Tecnologías base de LTE

Tema 5Tema 5

TECNOLOGÍA DE ACCESO RADIO OFDM

� En OFDM, se realiza la transmisión de la información en paralelo mediante múltiples portadoras, cada una de las

cuales soporta una fracción de la tasa binaria total R.

� La anchura de banda disponible BW, se divide en Nc

subcanales sustentados por Nc subportadoras no solapadas

(ortogonales). Por cada una se transmite con una tasa R/Nc

ocupando la anchura BW/Nc.

� Un símbolo OFDM es el conjunto de toda la información de las subportadoras, con tasa R, anchura de banda BW y

periodo Tsimb.

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� La ortogonalidad de la subportadoras se consigue eligiendo una separación entre sus frecuencias, ∆f, de forma que

donde Tútil es el periodo útil de símbolo

� De este modo la anchura de banda total es:

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útilTf

1=∆

fNBW c ∆⋅=

� La modulación de las subportadoras se hace con alguna variante de QAM con M estados de modulación, según una

constelación en ejes I y Q. Debe distinguirse entre símbolo de modulación de cada subportadora y símbolo OFDM. El

símbolo de modulación de cada subportadora es un punto de

la constelación representado por un número complejo que corresponde a log2 M bits, por lo que cada símbolo OFDM

consta de Nc·log2 M bits y su periodo es:

Tútil = Tb·Nc·log2 M

siendo Tb el periodo de bit

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Ejemplo

Transmisión de un flujo binario de R= 4 Mbit/s,

Tb =0,25 µs

� Transmisión con una sola portadora QPSK (M=4)

� Periodo símbolo modulación: Tsimb=2·Tb=0,5 µs

� Transmisión con 1000 subportadoras QPSK

� Tasa por subportadora: 4 kbit/s

� Anchura de banda por subportadora:

� Periodo de símbolo OFDM: Tsimb=0,5 ms

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KHzBW 21042

1 3=→⋅⋅

MHzBWBW 21042

1 6=→⋅⋅=

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JUSTIFICACIÓN DE OFDM

� Transmisión digital banda ancha convencional con desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF):

� El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal.

� Se contrarresta mediante ecualización.

� Hay que ecualizar de TODO el espectro, aunque hay una amplia porción no afectada por el FSF.

→Ecualizador MUY complejo, no viable prácticamente en el dominio de la frecuencia.

→Se ecualiza en el dominio del tiempo pero el hardware es complejo, con elevado consumo.

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Bw/2

FSFS(f)

-Bw/2f

� Transmisión digital OFDM con FSF:

� Sólo se ecualizan las subportadoras afectadas por el FSF.

� Para cada subportadora (banda estrecha) el desvanecimiento es plano.

� Viable la ecualización en el dominio de la frecuencia que es individual para cada subportadora. Se denomina: FDE (Frequency Domain Equalization).

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FSF

f

� En consecuencia la OFDM es muy robusta frente al FSF.

� La FDE requiere una estimación de la respuesta impulsiva

del canal.

� Para ello se transmiten símbolos piloto o de sondeo

conocidos por el receptor en ciertas subportadoras y

determinados instantes de tiempo.

� Puede también eliminarse la interferencia entre símbolos con

tiempos de guarda.

� Otras ventajas de OFDM:

� Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras.

� Posibilidad de multiacceso en frecuencia.

� Simplificación de los receptores.

� Idoneidad para su implementación con técnicas DSP.

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� Inconvenientes de OFDM

� La señal OFDM tiene un valor elevado de la relación PAPR (Peak to Average Power Ratio):

como consecuencia de la posible suma en fase de varias portadoras.

� Esta alta PAPR, impone limitaciones a la eficiencia de los amplificadores de RF, ya que ha de aplicarse un valor alto de “Backoff”(reducción de potencia respecto a la saturación) para mantener la linealidad.

� La OFDM es sensible a los desplazamientos (offsets) de las subportadoras.

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media Potencia

cresta de Potencia=PAPR

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� Para la protección frente a la interferencia entre símbolos (ISI) se habilita un tiempo o periodo de guarda, por lo que el

tiempo útil de símbolo es

Tu = TS - Tg

� Durante el tiempo de guarda, el receptor no lee la información, por ello las colas de los ecos de un impulso

transmitido que caen dentro del tiempo de guarda no afectan

al símbolo siguiente (no hay ISI).

� El tiempo de guarda debe ser menor o igual que la dispersión de retardo del canal radio.

� La utilización del tiempo de guarda, reduce el tiempo útil del

símbolo y aumenta la anchura de banda o al revés, para una anchura dada reduce la tasa binaria.

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� En OFDM se dispone de un recurso físico bidimensional Frecuencia-Tiempo.

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� En consecuencia, en OFDM, pueden distribuirse los recursos

tiempo y frecuencia a los usuarios según sus necesidades y en función de la calidad del canal en cada caso (planificación,

tiempo, frecuencia). En la transparencia siguiente se muestra un ejemplo.

14

15

En LTE descendente se usa la flexibilidad de OFDM para la planificación/adaptación

de las transmisiones.

3G LTE DOWNLINK RADIO ACCESS

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� La generación de señales OFDM en la practica se realiza de forma digital mediante técnicas de FFT (Fast Fourier

Transform):

� Inversa (IFFT) en transmisión.

� Directa (DFFT) en recepción.

� Se dispone de “chipsets” que implementan estas

transformaciones.

� Así se consigue una realización compacta, eficiente y económica del procesado de la señal.

Esquema del procesado OFDM en transmisión

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La demodulación de OFDM se hace de forma similar, con un muestreo seguido de una DFT (FFT) de tamaño N.

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UTILIZACIÓN DE OFDM

� Redes LAN inalámbricas con estándares

� IEEE 802.11a &11g (WIFI)

� IEEE 802.16 (WIMAX)

� Redes ultrawideband UWB.

� Televisión Digital DVB.

� Radiodifusión digital DAB.

� Sistemas ADSL.

� Sistemas PLC.

� Sistemas LTE de 3GPP (Enlace Descendente).

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3G LTE ACCESO RADIO, ENLACE ASCENDENTE

� Hay que aprovechar las ventajas de OFDM.

� Hay que utilizar ecualización en frecuencia.

� Es necesario salvar el inconveniente de la alta PAPR de

OFDM, perjudicial para el UL porque:

� Reduce la eficiencia del amplificador RF.

� Incrementa el consumo de batería de los móviles.

� También se requiere resolver el problema del multiacceso en el UL, con emisiones no coordinadas desde los UE.

� La solución SC-FDMA

� SINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS

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INTRODUCCIÓN A SC-FDMA

� Deben cubrirse dos objetivos:

a) Para los datos de usuario un solo canal o portadora (SC).

b) Para el sistema, señal tipo OFDM con CP.

� Para conseguirlo se juega con las transformadas DFT-IDFT

como se ve en el esquema de principio.

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SC-FDMA ESQUEMA PROCESADO DE SEÑAL

La correspondencia no altera el carácter SC, solo influye en los valores de los símbolos, por lo que todo el bloque de A a

C se puede reemplazar por una sola operación de procesado de los símbolos

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P/S

Constelación

B. BaseDatos

S/P

FFT

N

Puntos CP

Correspondencia

a MSubportadoras

SC

OFDM

Ceros

IFFT

MPuntos

A C

� Como entre B y C se ejecutan operaciones complementarias, pueden eliminarse la DFT e IDFT y aplicar los datos al

módulo CP manteniendo la estructura del receptor. Ello simplifica notablemente el transmisor (equipo de usuario).

� La señal es estándar QPSK/MQAM en el dominio del tiempo,

pero cuasi-cíclica (CP), para permitir la ecualización de

frecuencia en recepción.

� Siendo única la señal, la PAPR es baja e igual a la que corresponde a una única portadora modulada.

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� Desde el punto de vista de la parte OFDM (tras la DFT) la energía de los datos se reparte entre todas las

subportadoras.

� Se aprovecha la DFT para procesar las frecuencias resultantes, mediante traslación, lo que hace posible el

multiacceso FDMA.

� Para ello, se establece una correspondencia o proyección

(mapping) entre las N subportadoras resultantes de la DFT y M (M>N) subportadoras, añadiendo ceros al espectro.

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� La correspondencia tiene dos modalidades:

a) Distribuida

b) Localizada

� La distribuida (IFDMA: Interleaved FDMA)

coloca uniformemente las frecuencias en el espectro.

Produce una expansión espectral con factor

SF (Spread Factor): M/N

� La localizada (IFDMA: Localizaed FDMA)

traslada todo el bloque de subportadoras a otra parte del

espectro.

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EJEMPLO

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Multiacceso con 3 usuarios

CODIFICACIÓN

� En los sistemas de comunicaciones digitales se distinguen dos tipos básicos de codificación:

� Codificación de fuente

� Codificación de canal

� La codificación de fuente es la encargada de digitalizar la

información que es analógica en su origen como es el caso

de la voz y el video.

Comporta las operaciones de muestreo, cuantificación y

generación de los bits.

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� En recepción el proceso es el contrario, del tren de bits se obtienen muestras que tras pasarlas por un filtro

interpolador producen una señal analógica, réplica de la que se aplicó al transmisor.

� Los dispositivos que ejecutan estas tareas se llaman

“codecs”: codec de voz, codec de video…

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� La codificación con detección de errores consiste en añadir a una trama o bloque de k bits de información, r bits de

redundancia, formándose un bloque o palabra-código de n = k+r bits. Se llama tasa de codificación al cociente k/n.

� En recepción, se analiza el bloque recibido y usando la

redundancia se comprueba si es correcto o erróneo. En el

primer caso se retorna al transmisor una señal de acuse positivo (ACK: Acknowledgment) y en el segundo una señal

de acuse negativo (NACK) la cual provoca la retransmisión automática del bloque erróneo (ARQ: Automatic ReQuest).

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� Como se ve el sistema detecta errores y los corrige por retransmisión.

� Este tipo de códigos se llama códigos bloque. Los r bits de

redundancia son función de los kbits de información y conjuntamente con ellos forman el bloque o palabra-código

de n bits.

Suelen ser de tipo cíclico, es decir, toda palabra código puede obtenerse como permutación cíclica de otra. Los bits

de redundancia se denomina bits de verificación de redundancia cíclica CRC: Cyclic Redundancy Checking.

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� Los códigos más utilizados para la corrección directa de errores en recepción (FEC: Forward Error Correction) son

los llamados convolucionales. En esta clase de códigos entran n bits en el codificador y salen n+r. La tasa será

n/(n+r). Por ejemplo, si por cada bit que entra salen dos, el

mismo que entró y otro de redundancia, la tasa es ½.

� El bit o bits de redundancia se evalúan no solo con los bits de entrada sino con bits anteriores en un rango de

posiciones que se llama longitud obligada (constraint length), que es un parámetro de diseño del codificador y

representa la “memoria” del codificador.

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� La decodificación se hace comparando secuencias con una métrica, eligiendo la secuencia con la mejor métrica que es

la que, presumiblemente, tiene menos errores. Es una estimación de máxima verosimilitud (maximum likelihood).

� Se emplea el algoritmo de Viterbi, que ha demostrado su

eficacia en todas las aplicaciones de estos códigos a la

transmisión digital.

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� Los códigos convolucionales son eficaces para la corrección de errores de bit aislados: bits erróneos

separados entre si por bits correctos. Pero, como consecuencia del efecto “memoria” del canal radio, los

errores pueden aparecer agrupados, en forma de ráfagas

de errores (error bursts).

� Para contrarrestar este efecto se aplica el entrelazado en transmisión (interleaving) que altera la posición de los bits.

Al desentrelazar en recepción, los errores agrupados quedan esparcidos y el decodificador convolucional puede

entonces actuar con su buena capacidad correctora.

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� Los estándares han especificado dos modos de afrontar el

problema de los errores:

1. Limitar las capacidades correctoras del código convolucional y en casos, ya menos frecuentes, de errores que se escapan a la corrección del convolucional aplicar la detección y la corrección con ARQ. Este proceso enlentece la transmisión como consecuencia de las retransmisiones, pero solo se da con poca frecuencia.

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Se habla así de dos códigos de canal:

� Código externo (outer code) detector, el más “próximo” al codec.

� Código interno (inner code) corrector, el más “próximo” al canal.

2. Manteniendo esta filosofía de usar un código detector y otro corrector, modernamente se utilizan códigos correctores más potentes que los convolucionales puros y que tengan una complejidad no excesiva. Estos son los llamados “Turbocódigos”(Turbocodes). Se han utilizado ya en UMTS y serán los únicos empleados en LTE para el tráfico de datos de usuario.

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Turbocódigós

� Los turbo códigos son esquemas de codificación que aumentan la memoria de codificación de forma artificial.

� Proporcionan comunicaciones fiables muy cerca del límite

de Shannonn (a 0.5 dB del límite).

� Se basan en concatenar, con un entrelazado pseudoaleatorio, códigos relativamente simples, con el fin

de obtener un código equivalente en prestaciones a uno

más complejo. Utilizan dos codificadores relativamente sencillos separados por un entrelazado.

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El bloque ya decodificado con el código o corrector se

somete a la prueba de verificación de paridad con el CRC

(código detector).

Si el resultado de la prueba es favorable, se da el bloque por bueno y se retorna al transmisor una señal de acuse de

recibo positivo

ACK (Acknowledgement).

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Si el resultado es desfavorable, se considera que el bloque es erróneo y se retorna al transmisor una señal de acuse de

recibo negativo

NACK (Negative Acknowledgement). En este caso el transmisor realiza una retransmisión.

Esta forma general de funcionamiento se denomina ARQ

(Automatic ReQuest) ya que la recepción del NACK

desencadena automáticamente la retransmisión.

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El receptor verifica el bloque retransmitido y el proceso se repite hasta conseguir que el bloque sea correcto o superar

un cierto número de retransmisiones. De ser así se envía un

mensaje de error a las capas superiores del protocolo.

Como aquí se ha aplicado un código corrector y otro detector para señalar errores no corregidos por el primero, se

denomina a esta técnica ARQ hibrida (corrección + detección): HARQ

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HARQ con combinación

En el ARQ convencional el bloque recibido con error detectado se elimina y, como se ha visto, se pide su retransmisión.

Puede diseñarse un sistema más eficiente según el cual el

bloque erróneo no se descarta sino que se almacena en el

receptor y cuando se recibe el bloque retransmitido se combinan ambos. Y así se va haciendo con sucesivas

retransmisiones si es necesario.

Se consigue más eficiencia ya que las versiones anteriores del bloque, aun siendo incorrectas contienen información útil que

puede utilizarse.

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Esta es la metodología de funcionamiento llamada HARQ con combinación (HARQ soft combining)

Con ARQ simple se malgasta energía, ya que los bloques recibidos se eliminan. La decodificación se hace solo con

cada bloque retransmitido.

Con HARQ soft al combinar los bloques se aprovecha la

energía de los bloques anteriores al que se esta decodificando lo que mejora el proceso de decodificación.

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Como consecuencia disminuye el número de retransmisiones o, equivalentemente, se puede operar con valores de Eb/No

más bajos para una tasa de errores de bloque (BLER) objetivo dada.

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Tipos de combinación en HARQ soft

Combinación “chase”

Supuesto un bloque recibido con error detectado se almacenan las variables de decisión y se solicita la retransmisión del mismo bloque.

Las variables de decisión nuevas obtenidas del bloque retransmitido se suman directamente con las previamente almacenadas. Si es necesario se repite el proceso hasta conseguir la decodificación correcta sin errores.

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El resultado equivale a haber transmitido el bloque una sola vez pero con mayor potencia, solo que esta potencia se ha

distribuido entre las diferentes retransmisiones. Es una especie de diversidad de tiempo con combinación.

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Combinación Redundancia Incremental CIR, (Incremental Redundancy)

En este caso la primera transmisión del bloque se realiza con

una parte tan solo de los bits de redundancia.

En sucesivas retransmisiones se incluyen otros bits de

redundancia diferentes aunque correspondientes a los mismos bits sistemáticos. También en recepción se realiza la

suma de bloques, que va ganando bits de redundancia y por tanto acrecentado la probabilidad de decodificación correcta.

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El resultado es equivalente a una única transmisión con todos o casi todos los bits de redundancia, solo que esos bits se

han distribuido en trasmisiones diferentes.

Esta modalidad ofrece mejores prestaciones que la combinación Chase ya que cada retransmisión además de

incrementar la energía del bloque recibido contribuye a

aumentar la ganancia de codificación por lo que la Eb/No

media necesaria tiende a ser inferior.

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Desvanecimiento Multitrayecto

� La señal se propaga por múltiples caminos.

� Ventaja: se amplía la cobertura.

� Inconvenientes:

� Interferencia destructiva: desvanecimiento

� Selectividad en frecuencia: distorsión, interferencia entre símbolos

� Selectividad en tiempo: distorsión, limitación de la tasa binaria

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� Tradicionalmente se ha procurado contrarrestar los efectos del desvanecimiento en redes de banda estrecha

(BW≤1MHz) con tres técnicas combinadas:

� Diversidad, de Recepción, Transmisión o ambas.

� Ecualización digital.

� Codificación de canal con entrelazado.

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� Es importante conocer bien el efecto del multitrayecto y su modelado para ver como influye en las prestaciones de los

sistemas móviles.

� También es necesario este conocimiento para aplicar con eficacia las técnicas de aprovechamiento del multitrayecto

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� A partir de la 3G, en los sistemas de banda ancha, se aprovechan los “ecos” de la señal multitrayecto mediante:

� Estructura de receptores RAKE (en WCDMA-UMTS).

� Tecnologías MIMO (en LTE).

� El RAKE es, en realidad, una diversidad de recepción con

MRC (Maximal Ratio Combining), que mejora la SNR de

recepción.

� El MIMO está orientado a la mejora de la capacidad (tasa binaria) de recepción.

51

Tecnologías de multiantenas

� Son conocidas, desde hace tiempo, las técnicas de múltiples antenas en recepción para implementar la

diversidad de espacio, como medio para contrarrestar los efectos del desvanecimiento multitrayecto.

� La diversidad de espacio se basa en el hecho de que la

respuesta impulsiva de un canal radio varia, además de en

el dominio temporal, en el dominio espacial.

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� Si se disponen Mr antenas de recepción, quedan constituidos Mr caminos desde el transmisor a cada antena

receptora. Si las Mr antenas de recepción están suficientemente separadas, los trayectos están poco

correlados y en recepción se dispone de Mr réplicas casi

independientes de la señal transmitida.

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� En la técnica de diversidad debemos distinguir dos aspectos:

1. Número de antenas y separación entre ellas para conseguir la incorrelación de caminos.

2. Procesamiento que se aplica a las señales recibidas

� En el combinador de relación máxima (Maximal Ratio

Combiner: MRC) se multiplica cada señal por un factor de

ponderación proporcional a la propia señal y se suman en fase los resultados.

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Influencia de la diversidad en la capacidad

� La diversidad espacial puede proporcionar cierta ganancia y combatir el desvanecimiento. También puede utilizarse

para mejorar la capacidad o rendimiento espectral del canal

radio móvil.

� Los modernos sistemas de codificación permiten utilizar, con buena aproximación la fórmula teórica de Shannon

para evaluar la capacidad real de un canal radio

C: Capacidad (bit/s) ; R: tasa binaria (bit/s)

B: anchura de banda (Hz)

S/N: Relación señal/ruido (unidades lineales)

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RNSBC ≥+⋅= )/1(log2

� A la relación C/B o R/B, se le denomina “eficiencia espectral” (bit/s/Hz)

� Para sistemas digitales, se prefiere usar la relación Eb /No

(energía por bit / densidad espectral de ruido), en lugar de

la S/N. La relación entre ambas es:

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B

R

N

E

N

S

o

b⋅=

� En un sistema de diversidad con ganancia de array, M se tiene

� La cota inferior de Eb /No para una tasa R, es

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⋅⋅+⋅=≤B

R

N

EMBCR

o

b1log2

BRMN

E RIB

o

b

/

121 )(−

⋅≥

� Si se desea una alta eficiencia espectral (R/B>>1), como es el caso en los nuevos sistemas de comunicaciones móviles,

la ley exponencial anterior indica que la relación Eb /No

puede ser demasiado alta para su realización práctica.

� En consecuencia, en estos sistemas, la diversidad espacial

por si sola no es suficiente para conseguir la eficiencia

deseada.

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� Una tecnología alternativa es aprovechar el multicamino para crear trayectos paralelos desacoplados, que permiten

el envío de informaciones diferentes por cada uno.

� En un sistema radio con Mt antenas de transmisión y Mr de recepción, en teoría, se pueden crear L= min (Mt ,Mr)

trayectos independientes. Esta es la denominada

multiplexación espacial.

Al valor de L se le llama grados de libertad del canal.

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� A esta tecnología que habilita la multiplexación espacial, se le llama MIMO (Multiple Input-Multiple Output).

� Recuérdese que, dado un conjunto de antenas, hay dos

cuestiones: su disposición física y el procesado de las señales. Pues bien, puede hacerse un procesado para

diversidad (combinación), para MIMO o uno mixto.

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� La diversidad puede considerarse como un caso particular de MIMO

� Diversidad en transmisión: Mt ; Mr =1

MISO (Multiple Input Single Output)

L = min (Mt ,1) = 1 No hay mux espacial

� Diversidad en recepción: Mt =1; Mr

SIMO (Single Input Multiple Output)

L = min (1,Mr) = 1 No hay mux espacial

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• En condiciones optimas, la capacidad que puede conseguirse con MIMO es la suma de las capacidades de

cada uno de los trayectos. Considerando que la S/N media es la misma en todos y que hay L caminos:

• La división por L en el exponente, reduce la Eb /No , como

se ve en la siguiente transparencia.

• L se denomina ganancia por multiplexación espacial.

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)/(1(·log· 2 NSBLC +=

BRN

ELRIB

o

b

/

12 /)(−

≥

Comparación valores de Eb/No (dB)

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CON DIVERSIDAD

ORDEN M

CON MIMO ORDEN L

M = 1 M = 2 M = 4 L = 1 L = 2 L = 4

R/B = 1 0 -3 -6 0 -3,8 -7,2

R/B = 5 7,9 4,9 1,9 7,9 -0,3 -5,6

R/B = 10 20,1 17,1 14,1 20,1 4,9 -3,3

� En un sistema MIMO pueden conseguirse simultáneamente

las ganancias por diversidad y multiplexación espacial con algunas limitaciones.

� Se ha demostrado que, con ciertas condiciones de codificación,

la ganancia de diversidad teórica posible, con Mt, Mr antenas de transmisión/recepción y L grados de libertad (ganancia mux

espacial L), es: (Mt- L ) · (Mr –L)

� Es decir del total de recursos utilizados Mt, Mr se detraen L

para conseguir grados de libertad y quedan Mt– L y Mr –L para la diversidad.

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Se ve así la posibilidad de la multiplexación espacial: transmisión de múltiples flujos binarios por un mismo medio

físico en la misma frecuencia y al mismo tiempo.

Si la tasa binaria (supuesta constante) de cada flujo es R (bit/s) la tasa total obtenida será L· R. (bit/s)

Los flujos pueden proceder de un mismo usuario, por

ejemplo se le ofrecen 4 Mbit/s de tasa con 2 flujos de 2

Mbit/s cada uno, o pueden provenir de 2 usuarios con 2 Mbit/s cada uno.

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• La multiplexación espacial que permite MIMO se utilizará

normalmente para la conexión entre una estación base multiantena y un equipo de usuario también multiantena. A

este tipo de enlaces se le llama “MIMO monousuario” SU-MIMO: Single User MIMO. La tasa binaria que recibe el

usuario es la suma de las tasas de cada trayecto.

• Hay una variante denominada “Mimo multiusuario”, MU-

MIMO: Multi User MIMO cuyo objetivo es que los L trayectos posibles den servicio a otros tantos usuarios.

• Con MU-MIMO lo que se pretende es una mejor eficiencia

en la suma de tasas binarias (capacidad) en toda la célula.

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