Post on 16-Feb-2021
Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de ComunicaçõesMóveis
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 - INdThttp://www.indt.org.br
2 Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio – GTELUniversidade 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) requisitarãotaxas 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 maisimportante
Canais em tais faixas de freqüência são mais distorsivos: aumento nainterferência
Capacidade do sistema é vinculada à taxa de transmissão efetiva
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Contexto (2)
Técnicas avançadas de processamento de sinais visam ajudar asolucionar os limitantes dos futuros sistemas móveis
Capacidade (taxas de transmissão): sistemas com múltiplas antenastransmissoras e receptoras (MIMO) são utilizados
Interferência (distorção do canal): transmissão por portadorasortogonais (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 deimplementação em sistemas práticos
Baseado no conceito de múltiplas portadoras
Idéia básica
Transformar um canal com desvanecimento seletivo em freqüência em umconjunto de canais paralelos de desvanecimento plano.
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Idéia do sistema OFDM
1 portadora(1 canal)
20 subportadoras(20 canais paralelos)
Am
plitu
de
Am
plitu
de
Freqüência Freqüência
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Observações
1 O número de subportadoras Ns deve ser “bem ajustado” para que ossubcanais sejam aproximadamente planos em freqüência
2 Ns pequeno
Pior aproximaçãoTransmissão mais rápida
3 Ns grande
Melhor aproximaçãoTransmissão mais lenta
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Formalização
Śımbolo OFDM é gerado a partir de um bloco de śımbolos transmitidosem diferentes subportadoras
s′(t) =
Ns−1∑
k=0
sk · exp(j2πfkt)
em que s = [ s0, s1, . . . , sS−1] é o bloco de śımbolos a sertransmitidos
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 ortogonaisentre si
Toda a faixa do canal deve ser “coberta” pela composição dassubportadoras
Em condição ideal, não há interferência intercarrier
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Exemplo de subportadoras de um sinal OFDMFreqüência 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
Am
plit
ude
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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 deguarda
Geralmente é inserido um prefixo ćıclico na seqüência de dados a sertransmitida
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 oreśıduo 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 transmissãodos sinais
3 Configuração do sistema usando IFFT-FFT é computacionalmentesimples
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 dasempresas e universidades que os futuros sistemas de comunicação móveisserão 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 paratransmitir códigos Morse da letra S
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Introdução
História
- Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular paratransmitir 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 Tx
Tx M
Tx
Tx 1
Tx
Dados
RecebidosIC
Alg
oritm
o
Rx
Rx 1
Rx
Rx N
Rx
Canal MIMOQuase-estático
Desvanecimento plano
Definições
MIMO - uso simultâneo de arranjo de antenas em ambos transmissor ereceptor
M - número de antenas transmissoras
N - número de antenas receptoras
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Benef́ıcios presente no canal MIMO
Multiplexação
s1... s2
s3t = T
Diversidade
s1... s1
s1t = T
Principais Benef́ıcios
multiplexação espacial - multiplexar śımbolos diferentes em cada antena
diversidade espacial - tomar proveito dos múltiplos enlacesindependentes transmitindo redundância levando a uma melhoria naconfiabilidade do enlace
Ganhos máximos
multiplexação espacial: min(M,N)
diversidade espacial: MN
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Esquemas de Transceptores MIMOIntrodução
Classificação
Esquemas de diversidade puros, e.g., STBC
Esquemas de multiplexação puros, e.g., BLAST
Esquemas h́ıbridos (HMTS)
Esquemas de multiplexação
popularmente conhecidos com o esquemas BLAST (Bell-labs LAyered Space-Time),propostos por G. J. Foschini no Bell-labs
foco em fornecer ganho de multiplexação
processamento de sinais é mandatário no receptor para cancelamento da interferência
Esquemas de diversidade
combinação de codificação de canal e sistemas MIMO
popularmente conhecidos com o STBC (Space-Time Block Codes), proposto por Alamouti
fácil detecção (baixa complexidade)
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Esquemas de Transceptores MIMOMultiplexação espacial
Esquemas de multiplexação
Classificação
- Vertical BLAST- Diagonal BLAST
Técnicas BLAST
V-BLAST
s4 s1... s5 s2
s6 s3t = 2 t = 1
D-BLAST
s3 s2 s1... s4 s3 s2
s1 s4 s3t = 3 t = 2 t = 1
Cancelamento da interferência
Detecção linear (LD)
- receptor Zero Forcing (ZF)- receptor Minimum Mean Square Error (MMSE)
Detecção não linear
- ZF ou MMSE + Successive Interference Cancellation (SIC)- ZF ou MMSE + Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)
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Esquemas de Transceptores MIMODetecção Linear - receptores ZF e MMSE
Definições
vetor de śımbolos:
s = � s1 s2 . . . sM Tsinal recebido:
x = H · s + v
matriz de canal:
H =
!"""#h11 h12 h1Mh21 h22 h2M...
......
hN1 hN2 hNM
$%%%&
ZFcritério:
WTi (H)j = ' 1, i = j0, i 6= j
i = 1, . . . , M
pesos do filtro:
WZF = (HHH)−1 HHMMSE
critério:
minE{‖Wx − sd‖2}
pesos do filtro:
WMMSE = Rxx−1
Rsdx
Rxx = E{xxH} e Rsdx = E{sdx
H}
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Esquemas de Transceptores MIMODetecção Não Linear - receptores SIC e OSIC
Successive Interference Cancellation (SIC)
idéia:
- impacto dos śımbolos detectados no sinal recebido é removidogradualmente em estágios sucessivos ⇒ maior diversidade a cada estágio
- Nulling:WMMSE = Rxx
−1Rsdxyi = WMMSEx
- Cancelling: xi+1 = xi − ŝihi
Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)
SIC pode ter o efeito de propagação dos erros no processo sucessivo
Fazendo-se um ordenamento este efeito é mitigado neste caso:ordenado SIC −→ OSIC
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Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC
Caracteŕısticas
fornecer ganho de diversidade espacial - redundância no espaço e notempo
Detecção ML - processamento linear no receptor
Esquemas de diversidade puros
Esquemas importantes:
- Alamouti (1998) Full diversity scheme (2Tx-1Rx)- Tarokh et al (1998) Design criteria for STC and STBC for more than 2Tx
Esquema G2(Alamouti)
SG2[T=1,T=2] = * s1 s2−s∗2 s∗1 +SG2[T=1,T=2] é ortogonal
Detecção ML - processamentolinear no receptor
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Esquemas de Transceptores MIMODetecção STBC
Detecção STBC
r1 = h1s1 + h2s2 + v1
r2 = −h1s∗1 + h2s
∗2 + v2
* r1r2 +, -. /r
= * h1 h2−h∗2 h
∗1 +, -. /
H
* s1s2 +, -. /s
+ * v1v2 +, -. /v
r = Hs + v
HH
H = * |h1|2 + |h2|2 00 |h1|2 + |h2|2 +
Transmissão G2
t=1 s1 s2t=2 −s∗2 s
∗1
Tx = 1 Tx = 2
NotasH é ortogonal
HH
H - filtro casado espacial(detecção ML com proc. linear)
|h1|2 + |h2|2 - ganho dediversidade
Taxa: R = K/T = 1
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Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC
Esquema H3
SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =
!""""#s1 s2
s3√2
−s∗2 s∗1
s3√2
s∗3√2
s∗3√2
−s1−s∗1+s2−s∗
2
2s∗3√2
−s∗3√2
s2+s∗
2+s1−s∗12
$%%%%&Taxa: R = K/T = 3/4
Esquema G3
SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =
!""""#s1 s2
s3√2
−s∗2 s∗1
s3√2
s∗3√2
s∗3√2
−s1−s∗1+s2−s∗
2
2s∗3√2
−s∗3√2
s2+s∗
2+s1−s∗12
$%%%%&Taxa: R = K/T = 1/2
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos
Esquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos
Combinação de STBC e V-BLAST em camadas
Compromisso entre ganho de diversidade e multiplexação
maior taxa que os STBC puros
maior robustez que o V-BLAST
Esquema G2+1
12s
11s
1s STBCG2
Ser
ial-
par
alel
o
2s
s
Caracteŕısticas
SG2+1[T=1,T=2] = * s1 s2 s3−s∗2 s∗1 s4 +η = 2 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 2(N-1) 1(N-2)SIC 2(N-1) 1N
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos
Esquema G2+G2
STBC
G2
Ser
ial
- P
aral
elo
s
12s
11s
STBC
G222s
21s
1s
2s
Caracteŕısticas
SG2+G2[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4−s∗2 s∗1 −s∗3 s∗4 +η = 2 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 2(N-2) 2(N-2)SIC 2(N-1) 2N
Esquema G2+1+1
Ser
ial
- P
aral
lel
s
12s
11s
1s
2s
3sSer
ial
- P
aral
elo
STBC
G2
Caracteŕısticas
SG2+1+1[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4−s∗2 s∗1 s5 s6 +η = 3 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2 Camada 3LD 2(N-2) 1(N-3) 1(N-3)SIC 2(N-2) 1(N-1) 1(N)
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos
Esquema G3+1
STBC
G3
Ser
ial
- P
aral
elo
s
12s
11s
13s
1s
2s
CaracteŕısticasSG3+1[T=1,T=2,...,T=8] =!"""""""""#
s1 s2 s3 s5−s2 s1 −s4 s6−s3 s4 s1 s7−s4 −s3 s2 s8s∗1 s
∗2 s
∗3 s9
−s∗2 s∗1 −s
∗4 s10
−s∗3 s∗4 s
∗1 s11
−s∗4 −s∗3 s
∗2 s12
$%%%%%%%%%&η = 1.5 · log2(M) bps/Hz.
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 3(N-1) 1(N-3)SIC 3(N-1) 1N
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos
Algoritmo de cancelamento de interferência modificado
idéia:
- bom desempenho do detector não linear SIC- fácil detecção dos STBC
Algoritmo
Passos
1. “anulamento” da interferência1. detecção STBC e remontagem
do sinal detectado2. cancelamento da interferência3. detecção camadas não
codificadas
Algoritmo
Decodificação
Espaco-temporal
cancelamento
da
interferência
1
N
y[k]
Filtro
Espacial
MIMO
STBC
Decod.
Canal
EquivalenteEstimção
de
Canal
x[k]
N
1
1ˆs
z[k]
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ResultadosComparação dos Algoritmos de Cancelamento de Interferência
HMTS G2+1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−4
10−3
10−2
10−1
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G2+1(BPSK−LD), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−OSIC), 3Tx−3Rx
Notas
SIC superior ao LD
OSIC similar ao SIC
HMTS G2+G2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G2+G2(BPSK−LD), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−OSIC), 4Tx−4Rx
Notas
SIC superior ao LD
OSIC superior ao SIC
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Complexidade Similar
3Tx-3Rx
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3(BPSK), 3Tx−3RxH3(BPSK), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−LD), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−OSIC), 3Tx−3RxVBLAST(BPSK−OSIC), 3Tx−3Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação
Superior eficiência espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Complexidade Similar
4Tx-4Rx
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G4(BPSK), 4Tx−4RxG3+1(BPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG2+1+1(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxVBLAST(BPSK−OSIC), 4Tx−4Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação
Superior eficiência espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiência Espectral Fixa
3 bps/Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
VBLAST(BPSK−OSIC), 3Tx−3RxG3+1(QPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+1+1(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG3(64−PSK), 3Tx−3Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação
Superior eficiência espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiência Espectral Fixa
4 bps/Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
VBLAST(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG2+1(QPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+G2(QPSK−OSIC), 4Tx−4RxG4(256−PSK), 4Tx−4Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação
Superior eficiência espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosProposta de Resolução do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1
NotasCamadas STBC com BER muito menor que as camadas BLAST
Camadas BLAST transmitem sem nenhuma proteção, esta camada é o “gargalo”
Soluções:
- cod. de canal- CSI no transmissor
“Gargalo” - HMTS G3+1
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/No [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(SIC)(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)
Solução I: cod. de canal
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/No [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(SIC)(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)G3+1(SIC−COD−SOVA)(layer 2 − VBLAST)
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ResultadosProposta de Resolução do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1
Solução II: CSI no transmissor
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)G3+1(SIC, CSI parcial)layer 2 − VBLAST)
Notas - Solução I
Enorme diferença no desempenho deBER entre a camada 1 e a camada 2
Solução baseada em codificação decanal diminui a eficiência espectral dacamada BLAST
Notas - Solução II
Apenas parcial CSI no transmissor
Pequeno overhead
Baixa Eb/N0 - desempenho similarcamada 1 e a camada 2
Alta Eb/N0 - desempenho superiorcamada 2 sobre a camada 1
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Conclusões
HMTS: compromisso entre diversidade e multiplexação
Algoritmo de IC modificado: detecção ML dos STBC preservada
G2+1 e G3+1: OSIC similar ao SIC
Número de antenas fixo: HMTS - compromisso entre diversidade emultiplexação
Eficiência espectral fixa: HMTS melhor desempenho
Camada V-BLAST dos HMTS: “gargalo” no desempenho,
solução com o CSI: solução satisfatória para este “gargalo”
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Parte III
Estruturas MIMO-OFDM
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Considerações gerais
Inserção de modulação OFDM para transmissão e recepção pormúltiplas antenas
Junção das duas técnicas fornece ganhos de capacidade (taxa detransmissão) e tratamento da interferência
Pasśıvel de utilização com multiplexação (baseado em BLAST) ediversidade (baseado em STC)
Também é extenśıvel para caso h́ıbrido
Possibilidade de outras estratégias de diversidade1 Código espaço-temporal por subportadora2 Código espaço-freqüência3 Código espaço-tempo-freqüência
Complexidade adicional
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MIMO-OFDM: diagrama geral
012343560123435601234356
...
0123728956:;8=?@5...
Possível ramo de diversidade
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Resumo
Junção de poderosas técnicas individuais
Complexidade adicional
Para OFDM perfeitamente ajustado o desempenho MIMO-OFDM é omesmo que sistemas MIMO com desvanecimento plano
Resultados preliminares neste contexto
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Parte IV
Medidas sistêmicas: impactos e soluções
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Considerações gerais
Contexto mais geral: integração da camada f́ısica com camadassuperiores no sistema de comunicação digital
Gerenciamento de recursos de rádio: parâmetros selecionados emcamadas superiores
Desempenho afetado por camada f́ısica
Prinćıpio de water filling - distribuição dos recursos de forma aprivilegiar melhores parâmetros
Vantagens com OFDM?
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Questões e impactos (1)
Múltiplos canais espaço-tempo-freqüência: alta granularidade naalocação de recursos e provisionamento de taxa e QoS
Dimensionalidade do problema (grande número de parâmetros) implicanum maior desafio RRM para MIMO-OFDM
Problema importante (e complexo): RRM em sistemas MIMO-OFDM
Alocação de recursos como modulação, potência, sub-portadora e antena,em um cenário dinâmico (variação temporal do canal, variação dosrequisitos de QoS) utilizando algoritmos fact́ıveis (complexidade e tempode resposta) e baseando-se em uma infra-estrutura de estimação de canal edemais grandezas relevantes que seja realizável.
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Questões e impactos (2)
Sistemas coordenados (sem interferência externa desconhecida):solução para RRM baseada em conceitos de water-filling (algoritmos debit-loading)
Sistemas celulares (não-coordenados): problema de RRM paraMIMO-OFDM é amplamente aberto
Degradação ao se migrar de um ambiente limitado por rúıdo para outrolimitado por interferência: maior em sistemas MIMO que em sistemasSISO
Aumento do número de antenas receptoras necessário para permitircancelamento de interferência (Catreux et al, 2001)
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Questões e impactos (3)
Soluções baseadas em processamento de sinais e codificação podemamenizar o problema.
Turbo-multiuser-space-time-detection: redução de efeitos da interferência(Dai et al, 2004)
Entretanto, o desempenho de tais soluções é bastante inferior ao casodo cenário sem interferência
Indicativo de que apenas solução global baseada em RRM proveráaumento de capacidade.
Cooperação entre ERBs deverá ser inclúıda nas soluções em vista.
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Parte V
Desafios e Perspectivas
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Questões chave
Sincronização: temporal e em freqüência
Efeito de crista (crest effect)
Equalização no tempo ou freqüência?
Estimação de canal: fator chave para STC e cross-layer
Sensibilidade a offsets
Gerenciamento de recursos: alta dimensionalidade do problema (goodand bad)
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Perspectivas interessantes
1 Estratégias de estimação de canal
2 Peak-to-Average Power Reduction (PAPR)
3 Modelagem
4 Equalização
5 Avaliação de interferência
6 Algoritmos de adaptação de enlace/gerenciamento de recursos
7 Diversidade (STC,SFC,STFC, qual deles e como?)
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Parte VI
Referências e Bibliografia
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Bibliografia
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H. Bölcskei, “Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems”, in Signal Processing for Mobile Communications Handbook,CRC Press, 2004.
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Information Theory, 45(05):1456 − 1467, 1999.
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