En la presente tesis doctoral se ha realizado una serie de aportaciones para contribuir al desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. Esta nueva generación de sistemas utilizará una técnica de acceso del tipo CDMA y pretende poder garantizar una cierta calidad de transmisión en las comunicaciones. En este sentido, esta tesis presenta nuevas propuestas tanto para el protocolo de acceso al medio (MAC) como para los algoritmos de gestión de los recursos radio (RRM).Las propuestas han sido presentadas, estudiadas y analizadas en diferentes entornos representativos de trabajo y se ha demostrado su validez para su utilización en un sistema real de comunicaciones. Además, por su sencillez de implementación y alta eficiencia en la utilización de los recursos, se ha comprobado que todas ellas son candidatas muy adecuadas para poder formar parte de los estándares en formación para los citados sistemas.Glosando los aspectos desarrollados en la presente tesis doctoral, cabe destacar los siguientes puntos:? Se han estudiado en profundidad las necesidades y requerimientos del interfaz radio en los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación, centrando el estudio en las transmisiones en modo paquete para entornos con acceso CDMA.? Se ha propuesto un nuevo protocolo MAC para trabajar en este entorno de operación. Asimismo, se ha realizado un modelo teórico del protocolo para el análisis de su rendimiento en sistemas genéricos con tráfico homogéneo. Se ha analizado con detalle el modelo para demostrar las propiedades cuasi-óptimas del protocolo, tanto en retardo como en throughput y estabilidad. El protocolo además introduce un concepto nuevo de control distribuido que minimiza la información de control necesaria, mejorando con ello las prestaciones del sistema.? Se han realizado simulaciones por ordenador de un sistema de comunicaciones cuyo MAC es el nuevo protocolo propuesto para verificar la validez del modelo teórico. Se ha comprobado que se minimiza el retardo de propagación, se alcanza la máxima eficiencia en la utilización del canal radio y se mantiene la estabilidad para cualquier carga de tráfico.? Se ha propuesto una estructura de receptor físico para la detección de las secuencias de peticiones de acceso. Se ha analizado el rendimiento del receptor y se han derivado las probabilidades de error en la detección de las secuencias para entornos reales móviles. En esta situación, se ha realizado el estudio de estabilidad del protocolo y se han introducido las modificaciones necesarias para mantener la robustez del mismo, alcanzando el objetivo buscado.? Se ha realizado un trabajo de optimización del protocolo de acceso para mantener sus propiedades para cualquier entorno de tráfico de entrada, haciendo especial hincapié en el peor escenario posible. Este escenario es aquel en el que los usuarios generan mensajes muy racheados de longitud mínima. Se han introducido nuevas mejoras en el protocolo para mantener su rendimiento cuasi-óptimo en este escenario límite.? Se han realizado nuevas simulaciones de sistema por ordenador de cara a demostrar la capacidad inherente del protocolo para manejar situaciones de tráfico heterogéneo donde es posible adaptar las velocidades de transmisión de forma dinámica para mejorar el rendimiento del sistema. Para este cometido se han definido unos modelos de tráfico basados en las aplicaciones más usuales.? Se ha estudiado el comportamiento de un sistema celular de comunicaciones móviles donde el protocolo MAC es el nuevo protocolo propuesto. Se han realizado simulaciones en las que se demuestra que es posible mejorar el rendimiento general del sistema gracias al uso de la información de control que ofrece el propio protocolo en los criterios para la gestión de los handovers y el control de potencia.? Se han propuesto y analizado nuevas estrategias de gestión de los recursos radio, tanto para el subsistema de transmisión como para el subsistema de resolución de colisiones, de cara a dotar al sistema de la capacidad de garantizar una cierta calidad de servicio en las comunicaciones. Estas estrategias mantienen la idea de la gestión distribuida, lo que minimiza la información de señalización necesaria en el sistema. Se han definido unas clases de servicio de comprobación, con sus correspondientes parámetros de calidad y se ha demostrado el correcto funcionamiento del sistema en presencia de tráfico heterogéneo proveniente de todas estas clases. Se ha verificado que se cumplen los requisitos exigidos al sistema, cumpliéndose los criterios de prioridad y garantizando la calidad de las transmisiones.Por tanto, podemos concluir que la presente tesis doctoral se enmarca dentro de los estudios de investigación orientados a ofrecer nuevas aportaciones para ser incluidas en el nivel 2 del modelo OSI de los futuros sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. / This thesis provides some new contributions for the development of the future third generation mobile communication systems. This new generation will use a CDMA multiple access technique and pretends to guarantee a certain quality of service in the transmissions. In this sense, this thesis presents new proposals of Medium Access Control Protocols (MAC) and radio resource management algorithms (RRM).These proposals have been presented, studied and analysed in different representative scenarios and it has been proved their suitability for a real communication system. They are also simple to implement and they have a very high efficiency in the use of the transmission resources. Therefore, all of them are promising in order to became part of the future standards.Summarising the main aspects of the thesis, they are:? The requirements of the radio interface of the future third generation mobile communication systems have been studied in detail, focusing in packet switched mode and CDMA access.? A new MAC protocol has been proposed to work in this scenario. A theoretical model has been developed in order to obtain its performance in a generic traffic situation. The near-optimum properties of the protocol have been demonstrated. These properties affect delay, throughput and stability. The protocol also introduces a new concept of distributed control, which minimises control information, improving the overall performance.? Some computer simulations have been carried out to verify the analytic model. It has been proved that the packet delay is minimised and the channel efficiency is almost the maximum theoretical one. Also, the stability is kept for any traffic load.? A receiver structure for the detection of the access requests has been proposed. This scheme has been studied and analysed, and all the misdetection probabilities have been derived in the presence of a real radio channel with fast fading. The required modifications in the MAC protocol needed to maintain the stability have been introduced and analysed. ? The MAC protocol parameters have been optimised in order to keep the same performance properties whichever the traffic load pattern could be. In particular, the worst case scenario of very frequent short messages has been studied in detail. Some modifications have been proposed and introduced in order to reach this objective.? Some computer simulations have been carried out to demonstrate the inherent capacity of the MAC protocol to operate in heterogeneous traffic situations. Also, a dynamic rate adaptation algorithm has been proposed and analysed to improve the overall performance.? A cellular mobile communications system based on the MAC protocol has been designed and simulated. It has been proved that the control information of the protocol can be used to improve the mobility mechanisms of the system: power control and handover decisions.? New Radio Resource Management strategies have been proposed and analysed, in order to provide the system the capacity to guarantee a certain quality of service in the transmissions.

La presente tesis doctoral se enmarca dentro del sector de las comunicaciones móviles, y en particular de los denominados sistemas de tercera generación, que se plantean como objetivo el poder ofrecer una gran diversidad de servicios multimedia bajo unas ciertas garantías de calidad de servicio que difieren sustancialmente de las habitualmente consideradas para los servicios de voz. Bajo esta perspectiva, los sistemas de transmisión por paquetes basados en la técnica de acceso múltiple por división en código CDMA son capaces de llevar a cabo este cometido gracias a la flexibilidad que aportan y a la eficiencia en el uso de los recursos radio.El planteamiento del trabajo ha consistido en identificar un conjunto de funcionalidades en el nivel de acceso al medio MAC para gestionar la calidad de servicio a ofrecer. Éstas son las siguientes: - Protocolo de acceso múltiple: permite a los usuarios acceder al sistema y poder notificar sus necesidades de transmisión.- Algoritmo de gestión de recursos: encargado de ordenar las diferentes transmisiones a la vez que de determinar sus parámetros de transmisión (ganancia de procesado, niveles de potencia, ...).- Estrategia de asignación dinámica de canales (DCA): permite discernir cuales de los recursos son más apropiados para cada uno de los usuarios en términos de interferencia recibida y generada hacia el resto, y presenta interés en un esquema de acceso híbrido por división en tiempo y en código.- Control de admisión: en base a la evaluación conjunta de las anteriores funcionalidades, se determina el límite máximo de usuarios de cada clase de servicio para mantener las garantías de todos ellos. A partir de aquí, el control de admisión es el responsable de garantizar que el número de usuarios en cada caso no supere el máximoestablecido.Las diferentes funcionalidades a nivel MAC se sustentan en estrategias de retransmisión apropiadas a nivel de enlace lógico LLC para garantizar la integridad de la transmisión de la información. A lo largo del trabajo se han ido cubriendo los diferentes aspectos citados para los modos de duplexado por división en frecuencia FDD y en tiempo TDD. En particular, con respecto a los protocolos de acceso múltiple se ha estudiado el protocolo ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) y se ha planteado su integración dentro de una estructura de tramas similar a la considerada en las propuestas UTRA FDD y UTRA TDD para UMTS, a la vez que se han desarrollado mecanismos eficientes de regulación de acceso y de la velocidad de transmisión capaces de ofrecer, por sí solos, buenas prestaciones en términos de eficiencia y de retardo para aquellos servicios con bajos requerimientos de calidad. Al considerarse servicios con requerimientos más estrictos en términos de retardo se ha planteado la combinación del protocolo propuesto con una estrategia de sondeo, que permite acotar el tiempo de acceso, y un algoritmo de gestión de recursos para arbitrar eficientemente las transmisiones. Como resultado de la evaluación conjunta de estos procesos, se ha obtenido la región de admisión para diferentes condiciones de tráfico que determina el control de admisión a efectuar. En relación al esquema DCA para los mecanismos basados en TDD, se han planteado diversas posibilidades de distribución de las diferentes ranuras temporales para minimizar las interferencias móvil a móvil y base a base. Por último, se han considerado también las estrategias de retransmisión, a partir de la evaluación del esquema ARQ híbrido del tipo II, que ha sido estudiado analíticamente mediante el desarrollo de un modelo de Markov y comparado frente a otras estrategias como el esquema ARQ híbrido del tipo I. / The framework for this study are the third generation mobile communication systems, whose main objective consists in offering a diversity of multimedia services under certain Quality of Service (QoS) guarantees. These requirements differ from those usually considered for the speech services in second generation networks. Under this framework, packet transmission systems based on the code division multiple access CDMA strategy present a high flexibility and efficiency in the management of the scarce radio resources to deal with the specified services.A set of functions has been identified in the Medium Access Control layer (MAC) when the CDMA radio resources need to be managed to guarantee a certain QoS. These are the following: - Multiple Access Protocol: It specifies a set of rules to allow users access the system and indicate their transmission requirements.- Radio Resource Management algorithm: It is responsible for ordering the different transmissions while at the same time establishing their transmission parameters (spreading factor, transmitted power, .) depending on the specific QoS for each user. - Dynamic Channel Allocation (DCA) strategy: it decides which are the most suitable resources for each user depending on the measured interference as well as the interference generated to other users. Such a strategy is required in hybrid TDMA/CDMA schemes.- Admission Control: It is responsible for deciding whether a new user can be accepted in the system depending on its required QoS and the requirements of the previously accepted users. After evaluating the overall behaviour of the multiple access protocol, the radio resource management algorithm and the DCA strategy, a limit is found for the maximum number of users that can be accepted for each service class. Then, the admission control mechanism guarantees that the number of users remains always below this limit.The different MAC layer functions make use also of suitable retransmission strategies at the Logical Link Control (LLC) layer to guarantee the integrity of the information that is being transmitted.All the previous topics have been covered along this work when taking into account both the Frequency Division and Time Division duplex modes (FDD and TDD). In particular, the ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) protocol has been studied as a proposal for multiple access protocol and it has been integrated in a frame structure similar to the considered in the proposals UTRA FDD and UTRA TDD for UMTS. Efficient access regulation mechanisms and algorithms for adaptively varying the transmission bit rate have been developed in the context of the ISMA-CDMA. They are able to guarantee by their own a good delay and throughput levels for those services with low stringent QoS requirements. However, in order to deal also with services requiring a very low delay, the ISMA-DS/CDMA protocol has been combined with a polling strategy that allows establishing a bound in the access delay and with a radio resource management that prioritises transmissions in a smart way. As a result of the evaluation of these procedures, the admission region has been obtained for different traffic situations, thus establishing the limits for the admission control mechanism. Regarding the DCA scheme for TDD based mechanisms, different possibilities.have been considered for distributing the different time slots aiming to minimise the mobile to mobile and base to base interference characteristic of TDD/CDMA environments.Finally, retransmission schemes have also been considered with a particular focus on the evaluation of the type II hybrid ARQ strategy, that has been compared to other schemes like the type I hybrid ARQ. An analytical Markov model has also been developed for the type II hybrid ARQ strategy.

La estandarización del esquema de acceso radio para los futuros sistemas de telecomunicación está a punto de ser una realidad. En el calendario propuesto por ITU para llevar a cabo la elaboración del estándar, se prevé que las primeras versiones de las especificaciones técnicas puedan estar disponibles a principios del año 2000. Pero la llegada de la tercera generación, conocida bajo el concepto IMT-2000 dentro de ITU y como UMTS en el ámbito europeo, no estsupeditada únicamente a la incorporación del nuevo sistema de acceso radio, sino que existe una marcada tendencia de migración de los sistemas móviles actuales hacia la provisión de los diferentes servicios y prestaciones ambicionados en el sistema IMT-2000/UMTS.Por tanto, el sistema IMT-2000/UMTS se plantea como una convergencia de diferentes sistemas y nuevas tecnologías que, paulatinamente, van armonizando sus características para poder llegar a conseguir una única plataforma global de telecomunicaciones. Y una de las directrices seguidas en dicha convergencia es la adopción de las denominadas técnicas de transmisión en modo paquete en sustitución de las actuales soluciones basadas en conmutación de circuitos. Algunos de los argumentos esgrimidos a favor de la incorporación de mecanismos de transmisión en modo paquete son los siguientes:* La posibilidad de realizar un uso más eficiente de los recursos radio disponibles. La asignación fija durante el transcurso de toda una conexión puede resultar completamente ineficiente para servicios a ráfagas o con tasas de transmisión fluctuantes.* Mayor flexibilidad a la hora de integrar tráfico de diferente naturaleza, como por ejemplo, voz, datos, deñales de vídeo, etc.* La mayor imbricación de las tecnologías de la información (IT), orientadas a paquetes, en las tecnologías de telecomunicaciones.* La integración paulatina de las redes de acceso móviles a una plataforma.

La próxima cuarta generación (4G) de redes de comunicaciones móviles celulares considera una interfaz radio basada en OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Esta tecnología ofrece robustez a la propagación multicamino y diversidad en frecuencia gracias a la división del ancho de banda de operación en un conjunto de pequeños subcanales en frecuencia para así alcanzar un uso eficiente del espectro. Sin embargo, un importante desafío en una interfaz radio OFDMA es la manera en la que los subcanales en frecuencia se asignan a las distintas celdas. En primer lugar, la carga de tráfico podría variar a lo largo del tiempo y del espacio, de modo que los clásicos patrones fijos de asignación de espectro (es decir, los esquemas de planificación de frecuencias) pueden conducir a una carencia de recursos en ciertas celdas o a una falta de aprovechamiento de los mismos en otras. En segundo lugar, los futuros marcos reguladores del espectro cambiarán la mentalidad sobre su uso, planteando la coexistencia de usuarios primarios y secundarios del espectro en una misma área geográfica. Por lo tanto, una adecuada gestión del espectro primario podría facilitar la aparición de oportunidades del uso del espectro para usuarios secundarios a la vez que el operador podría obtener una nueva entrada de ingresos por ese uso. Finalmente, los futuros escenarios celulares tenderán a ser descentralizados, especialmente con la aparición de nuevos despliegues basados en femtoceldas (puntos de acceso de limitada cobertura desplegados por el propio usuario en la banda espectral en la que el operador tiene licencia), donde se requerirá un alto grado de independencia a la hora de decidir los canales que usa cada femtocelda, ya que, obviamente, las tareas centralizadas planificación de frecuencias tienen poco sentido práctico en estos escenarios.Esta tesis contribuye a la investigación sobre la asignación de espectro en redes móviles celulares 4G basadas en OFDMA proponiendo una solución para manejar dinámicamente la asignación de espectro por celda. Con este fin, se proponen estrategias dinámicas asignación de espectro (en inglés Dynamic Spectrum Assigment: DSA) y un marco práctico para ejecutarlas. Para reducir costes operacionales y la intervención humana en el proceso, el marco DSA propuesto se ha diseñado basándose en conceptos de autoorganización de modo que la red puede de forma autónoma (i) observar el funcionamiento de la asignación actual de espectro, (ii) analizar si una nueva asignación de espectro es necesaria, y (iii) decidir una nueva asignación de espectro que se adapte mejor a las condiciones de la red. Además, se propone una arquitectura funcional centralizada y descentralizada que permite que el marco DSA pueda aplicarse a varios escenarios, desde escenarios macrocelulares donde típicamente se emplea un control centralizado, a futuros escenarios con femtoceldas donde los nodos son prácticamente independientes y requieren de decisiones autónomas a nivel de celda para la asignación de espectro. La tarea de decisión del marco DSA reside en las estrategias DSA propuestas, donde una de ellas se basa en el aprendizaje máquina para explotar el conocimiento adquirido previamente en el pasado. Además, esta estrategia tiende a seleccionar una asignación de espectro óptima en el sentido de que maximiza una señal de recompensa definida apropiadamente en términos de métricas del funcionamiento de la red (e.g., eficiencia espectral, SINR, entre otras). Ciertamente, la autoorganización y el aprendizaje máquina en el contexto de la asignación de espectro en interfaces radio basadas en OFDMA se han explotado poco y constituyen así una novedad importante derivada del trabajo de esta tesis.Los resultados revelan importantes mejoras sobre estrategias del estado del arte en términos de eficiencia espectral (en bits/s/Hz), satisfacción de la calidad de servicio de los usuarios, fairness entre el throughput obtenido por los usuarios, y la capacidad para generar oportunidades para el uso secundario del espectro en grandes áreas geográficas. También, el marco DSA propuesto basado en autoorganización muestra atractivas capacidades desde la perspectiva del despliegue inicial, donde los nodos son capaces de autoconfigurarse después de su encendido introduciendo un impacto mínimo en sistema ya desplegado. Así el marco propuesto constituye una contribución práctica para solucionar el despliegue de millares de femtoceldas en un escenario macrocelular. / Next fourth generation (4G) of cellular mobile networks envisage a radio interface based on OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA offers frequency diversity and robustness against multipath channel propagation thanks to the division of a wide bandwidth into small OFDMA frequency resources, so that an efficient spectrum usage is attained. However, one important challenge in a 4G OFDMA-based radio interface of a cellular network is the way in which OFDMA frequency resources are assigned to cells. First, intercell interference must be mitigated to achieve the highest spectral efficiency. Second, traffic loads could vary along time and space, so typical fixed spectrum assignment patterns (i.e., frequency planning) could lead to lack of spectrum resources in some cells or underutilization of them in others. Third, future regulatory spectrum frameworks will change the mindset about the usage of the spectrum by planning the co-existence of primary (licensees) and secondary users of the spectrum in the same geographical area. Hence, an adequate primary management of the spectrum could ease the appearance of spectrum usage opportunities for secondary users at the same time that the primary operator could obtain a new revenue income for that usage. Finally, future cellular scenarios will tend to be decentralized, especially with the appearance of new femtocell deployments (short-range user-deployed access points in the operator's licensed spectrum band), where a high degree of independency when deciding the usage of OFDMA frequency resources will be needed, since, obviously, centralized frequency planning tasks has little practical sense in those scenarios.This thesis contributes to the research on the spectrum assignment in 4G OFDMA-based mobile cellular networks by proposing a solution to dynamically manage the cell-by-cell spectrum assignment. To this end, adequate Dynamic Spectrum Assignment (DSA) strategies and a practical framework to execute them are proposed. In order to reduce operational costs and to reduce human intervention, the DSA framework has been designed based on self-organization so that the network is able to autonomously (i) observe the performance of current spectrum assignment, (ii) analyze if a new spectrum assignment is needed, and (iii) decide a new spectrum assignment to better adapt to networks conditions. Furthermore, a centralized and decentralized functional architecture is proposed so that the framework can be applied to a vast number of scenarios, ranging from typical macrocell scenarios where centralized control is employed, to future femtocell scenarios where nodes are almost independent and require autonomous spectrum assignment decisions at the cell level. The decision task of the framework resides on proposed DSA strategies, where one of them is based on machine learning to exploit knowledge previously acquired in the past. Moreover, this machine learning strategy tends to select a spectrum assignment that is optimal in the sense that maximizes a given reward signal appropriately defined in terms of network performance metrics (e.g., spectral efficiency, SINR, among others). Certainly, self-organization and machine learning on the context of spectrum assignment in OFDMA based radio interfaces have been little exploited and thus constitutes a major novelty of the work of this thesis.Performance results reveal important improvements over state-of-the-art strategies in terms of spectral efficiency (i.e. in bits/s/Hz), users' QoS satisfaction, fairness between the throughput obtained by users, and capacity for generating opportunities for secondary spectrum usage in large geographical areas. Also, the proposed DSA framework, based on self-organization, demonstrates appealing capabilities from the perspective of initial deployment, where nodes are able to self-configure after switch-on introducing a minimal impact on the already deployed system, being then a practical contribution to solve the deployment of thousands of femtocells in macrocell environments.

Esta tesis aborda el problema del diseño de sistemas multiantena, donde el caso más general corresponde a un canal multi-input-multi-output (MIMO) con un transmisor y un receptor con más de una antena. La ventaja de estos sistemas es que ofrecen un rendimiento mucho mejor que los de una única antena, tanto en términos de calidad en la transmisión como en capacidad entendida como número de usuarios a los que se les puede prestar servicio simultáneamente.El objetivo es diseñar conjuntamente el transmisor y el receptor, lo que depende directamente de la calidad y la cantidad de información del canal de la que se dispone. En esta tesis se analiza el impacto de dicha información en el diseño.Primero se ha estudiado un sistema MIMO de un único usuario usando la modulación orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) y asumiendo un conocimiento perfecto del canal en ambos extremos. La arquitectura propuesta se basa en conformación conjunta por portadora, calculándose los conformadores óptimos y proponiéndose diversas estrategias de distribución de potencia entre las portadoras con una baja complejidad. Se han analizado también las relaciones asintóticas de estas distribuciones de potencia con otras soluciones clásicas con mayor coste.El diseño anterior se ha extendido a sistemas MIMO multiusuario, donde todos los terminales en el escenario tienen más de una antena y la información del canal es perfecta. El objetivo es la minimización de la potencia total transmitida sujeto a restricciones de tasa de error máxima para cada enlace. El problema matemático obtenido es no convexo, por lo que estrategias clásicas basadas en algoritmos de gradiente o de optimización sucesiva pueden llevar a soluciones subóptimas. Como posible alternativa se ha propuesto la aplicación de simulated annealing, una potente herramienta heurística y estocástica que permite hallar el diseño global óptimo incluso cuando el problema es no convexo.Los errores en la información de canal disponible pueden empeorar el rendimiento del sistema si éstos no se tienen en cuenta explícitamente durante el diseño. La degradación del sistema MIMO-OFDM de un único usuario se ha estudiado en esta situación, obteniendo una expresión analítica de una cota superior de la máxima degradación relativa de la relación señal a ruido más interferencia.El rendimiento se puede mejorar usando técnicas robustas que tengan en cuenta la presencia de dichos errores. Existen dos aproximaciones clásicas: las Bayesianas y las maximin. En las soluciones Bayesianas el problema se formula estadísticamente, donde el objetivo es optimizar el valor medio de una función de rendimiento promediada sobre la estadística del canal real condicionado a su estimación. Por otro lado, los diseños maximin se caracterizan por optimizar el peor rendimiento para cualquier posible error en la información del canal dentro de una cierta región de incertidumbre que modela el conocimiento imperfecto del mismo.Se han mostrado dos ejemplos de diseños Bayesianos. Primero, una distribución de potencia en un sistema OFDM de una única antena que minimiza el valor medio de una cota superior de la tasa de error, y después un diseño de un transmisor multiantena con un banco de filtros que maximiza la relación señal a ruido media (SNR) o minimiza el error cuadrático medio.Finalmente, se ha obtenido el diseño robusto maximin de un sistema MIMO de un único usuario donde en el transmisor se combinan un código bloque ortogonal espacio-tiempo, una distribución de potencia y un banco de conformadores correspondientes a los modos espaciales del canal estimado. La distribución de potencia se ha diseñado acorde a una región de incertidumbre para el error en la estimación de canal de manera que se maximiza la peor SNR en dicha región. Posteriormente, este diseño se ha extendido al caso de modulaciones adaptativas y multiportadora, mostrando que el rendimiento es mejor que para los códigos bloque otrogonales y la conformación no robusta. / This Ph.D. dissertation addresses the design of multi-antenna systems, where the most general case corresponds to a transmitter and a receiver with more than one antenna, i.e., a multiple-input-multiple-output (MIMO) channel. The main advantage is that they can provide a much better performance than single-antenna systems, both in terms of transmission quality and system capacity, i.e., number of users that can be served simultaneously.The objective is to carry out a joint transmitter-receiver design, which depends directly on the quantity and the quality of the available channel state information (CSI). In this dissertation, the impact of the CSI on the design has been analyzed.First, a single-user MIMO communication system has been designed assuming the use of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation and according to a perfect CSI at both sides. The proposed architecture is based on a joint beamforming approach per carrier. The optimum beamvectors have been calculated and several power allocation strategies among the subcarriers have been derived. These power allocation solutions have been shown to be asymptotically related to other classical designs but with a much lower computational load.The previous design has been extended to multi-user communications, where the multi-antenna terminals in the scenario have a perfect CSI. The objective is the minimization of the total transmit power subject to maximum bit error rate (BER) constraints for each link. The mathematical optimization problem is non-convex and, therefore, classical solutions based on gradient search or alternate & maximize schemes may find a local suboptimum design. As a possible solution, the application of the simulated annealing technique has been proposed, a powerful stochastic optimization tool able to find the global optimum design even when the problem is non-convex.The errors in the available CSI may decrease importantly the system performance if they are not taken into account explicitly in the design. This degradation has been studied for the single-user MIMO-OFDM system. An analytical expression of an upper-bound on the maximum relative signal to noise plus interference ratio degradation has been found.The system performance can be improved when exploiting an imperfect CSI by using adequate robustness strategies. Two robust approaches have been proposed: the Bayesian and the maximin solutions. The Bayesian approach is a full statistical solution that optimizes the mean value of the performance function averaged over the statistics of the actual channel and the errors in the CSI. On the other hand, the maximin approach provides a design that optimizes the worst system performance for any possible error in a predefined uncertainty region.Two simple examples of Bayesian designs have been provided. First, a power allocation has been derived for an OFDM system with one transmit and one receive antenna minimizing the mean value of an upper-bound on the BER. Afterwards, a design of a multi-antenna transmitter with a bank of filters and a single-antenna receiver has been proposed, whose objective is either the maximization of the mean signal to noise ratio (SNR) or the minimization of the mean square error.Finally, a robust maximin design has been proposed for a single-user MIMO system, in which the transmitter is based on the combination of an orthogonal space time block code (OSTBC), a power allocation stage, and a set of beamformers coupling the transmission through the estimated channel eigenmodes. The power allocation has been found according to a channel estimate and an uncertainty region for the error in this estimate, so that the worst SNR for any error in the uncertainty region is maximized. This design has been then extended and applied to adaptive modulation schemes and multicarrier modulations, showing that the performance is much better than that achieved by a pure OSTBC solution or a non-robust beamforming scheme.