Diapositiva 1 - Universidad del Cauca

Comunicaciones Inalámbricas
Capitulo 6: Sistemas MIMO
Víctor Manuel Quintero Flórez
Claudia Milena Hernández Bonilla
Maestría en Electrónica y
Telecomunicaciones
II-2011
Contenido
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Fundamentos de Sistemas MIMO
Análisis del Sistema MIMO
Diversidad espacial
Multiplexación espacial
Capacidad en Sistemas MIMO
Desempeño en Sistemas MIMO
Aplicaciones de los Sistemas MIMO
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Fundamentos de MIMO
Sistemas SISO
 Un rayo de trayectoria directa y
múltiples señales reflejadas que
pueden atenuarla o reforzarla.
 Y(t)= g*x(t) + n(t)
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Fundamentos de MIMO
Sistemas SIMO y MISO
 Hacen uso de la diversidad.
 Usan mas de una copia de la
misma señal.
 Como combinar las copias ?
Fundamentos de MIMO
Sistema MIMO
Enlace en el cual el transmisor y el receptor están equipados con
múltiples elementos de antena.
El concepto detrás de los sistemas MIMO  las señales sobre las
antenas transmisoras y receptoras se “combinan” en una forma
que permita mejorar la calidad (BER) y la velocidad de datos,
mediante el procesamiento digital de la señal.
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Fundamentos de MIMO
Sistemas de múltiples antenas que permiten
mejorar la calidad y/o la velocidad de
transmisión de información con respecto a
sistemas de una única antena (SISO).
Fundamentos de MIMO
Promesas para el diseñador:
Alta velocidad de tx datos
Calidad
Alcanzar el límite de la capacidad del
canal
Minimizar la Probabilidad de Eror (Pe)
Minimizar complejidad/costo de
Implementación del sistema
Aspectos de la vida real
Minimizar PTx
require (Subir SNR)
Minimizar ancho de banda
(frequency spectrum)
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Análisis del sistema MIMO
h11
h12
.
s1
User data stream
.
.
s2
.
y1
y2
.
Channel
.
sM
.
yM
Matrix H
s
Transmitted vector
User data stream
.
y
Received vector
y = Hs + n
MT
Where H =
MR
h11 h21
h12 h22
.
.
…….. hM1
…….. hM2
…….. .
h1M h2M …….. hMM
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hij is a variable compleja aleatoria
gaussiana
Análisis del sistema MIMO
Cada equipo transmisor tiene asociadas un número de antenas
n.
El canal de radio no es único, existe un canal entre cada antena
transmisora y cada antena receptora.
La propagación se representa mediante una matriz, que se
conoce como matriz de transmisión, o matriz H. El elemento hij
representa la función de transferencia compleja entre la antena
transmisora j y la antena receptora i.
h11
h1 j
hi1
hij
H
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Análisis del sistema MIMO
La ganancia de MIMO  si los caminos de propagación son
diferentes, con n antenas en el transmisor y otras n en el
receptor, se pueden establecer n canales radio independientes
entre sí, o modos de propagación.
Las señales radio llegan después de varias reflexiones en
edificios o paredes, y la combinación de reflexiones es diferente
para cada antena receptora, de forma que se transmite una
señal diferente para cada combinación de reflexiones.
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Análisis del sistema MIMO
La representación del canal es compleja no se mantiene
constante.
Lo máximo que se puede asumir es que el canal es constante
únicamente durante el tiempo de coherencia o a lo largo de solo
una trama.
La matriz del canal  distribución aleatoria para cada una de sus
entradas.
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Análisis del sistema MIMO
Un sistema MIMO con Nt antenas en el Tx y Nr en el receptor 
es posible pensar que el número de canales disponibles es el
producto Nt*Nr.
Si solo se consideran los canales libres de ISI  cantidad de
canales disponibles se reduce a min (Nt,Nr).
En el mejor de los casos el número de canales es igual a los
autovalores del canal MIMO (H), ya que si , cumple que Nt = Nr,
entonces, H tiene al menos Nt valores propios o autovalores.
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Análisis del sistema MIMO
MIMO puede proveer dos tipos de ganancia:
Spatial Multiplexing
Gain
Diversity
Gain
• Maximiza la velocidad de
transmisión
• Minimiza probabilidad de
errores Pe
•Usa el desvanecimiento
como ventaja
• QoS
• Combate el
desvanecimiento
Los diseñadores tratan de alcanzar un objetivo o un poco de los
dos.
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Análisis del sistema MIMO
Esquemas de funcionamiento
• Diversidad espacial.
• Precodificación.
• Multiplexación espacial.
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Análisis del sistema MIMO
Precodificación
A las señales transmitidas desde diferentes
antenas se les asigna un peso diferente para
maximizar la SNR recibida.
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Diversidad espacial
b1-b2-b3
b1-b2-b3
b1-b2-b3
Tx
Rx
b1-b2-b3
b1-b2-b3
b1-b2-b3
b1-b2-b3
 Mejora la calidad, BER
 Códigos espacio temporales.
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b1-b2-b3
Diversidad espacial
Combate el desvanecimiento transmitiendo por cada antena la
misma información simultáneamente.
La implementación de este esquema  incremento en la SNR
 mejora la calidad de la señal recibida (BER), ya que permite el
envío de la misma señal por varias antenas, generando
redundancias, las cuales contrarrestan los efectos generados por
desvanecimientos en la señal.
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Multiplexación espacial
b1-b2
b1-b2-b3-b4-b5-b6
b3-b4
b1-b2
Tx
b5-b6
Rx
b3-b4
b1-b2-b3-b4-b5-b6
b5-b6
• Incrementa la eficiencia espectral, capacidad.
• Esquemas de Multiplexacion espacial.
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Multiplexación espacial
La cadena de símbolos a transmitir se divide entre el número de
antenas usadas en el transmisor, generando subcadenas de
información.
Las subcadenas se envían simultáneamente desde las antenas
transmisoras dentro de la misma banda de frecuencias.
La señal al propagarse genera múltiples caminos, con lo cual
cada antena receptora observa una superposición de las señales
transmitidas.
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Multiplexación espacial
Las antenas transmisoras introducen una “firma” espacial a los datos
con el fin que cada antena receptora pueda reconocer y recuperar la
información que le pertenece, reconstruyendo las subcadenas que son
multiplexadas para entregar los datos originales al destino.
Existen tres esquemas de multiplexación espacial:
Codificación Horizontal
Codificación Vertical V-BLAST
Codificación Diagonal D-BLAST [9].
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Multiplexación espacial
Codificación Horizontal
Consiste en demultiplexar el flujo de bits original en tantos flujos
como antenas y realizar codificación temporal de modo
independiente en cada uno de ellos.
La tasa de codificación espacial es Nt.
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Multiplexación espacial
Codificación Horizontal
La diversidad que extrae este esquema es máximo Nr
(la diversidad en recepción).
Se transmite cada símbolo fuente por sólo una de las
antenas transmisoras.
A cambio, este esquema permite el uso de técnicas
subóptimas en recepción de baja complejidad
computacional  filtrado lineal para separar las
señales transmitidas, o la ecualización.
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Multiplexación espacial
Codificación vertical VBlast
Se dispersa la energía correspondiente a cada bit fuente a lo
largo del mayor número posible de antenas.
Introduciendo un código temporal, un entrelazador y realizando
la asignación bit a símbolo de modo previo a la
demultiplexación.
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Multiplexación espacial
Codificación vertical
Si se utiliza un código temporal suficientemente
potente, permite alcanzar la capacidad del canal.
El inconveniente de este esquema  la complejidad
asociada al proceso detección de cada bit codificado,
crecimiento exponencial  número de antenas
transmisoras y el orden de la modulación.
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Multiplexación espacial
Codificación Diagonal
Primero se realiza codificación horizontal para después asignar
los flujos de datos a las antenas transmisoras de modo cíclico.
Los símbolos se ubican en la diagonal.
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Multiplexación espacial
Codificación Diagonal
Se utilizan todas las antenas, y por tanto todas las ramas de diversidad
espacial en transmisión, para transmitir cada flujo de símbolos
codificados.
Por lo tanto, potencialmente se puede obtener diversidad espacial en
transmisión completa.
Se emplean técnicas de detección iterativa y/o cancelación sucesiva en
recepción.
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Multiplexación espacial
D Blast - Diagonal - Bell Labs Layered Space-Time Architecture
Consiste en realizar codificación diagonal, con la particularidad de que
en el primer período de símbolo sólo se utiliza la primera antena para
transmitir, dejando inactivas el resto, en el segundo se utilizan sólo la
primera y la segunda, en el tercero las tres primeras, y así
sucesivamente.
Este desperdicio de recursos permite detectar los flujos de datos
mediante cancelación sucesiva de los símbolos ya detectados.
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Multiplexación espacial
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Capacidad
Capacidad Sistemas SISO
Expresión del canal considerando solo el efecto
del ruido:
Si se adiciona el efecto del canal:
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Capacidad
Sistemas SIMO y MISO
Capacidad en SIMO:
Capacidad en MISO:
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Capacidad
Capacidad en MIMO
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Capacidad
Capacidad con canal Rayleigh
40
nt
nt
nt
nt
35
=
=
=
=
1,
2,
3,
4,
nr =
nr =
nr =
nr =
1
2
3
4
Capacidad bits/s/Hz
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
SNR in dB
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20
25