hhhhh.en.es

5 Múltiples técnicas de antena Desde el principio, LTE fue diseñado para que la estación base y móvil podría tanto utilizar múltiples antenas para la transmisión y recepción de radio. Este capítulo trata de los tres principales múltiples técnicas de antena, que tienen diferentes objetivos y que son en práctica mentado de diferentes maneras. El más conocido es el procesamiento de diversidad, lo que aumenta la potencia de señal recibida y reduce la cantidad de desgaste por el uso de múltiples antenas en el transmisor, el receptor o ambos. Procesamiento de la Diversidad se ha utilizado desde los primeros días de las comunicaciones móviles, por lo que sólo la revisaremos briemosca. En la multiplexación espacial, el transmisor y el receptor tanto el uso de múltiples antenas de manera que para aumentar la velocidad de datos. Multiplexado espacial es una técnica relativamente nueva que sólo tiene recientemente ha introducido en las comunicaciones móviles, por lo que lo cubramos con más detalle que los otros. También se basa más bien en gran medida de las matemáticas subyacentes, por lo que nuestro tratamiento de multiplexación espacial se, por necesidad, ser más matemática que la de la otra temas de este libro. Finalmente, la formación de haz utiliza múltiples antenas en la estación base en Para aumentar la cobertura de la célula. La multiplexación espacial se describe a menudo como el uso de múltiple entrada múltiple salida (MIMO) antenas. Este nombre se deriva de las entradas y salidas a la interfaz aérea, de modo que "Entrada múltiple ' se refiere al transmisor y 'Salida múltiple' al receptor. Por desgracia, el nombre es un poco ambigua, ya que puede referirse tanto a la multiplexación espacial solo, o incluir el uso de diversidad de transmisión y recepción también. Por esta razón, nosotros generalmente se utiliza el término 'Multiplexación espacial' en su lugar. Para algunos comentarios de múltiples técnicas de antena y su uso en LTE, ver Referencias [1 -4].

5.1 Diversidad Procesamiento 5.1.1 Recibir Diversidad La diversidad de recepción se utiliza con mayor frecuencia en el enlace ascendente, de la manera mostrada en la Figura 5.1. Aquí, la estación base utiliza dos antenas para recoger a dos copias de la señal recibida. La señales llegan al antenas de recepción con diferentes cambios de fase, pero estos pueden ser removidos Una introducción a LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE y 4G Mobile Communications, Primera Edición. Christopher Cox. ©2012 John Wiley & Sons, Ltd. Publicado 2012 por John Wiley & Sons, Ltd.

Una introducción a la LTE

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Figura 5.1

Reducción de la decoloración mediante el uso de un receptor de diversidad.

por fi co canal estimación antena específica. La estación base puede entonces añadir las señales juntas en fase, sin ningún riesgo de interferencia destructiva entre ellos. Las señales son ambos confeccionados con varios rayos más pequeños, por lo que ambos están sujetos a la decoloración. Si las dos señales individuales experimentan desvanecimientos al mismo tiempo, entonces la potencia de la combinado señal será baja. Pero si las antenas están lo suficientemente separados (unas pocas longitudes de onda de la portadora frecuencia), a continuación, los dos conjuntos de geometrías de desvanecimiento serán muy diferentes, por lo que las señales de será mucho más propensos a sufrir desvanecimientos en completamente diferentes momentos. Tenemos, pues, reducido la cantidad de la decoloración en la señal combinada, que a su vez reduce la tasa de error. Las estaciones de base por lo general tienen más de una antena de recepción. En LTE, la móvil de prueba específi caciones asume que el móvil está utilizando dos antenas de recepción [5], de modo LTE ma Se espera que los sistemas de usar diversidad de recepción en el enlace descendente, así como el enlace ascendente. La móvil de antenas están más juntos que una base Estación de, lo que reduce el beneficiofi cio de diversidad de recepción, pero la situación a menudo se puede mejorar utilizando antenas que miden dos polarizaciones independientes de la señal entrante.

5.1.2 lazo cerrado Diversidad de Transmisión

Transmitir la diversidad reduce la cantidad de la decoloración mediante el uso de dos o más antenas en el transmisor. Es super fi cialmente similar a la diversidad de recepción, pero con un problema crucial: las señales se suman a la única antena de recepción, que trae un riesgo de destrucción interferencia. Hay dos maneras de resolver el problema, el primera de los cuales es bucle cerrado la diversidad de transmisión (Figura 5.2). Aquí, el transmisor envía dos copias de la señal de la forma esperada, pero también se aplica un desplazamiento de fase a una o ambas señales antes de la transmisión. Al hacer esto, se puede asegurar que las dos señales llegan al receptor en fase, sin ningún riesgo de destructiva interferencia. El desplazamiento de fase se determina por una precodificación indicador de matriz (PMI), el cual se calcula por el receptor y se alimenta de vuelta al transmisor. Un simple PMI podría indicar dos opciones: o bien transmitir ambas señales sin cambios de fase, o transmitir el segundo

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Múltiples técnicas de antena

Figura 5.2

Operación de diversidad de transmisión de bucle cerrado.

con un desplazamiento de fase de 180◦ . Si el primera opción conduce a la interferencia destructiva, entonces la segundo trabajará de forma automática. Una vez más, la amplitud de la señal combinada es solamente baja en el improbable caso de que las dos señales 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 señal portadora y por lo tanto en su frecuencia. Esto implica que la mejor opción de PMI es una función de la frecuencia también. Sin embargo, esto se maneja fácilmente en un sistema OFDMA, como el receptor pueden retroalimentar diferentes valores de PMI para diferentes conjuntos de subportadoras. La mejor opción de PMI también depende de la posición del móvil, por lo que un móvil de movimiento rápido tendrá un PMI que cambia con frecuencia. Por desgracia, el bucle de realimentación introduce tiempo retrasos en el sistema, por lo que en el caso de los móviles en rápido movimiento, el PMI pueden estar fuera de la fecha por la vez que se utiliza. Por esta razón, la diversidad de transmisión de bucle cerrado sólo es adecuado para los móviles que se están moviendo su fi cientemente lentamente. Para movimiento rápido móviles, es mejor utilizar la técnica de bucle abierto se describe en la siguiente sección.

5.1.3 lazo abierto Diversidad de Transmisión La Figura 5.3 muestra una implementación de diversidad de transmisión en bucle abierto que se conoce como Alamouti de técnica [6]. Aquí, el transmisor utiliza dos antenas para enviar dos símbolos, denotado s1 y s2, en dos pasos de tiempo sucesivos. En el primera paso, el transmisor envía s1 *desde

el primera antena y s2 de la segunda, mientras que en el segundo paso, se envía s

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


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Figura 5.3

Operación de Alamouti de técnica de diversidad de transmisión en bucle abierto.

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

5.2 Multiplexación espacial 5.2.1 Principios de funcionamiento La multiplexación espacial tiene un propósito diferente de procesamiento de la diversidad. Si el transmisor y receptor ambos tienen múltiples antenas, entonces podemos configurar múltiples flujos de datos paralelos entre ellos, a fin de aumentar la velocidad de datos. En un sistema con NT de transmisión y NR recibir antenas, a menudo conocido como NT× NR sistema de multiplexado espacial, la velocidad de datos máxima es proporcional a min (NT , NR). La Figura 5.4 muestra un sistema de multiplexación espacial básico, en el que el transmisor y receptor ambos tienen dos antenas. En el transmisor, el asignador de antena toma símbolos desde el modulador de dos en dos, y envía un símbolo a cada antena. Las antenas transmitir simultáneamente los dos símbolos, a fin de duplicar la velocidad de datos transmitida. Los símbolos viajan a las antenas de recepción por medio de cuatro trayectorias de radio separados, por lo que la señales recibidas se pueden escribir como sigue: y1= H11 X1+ H12 X2+ n1 y2= H21 X1+ H22 X2+ n2 Aquí, X1 y X2 son las señales enviadas desde las dos antenas de transmisión, y1 y y2 son la las señales que llegan a las dos antenas de recepción, y n1 y n2 representar el ruido recibido y la interferencia. Hij expresa la forma en que se atenúan los símbolos transmitidos

(5,1)

81


Figura 5.4

Principios básicos de un sistema de multiplexado espacial 2x2.

y la eliminación se movió, a medida que viajan para recibir la antena yode antena de transmisión j. (El subíndices yoy jpuede parecer al revés, pero esto es para mantener la coherencia con el notación matemática usual para matrices.) En general, todos los términos en la ecuación anterior son complejas. En la transmitidos y recibidos símbolos xj y yi y los términos 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 atenuación de la señal de radio, mientras que la fase representa el cambio de fase. Sin embargo, el uso de números complejos haría que los ejemplos innecesariamente complicado sin añadir mucha información extra, así que vamos a simplificar los ejemplos de utilizando números reales solo. Para ello, vamos a suponer que el transmisor está modulando los bits utilizando modulación por desplazamiento de fase binaria, de modo que los componentes en fase están 1 y 1, y los componentes en cuadratura son cero. También vamos a suponer que el canal de radio puede atenuar o invertir la señal, pero no introduce ningún otros cambios de fase. De acuerdo con estos supuestos, consideremos el siguiente ejemplo: H11 = 0.8

H12 = 0.6

X1= 1

n1= 0.02

H21 = 0.2

H22 = 0.4

X2= 1

n2= 0.02

(5,2)

Sustituyendo estos números en la ecuación (5.1) muestra que las señales recibidas son tan de la siguiente manera: y1= 0.22

(5.3)

y2= 0.22 La fi primera del receptor tarea es estimar los cuatro elementos de canal Hij . Para ayudar a que haga esto, los símbolos de referencia transmisiones del transmisor que siguen la técnica básica descrita en el Capítulo 3, pero con una característica adicional: cuando una antena transmite un símbolo de referencia, la otra antena mantiene tranquilo y envía nada en absoluto. El receptor puede estimar el elementos de canal H11 y H21, mediante la medición de las dos señales recibidas en los momentos cuando


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transmitir antena 1 está enviando un símbolo de referencia. A continuación, puede esperar hasta la antena de transmisión 2 envía un símbolo de referencia, antes de estimar los elementos de canal H12 y H22. El receptor tiene ahora suficiente información para estimar los símbolos transmitidos X1 y X2. Hay varias maneras para que haga esto, pero la más sencilla es una cero forzado detector , Que funciona como sigue. Si dejamos de lado el ruido y la interferencia, entonces la ecuación (5.1) es un par de ecuaciones simultáneas para dos incógnitas, X1 y X2. Estas ecuaciones pueden ser invertida como sigue: H22 y1 H12 y2 X1= H11 H22 H21 H12 H11 y2 H21 y1 (5.4) X2=

H11 H22 H21 H12

Aquí, Hij es el receptor de estimación del elemento de canal Hij . (Esta cantidad puede ser diferente de Hij , Debido al ruido y otros errores en el proceso de estimación de canal.) Del mismo modo, X1 y X2 son la receptor de estimaciones de los símbolos transmitidos X1 y X2. Sustituyendo los números de las ecuaciones (5.2) y (5.3) da el siguiente resultado: X1= + 1,1 X2= 1.1 Esto es consistente con símbolos transmitidos de 1 y -1. Por lo tanto, hemos transferido

(5.5)

dos símbolos 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 técnica descrita anteriormente. Para ilustrar esto, vamos a cambiar uno de los elementos de canal, H11, para dar el siguiente ejemplo: H11 = 0.3

H12 = 0.6

H21 = 0.2

H22 = 0.4

(5.6)

Si tratamos de estimar los símbolos transmitidos utilizando la Ecuación (5.4), que nd fi que H11 H22 H21 H12 es cero. Por lo tanto, terminamos división por cero, que es una tontería. Por lo tanto, para esta elección de elementos de canal, la técnica ha fallado. Podemos ver lo que tiene salido mal sustituyendo los elementos de canal en la ecuación (5.1), y la redacción del las señales recibidas como sigue: y1= 0,3 (x1 + 2x2 )+ n1 y2= 0,2 (x1 + 2x2 )+ n2 Mediante la medición de las señales recibidas y1 y y2, nos estaban esperando para medir dos diferentes piezas de información, desde el que podíamos recuperar los datos transmitidos. Este tiempo, sin embargo, hemos medido la misma pieza de información, a saber, X1+ 2x2, dos veces. Como resultado, no tenemos suficiente información para recuperar X1 y X2 de forma independiente. Por otra parte, esto no es sólo un caso especial aislado. Si H11 H22 H21 H12 es pequeño pero no es cero, entonces nuestras estimaciones de X1 y X2 llegar a ser gravemente dañado por el ruido y son totalmente inutilizable.

(5.7)

83


Figura 5.5

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

La solución viene de la certeza de que todavía podemos enviar un símbolo a la vez, por el uso del procesamiento de la diversidad. Por lo tanto, requieren un sistema adaptativo, que puede utilizar la multiplexación espacial enviar dos símbolos a la vez si los elementos de canal están 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 indicación (RI), que indica el número de símbolos que puede recibir con éxito. Se alimenta entonces la indicación de rango de vuelta al transmisor. Si la indicación de rango es de dos, entonces el sistema funciona de la misma manera que describimos anterior. La transmisor de asignador de capa agarra dos símbolos, s1 y s2, de la transtampón mit, a fin de crear dos secuencias de datos independientes que se conocen como capas. La antena asignador a continuación, envía un símbolo a cada antena, por un mapeo sencillo operación:

X1= s1

(5,8)

X2= s2 El receptor mide las señales entrantes y recupera los símbolos transmitidos como antes. Si la indicación de rango es uno, entonces el asignador de capa única agarra un símbolo, s1, que el asignador de antena envía a ambas antenas de transmisión como sigue: X1= s1 X2= s1

(5.9)


84

Bajo estos supuestos, la ecuación (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 símbolo 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 envía dos símbolos 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 símbolo a la vez y el receptor cae de nuevo a la recepción de la diversidad. Esta técnica es implementado en LTE y, por razones que se aclararán en la siguiente sección, 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 más del canal elementos, por lo que: H11 = 0.3

H12 = 0.3

H21 = 0.2 H22 = 0.2 Estos elementos de canal se comportaron mal, en ese H11 H22 H21 H12 es cero. Pero si

(5,11)

tratar de manejar la situación en la manera descrita anteriormente, mediante el envío del mismo símbolo tanto de antenas de transmisión, a continuación, las señales recibidas son como sigue: y1= 0.3s1 0.3s1 + n1 y2= 0.2s1 0.2s1 + n2

(5,12)

Así que las señales transmitidas anulan tanto antenas de recepción y nos quedamos con mediciones de ruido y la interferencia entrante. Por lo tanto tenemos insuficientes información, incluso para recuperar s1. Para ver la salida, considere lo que sucede si enviamos un símbolo a la vez como antes, pero invertir la señal que se envía desde la segunda antena: X1= s1 X2= s1

(5,13)

La señal recibida ahora se puede escribir como sigue: y1= 0.3s1 + 0.3s1 + n1 y2= 0.2s1 + 0.2s1 + n2

(5.14)

Esta vez, podemos recuperar el símbolo transmitido s1. Así que ahora requerimos dos niveles de adaptación. Si la indicación de rango es de dos, entonces el transmisor envía dos símbolos a la vez utilizando el mapeo de la antena de la Ecuación (5.8). Si la indicación de rango es uno, entonces el transmisor vuelve a caer al procesamiento diversidad y envía un símbolo a la vez. Al hacerlo, se elige un mapeo de antena tal como la ecuación (5.9) o (5.13), que depende de la naturaleza exacta de los elementos de canal y que garantiza una fuerte señal en el receptor.

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Figura 5.6

Operación de un 2x2 en lazo cerrado del sistema de multiplexado espacial.

Tal sistema se muestra en la Figura 5.6. Aquí, el receptor mide los elementos de canal como antes y los utiliza para retroalimentar dos cantidades, es decir, la indicación de rango y un indicador de la matriz de precodificación (PMI). El PMI controla un precodificación 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 señales alcanzan el receptor sin cancelación. (De hecho, el PMI tiene exactamente la misma función que vimos anteriormente al hablar de transmisión de circuito cerrado la diversidad, por lo que su nombre es el mismo.) En el receptor, el post-codificación reveses paso el efecto de precodificación y también incluye la etapa de estimación de decisión suave de antes. Esta técnica también se implementa en LTE, y es conocido como circuito cerrado mul- espacial tiplexing . En esta expresión, el término 'Bucle cerrado' se refiere específicamente al bucle que es creado por la retroalimentación del PMI. La técnica de la Sección 5.2.2 se conoce como 'Abrir espacial bucle multiplexación ', a pesar de que el receptor se sigue alimentando de nuevo una indicación rango.

Representación 5.2.4 Matriz Ahora hemos cubierto los principios básicos de multiplexado espacial. Para ir más lejos, necesitamos una descripción más matemático en términos de matrices. Los lectores que no están familiarizados con matrices pueden preferir saltar esta sección y para reanudar la discusión en la Sección 5.2.5 a continuación. En notación matricial, podemos escribir la señal recibida (ecuación 5.1) como sigue: y= H. x + n

(5,15)


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Aquí, Xes un vector columna que contiene las señales que se envían desde el NT de transmisión antenas. Del mismo modo, ny yson vectores columna que contiene el ruido y la resultante señales en el NR antenas de recepción. 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 transmisión y dos tenían dos antenas de recepción, por lo que la ecuación de matriz anterior podría escribirse de la siguiente manera: .. ... . n1 H11 H12X. .(5.16).1+y1 = H21 H22X2n2 y2 Ahora supongamos que el número de antenas de transmisión y recepción son iguales, por lo que

NR= NT= N, Y vamos a ignorar el ruido y las interferencias que antes. Entonces podemos invertir 1

la matriz de canal y derivar la siguiente estimación de los símbolos de transmisión: X=H .y

(5.17)

1 Hes el receptor de estimación de la inversa de la matriz de canal, mientras esX Aquí, su estimación de la señal 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 circunsposturas, una mínimo error cuadrático medio (MMSE) detector da una respuesta más precisa. Si la matriz de canal se comporta bien, entonces podemos medir las señales que llegan a la Nantenas de recepción y el uso de un detector adecuado para estimar los símbolos 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 solución. La solución viene de escribir la matriz de canal Hcomo sigue:

H= P1 .h.P

(5,18)

Aquí, 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= .λ1 0 .

(5.19)

0λ2 donde los valores propios son λ1 y λ2. Ahora vamos a transmitir los símbolos de la manera mostrada en la Figura 5.7. En la salida de la etapa posterior a la codificación, el símbolo vector recibido es: r= G.H.F.s + G.n

(5,20)

donde scontiene los símbolos transmitidos en la entrada a la etapa de precodificación, Fes el matriz de precodificación, Hes la matriz de canal de costumbre, y Ges la matriz después de la codificación. Si nosotros ahora elegir las matrices de pre y post-codificación para que sean buenas aproximaciones a las matrices de vectores propios: F≈ P1 (5.21) G≈ P

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Figura 5.7

El funcionamiento de un sistema de multiplexación espacial con un número arbitrario de antenas.

entonces el símbolo 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 símbolos recibidos en un espacio de dos antenas sistema de multiplexación como sigue: ... . λ1 0s . ..1 (5.23) r1 ≈ 0λ2s2 r2 Por tanto, tenemos dos flujos de datos independientes, sin ningún tipo de acoplamiento entre ellos. Ahora es trivial para el receptor para recuperar los símbolos transmitidos, como sigue: Rhode Island (5.24) Así, mediante una elección adecuada de matrices de codificación pre y post, Fy G, Podemos grandemente si = simplificar el diseño del receptor. Si la matriz de canal Hes singular, entonces ? i algunos de sus valores propios ? i son cero. Si se está acondicionado enfermo, a continuación, algunos de los valores propios son muy pequeñas, de modo que el reconstruidos símbolos están muy dañados por el ruido. La rango de Hes el número de valores propios utilizables y la indicación rango de la Sección 5.2.2 es igual al rango de H. En un sistema de dos antenas

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con un rango de 1, por ejemplo, el símbolo vector recibido es el siguiente:... . λ 1 0s . ..1


(5,25)

r1≈ El sistema puede explotar este de la siguiente manera. El receptor estima el r20 0comportamiento s2 matriz de canal y se alimenta de nuevo la indicación de rango, junto con la matriz de precodificación F. Si la indicación de rango es de dos, entonces el transmisor envía dos símbolos, s1 y s2, y la receptor de los reconstruye de la Ecuación (5.23). Si la indicación de rango es uno, entonces la transmisor simplemente envía un símbolo, s1, y no molestarse por s2 en absoluto. El receptor puede entonces reconstruir el símbolo transmitido partir de la ecuación (5.25). En la práctica, el receptor no pasa una descripción completa de Fde vuelta al transmisor, como que requeriría demasiada retroalimentación. En su lugar, se selecciona la aproximación más cercana a P1 de un libro de códigos e indica su elección utilizando el indicador de la matriz de precodificación, PMI. La inspección de las ecuaciones (5.22) y (5.23) muestra que los símbolos recibidos r1 y r2 puede tienen diferentes relaciones de señal a ruido, que dependen de los valores propios correspondientes λ1 y λ2. En LTE, el transmisor puede explotar este mediante el envío de los dos símbolos con diferente esquemas de modulación y velocidades de codificación, y también con diferentes potencias de transmisión. También podemos utilizar la ecuación (5.15) para describir un sistema en el que los números de transmitir y recibir antenas son diferentes. La técnica de valor propio sólo funciona para plaza matrices, pero pueden generalizarse a una técnica conocida como descomposición en valores singulares [7] que funciona para matrices rectangulares también. La máxima velocidad de datos es proporcional a min (NT , NR), con cualquier antenas adicionales proporcionando de transmisión adicional o diversidad de recepción.

5.2.5 cuestiones de aplicación La multiplexación espacial se implementa en el enlace descendente de LTE Release 8, utilizando un máximo de cuatro antenas de transmisión de la estación base y cuatro antenas de recepción en el móvil. Hay cuestiones de aplicación similares al procesamiento de la diversidad. En primer lugar, las antenas en la estación base y el móvil 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 será muy similar. Esto puede tomar fácilmente nosotros en la situación de la Sección 5.2.2, donde multiplexado espacial era inutilizable y nosotros tuvo que recurrir al tratamiento de la diversidad. Una situación similar puede surgir fácilmente en el caso de transmisión de la línea de visión y recepción. Esto nos lleva a una conclusión inesperada: la multiplexación espacial realmente funciona mejor en condiciones sin línea de visión directa y significativasigni fi multitrayecto, ya que, en estos condiciones, los elementos de canal Hij no están correlacionados entre sí. En la línea de visión condiciones, que a menudo tienen que recurrir al tratamiento de la diversidad. Como en el caso de diversidad de transmisión de bucle cerrado, el PMI depende de la frecuencia de la portadora y la posición del móvil. Para movimiento rápido móviles, retrasos en el circuito de retroalimentación 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 multiplexación espacial.

5.2.6 Múltiple MIMO usuario La figura 5.8 muestra una técnica ligeramente diferente. Aquí, dos de transmisión y dos reciben antenas están compartiendo los tiempos de transmisión y frecuencias mismo, de la misma manera que antes.

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Figura 5.8

Enlace ascendente MIMO multiusuario.

Esta vez, sin embargo, las antenas móviles están en dos móviles diferentes en lugar de uno. Esta técnica se conoce como MIMO multiusuario (MU-MIMO), en contraste con el oído: técnicas de multiplexado espacial Lier, que a veces se conocen como solo MIMO usuario (SU-MIMO). Figura 5.8 especí fi camente muestra la implementación de MIMO multiusuario en el enlace ascendente, que es la situación más común. Aquí, los móviles transmiten al mismo tiempo y en la misma frecuencia portadora, pero sin utilizar ningún precodificación y sin siquiera saber que son parte de un sistema de multiplexación espacial. La estación base recibe su transmisión misiones y los separa utilizando (por ejemplo) el mínimo significan detector de error cuadrado que hemos señalado antes. Esta técnica sólo funciona si la matriz de canal se comporta bien, pero por lo general puede garantizar esto por dos razones. En primer lugar, los móviles son propensos a estar muy separados, por lo que su trayectorias de los rayos es probable que sean muy diferentes. En segundo lugar, la estación base puede elegir libremente el móviles que participan, por lo que pueden elegir libremente los móviles que conducen a un bien educados matriz de canal. De enlace ascendente múltiple usuario MIMO no aumenta la tasa de datos máxima de un individuo móvil, pero todavía es beneo fi cial debido al aumento en el rendimiento celular. También puede implementarse utilizando los móviles de bajo costo que simplemente tienen un amplificador de potenciafi cador y uno antena de transmisión, no dos. Por estas razones, múltiples usuarios MIMO es la técnica estándar en el enlace ascendente de LTE Release 8: soltero MIMO usuario no se introduce en el enlace ascendente hasta Suelte 10. También podemos aplicar MIMO usuario múltiple para el enlace descendente, como se muestra en la Figura 5.9. Este tiempo, sin embargo, hay un problema. Móvil 1 puede medir su señal recibida y1 y la elementos de canal H11 y H12, de la misma manera que antes. Sin embargo, no tiene conocimiento


90

Figura 5.9

Enlace descendente MIMO multiusuario.

de la otra señal recibida y2, o de los otros elementos de canal H21 y H22. Lo opuesto situación se aplica para el móvil 2. Ni móvil tiene conocimiento completo de la canal elementos o de las señales recibidas, que invalida las técnicas que hemos estado usando. La solución es implementar MIMO del enlace descendente de múltiples usuarios mediante la adaptación de otra técnica de antena múltiple, conocido como la formación de haz. Vamos a cubrir la formación de haz en el siguiente sección y luego volver al enlace descendente MIMO multiusuario al final del capítulo.

5.3 Beamforming 5.3.1 Principios de funcionamiento En la formación de haz , Una estación base utiliza múltiples antenas en una forma completamente diferente, a aumentar su cobertura. Los principios se muestran en la Figura 5.10. Aquí, móvil 1 es un largo camino desde la estación de base, en una línea de visión que está en ángulo recto con respecto a la red de antenas. Las señales procedentes de cada antena alcanzan móvil 1 en fase, por lo que interfieren constructivamente, y la potencia de la señal recibida es alta. Por otro lado, móvil 2 está en un ángulo oblicuo, y recibe señales de las antenas alternativas que son 180◦ fuera de fase. Estas señales interfiere destructivamente, por lo que la potencia de la señal recibida es baja. Por ello, hemos creado una haz de la antena sintética, que tiene un apuntamiento del haz principal hacia móvil 1 y un nulo apuntando hacia móvil 2. La anchura de haz es más estrecho que uno de una sola antena, por lo que la potencia transmitida se enfoca hacia móvil 1. Como resultado, el rango de la base estación en la dirección de móvil 1 es mayor que antes.

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Figura 5.10

Principios básicos de la formación de haz.

Como se muestra en la figura 5.11, podemos ir un paso más allá. Mediante la aplicación de una rampa de fase a la señales transmitidas, podemos cambiar la dirección en la que se plantea una interferencia constructiva, para que podamos dirigir el haz hacia cualquier dirección que elijamos. En términos más generales, podemos ajustar las amplitudes y fases de las señales transmitidas, mediante la aplicación de un conjunto adecuado de los pesos de antena. En un sistema con Nantenas, esto nos permite ajustar la dirección de la viga principal y hasta N 2 nulos o lóbulos laterales. Podemos utilizar la misma técnica para la construcción de un haz de recepción sintético para el enlace ascendente. Mediante la aplicación de un conjunto adecuado de pesos de antena en el receptor de la estación base, podemos asegurar que las señales recibidas se suman en fase e interfieren constructivamente. Como resultado, podemos aumentar la gama en el enlace ascendente también. En OFDMA, podemos procesar diferentes subportadoras utilizando diferentes conjuntos de antena pesos, así como para crear haces de antena sintéticos que apuntan en diferentes direcciones. Nosotros por lo tanto, puede utilizar la formación de haz para comunicarse con varios móviles diferentes a la vez utilizando diferentes sub-portadoras, incluso si esos móviles son completamente diferentes ubicaciones. Beamforming funciona mejor si las antenas están muy juntas, con una separación comparable con la longitud de onda de las ondas de radio. Esto asegura que las señales enviadas o recibida por esas antenas están altamente correlacionados. Esta es una situación diferente a la diversidad procesamiento o espacial de multiplexado, que funcionan mejor si las antenas están muy separadas, con señales no correlacionadas. Una estación base es por lo tanto probable que utilice dos conjuntos de antenas: una muy próximas entre sí para establecer la formación de haz y un conjunto ampliamente espaciados por la diversidad y espacial multiplexación.

5.3.2 Beam Directivo Todavía no hemos examinado la cuestión de la forma de calcular los pesos de antena y dirigir el haz. ¿Cómo se hace esto?


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Figura 5.11

De dirección de haz utilizando un conjunto de desplazamientos de fase.

Para los haces de recepción en el enlace ascendente, hay dos técnicas principales [8, 9]. Uso la técnica de la señal de referencia, la estación base ajusta los pesos de antena de manera que se reconstruir la móvil de símbolos de referencia con la fase de la señal correcta y el mayor posible señal de interferencia más ruido al (SINR). Una alternativa es el dirección de técnica de la llegada, en el que la estación base mide las señales que son recibidas por cada antena y estima la dirección del móvil de destino. De esta cantidad, se puede estimar los pesos de antena que son necesarios para una recepción satisfactoria. Para las vigas de transmisión en el enlace descendente, la respuesta depende de la base estación de modo de operación. En el modo TDD, el enlace ascendente y el enlace descendente utilizan la misma portadora frecuencia, para que la estación 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 más difíciles de estimar. Por esta razón, formación de haz es más común en los sistemas que utilizan TDD en lugar de FDD.

5.3.3 Dual Beamforming Capa La formación de haz doble capa (Figura 5.12) toma la idea un paso más allá. En esta técnica, la estación base envía dos flujos de datos diferentes en su red de antenas, en lugar de sólo uno. A continuación, procesa los datos utilizando dos conjuntos diferentes de pesos de antena y añade el resultados juntos antes de la transmisión. Al hacerlo, ha creado dos antenas separadas vigas, que comparten las mismas subportadoras pero llevan dos conjuntos diferentes de información. La estación base puede entonces ajustar los pesos de antena con el fin de dirigir los haces a dos diferentes móviles, por lo que la primera móvil recibe interferencia constructiva de la viga 1 y la interferencia destructiva de la viga 2 y viceversa. Al hacer esto, la estación base


Figura 5.12

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La formación de haz doble capa utilizando dos conjuntos paralelos de pesos de antena.

puede duplicar la capacidad de la célula. Alternativamente, la estación base puede dirigir los haces a dos antenas diferentes en un solo móvil, de manera que se doble que móvil de instantáneo velocidad de datos. En condiciones ideales, el número máximo de flujos de datos independientes es igual a la número de antenas en la matriz. LTE primera apoya la técnica en la versión 9 del 3GPP especi fi caciones. En esa versión, el número máximo de flujos de datos se limita a dos, que conduce a la formación de haz dual nombre de capa.

5.3.4 enlace descendente MIMO Multiple User Revisited Al final de la Sección 5.2.6, hemos tratado de poner en práctica el enlace descendente MIMO multiusuario utilizando las mismas técnicas que habíamos utilizado anteriormente para la multiplexación espacial. Descubrimos que los móviles no tenían suficiente información para recuperar los símbolos transmitidos, por lo que las técnicas anteriores eran inadecuadas. Volviendo a la Figura 5.9, la única solución fiable es precodificar la transmitida símbolos s1 y s2, de modo que s1 está sujeto a la interferencia constructiva en el móvil 1 y interferencia destructiva en el móvil 2, con la situación opuesta solicitar s2. Pero eso es exactamente la misma interpretación que acabamos de utilizar para la formación de haz doble capa. Este implica que el enlace descendente MU-MIMO es mejor entendido como una variedad de la formación de haz, usando la base antenas de estaciones que están muy juntos en lugar de lejos. La diferencia entre el enlace descendente MIMO multiusuario y de doble capa de formación de haz se encuentra en el cálculo de los pesos de antena. Alimentaciones En MIMO multiusuario, cada móviles de nuevo una matriz de precodificación de la cual la estación base determina los pesos de antena que

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que requiere. No hay tal retroalimentación en la formación de haz doble capa: en su lugar, la estación base calcula los pesos de antena de enlace descendente desde sus mediciones de la móvil de enlace ascendente transmisiones. LTE primera apoya esta aplicación del enlace descendente MIMO multiusuario en la versión 10 de la especificación 3GPPfi caciones. Hay, sin embargo, un apoyo limitado para múltiples usuarios descendente MIMO en la Versión 8 también. La implementación de lanzamiento 8 utiliza los mismos algoritmos que solo MIMO usuario hace, por lo que sólo funciona con eficacia si el libro de códigos pasa a contener una matriz de pre-codificación que satisfacefi ca las condiciones descritas anteriormente. A menudo no es así, por lo que el rendimiento de enlace descendente MIMO multiusuario en la versión 8 es relativamente pobre.

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