La multiplexación por división de frecuencia ortogonal de múltiples entradas y múltiples salidas ( MIMO-OFDM ) es la interfaz aérea dominante para las comunicaciones inalámbricas de banda ancha 4G y 5G . Combina la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas ( MIMO ), que multiplica la capacidad transmitiendo diferentes señales a través de múltiples antenas, y la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), que divide un canal de radio en una gran cantidad de subcanales muy cercanos para proporcionar Comunicaciones más fiables a altas velocidades. La investigación realizada a mediados de la década de 1990 mostró que, si bien MIMO se puede usar con otras interfaces aéreas populares, como el acceso múltiple por división de tiempo(TDMA) y acceso múltiple por división de código (CDMA), la combinación de MIMO y OFDM es más práctica a velocidades de datos más altas. [ cita requerida ]
MIMO-OFDM es la base de la red de área local inalámbrica ( LAN inalámbrica ) y los estándares de red de banda ancha móvil más avanzados porque logra la mayor eficiencia espectral y, por lo tanto, ofrece la mayor capacidad y rendimiento de datos. Greg Raleigh inventó MIMO en 1996 cuando demostró que se podían transmitir diferentes flujos de datos al mismo tiempo en la misma frecuencia aprovechando el hecho de que las señales transmitidas a través del espacio rebotan en los objetos (como el suelo) y toman múltiples caminos hacia el receptor. Es decir, al usar múltiples antenas y precodificar los datos, se podrían enviar diferentes flujos de datos a través de diferentes rutas. Raleigh sugirió y más tarde demostró que el procesamiento requerido por MIMO a velocidades más altas sería más manejable usando la modulación OFDM, porque OFDM convierte un canal de datos de alta velocidad en varios canales paralelos de menor velocidad.
Operación
En el uso moderno, el término "MIMO" indica más que solo la presencia de múltiples antenas de transmisión (múltiples entradas) y múltiples antenas de recepción (múltiples salidas). Si bien se pueden usar múltiples antenas de transmisión para la formación de haces , y múltiples antenas de recepción se pueden usar para la diversidad , la palabra "MIMO" se refiere a la transmisión simultánea de múltiples señales ( multiplexación espacial ) para multiplicar la eficiencia espectral (capacidad).
Tradicionalmente, los ingenieros de radio trataban la propagación natural por trayectos múltiples como un impedimento que debía mitigarse. MIMO es la primera tecnología de radio que trata la propagación por trayectos múltiples como un fenómeno a explotar. MIMO multiplica la capacidad de un enlace de radio al transmitir múltiples señales a través de múltiples antenas coubicadas. Esto se logra sin necesidad de potencia o ancho de banda adicionales. Los códigos de espacio-tiempo se emplean para asegurar que las señales transmitidas a través de las diferentes antenas sean ortogonales entre sí, lo que facilita al receptor distinguir una de otra. Incluso cuando hay acceso a la línea de visión entre dos estaciones, se puede utilizar la polarización de antena dual para garantizar que haya más de una ruta sólida.
OFDM permite comunicaciones confiables de banda ancha mediante la distribución de datos de usuario a través de una serie de subcanales de banda estrecha muy próximos. [1] Esta disposición permite eliminar el mayor obstáculo para las comunicaciones de banda ancha fiables, la interferencia entre símbolos (ISI). ISI ocurre cuando la superposición entre símbolos consecutivos es grande en comparación con la duración de los símbolos. Normalmente, las altas velocidades de datos requieren símbolos de menor duración, lo que aumenta el riesgo de ISI. Al dividir un flujo de datos de alta velocidad en numerosos flujos de datos de baja velocidad, OFDM permite símbolos de mayor duración. Se puede insertar un prefijo cíclico (CP) para crear un intervalo de guarda (de tiempo) que evite ISI por completo. Si el intervalo de guarda es mayor que la dispersión del retardo (la diferencia en los retardos experimentados por los símbolos transmitidos por el canal), no habrá superposición entre símbolos adyacentes y, en consecuencia, no habrá interferencia entre símbolos. Aunque el CP reduce ligeramente la capacidad espectral al consumir un pequeño porcentaje del ancho de banda disponible, la eliminación de ISI lo convierte en una compensación sumamente valiosa.
Una ventaja clave de OFDM es que se pueden utilizar transformadas rápidas de Fourier (FFT) para simplificar la implementación. Las transformadas de Fourier convierten señales de ida y vuelta entre el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. En consecuencia, las transformadas de Fourier pueden aprovechar el hecho de que cualquier forma de onda compleja puede descomponerse en una serie de sinusoides simples. En aplicaciones de procesamiento de señales, las transformadas discretas de Fourier (DFT) se utilizan para operar en muestras de señales en tiempo real. Las DFT se pueden aplicar a señales OFDM compuestas, evitando la necesidad de los bancos de osciladores y demoduladores asociados con subportadoras individuales. Las transformadas rápidas de Fourier son algoritmos numéricos que utilizan las computadoras para realizar cálculos DFT. [2]
Las FFT también permiten que OFDM haga un uso eficiente del ancho de banda. Los subcanales deben estar separados en frecuencia lo suficiente para garantizar que sus formas de onda en el dominio del tiempo sean ortogonales entre sí. En la práctica, esto significa que los subcanales pueden superponerse parcialmente en frecuencia.
MIMO-OFDM es una combinación particularmente poderosa porque MIMO no intenta mitigar la propagación multitrayecto y OFDM evita la necesidad de ecualización de señal . MIMO-OFDM puede lograr una eficiencia espectral muy alta incluso cuando el transmisor no posee información de estado de canal (CSI). Cuando el transmisor posee CSI (que se puede obtener mediante el uso de secuencias de entrenamiento), es posible acercarse a la capacidad teórica del canal. El CSI puede usarse, por ejemplo, para asignar constelaciones de señales de diferentes tamaños a las subportadoras individuales, haciendo un uso óptimo del canal de comunicaciones en cualquier momento dado.
Los desarrollos más recientes de MIMO-OFDM incluyen MIMO multiusuario (MU-MIMO), implementaciones de MIMO de orden superior (mayor número de flujos espaciales) e investigación sobre MIMO masivo y MIMO cooperativo (CO-MIMO) para su inclusión en los próximos estándares 5G.
MU-MIMO es parte del estándar IEEE 802.11ac , el primer estándar Wi-Fi que ofrece velocidades en el rango de gigabit por segundo. MU-MIMO permite que un punto de acceso (AP) transmita hasta cuatro dispositivos cliente simultáneamente. Esto elimina los retrasos por contención, pero requiere mediciones de canal frecuentes para dirigir correctamente las señales. Cada usuario puede emplear hasta cuatro de los ocho flujos espaciales disponibles. Por ejemplo, un AP con ocho antenas puede hablar con dos dispositivos cliente con cuatro antenas, proporcionando cuatro flujos espaciales a cada uno. Alternativamente, el mismo AP puede hablar con cuatro dispositivos cliente con dos antenas cada uno, proporcionando dos flujos espaciales a cada uno. [3]
La formación de haces MIMO multiusuario beneficia incluso a los dispositivos de flujo espacial único. Antes de la formación de haces MU-MIMO, un punto de acceso que se comunicaba con varios dispositivos cliente solo podía transmitir a uno a la vez. Con la formación de haces MU-MIMO, el punto de acceso puede transmitir hasta cuatro dispositivos de flujo único al mismo tiempo en el mismo canal.
El estándar 802.11ac también admite velocidades de hasta 6,93 Gbit / s utilizando ocho flujos espaciales en modo de usuario único. La velocidad máxima de datos supone el uso del canal opcional de 160 MHz en la banda de 5 GHz y 256 QAM (modulación de amplitud en cuadratura). Se han introducido conjuntos de chips que admiten seis flujos espaciales y se están desarrollando conjuntos de chips que admiten ocho flujos espaciales.
Massive MIMO consiste en una gran cantidad de antenas de estación base que operan en un entorno MU-MIMO. [4] Si bien las redes LTE ya admiten teléfonos que utilizan dos flujos espaciales, y se han probado diseños de antenas de teléfonos capaces de admitir cuatro flujos espaciales, MIMO masivo puede ofrecer ganancias de capacidad significativas incluso en teléfonos con un solo flujo espacial. Nuevamente, la formación de haces MU-MIMO se usa para permitir que la estación base transmita flujos de datos independientes a múltiples teléfonos en el mismo canal al mismo tiempo. Sin embargo, una pregunta que aún no ha sido respondida por la investigación es: ¿Cuándo es mejor agregar antenas a la estación base y cuándo es mejor agregar celdas pequeñas?
Otro foco de investigación para la tecnología inalámbrica 5G es CO-MIMO. En CO-MIMO, los grupos de estaciones base trabajan juntos para mejorar el rendimiento. Esto se puede hacer utilizando la macro diversidad para mejorar la recepción de señales de los teléfonos o la multiplexación de múltiples celdas para lograr velocidades de datos de enlace descendente más altas. Sin embargo, CO-MIMO requiere una comunicación de alta velocidad entre las estaciones base que cooperan.
Historia
Gregory Raleigh fue el primero en abogar por el uso de MIMO en combinación con OFDM. En un artículo teórico, demostró que con el tipo adecuado de sistema MIMO — múltiples antenas coubicadas que transmiten y reciben múltiples flujos de información utilizando codificación y codificación multidimensionales — la propagación por trayectos múltiples podría explotarse para multiplicar la capacidad de un enlace inalámbrico. [5] Hasta ese momento, los ingenieros de radio intentaron hacer que los canales del mundo real se comportaran como canales ideales mitigando los efectos de la propagación por trayectos múltiples. Sin embargo, las estrategias de mitigación nunca han tenido un éxito total. Para aprovechar la propagación por trayectos múltiples, fue necesario identificar técnicas de modulación y codificación que funcionen de forma robusta en canales de trayectos múltiples, dispersivos y variables en el tiempo. Raleigh publicó una investigación adicional sobre MIMO-OFDM en condiciones variables en el tiempo, estimación de canal MIMO-OFDM, técnicas de sincronización MIMO-OFDM y el rendimiento del primer sistema MIMO-OFDM experimental. [6] [7] [8] [9]
Raleigh solidificó el caso de OFDM al analizar el rendimiento de MIMO con tres técnicas de modulación líderes en su tesis doctoral: modulación de amplitud en cuadratura (QAM), espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y multitono discreto (DMT). [10] QAM es representativo de esquemas de banda estrecha como TDMA que usan ecualización para combatir ISI. DSSS usa receptores de rastrillo para compensar las trayectorias múltiples y lo usan los sistemas CDMA. DMT utiliza entrelazado y codificación para eliminar ISI y es representativo de los sistemas OFDM. El análisis se realizó derivando los modelos de matriz de canales MIMO para los tres esquemas de modulación, cuantificando la complejidad computacional y evaluando los desafíos de sincronización y estimación de canales para cada uno. Los modelos mostraron que para un sistema MIMO que usa QAM con un ecualizador o DSSS con un receptor de rastrillo, la complejidad computacional crece cuadráticamente a medida que aumenta la velocidad de datos. Por el contrario, cuando se usa MIMO con DMT, la complejidad computacional crece log-linealmente (es decir, n log n) a medida que aumenta la velocidad de datos.
Posteriormente, Raleigh fundó Clarity Wireless en 1996 y Airgo Networks en 2001 para comercializar la tecnología. Clarity desarrolló especificaciones en el Broadband Wireless Internet Forum (BWIF) que condujeron a los estándares IEEE 802.16 (comercializado como WiMAX ) y LTE , ambos compatibles con MIMO. Airgo diseñó y envió los primeros conjuntos de chips MIMO-OFDM para lo que se convirtió en el estándar IEEE 802.11n . MIMO-OFDM también se utiliza en el estándar 802.11ac y se espera que desempeñe un papel importante en los sistemas de telefonía móvil 802.11ax y quinta generación ( 5G ).
Varios artículos iniciales sobre MIMO multiusuario fueron escritos por Ross Murch et al. en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. [11] MU-MIMO se incluyó en el estándar 802.11ac (desarrollado a partir de 2011 y aprobado en 2014). La capacidad MU-MIMO aparece por primera vez en lo que se conoce como productos "Wave 2". Qualcomm anunció conjuntos de chips compatibles con MU-MIMO en abril de 2014. [12]
Broadcom presentó los primeros conjuntos de chips 802.11ac que admiten seis flujos espaciales para velocidades de datos de hasta 3,2 Gbit / s en abril de 2014. Quantenna dice que está desarrollando conjuntos de chips para admitir ocho flujos espaciales para velocidades de datos de hasta 10 Gbit / s. [13]
Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) y HetNets (redes heterogéneas) son actualmente el foco de investigación sobre la tecnología inalámbrica 5G. Se espera que el desarrollo de estándares 5G comience en 2016. Entre los investigadores destacados hasta la fecha se incluyen Jakob Hoydis (de Alcatel-Lucent), Robert W. Heath (en la Universidad de Texas en Austin), Helmut Bölcskei (en ETH Zurich) y David Gesbert (en EURECOM). [14] [15] [16] [17]
Samsung ha realizado pruebas de la tecnología 5G. [18] El operador japonés NTT DoCoMo planea probar la tecnología 5G en colaboración con Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia y Samsung. [19]
Referencias
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