hhhhh.en.es

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Mltiples tcnicas de antena

Desde el principio, LTE fue diseado para que la estacin base y mvil podra tanto utilizar mltiples antenas para la transmisin y recepcin de radio. Este captulo trata de los tres principales mltiples tcnicas de antena, que tienen diferentes objetivos y que son en prctica mentado de diferentes maneras. El ms conocido es el procesamiento de diversidad, lo que aumenta la potencia de seal recibida y reduce la cantidad de desgaste por el uso de mltiples antenas en el transmisor, el receptor o ambos. Procesamiento de la Diversidad se ha utilizado desde los primeros das de las comunicaciones mviles, por lo que slo la revisaremos briemosca. En la multiplexacin espacial, el transmisor y el receptor tanto el uso de mltiples antenas de manera que para aumentar la velocidad de datos. Multiplexado espacial es una tcnica relativamente nueva que slo tiene recientemente ha introducido en las comunicaciones mviles, por lo que lo cubramos con ms detalle que los otros. Tambin se basa ms bien en gran medida de las matemticas subyacentes, por lo que nuestro

tratamiento de multiplexacin espacial se, por necesidad, ser ms matemtica que la de la otra temas de este libro. Finalmente, la formacin de haz utiliza mltiples antenas en la estacin base en Para aumentar la cobertura de la clula. La multiplexacin espacial se describe a menudo como el uso de mltiple entrada mltiple salida (MIMO) antenas. Este nombre se deriva de las entradas y salidas a la interfaz area, de modo que "Entrada mltiple ' se refiere al transmisor y 'Salida mltiple' al receptor. Por desgracia, el nombre es un poco ambigua, ya que puede referirse tanto a la multiplexacin espacial solo, o incluir el uso de diversidad de transmisin y recepcin tambin. Por esta razn, nosotros generalmente se utiliza el trmino 'Multiplexacin espacial' en su lugar. Para algunos comentarios de mltiples tcnicas de antena y su uso en LTE, ver Referencias [1 -4].

5.1 Diversidad Procesamiento

5.1.1 Recibir Diversidad

La diversidad de recepcin se utiliza con mayor frecuencia en el enlace ascendente, de la manera mostrada en la Figura 5.1. Aqu, la estacin base utiliza dos antenas para recoger a dos copias de la seal recibida. La seales llegan al antenas de recepcin con diferentes cambios de fase, pero estos pueden ser removidos

Una introduccin a LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE y 4G Mobile Communications, Primera Edicin. Christopher Cox. 2012 John Wiley & Sons, Ltd. Publicado 2012 por John Wiley & Sons, Ltd.

78 Una introduccin a la LTE

Figura 5.1 Reduccin de la decoloracin mediante el uso de un receptor de diversidad.

por fi co canal estimacin antena especfica. La estacin base puede entonces aadir las seales juntas en fase, sin ningn riesgo de interferencia destructiva entre ellos. Las seales son ambos confeccionados con varios rayos ms pequeos, por lo que ambos estn sujetos a la

decoloracin. Si las dos seales individuales experimentan desvanecimientos al mismo tiempo, entonces la potencia de la

combinado seal ser baja. Pero si las antenas estn lo suficientemente separados (unas pocas longitudes de onda de la

portadora frecuencia), a continuacin, los dos conjuntos de geometras de desvanecimiento sern muy diferentes, por lo que

las seales de ser mucho ms propensos a sufrir desvanecimientos en completamente diferentes momentos. Tenemos, pues, reducido la cantidad de la decoloracin en la seal combinada, que a su vez reduce la tasa de error. Las estaciones de base por lo general tienen ms de una antena de recepcin. En LTE, la mvil de prueba especfi caciones asume que el mvil est utilizando dos antenas de recepcin [5], de modo LTE ma Se espera que los sistemas de usar diversidad de recepcin en el enlace descendente, as como el enlace ascendente.

La mvil de antenas estn ms juntos que una base Estacin de, lo que reduce el beneficiofi cio de diversidad de recepcin, pero la situacin a menudo se puede mejorar utilizando antenas que miden dos polarizaciones independientes de la seal entrante. 5.1.2 lazo cerrado Diversidad de Transmisin

Transmitir la diversidad reduce la cantidad de la decoloracin mediante el uso de dos o ms antenas en el transmisor. Es super fi cialmente similar a la diversidad de recepcin, pero con un problema crucial: las seales se suman a la nica antena de recepcin, que trae un riesgo de destruccin interferencia. Hay dos maneras de resolver el problema, el primera de los cuales es bucle cerrado la diversidad de transmisin (Figura 5.2). Aqu, el transmisor enva dos copias de la seal de la forma esperada, pero tambin se aplica un desplazamiento de fase a una o ambas seales antes de la transmisin. Al hacer esto, se puede asegurar que las dos seales llegan al receptor en fase, sin ningn riesgo de destructiva interferencia. El desplazamiento de fase se determina por una precodificacin indicador de matriz (PMI), el cual se calcula por el receptor y se alimenta de vuelta al transmisor. Un simple PMI podra indicar dos opciones: o bien transmitir ambas seales sin cambios de fase, o transmitir el segundo

Mltiples tcnicas de antena 79

Figura 5.2 Operacin de diversidad de transmisin de bucle cerrado.

con un desplazamiento de fase de 180 . Si el primera opcin conduce a la interferencia destructiva, entonces la segundo trabajar de forma automtica. Una vez ms, la amplitud de la seal combinada es solamente baja en el improbable caso de que las dos seales recibidas se someten desvanece al mismo tiempo. Los desplazamientos de fase introducidos por el canal de radio dependen de la longitud de onda de la seal portadora y por lo tanto en su frecuencia. Esto implica que la mejor opcin de PMI es una funcin de la frecuencia tambin. Sin embargo, esto se maneja fcilmente en un sistema OFDMA, como el receptor pueden retroalimentar diferentes valores de PMI para diferentes conjuntos de subportadoras. La mejor opcin de PMI tambin depende de la posicin del mvil, por lo que un mvil de movimiento rpido tendr un PMI que cambia con frecuencia. Por desgracia, el bucle de realimentacin introduce tiempo retrasos en el sistema, por lo que en el caso de los mviles en rpido movimiento, el PMI pueden estar fuera de la fecha por la vez que se utiliza. Por esta razn, la diversidad de transmisin de bucle cerrado slo es adecuado para los mviles que se estn moviendo su fi cientemente lentamente. Para movimiento rpido mviles, es mejor utilizar la tcnica de bucle abierto se describe en la siguiente seccin.

5.1.3 lazo abierto Diversidad de Transmisin

La Figura 5.3 muestra una implementacin de diversidad de transmisin en bucle abierto que se conoce como Alamouti de tcnica [6]. Aqu, el transmisor utiliza dos antenas para enviar dos smbolos, denotado s1 y s2, en dos pasos de tiempo sucesivos. En el primera paso, el transmisor enva s1 *desde el primera antena y s2 de la segunda, mientras que en el segundo paso, se enva s

2 de *la primera antena y s1 de la segunda. (El smbolo * indica que el transmisor debe cambiar el signo de la componente en cuadratura, en un proceso conocido como complejo conjugacin.) El receptor puede ahora hacer dos mediciones sucesivas de la seal recibida, la cual corresponden a las dos combinaciones diferentes de s1 y s2. A continuacin, puede resolver el resultante


Figura 5.3 Operacin de Alamouti de tcnica de diversidad de transmisin en bucle abierto.

ecuaciones, as como para recuperar los dos smbolos transmitidos. Slo hay dos requisitos: los patrones de decoloracin deben permanecer ms o menos la misma entre el primera paso de tiempo y el segundo, y las dos seales no deben someterse a desvanecimientos al mismo tiempo. Ambos requisitos son generalmente conocido. No hay un equivalente a Alamouti de tcnica para sistemas con ms de dos antenas. A pesar de esto, algunos ganancia de diversidad adicional todava se puede lograr en cuatro sistemas de antenas, mediante el canje de ida y vuelta entre los dos pares de antenas constituyentes. Esta tcnica es utilizado para cuatro antena de diversidad de bucle abierto en LTE. Podemos combinar la diversidad de transmisin en bucle abierto y cerrado con la diversidad recibir tcnicas de antes, dando un sistema que lleva a cabo el procesamiento de la diversidad mediante mltiples antenas en el transmisor y el receptor. La tcnica es diferente de la tcnicas de multiplexado espacial que describiremos al lado, aunque, como veremos, una sistema de multiplexado espacial puede recurrir a la transmisin de la diversidad y la recepcin si el las condiciones lo requieren.

5.2 Multiplexacin espacial

5.2.1 Principios de funcionamiento

La multiplexacin espacial tiene un propsito diferente de procesamiento de la diversidad. Si el transmisor y receptor ambos tienen mltiples antenas, entonces podemos configurar mltiples flujos de datos paralelos entre ellos, a fin de aumentar la velocidad de datos. En un sistema con NT de transmisin y NR recibir antenas, a menudo conocido como NT NR sistema de multiplexado espacial, la velocidad de datos mxima es proporcional a min (NT , NR). La Figura 5.4 muestra un sistema de multiplexacin espacial bsico, en el que el transmisor y receptor ambos tienen dos antenas. En el transmisor, el asignador de antena toma smbolos desde el modulador de dos en dos, y enva un smbolo a cada antena. Las antenas transmitir simultneamente los dos smbolos, a fin de duplicar la velocidad de datos transmitida. Los smbolos viajan a las antenas de recepcin por medio de cuatro trayectorias de radio separados, por lo que la seales recibidas se pueden escribir como sigue:

y1= H11 X1+ H12 X2+ n1

y2= H21 X1+ H22 X2+ n2 (5,1)

Aqu, X1 y X2 son las seales enviadas desde las dos antenas de transmisin, y1 y y2 son la las seales que llegan a las dos antenas de recepcin, y n1 y n2 representar el ruido recibido y la interferencia. Hij expresa la forma en que se atenan los smbolos transmitidos


Figura 5.4 Principios bsicos de un sistema de multiplexado espacial 2x2.

y la eliminacin se movi, a medida que viajan para recibir la antena yode antena de transmisin j. (El subndices yoy jpuede parecer al revs, pero esto es para mantener la coherencia con el notacin matemtica usual para matrices.) En general, todos los trminos en la ecuacin anterior son complejas. En la transmitidos y recibidos smbolos xj y yi y los trminos de ruido ni , Las partes real e imaginaria son las amplitudes de los componentes en fase y en cuadratura. Del mismo modo, en cada uno de los elementos de canal Hij , la magnitud representa la atenuacin de la seal de radio, mientras que la fase representa el cambio de fase. Sin embargo, el uso de nmeros complejos hara que los ejemplos innecesariamente complicado sin aadir mucha informacin extra, as que vamos a simplificar los ejemplos de utilizando nmeros reales solo. Para ello, vamos a suponer que el transmisor est modulando los bits utilizando modulacin por desplazamiento de fase binaria, de modo que los componentes en fase estn 1 y

1, y los componentes en cuadratura son cero. Tambin vamos a suponer que el canal de radio puede atenuar o invertir la seal, pero no introduce ningn otros cambios de fase. De acuerdo con estos supuestos, consideremos el siguiente ejemplo:

H11 = 0.8

H21 = 0.2

H12 = 0.6

H22 = 0.4

X1= 1

X2= 1

n1= 0.02

n2= 0.02 (5,2)

Sustituyendo estos nmeros en la ecuacin (5.1) muestra que las seales recibidas son tan de la siguiente manera:

y1= 0.22

y2= 0.22 (5.3)

La fi primera del receptor tarea es estimar los cuatro elementos de canal Hij . Para ayudar a que haga esto, los smbolos de referencia transmisiones del transmisor que siguen la tcnica bsica descrita en el Captulo 3, pero con una caracterstica adicional: cuando una antena transmite un smbolo de referencia, la otra antena mantiene tranquilo y enva nada en absoluto. El receptor puede estimar el elementos de canal H11 y H21, mediante la medicin de las dos seales recibidas en los momentos cuando


transmitir antena 1 est enviando un smbolo de referencia. A continuacin, puede esperar hasta la antena de

transmisin 2 enva un smbolo de referencia, antes de estimar los elementos de canal H12 y H22. El receptor tiene ahora suficiente informacin para estimar los smbolos transmitidos X1 y X2. Hay varias maneras para que haga esto, pero la ms sencilla es una cero forzado detector , Que funciona como sigue. Si dejamos de lado el ruido y la interferencia, entonces la ecuacin (5.1) es un par de ecuaciones simultneas para dos incgnitas, X1 y X2. Estas ecuaciones pueden ser invertida como sigue:

X1=

X2=

H22 y1 H12 y2

H11 H22 H21 H12 H11 y2 H21 y1

H11 H22 H21 H12

(5.4)

Aqu, Hij es el receptor de estimacin del elemento de canal Hij . (Esta cantidad puede ser diferente de Hij , Debido al ruido y otros errores en el proceso de estimacin de canal.) Del mismo modo, X1 y X2 son la receptor de estimaciones de los smbolos transmitidos X1 y X2. Sustituyendo los nmeros de las ecuaciones (5.2) y (5.3) da el siguiente resultado:

X1= + 1,1

X2= 1.1 (5.5)

Esto es consistente con smbolos transmitidos de 1 y -1. Por lo tanto, hemos transferido dos smbolos al mismo tiempo utilizando las mismas subportadoras, y se han duplicado la velocidad de datos.

5.2.2 lazo abierto espacial Multiplexing

Hay un problema con la tcnica descrita anteriormente. Para ilustrar esto, vamos a cambiar uno de los elementos de canal, H11, para dar el siguiente ejemplo:

H11 = 0.3

H21 = 0.2

H12 = 0.6

H22 = 0.4 (5.6)

Si tratamos de estimar los smbolos transmitidos utilizando la Ecuacin (5.4), que nd fi que H11 H22 H21 H12 es cero. Por lo tanto, terminamos divisin por cero, que es una tontera. Por lo tanto, para esta eleccin de elementos de canal, la tcnica ha fallado. Podemos ver lo que tiene salido mal sustituyendo los elementos de canal en la ecuacin (5.1), y la redaccin del las seales recibidas como sigue:

y1= 0,3 (x1 + 2x2 )+ n1

y2= 0,2 (x1 + 2x2 )+ n2 (5.7)

Mediante la medicin de las seales recibidas y1 y y2, nos estaban esperando para medir dos diferentes piezas de informacin, desde el que podamos recuperar los datos transmitidos. Este tiempo, sin embargo, hemos medido la misma pieza de informacin, a saber, X1+ 2x2, dos veces. Como resultado, no tenemos suficiente informacin para recuperar X1 y X2 de forma independiente. Por otra parte, esto no es slo un caso especial aislado. Si H11 H22 H21 H12 es pequeo pero no es cero, entonces nuestras estimaciones de X1 y X2 llegar a ser gravemente daado por el ruido y son totalmente inutilizable.


Figura 5.5 El funcionamiento de un sistema de bucle abierto multiplexado espacial 2x2.

La solucin viene de la certeza de que todava podemos enviar un smbolo a la vez, por el uso del procesamiento de la diversidad. Por lo tanto, requieren un sistema adaptativo, que puede utilizar la multiplexacin espacial enviar dos smbolos a la vez si los elementos de canal estn bien comportado y puede caer de nuevo a la diversidad de procesamiento de otra manera. Tal sistema se muestra en la Figura 5.5. En este caso, el receptor mide los elementos de canal y trabaja un rango indicacin (RI), que indica el nmero de smbolos que puede recibir con xito. Se alimenta entonces la indicacin de rango de vuelta al transmisor. Si la indicacin de rango es de dos, entonces el sistema funciona de la misma manera que describimos anterior. La transmisor de asignador de capa agarra dos smbolos, s1 y s2, de la trans- tampn mit, a fin de crear dos secuencias de datos independientes que se conocen como capas. La antena asignador a continuacin, enva un smbolo a cada antena, por un mapeo sencillo operacin:

X1= s1

X2= s2 (5,8)

El receptor mide las seales entrantes y recupera los smbolos transmitidos como antes. Si la indicacin de rango es uno, entonces el asignador de capa nica agarra un smbolo, s1, que el asignador de antena enva a ambas antenas de transmisin como sigue:

X1= s1

X2= s1 (5.9)


Bajo estos supuestos, la ecuacin (5.7) se convierte en la siguiente:

y1= 0.9s1 + n1

y2= 0.6s1 + n2 (5,10)

El receptor tiene ahora dos mediciones de la smbolo transmitido s1, y se puede combinar estos en un receptor de diversidad de manera que se recuperan los datos transmitidos. El efecto es el siguiente. Si los elementos de canal se comportan bien, entonces el transmisor enva dos smbolos a la vez y el receptor ellos se recupera utilizando un multiplexado espacial receptor. A veces esto no es posible, en cuyo caso el transmisor cae de nuevo a enviar un smbolo a la vez y el receptor cae de nuevo a la recepcin de la diversidad. Esta tcnica es implementado en LTE y, por razones que se aclararn en la siguiente seccin, se conoce como lazo abierto multiplexado espacial .

5.2.3 lazo cerrado espacial Multiplexing

Hay un problema restante. Para ilustrar esto, vamos a cambiar dos ms del canal elementos, por lo que:

H11 = 0.3

H21 = 0.2

H12 = 0.3

H22 = 0.2 (5,11)

Estos elementos de canal se comportaron mal, en ese H11 H22 H21 H12 es cero. Pero si

tratar de manejar la situacin en la manera descrita anteriormente, mediante el envo del mismo smbolo tanto de antenas de transmisin, a continuacin, las seales recibidas son como sigue:

y1= 0.3s1 0.3s1 + n1

y2= 0.2s1 0.2s1 + n2 (5,12)

As que las seales transmitidas anulan tanto antenas de recepcin y nos quedamos con mediciones de ruido y la interferencia entrante. Por lo tanto tenemos insuficientes informacin, incluso para recuperar s1. Para ver la salida, considere lo que sucede si enviamos un smbolo a la vez como antes, pero invertir la seal que se enva desde la segunda antena:

X1= s1

X2= s1 La seal recibida ahora se puede escribir como sigue:

y1= 0.3s1 + 0.3s1 + n1

y2= 0.2s1 + 0.2s1 + n2 (5.14)

(5,13)

Esta vez, podemos recuperar el smbolo transmitido s1. As que ahora requerimos dos niveles de adaptacin. Si la indicacin de rango es de dos, entonces el transmisor enva dos smbolos a la vez utilizando el mapeo de la antena de la Ecuacin (5.8). Si la indicacin de rango es uno, entonces el transmisor vuelve a caer al procesamiento diversidad y enva un smbolo a la vez. Al hacerlo, se elige un mapeo de antena tal como la ecuacin (5.9) o (5.13), que depende de la naturaleza exacta de los elementos de canal y que garantiza una fuerte seal en el receptor.


Figura 5.6 Operacin de un 2x2 en lazo cerrado del sistema de multiplexado espacial.

Tal sistema se muestra en la Figura 5.6. Aqu, el receptor mide los elementos de canal como antes y los utiliza para retroalimentar dos cantidades, es decir, la indicacin de rango y un indicador de la matriz de precodificacin (PMI). El PMI controla un precodificacin paso en el transmisor, que implementa un mapeo de antena adaptativa usando (por ejemplo) las ecuaciones (5.8), (5.9) y (5.13), para asegurar que las seales alcanzan el receptor sin cancelacin. (De hecho, el PMI tiene exactamente la misma funcin que vimos anteriormente al hablar de transmisin de circuito cerrado la diversidad, por lo que su nombre es el mismo.) En el receptor, el post-codificacin reveses paso el efecto de precodificacin y tambin incluye la etapa de estimacin de decisin suave de antes. Esta tcnica tambin se implementa en LTE, y es conocido como circuito cerrado mul- espacial tiplexing . En esta expresin, el trmino 'Bucle cerrado' se refiere especficamente al bucle que es creado por la retroalimentacin del PMI. La tcnica de la Seccin 5.2.2 se conoce como 'Abrir espacial bucle multiplexacin ', a pesar de que el receptor se sigue alimentando de nuevo una indicacin rango.

Representacin 5.2.4 Matriz

Ahora hemos cubierto los principios bsicos de multiplexado espacial. Para ir ms lejos, necesitamos una descripcin ms matemtico en trminos de matrices. Los lectores que no estn familiarizados con matrices pueden preferir saltar esta seccin y para reanudar la discusin en la Seccin 5.2.5 a continuacin. En notacin matricial, podemos escribir la seal recibida (ecuacin 5.1) como sigue:

y= H. x + n (5,15)


Aqu, Xes un vector columna que contiene las seales que se envan desde el NT de transmisin antenas. Del mismo modo, ny yson vectores columna que contiene el ruido y la resultante seales en el NR antenas de recepcin. La matriz de canal Htiene NR filas y NColumnas T, y expresa los cambios de amplitud y cambios de fase que la interfaz de aire introducido. En los ejemplos que hemos considerado anteriormente, el sistema de transmisin y dos tenan dos antenas de recepcin, por lo que la ecuacin de matriz anterior podra escribirse de la siguiente manera: .. ... . n1 H11 H12X. .(5.16).1+y1

= H21 H22X2n2 y2 Ahora supongamos que el nmero de antenas de transmisin y recepcin son iguales, por lo que NR= NT= N, Y vamos a ignorar el ruido y las interferencias que antes. Entonces podemos invertir la matriz de canal y derivar la siguiente estimacin de los smbolos de transmisin: X=H

1 .y (5.17)

Aqu, Hes el receptor de estimacin de la inversa de la matriz de canal, mientras esX su estimacin de la seal transmitida. Este es el detector de cero forzado de antes. La detector se encuentra con problemas si el ruido y las interferencias son demasiado grandes, pero, en estas circuns- posturas, una mnimo error cuadrtico medio (MMSE) detector da una respuesta ms precisa. Si la matriz de canal se comporta bien, entonces podemos medir las seales que llegan a la Nantenas de recepcin y el uso de un detector adecuado para estimar los smbolos que eran transmitida. Como resultado, podemos aumentar la velocidad de datos por un factor N. La matriz de canal puede, sin embargo, ser singular (Como en las ecuaciones 5.6 y 5.11), en cuyo caso su inversa hace no existe. Alternativamente, la matriz puede ser mal condicionada , En cuyo caso su inversa es corrompida por ruido. De cualquier manera, tenemos que nd fi otra solucin. La solucin viene de escribir la matriz de canal Hcomo sigue:

H= P1 .h.P (5,18)

1

Aqu, Pes una matriz formada a partir de la vectores propios de H, Mientras hes una matriz diagonal cuyos elementos son la valores propios de H. En el ejemplo de dos de antena, la diagonal matriz es:

K= .1 0 . 02

(5.19)

donde los valores propios son 1 y 2. Ahora vamos a transmitir los smbolos de la manera mostrada en la Figura 5.7. En la salida de la etapa posterior a la codificacin, el smbolo vector recibido es:

r= G.H.F.s + G.n (5,20)

donde scontiene los smbolos transmitidos en la entrada a la etapa de precodificacin, Fes el matriz de precodificacin, Hes la matriz de canal de costumbre, y Ges la matriz despus de la codificacin. Si

nosotros ahora elegir las matrices de pre y post-codificacin para que sean buenas aproximaciones a las matrices de vectores propios:

F P1

G P (5.21)


Figura 5.7 El funcionamiento de un sistema de multiplexacin espacial con un nmero arbitrario de antenas.

entonces el smbolo vector recibido se convierte en la siguiente:

r P.H.P 1 .s + P.n

h.s + P.n (5,22)

Haciendo caso omiso del ruido, ahora podemos escribir los smbolos recibidos en un espacio de dos antenas sistema de multiplexacin como sigue: ... . 1 0s . ..1 (5.23) r1 02s2 r2 Por tanto, tenemos dos flujos de datos independientes, sin ningn tipo de acoplamiento entre ellos. Ahora es trivial para el receptor para recuperar los smbolos transmitidos, como sigue: Rhode Island (5.24) si = ? i

As, mediante una eleccin adecuada de matrices de codificacin pre y post, Fy G, Podemos grandemente simplificar el diseo del receptor. Si la matriz de canal Hes singular, entonces algunos de sus valores propios ? i son cero. Si se est acondicionado enfermo, a continuacin, algunos de los valores propios son muy pequeas, de modo que el

reconstruidos smbolos estn muy daados por el ruido. La rango de Hes el nmero de valores propios utilizables y la indicacin rango de la Seccin 5.2.2 es igual al rango de H. En un sistema de dos antenas


con un rango de 1, por ejemplo, el smbolo vector recibido es el siguiente:... . 1 0s . ..1 r1 r20 0s2

(5,25)

El sistema puede explotar este comportamiento de la siguiente manera. El receptor estima el matriz de canal y se alimenta de nuevo la indicacin de rango, junto con la matriz de precodificacin F. Si la indicacin de rango es de dos, entonces el transmisor enva dos smbolos, s1 y s2, y la receptor de los reconstruye de la Ecuacin (5.23). Si la indicacin de rango es uno, entonces la transmisor simplemente enva un smbolo, s1, y no molestarse por s2 en absoluto. El receptor puede entonces reconstruir el smbolo transmitido partir de la ecuacin (5.25). En la prctica, el receptor no pasa una descripcin completa de Fde vuelta al transmisor, como que requerira demasiada retroalimentacin. En su lugar, se selecciona la aproximacin ms cercana a P1 de un libro de cdigos e indica su eleccin utilizando el indicador de la matriz de precodificacin, PMI. La inspeccin de las ecuaciones (5.22) y (5.23) muestra que los smbolos recibidos r1 y r2 puede tienen diferentes relaciones de seal a ruido, que dependen de los valores propios correspondientes 1 y 2. En LTE, el transmisor puede explotar este mediante el envo de los dos smbolos con diferente esquemas de modulacin y velocidades de codificacin, y tambin con diferentes potencias de transmisin. Tambin podemos utilizar la ecuacin (5.15) para describir un sistema en el que los nmeros de transmitir y recibir antenas son diferentes. La tcnica de valor propio slo funciona para plaza matrices, pero pueden generalizarse a una tcnica conocida como descomposicin en valores singulares [7] que funciona para matrices rectangulares tambin. La mxima velocidad de datos es proporcional a min (NT , NR), con cualquier antenas adicionales proporcionando de transmisin adicional o diversidad de recepcin.

5.2.5 cuestiones de aplicacin

La multiplexacin espacial se implementa en el enlace descendente de LTE Release 8, utilizando un mximo de cuatro antenas de transmisin de la estacin base y cuatro antenas de recepcin en el mvil. Hay cuestiones de aplicacin similares al procesamiento de la diversidad. En primer lugar, las antenas en la estacin base y el mvil deben ser razonablemente lejos, idealmente unas pocas longitudes de onda de la frecuencia portadora, o debe manejar diferentes polarizaciones. Si las antenas son demasiado cerrar juntos, entonces los elementos de canal Hij ser muy similar. Esto puede tomar fcilmente nosotros en la situacin de la Seccin 5.2.2, donde multiplexado espacial era inutilizable y nosotros tuvo que recurrir al tratamiento de la diversidad. Una situacin similar puede surgir fcilmente en el caso de transmisin de la lnea de visin y recepcin. Esto nos lleva a una conclusin inesperada: la multiplexacin espacial realmente funciona mejor en condiciones sin lnea de visin directa y significativasigni fi multitrayecto, ya que, en estos condiciones, los elementos de canal Hij no estn correlacionados entre s. En la lnea de visin condiciones, que a menudo tienen que recurrir al tratamiento de la diversidad. Como en el caso de diversidad de transmisin de bucle cerrado, el PMI depende de la frecuencia de la portadora y la posicin del mvil. Para movimiento rpido mviles, retrasos en el circuito de retroalimentacin puede hacer que el PMI no fiable en el momento en el transmisor de la hora de usarlo, lazo tan abierto a menudo se prefiere la multiplexacin espacial.

5.2.6 Mltiple MIMO usuario

La figura 5.8 muestra una tcnica ligeramente diferente. Aqu, dos de transmisin y dos reciben antenas estn compartiendo los tiempos de transmisin y frecuencias mismo, de la misma manera que antes.


Figura 5.8 Enlace ascendente MIMO multiusuario.

Esta vez, sin embargo, las antenas mviles estn en dos mviles diferentes en lugar de uno. Esta tcnica se conoce como MIMO multiusuario (MU-MIMO), en contraste con el odo: tcnicas de multiplexado espacial Lier, que a veces se conocen como solo MIMO usuario (SU-MIMO). Figura 5.8 espec fi camente muestra la implementacin de MIMO multiusuario en el enlace ascendente, que es la situacin ms comn. Aqu, los mviles transmiten al mismo tiempo y en la misma frecuencia portadora, pero sin utilizar ningn precodificacin y sin siquiera saber que son parte de un sistema de multiplexacin espacial. La estacin base recibe su transmisin misiones y los separa utilizando (por ejemplo) el mnimo significan detector de error cuadrado que hemos sealado antes. Esta tcnica slo funciona si la matriz de canal se comporta bien, pero por lo general puede garantizar esto por dos razones. En primer lugar, los mviles son propensos a estar muy separados, por lo que su trayectorias de los rayos es probable que sean muy diferentes. En segundo lugar, la estacin base puede elegir

libremente el mviles que participan, por lo que pueden elegir libremente los mviles que conducen a un bien educados matriz de canal. De enlace ascendente mltiple usuario MIMO no aumenta la tasa de datos mxima de un individuo mvil, pero todava es beneo fi cial debido al aumento en el rendimiento celular. Tambin puede implementarse utilizando los mviles de bajo costo que simplemente tienen un amplificador de potenciafi cador y

uno antena de transmisin, no dos. Por estas razones, mltiples usuarios MIMO es la tcnica estndar en el enlace ascendente de LTE Release 8: soltero MIMO usuario no se introduce en el enlace ascendente hasta Suelte 10. Tambin podemos aplicar MIMO usuario mltiple para el enlace descendente, como se muestra en la Figura 5.9.

Este tiempo, sin embargo, hay un problema. Mvil 1 puede medir su seal recibida y1 y la elementos de canal H11 y H12, de la misma manera que antes. Sin embargo, no tiene conocimiento


Figura 5.9 Enlace descendente MIMO multiusuario.

de la otra seal recibida y2, o de los otros elementos de canal H21 y H22. Lo opuesto situacin se aplica para el mvil 2. Ni mvil tiene conocimiento completo de la canal elementos o de las seales recibidas, que invalida las tcnicas que hemos estado usando. La solucin es implementar MIMO del enlace descendente de mltiples usuarios mediante la adaptacin de

otra tcnica de antena mltiple, conocido como la formacin de haz. Vamos a cubrir la formacin de haz en el siguiente seccin y luego volver al enlace descendente MIMO multiusuario al final del captulo.

5.3 Beamforming

5.3.1 Principios de funcionamiento

En la formacin de haz , Una estacin base utiliza mltiples antenas en una forma completamente diferente, a aumentar su cobertura. Los principios se muestran en la Figura 5.10. Aqu, mvil 1 es un largo camino desde la estacin de base, en una lnea de visin que est en ngulo recto con respecto a la red de antenas. Las seales procedentes de cada antena alcanzan mvil 1 en fase, por lo que interfieren constructivamente, y la potencia de la seal recibida es alta. Por otro lado, mvil 2 est en un ngulo oblicuo, y recibe seales de las antenas alternativas que son 180 fuera de fase. Estas seales interfiere destructivamente, por lo que la potencia de la seal recibida es baja. Por ello, hemos creado una haz de la antena sinttica, que tiene un apuntamiento del haz principal hacia mvil 1 y un nulo apuntando hacia mvil 2. La anchura de haz es ms estrecho que uno de una sola antena, por lo que la potencia transmitida se enfoca hacia mvil 1. Como resultado, el rango de la base estacin en la direccin de mvil 1 es mayor que antes.


Figura 5.10 Principios bsicos de la formacin de haz.

Como se muestra en la figura 5.11, podemos ir un paso ms all. Mediante la aplicacin de una rampa de fase a la seales transmitidas, podemos cambiar la direccin en la que se plantea una interferencia constructiva, para que podamos dirigir el haz hacia cualquier direccin que elijamos. En trminos ms generales, podemos ajustar las amplitudes y fases de las seales transmitidas, mediante la aplicacin de un conjunto adecuado de los pesos de antena. En un sistema con Nantenas, esto nos permite ajustar la direccin de la viga principal y hasta N 2 nulos o lbulos laterales. Podemos utilizar la misma tcnica para la construccin de un haz de recepcin sinttico para el enlace ascendente. Mediante la aplicacin de un conjunto adecuado de pesos de antena en el receptor de la estacin base, podemos

asegurar que las seales recibidas se suman en fase e interfieren constructivamente. Como resultado, podemos aumentar la gama en el enlace ascendente tambin. En OFDMA, podemos procesar diferentes subportadoras utilizando diferentes conjuntos de antena pesos, as como para crear haces de antena sintticos que apuntan en diferentes direcciones. Nosotros por lo tanto, puede utilizar la formacin de haz para comunicarse con varios mviles diferentes a la vez utilizando diferentes sub-portadoras, incluso si esos mviles son completamente diferentes ubicaciones. Beamforming funciona mejor si las antenas estn muy juntas, con una separacin comparable con la longitud de onda de las ondas de radio. Esto asegura que las seales enviadas o recibida por esas antenas estn altamente correlacionados. Esta es una situacin diferente a la diversidad procesamiento o espacial de multiplexado, que funcionan mejor si las antenas estn muy separadas, con seales no correlacionadas. Una estacin base es por lo tanto probable que utilice dos conjuntos de antenas: una muy prximas entre s para establecer la formacin de haz y un conjunto ampliamente espaciados por la diversidad y

espacial multiplexacin.

5.3.2 Beam Directivo

Todava no hemos examinado la cuestin de la forma de calcular los pesos de antena y dirigir el haz. Cmo se hace esto?


Figura 5.11 De direccin de haz utilizando un conjunto de desplazamientos de fase.

Para los haces de recepcin en el enlace ascendente, hay dos tcnicas principales [8, 9]. Uso la tcnica de la seal de referencia, la estacin base ajusta los pesos de antena de manera que se reconstruir la mvil de smbolos de referencia con la fase de la seal correcta y el mayor posible seal de interferencia ms ruido al (SINR). Una alternativa es el direccin de tcnica de la llegada, en el que la estacin base mide las seales que son recibidas por cada antena y estima la direccin del mvil de destino. De esta cantidad, se puede estimar los pesos de antena que son necesarios para una recepcin satisfactoria. Para las vigas de transmisin en el enlace descendente, la respuesta depende de la base estacin de modo de operacin. En el modo TDD, el enlace ascendente y el enlace descendente utilizan la misma portadora frecuencia, para que la estacin base puede usar los mismos pesos de antena en el enlace descendente que se calculado para el enlace ascendente. En el modo FDD, las frecuencias portadoras son diferentes, por lo que la pesos de antena de enlace descendente son diferentes y son ms difciles de estimar. Por esta razn, formacin de haz es ms comn en los sistemas que utilizan TDD en lugar de FDD.

5.3.3 Dual Beamforming Capa

La formacin de haz doble capa (Figura 5.12) toma la idea un paso ms all. En esta tcnica, la estacin base enva dos flujos de datos diferentes en su red de antenas, en lugar de slo uno. A continuacin, procesa los datos utilizando dos conjuntos diferentes de pesos de antena y aade el resultados juntos antes de la transmisin. Al hacerlo, ha creado dos antenas separadas vigas, que comparten las mismas subportadoras pero llevan dos conjuntos diferentes de informacin. La estacin base puede entonces ajustar los pesos de antena con el fin de dirigir los haces a dos diferentes mviles, por lo que la primera mvil recibe interferencia constructiva de la viga 1 y la interferencia destructiva de la viga 2 y viceversa. Al hacer esto, la estacin base


Figura 5.12 La formacin de haz doble capa utilizando dos conjuntos paralelos de pesos de antena.

puede duplicar la capacidad de la clula. Alternativamente, la estacin base puede dirigir los haces a dos antenas diferentes en un solo mvil, de manera que se doble que mvil de instantneo velocidad de datos. En condiciones ideales, el nmero mximo de flujos de datos independientes es igual a la nmero de antenas en la matriz. LTE primera apoya la tcnica en la versin 9 del 3GPP especi fi caciones. En esa versin, el nmero mximo de flujos de datos se limita a dos, que conduce a la formacin de haz dual nombre de capa.

5.3.4 enlace descendente MIMO Multiple User Revisited

Al final de la Seccin 5.2.6, hemos tratado de poner en prctica el enlace descendente MIMO multiusuario utilizando las mismas tcnicas que habamos utilizado anteriormente para la multiplexacin espacial. Descubrimos que los mviles no tenan suficiente informacin para recuperar los smbolos transmitidos, por lo que las tcnicas anteriores eran inadecuadas. Volviendo a la Figura 5.9, la nica solucin fiable es precodificar la transmitida smbolos s1 y s2, de modo que s1 est sujeto a la interferencia constructiva en el mvil 1 y interferencia destructiva en el mvil 2, con la situacin opuesta solicitar s2. Pero eso es exactamente la misma interpretacin que acabamos de utilizar para la formacin de haz doble capa. Este implica que el enlace descendente MU-MIMO es mejor entendido como una variedad de la formacin de haz,

usando la base antenas de estaciones que estn muy juntos en lugar de lejos. La diferencia entre el enlace descendente MIMO multiusuario y de doble capa de formacin de haz se encuentra en el clculo de los pesos de antena. Alimentaciones En MIMO multiusuario, cada mviles de nuevo una matriz de precodificacin de la cual la estacin base determina los pesos de antena que


que requiere. No hay tal retroalimentacin en la formacin de haz doble capa: en su lugar, la estacin base calcula los pesos de antena de enlace descendente desde sus mediciones de la mvil de enlace ascendente transmisiones. LTE primera apoya esta aplicacin del enlace descendente MIMO multiusuario en la versin 10 de la especificacin 3GPPfi caciones. Hay, sin embargo, un apoyo limitado para mltiples usuarios descendente MIMO en la Versin 8 tambin. La implementacin de lanzamiento 8 utiliza los mismos algoritmos que solo MIMO usuario hace, por lo que slo funciona con eficacia si el libro de cdigos pasa a contener una matriz de pre-codificacin que satisfacefi ca las condiciones descritas anteriormente. A menudo no es as, por lo

que el rendimiento de enlace descendente MIMO multiusuario en la versin 8 es relativamente pobre.

Referencias

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