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  • Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de Comunicações Móveis

    Walter C. Freitas Jr.1

    ext-walter.freitas@nokia.com

    Charles C. Cavalcante2 e F. Rodrigo P. Cavalcanti2

    {charles,rodrigo}@gtel.ufc.br

    1 Instituto Nokia de Tecnologia - INdT http://www.indt.org.br

    2 Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio – GTEL Universidade Federal do Ceará – UFC

    http://www.gtel.ufc.br

    XXII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SBrT2005) 4-8 de Setembro de 2005 - Campinas-SP

    c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

  • Conteúdo

    1 Sistema OFDM

    2 Estruturas MIMO

    3 Estruturas MIMO-OFDM

    4 Medidas sistêmicas

    5 Desafios e Perspectivas

    c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

  • Contexto (1)

    Futuros sistemas de comunicações móveis (3G+ e 4G) requisitarão taxas de transmissão da ordem de gigabits

    Funcionamento dentro dos requisitos de qualidade de serviço (QoS) cada vez mais dif́ıcil

    Gerenciamento do espectro torna-se um componente ainda mais importante

    Canais em tais faixas de freqüência são mais distorsivos: aumento na interferência

    Capacidade do sistema é vinculada à taxa de transmissão efetiva

    c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

  • Contexto (2)

    Técnicas avançadas de processamento de sinais visam ajudar a solucionar os limitantes dos futuros sistemas móveis

    Capacidade (taxas de transmissão): sistemas com múltiplas antenas transmissoras e receptoras (MIMO) são utilizados

    Interferência (distorção do canal): transmissão por portadoras ortogonais (OFDM)

    Nosso objetivo

    Estudo da confluência das duas técnicas

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  • Parte I

    Sistema OFDM: Conceitos

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  • Sistema de modulação OFDM

    Orthogonal Division Multiplex Access

    Ińıcio da idéia nos anos 70

    Aplicação da Fast Fourier Transform (FFT) como maneira de implementação em sistemas práticos

    Baseado no conceito de múltiplas portadoras

    Idéia básica

    Transformar um canal com desvanecimento seletivo em freqüência em um conjunto de canais paralelos de desvanecimento plano.

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  • Idéia do sistema OFDM

    1 portadora (1 canal)

    20 subportadoras (20 canais paralelos)

    A m

    pl itu

    de

    A m

    pl itu

    de

    Freqüência Freqüência

    c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

  • Observações

    1 O número de subportadoras Ns deve ser “bem ajustado” para que os subcanais sejam aproximadamente planos em freqüência

    2 Ns pequeno

    Pior aproximação Transmissão mais rápida

    3 Ns grande

    Melhor aproximação Transmissão mais lenta

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  • Formalização

    Śımbolo OFDM é gerado a partir de um bloco de śımbolos transmitidos em diferentes subportadoras

    s′(t) =

    Ns−1∑

    k=0

    sk · exp(j2πfkt)

    em que s = [ s0, s1, . . . , sS−1] é o bloco de śımbolos a ser transmitidos

    Possibilidade de implementação através da IFFT

    s′n = IFFTN{s}

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  • Ortogonalidade das subportadoras

    Para a transmissão ser eficiente as subportadoras devem ser ortogonais entre si

    Toda a faixa do canal deve ser “coberta” pela composição das subportadoras

    Em condição ideal, não há interferência intercarrier

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  • Exemplo de subportadoras de um sinal OFDM Freqüência normalizada em relação ao valor 1/T

    -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    Freqüência

    A m

    p lit

    ud e

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  • Intervalo de guarda: prefixo ćıclico

    Na prática não há transformação para canais com desvanecimento plano

    Para mitigar os efeitos do delay spread do canal uso de intervalo de guarda

    Geralmente é inserido um prefixo ćıclico na seqüência de dados a ser transmitida

    Seqüência com intervalo de guarda é então dada como

    s′gn = s ′ (n)S

    , n = −G, . . . ,−1, 0, 1, . . . , N − 1

    em que G é o tamanho do intervalo de guarda em amostras e (n)S é o reśıduo de n módulo S.

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  • Sistema OFDM básico

    S/P ��������������� ���� ��� �������������������� ���� ������������������������������ ��� ������������ ��������

    ��� �������������� ��������������������������� ����FFT����������������� ����P/S ���������������

    ������������� ��� �� �����������

    ������������������

    TX

    RX

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  • Resumo

    1 Pode-se reduzir efeito do desvanecimento seletivo do canal

    2 Utilização da dimensão freqüência (subportadoras) para transmissão dos sinais

    3 Configuração do sistema usando IFFT-FFT é computacionalmente simples

    4 Eficiente técnica de transmissão multiportadora

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  • Sistemas práticos que usam conceito OFDM

    1 High Speed Data Packet Access (HSDPA)

    2 Sistemas de TV Digital: DVB e IDVB

    3 WLAN IEEE 802.16

    4 xDSL

    Sistemas futuros

    O World Wireless Research Forum divulgou que há um consenso das empresas e universidades que os futuros sistemas de comunicação móveis serão baseados em tecnologia OFDM

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  • Parte II

    Estruturas MIMO

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  • Introdução

    História

    - Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular para transmitir códigos Morse da letra S

    c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

  • Introdução

    História

    - Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular para transmitir códigos Morse da letra S

    Motivação

    - ganho de arranjo: aumento no alcance =⇒ cobertura - ganho de multiplexação espacial: aumento na eficiência espectral =⇒

    bps/Hz - ganho de diversidade espacial: mitigar o efeito do desvanecimento =⇒

    robustez [BER] - ganho de codificação: menor consumo de potência

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  • Sistemas MIMO

    Dados

    Transmitidos T x

    Tx M

    Tx

    Tx 1

    Tx

    Dados

    Recebidos IC

    A lg

    o ritm

    o

    R x

    Rx 1

    Rx

    Rx N

    Rx

    Canal MIMO Quase-estático

    Desvanecimento plano

    Definições

    MIMO - uso simultâneo de arranjo de antenas em ambos transmissor e receptor

    M - número de antenas transmissoras

    N - número de antenas receptoras

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  • Benef́ıcios presente no canal MIMO

    Multiplexação

    s1 ... s2

    s3 t = T

    Diversidade

    s1 ... s1

    s1 t = T

    Principais Benef́ıcios

    multiplexação espacial - multiplexar śımbolos diferentes em cada antena

    diversidade espacial - tomar proveito dos múltiplos enlaces independentes transmitindo redundância levando a uma melhoria na confiabilidade do enlace

    Ganhos máximos

    multiplexação espacial: min(M,N)

    diversidade espacial: MN

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  • Esquemas de Transceptores MIMO Introdução

    Classificação

    Esquemas de diversidade puros, e.g., STBC

    Esquemas de multiplexação puros, e.g., BLAST

    Esquemas h́ıbridos (HMTS)

    Esquemas