio virtuales) y descubrieron cosas increíbles:

OTFS vs. OFDM: En presencia de ruido de fase, el sistema OTFS con el espejo (RIS) funcionó cientos de veces mejor que el sistema OFDM. Fue como comparar un Ferrari con un carrito de compras en una carretera llena de baches.
Mejora del Filtro: Su nuevo "Filtro Inteligente" (Wiener) redujo los errores de transmisión (tasa de error de bits) en un 3 dB comparado con los métodos actuales. En el mundo de las telecomunicaciones, eso es como duplicar la claridad de la señal o ahorrar mucha energía.

En resumen

Esta investigación nos dice que:

Si queremos usar espejos inteligentes (RIS) para mejorar las redes 6G, no podemos usar el sistema antiguo (OFDM) si los relojes de los dispositivos no son perfectos.
El sistema OTFS es mucho más resistente a estos errores de reloj.
Con su nueva técnica de "limpieza de señal" (estimación conjunta), podemos recuperar la señal casi perfecta, incluso en condiciones muy difíciles.

La moraleja: Para que el futuro de las comunicaciones inalámbricas (como los trenes de ultra-alta velocidad o las ciudades inteligentes) funcione, necesitamos cambiar de "cartas de papel" (OFDM) a "submarinos resistentes" (OTFS) y usar un "asistente inteligente" (su filtro) para limpiar el ruido del mundo real.

Resumen Técnico: Comparación de OTFS y OFDM en Sistemas Asistidos por RIS con Presencia de Ruido de Fase

1. Planteamiento del Problema

Las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) son una tecnología prometedora para mejorar la cobertura, la eficiencia espectral y reducir el consumo de energía en redes inalámbricas. Sin embargo, los sistemas prácticos sufren de imperfecciones de hardware, siendo el ruido de fase (originado por osciladores locales) uno de los más críticos.

Limitación del OFDM: La modulación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), estándar en sistemas actuales, es altamente sensible al ruido de fase. Esto genera interferencia entre portadoras (ICI) y degrada severamente la tasa de error de bits (BER), lo que podría anular las ganancias prometidas por el uso de RIS.
Potencial del OTFS: La modulación en el espacio de tiempo-frecuencia ortogonal (OTFS) opera en el dominio de retardo-Doppler y es inherentemente robusta ante canales variantes en el tiempo. Dado que el ruido de fase introduce un comportamiento lineal variante en el tiempo (LTV), el OTFS se postula como una candidata ideal.
Brecha en la Literatura: Hasta la fecha, no existía un análisis completo del efecto del ruido de fase en sistemas RIS-OTFS, ni técnicas de estimación conjunta para este escenario específico. La mayoría de los trabajos asumen hardware ideal o conocimiento perfecto del ruido de fase, lo cual no es realista.

2. Metodología y Modelo del Sistema

Los autores proponen un modelo de sistema que integra:

Configuración: Un enlace de comunicación asistido por RIS donde la línea de visión directa está obstruida. El sistema incluye un transmisor, un RIS con $Q$ elementos reflectantes y un receptor.
Modelado del Ruido de Fase: Se considera que el ruido de fase afecta principalmente al receptor (o se modela como un proceso combinado). El ruido se modela como un proceso estocástico que introduce una matriz de ruido de fase ( $\Phi$ ) en el dominio de retardo-tiempo.
Dos Escenarios de Modulación:
1. RIS-OTFS: Operación en el dominio de retardo-Doppler. El ruido de fase se transforma en una matriz con estructura de bloque circulante en este dominio.
2. RIS-OFDM: Operación en el dominio tiempo-frecuencia estándar.
Estimación Conjunta (Propuesta Principal):
Dado que optimizar los coeficientes de reflexión del RIS en tiempo real es difícil, se asume que estos están pre-diseñados en la estación base. El objetivo es estimar la respuesta del canal efectivo instantáneo (que incluye el canal Doppler, el ruido de fase y los coeficientes del RIS).
La técnica propuesta tiene dos etapas:
1. Estimación Parcial: Uso de pilotos de impulso en el dominio de retardo-tiempo para estimar el canal en los índices de los pilotos.
2. Estimación Completa (Filtrado de Wiener): Se aplica un filtro de Wiener para interpolar y estimar las muestras de canal faltantes entre los pilotos. Este filtro explota las propiedades estadísticas conjuntas del ruido de fase y la dispersión Doppler.
  - Se modelan dos tipos de osciladores: Oscilador de libre ejecución (proceso de Wiener) y Bucle de enganche de fase (PLL) continuo (proceso de Ornstein-Uhlenbeck).
  - Se calculan las matrices de autocorrelación del ruido de fase y del canal Doppler (modelo de Jakes) para diseñar el filtro óptimo que minimiza el error cuadrático medio (MSE).

3. Contribuciones Clave

Análisis de Impacto: Estudio detallado de cómo la matriz de ruido de fase afecta a la multiplexación en el dominio de retardo-Doppler en sistemas RIS-OTFS, comparado con RIS-OFDM.
Nueva Técnica de Estimación: Propuesta de un método de estimación conjunta de canal y ruido de fase basado en filtrado de Wiener, diseñado específicamente para la estructura de cascada RIS + canal Doppler + ruido de fase.
Evaluación Comparativa: Análisis numérico exhaustivo que demuestra la superioridad del OTFS sobre el OFDM en presencia de ruido de fase, validando la eficacia de la técnica de estimación propuesta frente a métodos existentes (como BEM y Spline).

4. Resultados Numéricos

Las simulaciones se realizaron con una frecuencia portadora de 5.9 GHz, ancho de banda de 7.68 MHz y un RIS de 64 elementos, utilizando modelos de canal 5G NR (TDL-C) y Jakes para el Doppler.

Error Cuadrático Medio Normalizado (NMSE):
- La técnica propuesta supera significativamente a los métodos BEM (Modelo de Expansión de Base) y Spline, especialmente a niveles altos de ruido de fase.
- El método BEM falla al capturar las variaciones de canal muestra-a-muestra cuando el ruido de fase es intenso.
Tasa de Error de Bits (BER) - Sin Codificación:
- OTFS vs. OFDM: El RIS-OTFS supera al RIS-OFDM en un rango de ruido de fase bajo a moderado. Sin embargo, ambos degradan su rendimiento con ruido de fase severo, aunque OTFS mantiene una ventaja considerable.
- Ganancia de la Técnica Propuesta: El método de estimación conjunta ofrece mejoras de hasta 3 dB en BER comparado con BEM y Spline.
- Escalabilidad con RIS: Al aumentar el número de elementos del RIS, el RIS-OTFS con la técnica propuesta logra ganancias de dos órdenes de magnitud en BER sobre el RIS-OFDM.
Sistemas Codificados:
- En un sistema codificado (16-QAM con codificador convolucional), el RIS-OTFS con la técnica propuesta supera al RIS-OFDM en un orden de magnitud, incluso con ruido de fase presente.

5. Significado e Impacto

Este trabajo es fundamental para el desarrollo futuro de redes 6G y sistemas de alta movilidad que integren RIS:

Viabilidad del OTFS en RIS: Demuestra que el OTFS es una onda portadora superior para sistemas RIS en entornos con hardware imperfecto (ruido de fase), mitigando la sensibilidad inherente del OFDM.
Robustez Práctica: La técnica de estimación propuesta permite operar sistemas RIS-OTFS sin requerir conocimiento perfecto del ruido de fase, lo cual es crucial para implementaciones reales donde los osciladores no son ideales.
Eficiencia Espectral: Al recuperar el rendimiento degradado por el ruido de fase, se asegura que las promesas de ganancia de cobertura y eficiencia espectral de las RIS no se vean comprometidas por las limitaciones del hardware.

En conclusión, el artículo establece que la combinación de OTFS, RIS y una estimación conjunta basada en Wiener es una solución robusta y superior para enfrentar los desafíos de los canales variantes en el tiempo y las imperfecciones de los osciladores en las comunicaciones inalámbricas de próxima generación.