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MIMO vs. SISO
Integrantes:Pinto, Alba
Moura, JuliennysGarcía, Pablo
Caracas, 24 de octubre de 2012
UNIVERSIDAD CATOLICA ANDRES BELLOFACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN....………………………………………………………………………………………. SISO,
MISO, SIMO..………………………………….…………………………………………………….3-4
MIMO………………………………………………………………………………………………….……….5-6
Funcionamiento MIMO……………………………………………………………………………..…..7
Aplicaciones MIMO……………………………………………………………………………………….8
Presencia en diferentes estándares………………………………...…………………………......9-11
Modos de los sistemas MIMO………………….……………………………………………………..12-13
Ejemplo MIMO……………………………………………………………………………………………...13-16
Diferencias entre MIMO y SISO………………………………………………………………………17
CONCLUSIÓN………………………………………………………………………………………………..18
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………...1
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INTRODUCCIÓNLas nuevas tecnologías se encuentran cada vez más presentes en nuestro día a
día, las redes van evolucionan hacia formas más modernas y prácticas. Para habilitar
esta revolución tecnológica, nuevas técnicas deben ser desarrolladas y las existentes
necesitan ser mejoradas.
Ha pasado mucho tiempo desde que se realizó la primera transmisión vía radio,
y a lo largo de este tiempo todo lo concerniente a comunicaciones inalámbricas ha
sufrido una notable evolución. Todas las mejoras introducidas tienen un denominador
común, el afán de transmitir mayor cantidad de información, lo más lejos posible, en el
menor tiempo, con la mejor calidad y desde el punto de vista económico, con el menor
costo.
En esta era actual se demandan altas velocidades de transmisión y mayor
calidad de comunicación. En este sentido, se han realizado grandes avances en el
campo de la modulación, la codificación y el procesado de señal para lograr trasmitir
la mayor cantidad de información en el menor tiempo posible, los sistemas de control
provechan las propiedades espaciales del lugar y obtienen un alto rendimiento, por lo
que, para conocer el comportamiento estos es necesario interpretar y entender
conceptos como SISO, MISO, SIMO y MIMO
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SISO-MISO-SIMOCorresponden a diferentes tipos de uso de un canal de radio. Es decir, se
refieren a los modos de acceso del canal de radio, un sistema para transmitir y recibir.
SISO - "una sola entrada, salida única", el modelo más intuitivo. Como su
nombre indica, sólo tenemos una entrada en el canal de radio, y sólo una salida.
En la siguiente figura tenemos el transmisor de la transmisión de datos (TX) a
través de una sola antena, y su recepción en el receptor (RX), también a través de una
sola antena.
Cuando el sistema tiene varias entradas y una salida, MISO - "entrada múltiple, salida única".
En este caso tenemos varias entradas, y sólo una salida.
Nota: en la práctica, podemos tener más de una antena. Sólo para simplificar las demostraciones se limitará a un máximo de dos antenas en las ilustraciones.
Así que más o menos frente a MISO, SIMO también - "una sola entrada, salida múltiple".
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Sistema con diferentes tipos de diversidad espacial
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MIMOEs una tecnología de radio comunicaciones que se refiere a enlaces de radio
con múltiples antenas en el lado del transmisor y del receptor. Debido a las múltiples
antenas, la dimensión espacial puede ser explotada para mejorar el desempeño del
enlace inalámbrico, haciendo la señal más fuerte, más confiable y transmisiones más
rápidas. Mimo se refiere específicamente a la forma como son manejadas las ondas de
transmisión y recepción en antenas en comunicaciones de radio.
La tecnología MIMO aprovecha las ventajas de un fenómeno ondas de radio
denominado multiruta o multitrayecto, donde la información transmitida rebota en
paredes, techos y otros objetos, llega a la antena receptora varias veces por distintos
ángulos y en tiempos ligeramente diferentes. La multiruta es un fenómeno natural
para todas las fuentes de radio, las señales de radio rebotan en los objetos y se
mueven a velocidades diferentes hacia el receptor. En el pasado las llamadas
multiruta causaban interferencias y ralentizaban las señales inalámbricas. MIMO
aprovecha las ventajas de los múltiples trayectos para combinar la información de
varias señales, mejorando tanto la velocidad e integridad de los datos.
A primera vista, y comparando con el acceso anterior, MIMO parece simple,
pero desafortunadamente no lo es.
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Su funcionamiento es mucho más complejo que los otros: ahora contamos con
múltiples entradas y múltiples salidas. El mayor desafío es cómo recuperar la
información original correctamente. Véase la descripción de un escenario más
realista, mostrando lo que sucede en la práctica.
En otras palabras, cualquier cosa que interfiera con la ruta de señal, tales como
edificios, vehículos, personas, etc. están contribuyendo a la eficiencia general del
sistema, y la eficacia de las aplicaciones MIMO.
La diversidad de la señal - que no tiene una ruta directa entre el transmisor -
una vez visto como un problema, está haciendo posible que los flujos de datos se
combinen y se recuperen.
MIMO permite el envío de más de un flujo de datos en un solo canal. Se duplica
la velocidad que tiene ese canal - por ejemplo, se utilizan dos antenas.
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Funcionamiento MIMO
La propagación multitrayectoria es una característica de todos los ambientes
de comunicación inalámbricos. Usualmente existe una ruta o trayectoria principal
desde un transmisor en el punto “A” al receptor en el punto “B”. Desafortunadamente,
algunas de las señales transmitidas toman otras trayectorias, irrumpiendo objetos, la
tierra o capas de la atmósfera. Aquellas señales con trayectorias menos directas,
llegan al receptor desfasadas y atenuadas.
MIMO toma ventaja de la propagación multitrayectoria para incrementar el
caudal eficaz, cobertura y fiabilidad de las señales. MIMO pone señales
multitrayectoria a trabajar acarreando y concentrando más información. Cada una de
estas señales son moduladas y transmitidas por una serie antenas al mismo tiempo y
en el mismo canal de frecuencia. El empleo de múltiples formas de onda constituye un
nuevo tipo de radio comunicación, la cual es el único medio para mejorar los tres
parámetros básicos del desempeño del enlace (cobertura, velocidad y calidad de la
señal).
Los transmisores MIMO aprovechan las bondades de OFDM (Orthogonal
frequency-division multiplexing). OFDM es una técnica de modulación digital que
divide la señal en varios canales de banda angosta a diferentes frecuencias. Dentro de
las bondades de OFDM incluyen: gran eficiencia espectral, resistencia en contra de
interferencia por multitrayectoria, filtrado de ruido externo.
Los principales bloques de procesamiento de un transmisor utilizando MIMO,
incluyen dos antenas de transmisión con dos moduladores OFDM idénticos,
convertidores analógico-digital (ADC), moduladores analógicos de radio frecuencia
(RF), amplificadores de potencia (AMP POT) y antenas con patrón omnidireccional.
Un transmisor MIMO con dos antenas es un modulador digital que alimenta dos
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cadenas analógicas idénticas (circuitería DAC & RF) y dos antenas idénticas
omnidireccionales.
De esta manera, la transmisión MIMO-OFDM es exactamente la misma, como si
dos transmisiones OFDM simultáneas ocurrieran en el mismo canal, pero con
diferentes datos digitales.
Bloques principales de un transmisor básico MIMO-OFDM con dos antenas.
Aplicaciones MIMO Televisión Digital
Comunicaciones móviles
Redes inalámbricas de área metropolitana (WIMAX)
Redes inalámbricas de Área Local
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Presencia en diferentes estándaresEl potencial de los sistemas MIMO es muy significativo y supone un
gran avance en el campo de las radiocomunicaciones. Tal es su importancia que
los sistemas MIMO están presentes en múltiples estándares actuales y en
desarrollo.
MIMO en Wimax (IEE 802.16): El estándar de Wimax solo asocia el
término MIMO únicamente al multiplexado espacial. Los perfiles de Wimax
móvil permiten conmutar entre las diferentes técnicas para aprovechar al
máximo el potencial aportado por cada esquema. Así en condiciones favorables
de funcionamiento busca maximizar la tasa de transmisión de datos utilizando
multiplexación espacial, mientras que si la calidad del canal baja se busca usar
técnicas de diversidad STC que consiste en tener dos antenas transmisoras y
dos o más antenas receptoras.
MIMO en WIFI (IEE 802.11): La ventaja de este estándar es que
usa bandas de frecuencias que no necesitan licencia lo cual ha facilitado su
penetración en el mercado. Sin embargo, los reducidos anchos de banda junto
con la necesidad de aplicar técnicas para combatir las interferencias de otras
tecnologías con las que comparte la banda, solo consigue obtener velocidades
brutas de transmisión limitadas, con valores máximos de 54Mbps. Para
incrementar la velocidad de transmisión es necesario aumentar el ancho de
banda o para aumentar la eficiencia espectral. Entonces los desarrolladores del
estándar proponen el uso de múltiples antenas con multiplexación espacial
combinados con la posibilidad de uso de canales de doble ancho. Las primeras
versiones complementan el uso de dos antenas transmisoras que permitan
velocidades máximas de 300Mbps. Y versiones posteriores utilizaran 3 y 4
antenas.
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MIMO en MBWA (IEE 802.20): El desarrollo de redes de acceso
inalámbrico de banda ancha móviles (MBWA), este estándar usa MIMO para
realizar una transmisión eficiente de paquetes optimizada para servicios IP.
MIMO en 3GPP: Una de las características más importantes del 3rd
Generation Partnership Project (3GPP) ha sido HSDPA (High Speed downlink
packet Access). HSDPA permite lanzar servicios de alta velocidad con un
mínimo de inversión. El 3GGP identifica 3 fases en la evolución de HSDPA. En
primer lugar, “HSDPA básica” permite tasas de datos de 10.8Mbit/seg. La
segunda incorpora antenas inteligentes y HSUPA y la tercera fase ya contempla
la combinación de OFDM y MIMO, esta fase pronostica tasas de transmisión de
datos de 100Mbps en el enlace descendente mediante el uso de múltiples
antenas con multiplexado espacial.
La teoría y la práctica de los sistemas MIMO se centra en torno al
concepto de matriz de transmisión o matriz de transferencia del canal. En un
enlace de radio donde se utiliza una única pareja de antenas, una transmisora y
otra receptora, la relación entre lo que se transmite por una antena y se recibe
por la otra se puede expresar en el dominio de la frecuencia como:
y(w) = h(w) . x(w)
Donde x(w) es el fasor de la tensión a la entrada de la antena
transmisora, y(w) es la tensión a la salida de la antena receptora y h(w) la
función de transferencia compleja del canal de radio.
En un sistema de varias antenas, la propagación puede ser en principio
diferente entre cada una de las antenas transmisoras y receptoras. Para poder
caracterizarla no es suficiente emplear una ecuación sencilla como la
anterior sino más bien es necesario un juego de tantas ecuaciones como
parejas de antenas haya.
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En este sentido para el caso de las antenas mostradas en la figura 2, se tiene
que:
Ecuación 1 Matriz de Transferencia Del Canal
Fig 2.- Propagación entre Antenas.
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Modos de los Sistemas MIMO
Beamforming: Es una técnica de procesamiento de señales que permite
controlar la direccionalidad de la transmisión o la recepción de una señal en un
arreglo de antenas. Si múltiples antenas transmisoras se colocan una al lado de
la otra se producirá un patrón de interferencia entre ellas, pero si se ubican a
una distancia adecuada y transmiten con cierto retardo predeterminado, es
posible lograr que dicha interferencia sea del tipo constructiva. Sus ventajas
son una mayor ganancia de señal además de una menor atenuación con la
distancia. Hay que tener en cuenta que esta técnica requiere el conocimiento
previo del canal a utilizar en la transmisión.
Spatial Multiplexing (Multiplexación Espacial): Es una técnica que
consiste en dividir la señal a transmitir en varios flujos de datos, pero de
menor velocidad, es decir, se multiplexa una señal de gran ancho de banda, en
señales de menor ancho de banda pero iguales entre sí. Dichos flujos se
transmitirán a la misma frecuencia, pero de forma separada e individual en
cada una de las múltiples antenas del transmisor. Si llegan con suficiente
separación en tiempo al receptor, él será capaz de distinguirlas creando así
múltiples canales en ancho de banda mínimo. Esta técnica es muy buena para
aumentar la tasa de transmisión, sobretodo en ambientes con relaciones señal
a ruido muy pobres.
Diversidad de Código: En este caso a diferencia del anterior, se
transmite un único flujo de datos, pero la señal se codifica utilizando códigos
espacio-temporales y se transmite por las múltiples antenas. Esta técnica
puede aplicarse en entornos en los que sólo se pueda usar un único canal y sin
la necesidad de conocer las propiedades del mismo. La emisión desde varias
antenas basándose en los principios de ortogonalidad es aprovechada para
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aumentar la diversidad de la señal. La mejora de la señal por diversidad se
debe a que los desvanecimientos ocurren de forma relativamente
independiente en cada uno de los enlaces individuales, por lo tanto, en el
receptor se escoge la mejor señal recibida.
Ejemplo MIMOEn conclusión, se muestra un ejemplo de lo que es una decodificación de
paquetes por un receptor MIMO.
Volviendo a nuestro ejemplo inicial, supongamos que un transmisor con dos
antenas. Utilizando la nomenclatura 'hij' para el canal 'h' de la antena del transmisor 'i'
a la antena del receptor 'j'.
Es decir, cuando un 'p1' paquete se transmite desde la antena de un
transmisor, el receptor recibe 'h11*p1' en su primera antena, y también recibe
'h12*p2' en su segunda antena. En otras palabras, el receptor recibe un vector cuya
dirección está determinada por el canal.
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Pero recuerde que nuestro ejemplo tiene dos antenas transmisoras, es decir, si
bien podemos enviar otro paquete P2 a través de su antena.
El receptor recibe 'h21p2' en su primera antena, y 'h22p2' en su segunda
antena.
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Con esto, tenemos un vector en el extremo receptor, definida por la suma de
todos los vectores.
Claro, pero el receptor puede decodificar estos dos paquetes? Una vez que los
dos paquetes se envían al mismo tiempo, representan interferencias entre sí. Para
descifrar un paquete, el diseño del receptor una dirección ortogonal a la interferencia
de otro paquete.
Para eliminar la interferencia de la 'p2' paquete, y así ser capaz de decodificar
los paquetes 'p1', el diseño del receptor una dirección ortogonal a la misma (paquete
'p2').
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Del mismo modo, para decodificar el paquete 'p2', el receptor elimina la
interferencia de la otro paquete 'p1', la proyección de una dirección ortogonal a la
interferencia del mismo.
Luego, con dos antenas se puede decodificar dos paquetes de la competencia!
Siguiendo el mismo razonamiento, podemos entender que la decodificación MIMO
permite a los competidores y el número de paquetes como el número de antenas.
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Diferencias entre MIMO y SISO MIMO emplea múltiples antenas para transmitir datos y múltiples antenas para
recibirlos, mientras que SISO emplea una sola antena para transmitir y otra
antena para recibir información.
MIMO envía mayor cantidad de datos en intervalos de tiempo más cortos.
MIMO se basa en la interferencia con la línea de visión directa (LOS), es decir, la ruta de señal entre la estación y móvil.
MIMO se beneficia del multitrayecto y desvanecimientos, mientras que en los
sistemas SISO se generan perdidas de información.
La ganancia por diversidad se da en el hecho de transmitir y recibir por
varias antenas simultáneamente. Esto mejora la fiabilidad del enlace,
mitigando los desvanecimientos y disminuyendo la probabilidad de error. Si
los distintos enlaces del canal MIMO sufren desvanecimientos de manera
independiente y la señal transmitida se construye de una manera adecuada,
el receptor puede combinar las señales recibidas tal que la resultante
compense en gran medida las que ha tenido el canal SISO, mejorando así la
relación señal a ruido (SNR) de la señal recibida.
Los sistemas SISO son más económicos de implementar, ya que requieren
menor cantidad de equipos y tiempo de instalación.
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CONCLUSIÓNDado el gran interés que suscitan los sistemas inalámbricos en ámbitos de uso
cotidiano, y motivado por su capacidad para mejorar la eficiencia en la transmisión de
datos, se ha realizado un trabajo de análisis y performance del estándar IEEE 802.11n,
el cual a su vez, hace uso de la tecnología de radio denominada MIMO. Dicho trabajo
ha consistido en la capacidad de transmisión de datos en diferentes escenarios y
condiciones de conectividad entre punto de acceso y clientes.
Los lugares estudiados han sido interiores, exteriores mixtos. En el caso de
interiores, el despliegue de redes inalámbricas de área local es una realidad hoy en día
pero con unas velocidades de transmisión netas muy por debajo de las ofrecidas por
las redes cableadas. El estándar 802.11n junto a los sistemas de radio MIMO
permitirán que las WLAN redes inalámbricas de área local, sean una tecnología más
competitiva y adaptada a las necesidades de comunicación. Los casos de exteriores
mixtos están más enfocados a diferentes tipos de comunicaciones, punto multipunto o
punto a punto de redes que hoy en día tienen un despliegue de áreas más extensas
que las LAN tradicionales.
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BIBLIOGRAFÍAAlfonso Rosagro Escámez. Rediseño y optimización de un receptor de alta frecuencia
para sondeo de canales MIMO.Julio 2007. Escuela Técnica Superior de
Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena.
IVAN SANTIAGO y MIGUEL HINOJOSA. Estudio de tecnología MIMO y sus aplicaciones
en las telecomunicaciones. Julio 2009. Escuela politécnica nacional facultad de
ingeniería eléctrica
Oscar Fernández Fernández. Caracterización Experimental y Modelado de Canal
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Departamento de Ingeniería de Comunicaciones. Santander.
Yang, H.; Alcatel Shanghai Bell Co. Ltd. 2005. A Road to future Broadband
Wireless Access: MIMO-OFDM-Based Air Interface. IEEE Communications
Magazine, January.
Flores, Cirlymar Iraida. Sistema de Transmisión con Mimo Acústico, 2012. Presentada
ante la Universidad Católica Andrés Bello para la obtención del grado Ingeniero en
Telecomunicaciones.
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