Cooperativa MIMO

En radio, la cooperativa de múltiples entradas y múltiples salidas ( cooperativa MIMO , CO-MIMO ) es una tecnología que puede explotar de manera efectiva el dominio espacial de los canales móviles con desvanecimiento para brindar mejoras significativas en el rendimiento de los sistemas de comunicación inalámbrica. También se denomina MIMO de red , MIMO distribuido , MIMO virtual y matrices de antenas virtuales .

Los sistemas MIMO convencionales , conocidos como MIMO punto a punto o MIMO coubicado, requieren que tanto el transmisor como el receptor de un enlace de comunicación estén equipados con múltiples antenas. Si bien MIMO se ha convertido en un elemento esencial de los estándares de comunicación inalámbrica, incluidos IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G) y Long Term Evolution(4G), muchos dispositivos inalámbricos no pueden admitir múltiples antenas debido a limitaciones de tamaño, costo y / o hardware. Más importante aún, la separación entre antenas en un dispositivo móvil e incluso en plataformas de radio fijas a menudo es insuficiente para permitir ganancias de rendimiento significativas. Además, a medida que aumenta el número de antenas, el rendimiento real de MIMO cae más por detrás de las ganancias teóricas. ^[1]

Cooperative MIMO utiliza antenas distribuidas en diferentes dispositivos de radio para lograr ganancias cercanas a las teóricas de MIMO. La idea básica de MIMO cooperativo es agrupar varios dispositivos en una matriz de antenas virtuales para lograr comunicaciones MIMO. Una transmisión MIMO cooperativa implica múltiples enlaces de radio de punto a punto, incluidos enlaces dentro de una matriz virtual y posiblemente enlaces entre diferentes matrices virtuales.

Las desventajas de MIMO cooperativo provienen de la mayor complejidad del sistema y la gran sobrecarga de señalización requerida para respaldar la cooperación de dispositivos. Las ventajas de MIMO cooperativo, por otro lado, son su capacidad para mejorar la capacidad, el rendimiento del borde de la celda, la cobertura y la movilidad grupal de una red inalámbrica de manera rentable. Estas ventajas se logran mediante el uso de antenas distribuidas, que pueden aumentar la capacidad del sistema al descorrelacionar los subcanales MIMO y permitir que el sistema aproveche los beneficios de la macro-diversidad además de la micro-diversidad. En muchas aplicaciones prácticas, como las redes ad hoc inalámbricas y móviles celulares, las ventajas de implementar la tecnología MIMO cooperativa superan las desventajas. En los últimos años, ^{[ ¿cuándo? ]} Las tecnologías cooperativas MIMO se han incorporado a la corriente principal de los estándares de comunicación inalámbrica.

Tipos

Multipunto coordinado

Tipos de MIMO cooperativo

Modelo de sistema para el caso cooperativo MIMO ( Alamouti ) sobre comunicaciones por satélite. ^{[2] [3] [4]} Adicionalmente, cabe mencionar la tecnología híbrida satélite-terrestre. ^[5]

Una breve ilustración de la idea virtual MIMO (cooperativa D2D ), ^[6] donde denota cierta ruta de canal y denota cierto dispositivo.${\displaystyle h_{ij}}$${\displaystyle d_{j}}$${\displaystyle s_{i}}$

En el multipunto coordinado (CoMP), los datos y la información del estado del canal (CSI) se comparten entre las estaciones base celulares (BS) vecinas para coordinar sus transmisiones en el enlace descendente y procesar conjuntamente las señales recibidas en el enlace ascendente . La arquitectura del sistema se ilustra en la Fig. 1a. Las técnicas de CoMP pueden convertir eficazmente la interferencia intercelular dañina en señales útiles, lo que permite aprovechar una ganancia de potencia significativa, una ventaja de rango de canal y / o ganancias de diversidad . CoMP requiere un backhaul de alta velocidadred para permitir el intercambio de información (por ejemplo, datos, información de control y CSI) entre las BS. Por lo general, esto se logra a través de un fronthaul de fibra óptica. CoMP se ha introducido en los estándares 4G. ^[7]

Relés fijos

Los relés fijos (ilustrados en la Figura 1b) son infraestructuras de radio fijas y de bajo costo sin conexiones de backhaul cableadas. Almacenan los datos recibidos de la BS y los reenvían a las estaciones móviles.(MS) y viceversa. Las estaciones repetidoras fijas (RS) suelen tener potencias de transmisión y áreas de cobertura más pequeñas que una BS. Se pueden implementar de manera estratégica y rentable en redes celulares para extender la cobertura, reducir la potencia de transmisión total, mejorar la capacidad de una región específica con altas demandas de tráfico y / o mejorar la recepción de la señal. Combinando las señales de los relés y posiblemente la señal fuente de la BS, la estación móvil (MS) es capaz de aprovechar la diversidad inherente del canal de retransmisión. Las desventajas de los relés fijos son los retrasos adicionales introducidos en el proceso de retransmisión y los niveles potencialmente mayores de interferencia debido a la reutilización de la frecuencia en los RS. Como una de las tecnologías MIMO cooperativas más maduras, la retransmisión fija ha atraído un apoyo significativo en los principales estándares de comunicación celular.^{[8] [9]}

Relés móviles

Los relés móviles se diferencian de los relés fijos en el sentido de que los RS son móviles y no se implementan como infraestructura de una red. Por lo tanto, los relés móviles son más flexibles para adaptarse a diferentes patrones de tráfico y adaptarse a diferentes entornos de propagación. Por ejemplo, cuando una MS objetivo sufre temporalmente de malas condiciones de canal o requiere un servicio de tasa relativamente alta, sus MS vecinas pueden ayudar a proporcionar cobertura de múltiples saltos o aumentar la tasa de datos retransmitiendo información a la MS objetivo. Además, los relés móviles permiten un despliegue de red más rápido y de menor costo. Al igual que los relés fijos, los relés móviles pueden ampliar el área de cobertura, reducir la potencia de transmisión general y / o aumentar la capacidad en los bordes de la celda. Por otro lado, por su carácter oportunista,Los relés móviles son menos confiables que los relés fijos ya que la topología de la red es muy dinámica e inestable.

Los relés de usuarios móviles permiten que las MS distribuidas se autoorganicen en una red inalámbrica ad hoc, que complementa la infraestructura de la red celular mediante transmisiones de múltiples saltos. Los estudios han demostrado que los relés de usuarios móviles tienen una ventaja fundamental en el sentido de que la capacidad total de la red, medida como la suma de los rendimientos de los usuarios, puede escalar linealmente con la cantidad de usuarios que reciben suficientes soportes de infraestructura. ^{[10] [11]} Los relés de usuarios móviles son, por lo tanto, una mejora deseable para los futuros sistemas celulares. Sin embargo, los relés de usuarios móviles enfrentan desafíos en el enrutamiento, la gestión de recursos de radio y la gestión de interferencias.

Dispositivo a dispositivo (D2D) en LTE es un paso hacia los relés móviles. ^[12]

Codificación subespacial cooperativa

En Cooperative-MIMO, el proceso de decodificación implica recopilar N _R combinaciones lineales de N _T símbolos de datos originales, donde N _R es normalmente el número de nodos receptores y N _T es el número de nodos transmisores. El proceso de decodificación se puede interpretar como la resolución de un sistema de N _R ecuaciones lineales, donde el número de incógnitas es igual al número de símbolos de datos (N _T ) y señales de interferencia. Por lo tanto, para que los flujos de datos se descodifiquen con éxito, el número de ecuaciones lineales independientes (N _R ) debe ser al menos igual al número de datos (N _T ) y flujos de interferencia.

En la codificación subespacial cooperativa, también conocida como codificación de red lineal , los nodos transmiten combinaciones lineales aleatorias de paquetes originales con coeficientes que se pueden elegir a partir de mediciones del entorno de dispersión naturalmente aleatorio. Alternativamente, se confía en el entorno de dispersión para codificar las transmisiones. ^[13]Si los subcanales espaciales no están suficientemente correlacionados entre sí, la probabilidad de que los receptores obtengan combinaciones linealmente independientes (y, por lo tanto, obtengan información innovadora) se aproxima a 1. Aunque la codificación de red lineal aleatoria tiene un rendimiento de rendimiento excelente, si un receptor obtiene un número insuficiente de paquetes , es muy poco probable que pueda recuperar alguno de los paquetes originales. Esto se puede abordar enviando combinaciones lineales aleatorias adicionales (como aumentando el rango de la matriz de canales MIMO o retransmitiendo en un momento posterior que sea mayor que el tiempo de coherencia del canal ) hasta que el receptor obtenga una cantidad suficiente de paquetes codificados para permitir la decodificación. . ^[14]

La codificación subespacial cooperativa se enfrenta a una alta complejidad computacional de decodificación. Sin embargo, en la radio MIMO cooperativa, la decodificación MIMO ya emplea métodos similares, si no idénticos, a la decodificación de red lineal aleatoria. Los códigos de red lineales aleatorios tienen una sobrecarga alta debido a los grandes vectores de coeficientes adjuntos a los bloques codificados. Pero en la radio MIMO cooperativa, los vectores de coeficientes se pueden medir a partir de señales de entrenamiento conocidas, que ya se realizan para la estimación del canal . Finalmente, la dependencia lineal entre los vectores de codificación reduce el número de bloques codificados innovadores. Sin embargo, la dependencia lineal en los canales de radio es una función de la correlación de canales , que es un problema resuelto por MIMO cooperativo.

Historia

Antes de la introducción de MIMO cooperativo, se propuso el procesamiento conjunto entre estaciones base celulares para mitigar la interferencia entre células, ^[15] y la diversidad cooperativa ^[16] ofrecía una mayor ganancia de diversidad utilizando relés, pero a costa de una menor eficiencia espectral. Sin embargo, ninguna de estas técnicas aprovecha la interferencia para obtener ganancias de multiplexación espacial, lo que puede aumentar drásticamente la eficiencia espectral.

En 2001, Steve Shattil, un científico de Idris Communications, presentó MIMO cooperativo, en una solicitud de patente provisional, ^[17] que divulgaba los relés coordinados multipunto y fijos, seguido de un documento en el que S. Shamai y BM Zaidel propusieron “papel sucio ”Precodificación en el coprocesamiento de enlace descendente para celdas de un solo usuario. ^[18] En 2002, Shattil introdujo los aspectos de codificación de red y retransmisión móvil de MIMO cooperativo en la patente de EE.UU. No. 7430257 ^[19] y la Pub. De EE.UU. 20080095121. ^{[20] Las} implementaciones de radio definida por software (SDR) y computación distribuida en MIMO cooperativo se introdujeron en la patente de EE.UU. Nº 7430257 (2002) y 8670390 ^[21](2004), que sienta las bases para la red de acceso a radio en la nube ( C-RAN ).

Las implementaciones del lado del servidor de MIMO cooperativo fueron las primeras en ser adoptadas en las especificaciones celulares 4G y son esenciales para 5G . CoMP y los relés fijos agrupan los recursos de procesamiento de banda base en los centros de datos, lo que permite implementaciones densas de terminales de radio simples y económicos (como cabezales de radio remotos ) en lugar de estaciones base celulares. Esto permite que los recursos de procesamiento se escalen fácilmente para satisfacer la demanda de la red, y las antenas distribuidas podrían permitir que cada dispositivo de usuario sea servido por el ancho de banda espectral completo del sistema. Sin embargo, el ancho de banda de datos por usuario todavía está limitado por la cantidad de espectro disponible, lo cual es una preocupación porque el uso de datos por usuario sigue creciendo.

La adopción de MIMO cooperativo del lado del cliente va a la zaga de MIMO cooperativo del lado del servidor. El MIMO cooperativo del lado del cliente, como los relés móviles, puede distribuir las cargas de procesamiento entre los dispositivos del cliente en un clúster, lo que significa que la carga computacional por procesador puede escalar de manera más efectiva a medida que crece el clúster. Si bien existe una sobrecarga adicional para coordinar los dispositivos del cliente, los dispositivos en un clúster pueden compartir canales de radio y subcanales espaciales a través de enlaces inalámbricos de corto alcance. Esto significa que a medida que crece el clúster, también crece el ancho de banda de datos instantáneos disponible por usuario. Por lo tanto, en lugar de que el ancho de banda de datos por usuario esté estrictamente limitado por las leyes de la física (es decir, el teorema de Shannon-Hartley ), el ancho de banda de datos está limitado solo por la potencia de procesamiento computacional, que sigue mejorando de acuerdo conLey de Moore . A pesar del gran potencial de MIMO cooperativo del lado del cliente, una infraestructura basada en el usuario es más difícil de monetizar para los proveedores de servicios, y existen desafíos técnicos adicionales.

Si bien los relés móviles pueden reducir la energía de transmisión general, este ahorro puede compensarse con la energía del circuito necesaria para un mayor procesamiento computacional. Por encima de un cierto umbral de distancia de transmisión, se ha demostrado que MIMO cooperativo logra un ahorro total de energía. ^[22] Se han desarrollado varias técnicas para manejar la sincronización y las compensaciones de frecuencia, que es uno de los problemas más críticos y desafiantes en MIMO cooperativo. ^{[23] [24]} Recientemente, la investigación se ha centrado en el desarrollo de protocolos MAC eficientes. ^[25]

Descripción matemática

En esta sección, describimos la precodificación utilizando un modelo de sistema de un canal de enlace descendente MIMO cooperativo para un sistema CoMP. Un grupo de BS emplea un agregado de M antenas de transmisión para comunicarse con K usuarios simultáneamente.

El usuario k , ( k = 1,…, K ), tiene N _k antenas receptoras. El modelo de canal desde las BS hasta el k- ^ésimo usuario está representado por una matriz de canales N _k × M H _k .

Sea s _k el k- ^ésimo vector de símbolo de transmisión de usuario. Para el usuario k , las BS emplean una matriz de precodificación de transmisión lineal, W _k , que transforma el vector de datos s _k en el vector transmitido M × 1 W _k × s _k . El vector de señal recibida en el k- ^ésimo usuario está dado por ,${\displaystyle \mathrm {y} _{k}=\mathrm {H} _{k}\mathrm {W} _{k}\mathrm {s} _{k}+\mathrm {H} _{k}\sum _{i\neq k}\mathrm {W} _{i}\mathrm {s} _{i}+\mathrm {n} _{k}}$

donde n _k = [ n _{k, 1} ,…, n _{k, Nk} ] ^T denota el vector de ruido para el k ^ésimo usuario, y (.) ^T denota la transposición de una matriz o vector. Las componentes n _{k, i} del vector de ruido n _k son iid con media cero y varianza σ ² para k = 1,…, K e i = 1,…, N _k . El primer término, H _k W _k s _k, representa la señal deseada, y el segundo término , representa la interferencia recibida por el usuario k .${\displaystyle \mathrm {H} _{k}\sum _{i\neq k}\mathrm {W} _{i}\mathrm {s} _{i}}$

El canal de red se define como H = [ H ₁ ^T ,…, H _K ^T ] ^T , y el conjunto correspondiente de señales recibidas por todos los usuarios se expresa mediante

y = HWs + n ,

donde H = [ H ₁ ^T ,…, H _K ^T ] ^T , y = [ y ₁ ^T ,…, y _K ^T ] ^T , W = [ W ₁ ^T ,…, W _K ^T ] ^T , s = [ s ₁ ^T , ..., s _K ^T ] ^T , y n = [ n ₁ ^T , ..., n _K ^T ] ^T .

La matriz de precodificación W está diseñada en base a la información del canal para mejorar el rendimiento del sistema Cooperative-MIMO.

Alternativamente, el procesamiento del lado del receptor, denominado demultiplexación espacial, separa los símbolos transmitidos. Sin precodificación, el conjunto de señales que reciben todos los usuarios se expresa mediante

y = Hs + n

La señal recibida se procesa con una matriz de demultiplexación espacial G para recuperar los símbolos de transmisión: .${\displaystyle {\hat {\mathrm {s} }}=\mathrm {Gy} =\mathrm {G} {\bigl (}\mathrm {Hs} +\mathrm {n} {\bigr )}}$

Los tipos comunes de precodificación incluyen forzamiento cero (ZF), precodificación de error cuadrático medio mínimo (MMSE), transmisión de relación máxima (MRT) y diagonalización de bloques . Los tipos comunes de demultiplexación espacial incluyen ZF , combinación MMSE y cancelación de interferencia sucesiva .

Ver también

• MIMO multiusuario
• WiMax MIMO
• Antenas inteligentes
• Muchas antenas
• Diversidad de antenas
• Beamforming
• Precodificación
• Multiplexación espacial
• MIMO-OFDM
• Macrodiversidad
• Código de bloque de espacio-tiempo

Referencias

1. Nordin, R .; Armor, S .; McGeehan, JP (1 de septiembre de 2010). "Una estrategia de minimización de interferencia espacial para el canal de enlace descendente LTE correlacionado" . 21º Simposio Internacional Anual de IEEE sobre Comunicaciones de Radio Personales, Interiores y Móviles . págs. 757–761. doi : 10.1109 / PIMRC.2010.5671934 . hdl : 1983/1712 . ISBN 978-1-4244-8017-3.
2. Arapoglou, PD; Liolis, K .; Bertinelli, M .; Panagopoulos, A .; Cottis, P .; De Gaudenzi, R. (2011). "MIMO sobre satélite: una revisión". Encuestas y tutoriales de comunicaciones de IEEE . 13 (1): 27–51. doi : 10.1109 / SURV.2011.033110.00072 .
3. Kyröläinen, J .; Hulkkonen, A .; Ylitalo, J .; Byman, A .; Shankar, B .; Arapoglou, PD; Grotz, J. (2014). "Aplicabilidad de MIMO a las comunicaciones por satélite". Revista Internacional de Redes y Comunicaciones por Satélite . 32 (4): 343–357. doi : 10.1002 / sábado 1040 . hdl : 10993/24589 .
4. Zang, Guo-zhen; Huang Bao-hua; Mu Jing (2010). Un esquema de diversidad cooperativa con dos satélites basado en el código alamouti . IET 3rd International Conference on Wireless, Mobile and Multimedia Networks (ICWMMN 2010). págs. 151–4. doi : 10.1049 / cp.2010.0640 . ISBN 978-1-84919-240-8.
5. Pérez-Neira, AI; Ibars, C .; Serra, J .; Del Coso, A .; Gómez-Vilardebó, J .; Caus, M .; Liolis, KP (2011). "Técnicas de transmisión y modelado de canales MIMO para redes móviles multisatélite e híbridas satélite-terrestre". Comunicación física . 4 (2): 127-139. doi : 10.1016 / j.phycom.2011.04.001 . hdl : 2117/13225 .
6. Jiang, H .; Shao, S .; Sol, J. (2013). Comunicación virtual MIMO basada en D2D Link . 3er Congreso Internacional de Electrónica de Consumo, Comunicaciones y Redes. págs. 718–722. doi : 10.1109 / CECNet.2013.6703432 . ISBN 978-1-4799-2860-6.
7. "Especificación técnica de 3GPP (versión 11)" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 21 de diciembre de 2015 .
8. Descripción general de la versión 11 de 3GPP
9. "Descripción general de 3GPP de HetNet / Small Cells" .
10. Zaman, NI; Kanakis, T .; Rapajic, P. (1 de octubre de 2010). Retransmisión MIMO para redes móviles cooperativas . 2010 16ª Conferencia de Comunicaciones de Asia y el Pacífico (APCC). págs. 368–372. doi : 10.1109 / APCC.2010.5679704 . ISBN 978-1-4244-8128-6.
11. Chu, Shan; Wang, Xin; Yang, Yuanyuan (1 de abril de 2013). "Explotación de retransmisiones cooperativas para comunicaciones de alto rendimiento en redes MIMO Ad Hoc". Transacciones IEEE en computadoras . 62 (4): 716–729. doi : 10.1109 / TC.2012.23 .
12. Tang, Huan; Zhu, Chenxi; Ding, Zhi (1 de junio de 2013). "Precodificación cooperativa MIMO para calco subyacente D2D en redes celulares". 2013 IEEE International Conference on Communications (ICC) . págs. 5517–5521. doi : 10.1109 / ICC.2013.6655469 . ISBN 978-1-4673-3122-7.
13. Stefanov, A .; Erkip, E. (9 de septiembre de 2002). "Codificación cooperativa para redes inalámbricas". 4º Taller internacional sobre redes de comunicaciones móviles e inalámbricas, 2002 : 273–277. doi : 10.1109 / MWCN.2002.1045735 . ISBN 0-7803-7605-6.
14. Zhang, Shunwai; Yang, Fengfan; Tang, Lei; Luo, Lin (1 de octubre de 2013). "MIMO cooperativo codificado en RA de múltiples fuentes basado en codificación de red". 2013 Tercera Conferencia Internacional sobre Ciencias de la Computación y Tecnología de Redes (ICCSNT) : 737–741. doi : 10.1109 / ICCSNT.2013.6967215 . ISBN 978-1-4799-0561-4.
15. Baier, PW; Meurer, M .; Weber, T .; Troger, H. (1 de septiembre de 2000). "Transmisión conjunta (JT), una justificación alternativa para el enlace descendente de CDMA de división de tiempo utilizando antenas de transmisión de elementos múltiples". 2000 Sexto Simposio Internacional IEEE sobre Técnicas y Aplicaciones del Espectro Extendido. ISSTA 2000. Procedimientos (No de catálogo 00TH8536) . 1 . págs. 1-5. doi : 10.1109 / ISSSTA.2000.878069 . ISBN 0-7803-6560-7.
16. Laneman, JN; Wornell, Gregory W .; Tse, DNC (29 de junio de 2001). "Un protocolo eficiente para realizar la diversidad cooperativa en redes inalámbricas". Actas. 2001 Simposio internacional IEEE sobre teoría de la información (IEEE Cat. No.01CH37252) . págs. 294–. doi : 10.1109 / ISIT.2001.936157 . ISBN 0-7803-7123-2.
17. Solicitud de patente de EE. UU. No. 60286850, Método y aparato para usar la interferometría de portadora para procesar señales de múltiples portadoras
18. Shamai, S .; Zaidel, BM (6 de mayo de 2001). "Mejora de la capacidad de enlace descendente celular mediante coprocesamiento en el extremo transmisor". IEEE VTS 53ª Conferencia de tecnología vehicular, primavera de 2001. Actas (Cat. No.01CH37202) . 3 . págs. 1745–9. doi : 10.1109 / VETECS.2001.944993 . ISBN 0-7803-6728-6.
19. US 7430257 , " Subcapa multiportadora para canal de secuencia directa y codificación de acceso múltiple"
20. US 20080095121 , "Redes de interferometría portadora"
21. US 8670390 , " Formación cooperativa de haces en redes inalámbricas"
22. Cui, Shuguang; Goldsmith, AJ; Bahai, A. (1 de agosto de 2004). "Eficiencia energética de MIMO y técnicas MIMO cooperativas en redes de sensores". Revista IEEE sobre áreas seleccionadas en comunicaciones . 22 (6): 1089–98. doi : 10.1109 / JSAC.2004.830916 .
23. Li, Xiaohua (1 de diciembre de 2004). "Multi-transmisión codificada espacio-tiempo entre transmisores distribuidos sin sincronización perfecta". Cartas de procesamiento de señales IEEE . 11 (12): 948–951. Código bibliográfico : 2004ISPL ... 11..948L . doi : 10.1109 / LSP.2004.838213 .
24. Zhang, Yanyan; Zhang, Jianhua; Sun, Feifei; Feng, Chong; Zhang, Ping; Xia, Minghua (1 de mayo de 2008). "Un método de sincronización de tiempo novedoso para sistemas MIMO-OFDM distribuidos en canales de desvanecimiento Rayleigh de rutas múltiples". VTC Spring 2008 - Conferencia de tecnología vehicular IEEE . págs. 1443–7. doi : 10.1109 / VETECS.2008.340 . ISBN 978-1-4244-1644-8.
25. Gong, Dawei; Zhao, Miao; Yang, Yuanyuan (1 de noviembre de 2010). "Un protocolo MAC MIMO cooperativo multicanal para redes de sensores inalámbricos". La 7ma Conferencia Internacional IEEE sobre sistemas móviles ad-hoc y de sensores (IEEE MASS 2010) . págs. 11-20. doi : 10.1109 / MASS.2010.5663975 . ISBN 978-1-4244-7488-2.

Otras lecturas

• Y. Hua, Y. Mei y Y. Chang, "Wireless antennas - Making wireless communications perform like wireline communications", IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology, págs. 47-73, Honolulu, Hawaii, 15-17 de octubre de 2003.