Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 77 Capt ul o3 Tecnologa MIMO 3.1.Introduccin Las redes inalmbricas de rea local han cosechado xitos instantneos tanto en ambientes residenciales y domsticos como en oficinas y empresas, debido en parte a la funcinqueaportanyasubajocoste.Sinembargo,latasadetransferenciaque conseguimos con las WLANs actuales es todava muy limitada comparndolas con las LAN cableadas. Despus del 802.11b aparecieron el estndar 802.11a y el tan extendido 802.11g, que quintuplican la velocidad del primero, pero sus 54Mbps quedan muy lejos an de los 1000Mbps del Gigabit Ethernet que usan algunas redes cableadas. Adems el alcance y el rendimiento que ofrecen son bastante mejorables. MIMO,acrnimoeninglsdeMultiple-InputMultiple-Output(enespaol, Mltipleentrada,Mltiplesalida)surgecomolatecnologaqueprometeresolver muchosdeestosproblemasenunfuturoinmediato,ofreciendomayorestasasde transferencia,mayoresdistanciasdecobertura,mayorcapacidaddeusuariosyms fiabi lidad; y todo ello sin aumentar el ancho de banda, y la potencia transmitida. Por estas propiedades, el grupo de trabajo IEEE 802.11n est desarrollando un estndarparaWLANsquepermitirconseguirunavelocidadmximahipotticade hasta600Mbps,10vecesmsqueellmitetericodesuspredecesores,yun throughput(caudalefectivo)de108Mbps[3-1].Esteestndar,querepresentarla cuartageneracindeWLANs,estanendesarrollo,perofabricantescomoCisco, Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 78 BelkinoNetgearhansacadoyaalmercadodispositivosdenominados Pre-n , basadosenestatecnologa, yque,aunque noaseguranqueserncompatiblesconel definitivo 802.11n, ya muestran ciertas ventajas sobre las antiguas normas. Ilustracin 3-1: 802.11n, la cuarta generacin de WLANs. Pero MIMO no es slo una tecnologa aplicablea las WLANs. Es la tendencia actualdelasinvestigacionesinternacionalesencomunicacionesinalmbricas[3-2],y numerosostiposderedesWPANoWMANysistemasdecomunicacionesmviles celularesestnoestarnprovistosdeestatecnologa.WiMAXMobile(802.16e)ha aceptado aplicarla en sus especificaciones y usarla como tecnologa base. A su vez, el 3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)y3GPP2estnevaluandoemplearesta tcnica en redes celulares y est previsto su utilizacin para los futuros terminales 4G, loscualeshansidoprobadoexperimentalmenteconxito,lograndotasasde transferencia de hasta 100Mbps a distancias de 200Kms [3-3]. Para las WPANs, MIMO se encuentra an en una fase inicial de investigacin. Enestecaptulonosdedicaremosaestudiarconciertogradodedetalledicha tecnologa.Enprimerlugarrepasaremossusantecedentesyaportaremosuna definicin precisa del trmino. A continuacin destacaremos las distintas tcnicas que usa, y explicaremos detalladamente cmo funciona. Seguidamente enumeraremos los distintosbeneficiosqueconlleva,ascomolasdistintasaplicacionesqueincorporan esta tecnologa. Despus haremos una clasificacin de los distintos tipos de MIMO que existen,yparaterminar,introduciremosunabrevedescripcinmatemticadela tecnologa.Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 79 3.2.Antecedentes de MIMO 3.2.1.Diversidad Hablamosdediversidadcuandotenemosmltiplescopiasdelaseal transmitida,ysegndndeseproduzcaestadiversidad,distinguimoslassiguientes clases: Diversidadeneltiempo,cuandotransmitimosvariasversionesdela misma seal en instantes diferentes. Diversidadenlafrecuencia,cuandolasealestransmitidausando distintoscanalesdefrecuencia.UnejemploseraOFDMolastcnicasde espectro expandido, ambas explicadas en el captulo anterior. Diversidadenelespacio,cuandoseutilizancaminosdepropagacin diferentes para transmitir la seal. En comunicaciones inalmbricas esto se consigue mediantediversidaddeantenas,esdecir,usandovariasantenas transmisoras(diversidadentransmisin)y/ ovariasantenasreceptoras (diversidad en recepcin).Diversidaddepolarizacin,cuandomltiplescopiasdelasealson transmitidas con polarizaciones distintas. Diversidad de usuarios, cuando el transmisor elige el mejor usuario entre varios candidatos de acuerdo con la calidad existente en cada canal. Nosotros nos centraremos en la diversidad espacial a travs de la diversidad de antenas.Segnelnmerodeantenasqueencontramosenambosextremosdela comunicacinpodemosdistinguirlossiguientessistemas,loscualespodemos considerar puntos de partida de la tecnologa MIMO: SI SO (Single Input, Single Output): sistema de comunicaciones que utiliza una sola antena transmisora y una sola antena receptora.MI SO(MultipleI nput,SingleOutput):sistemadecomunicacionesque utilizadosomsantenastransmisorasperoslounaantenareceptora. Tambin se le conoce como diversidad en transmisin. SI MO(SingleI nput,MultipleOutput):sistemadecomunicacionesque utilizaunasolaantenadeemisinydosomsantenasreceptoras.Sele conoce como diversidad en recepcin. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 80 Observemos la siguiente ilustracin: Ilustracin 3-2: Diagramas de los sistemas SISO, MISO y SIMO respectivamente. AtendiendoaestaclasificacinMIMOrepresentarentoncesunsistemade comunicaciones que utiliza dos o ms antenas en el extremo transmisor, y dos o ms antenas en el extremo receptor. Es decir, utilizar diversidad en el espacio a travs del uso de varias antenas tanto en transmisin como en recepcin. Ilustracin 3-3: Diagrama de un sistema MIMO Pero podramos definir MIMO como un caso corriente de diversidad espacial oimplicaraalgoms?EfectivamenteMIMOimplicaalgomsquediversidadde TXRX TX RX TX RX SISO MISO SIMO TX MIMORX Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 81 antenas,peroestoloexplicaremosmsadelante.Ahoraveamosunabreveresea histrica acerca de esta tecnologa. 3.2.2.Historia de MIMO Estoscasosdediversidadespacialentransmisinorecepcinnoson fenmenos pioneros en las radiocomunicaciones. Ya Marconi en el ao 1901 prob con xitotransmitirlaletra S delcdigoMorsedesdeInglaterrahastaSignalHill,(St. John,Terranova,Canad),acasi4000Kmdedistancia,utilizandocuatroantenas transmisoras desde cuatro torres de 60 metros de altura cada una.Tambin podemos encontrarejemplosdediversidaddesde1910ensonarsubmarinosysensores acsticos, o desde 1940 en los sistemas de radar. PerolasprimerasideasacercadeMIMOcomotalaparecenalprincipiodel a dcada de los 70. La evolucin desde entonces hasta nuestros das la resumimos en la siguiente tabla. FechaEvento Aos 70A. R. Kaye , D. A. George y W. Van Etten realizan las primeras investigaciones 1984-1986Los Laboratorios Bell, por medio de Jack Winters y Jack Salz, publicaron numerosos artculos acerca de aplicaciones donde podra ser til el beamformingo conformacin de los haces de antena 1994A. Paulraj y T. Kailath, profesores de la Universidad de Stanford (California, EEUU), propusieron el concepto de Multiplexacin Espacialy destacaron sus numerosas aplicaciones en comunicaciones inalmbricas. La Universidad de Stanford patent la Spacial Multiplexingo Multiplexacin Espacial. 1996Rayleigh y Foschini, de los laboratorios Bell, comprobaron que la propagacin multicamino podra ser muy beneficiosa en una configuracin con mltiples antenas. 1998Los Laboratorios Bell crearon el primer prototipo de multiplexacin espacial, tcnica clave para el desarrollo de sistemas de comunicacin MIMO. 2001Iospan Wireless Inc. desarroll el primer sistema comercial que usaba la tecnologa MIMO-OFDMA. 2003Airgo Networks desarroll el primer prototipo de chip MIMO, con un DSP para el procesado digital de seales.2006 Compaas como Cisco, Netgear, Belkin o Intel empiezan a fabricar dispositivos para WLANs que aportan una solucin MIMO-OFDM denominada 802.11 Pre-N, basada en el futuro estndar IEEE 802.11n. Numerosas compaas desarrollan soluciones MIMO-OFDMA para WiMAX Mobile (802.16e). 2008Ao previsto para la publicacin del definitivo estndar IEEE 802.11n, el cual se basar en la tecnologa MIMO Tabla 3-1: Evolucin de MIMO Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 82 3.3.Definicin de MIMO Quizs ste sea el apartado ms conflictivodel captulo, ya que ha sido muy difci l encontrar una definicin precisa de MIMO. Y es que no todos los fabricantes que afirmanvenderMIMOvendenMIMO.Lamayorahacenunmalusodeltrmino creandoconfusinyambigedad,porloqueserfcil caerenlatrampa ydarla definicin de una tecnologa pseudo MIMOen vez de la verdadera tecnologa. Talycomoesdefinidoyentendidoporlamayoradeingenieros, investigadores,acadmicosyestudiososdeltema,MIMOoMultipleInputMultiple Output es una tecnologa que se refiere especficamente al uso de mltiples seales que viajan simultneamente y a la misma frecuencia por un solo canal de radiofrecuencia, y queaprovechalapropagacinmulticamino(veremosenquconsisteenelapartado 3.4.1)paraincrementarlaeficienciaespectraldenuestrosistemadecomunicaciones inalmbrico.Estoloconsigueatravsdelusodediversidaddeantenas,distintas tcnicasycomplejosalgoritmosdetratamientodigitaldesealesenambosextremos del enlace: extremo transmisor (mltiple entrada) y extremo receptor (mltiple salida) [3-4].Esta definicin del trmino es la que creemos ms adecuada ya que se apoya en numerosos artculos de investigacin, publicaciones, libros y conferencias de diferentes expertos en la materia. AntesdeldesarrollodeMIMO,lossistemasdecomunicacionesinalmbricos veanenlapropagacinmulticaminoungraninconvenientequedebadeser solventado, peroMIMOeslaprimeratecnologaquetrataelmulticaminocomouna caractersticainherenteanuestrosistemaquehayqueaprovecharparapoder multiplicarsucapacidad.Estonospermitirincrementarextraordinariamentela velocidad, el caudal efectivo, el rango, la capacidad y la fiabilidad de nuestro sistemay todo esto sin un incremento del ancho de banda o de la potencia transmitida [3-5]. Por ejemplo, dispositivos de WLAN que implementan MIMO han demostrado en tests de laboratorio su capacidad de cubrir reas de cobertura al menos dos veces ms grandes quelaquecubrendispositivosconvencionales,aumentandotambinlavelocidady disminuyendo la probabilidad de error [3-6]. Enresumen,MIMOaumentalaeficienciaespectraldeunsistemade comunicacininalmbricapormediodelautilizacindetcnicasdediversidad espacial y de complejos algoritmos de procesado digital de seales. 3.3.1.Diferencias con un sistema smart antenna tpico

Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 83 Smart Antenna(o Adaptive Array Antenna) es una tecnologa aplicada a las comunicacionesinalmbricasqueconsisteenusarvariasantenasespacialmente distribuidas (diversidad espacial, diversidad de antena) y/ o algoritmos de tratamiento digitaldeseales.Estosltimossonusados paraidentificarmarcasespacialesenlas seales como la direccin de llegada (DOA oDirection Of Arrival), o para calcular el patrn de radiacin de la antena (beamforming o conformado de haz) [3-7]. El adjetivo smart significaelegante yhacereferenciaalosalgoritmosde procesadode seales queusan,noalaspectofsicodelapropiaantenaens.Destacarquehaydiferentes niveles de eleganciasegn los algoritmos empleados. Aprimeravista,parecequeMIMOy smartantenna sonsimilares basndonosenladefinicindada.Ambasusanvariasantenasyalgoritmosde tratamiento digital de seales. Entonces Cmo difieren? Podramos decir que MIMO es un tipo extendido de sistemas smart antenna. Expliqumoslo con detalle. Laprimeradiferenciaradicaencmosecomportanantelapropagacin multicamino.Lossistemasradiounidimensionalestradicionalesnormalmentesiguen dos estrategias paratratarla. La primera es simplemente ignorarla, en cuyo caso se est desperdiciando la energa contenida en las seales multicamino. Esta energa puede ser demasiado grande como para ignorarla y puede causar degradaciones del rendimiento de nuestro sistema. La segunda es emplear tcnicas de mitigacin del desvanecimiento multicamino. Alguna de las tcnicas ms convencionales son el beamforming o la diversidad. Beamforming puede aportarnos mayor alcance en ciertas aplicaciones pero no resuelve problemascomolareduccindel nmerodeusuariossoportadosylalimitacindelnmerodecanalesdisponiblesdebidoal consumodeenerga.Ensolucionesde diversidad en recepcin podemos conmutar entre las distintas antenas receptoras para capturarlasealmspotente,mejorandoaslafiabilidad.Igualmente,conla combinacin en recepcin se pueden procesar las seales provenientes desde mltiples antenas para acomodar los efectos del desvanecimiento. De todas formas, cualquiera que sea la tcnica de mitigacin empleada, smart antenna (al igual que los sistemas de radio convencionales) asume que la propagacin multicaminoesperjudicial,eintentaminimizarsudao 1.MIMO,encambio, aprovecha la propagacin multicamino para incrementar el througput, el alcance y la fiabi lidad. Ms que combatirla, la utiliza para llevar ms informacin. El cmo lo hace lo veremos en el aparatado 3.5.2 Cmo funci ona M I M O. 1 Ojo! No estamos di ci endo que sean tcni cas i nti l es. Est sobradamente demostrado que smart antennamejora l os convenci onal es si stemas de radi ocomuni caci ones uni di mensi onal es, pero MI MO da un paso ms al l . Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 84 La segunda diferencia sustancial entre ambos es la multidimensionalidad.Los sistemasconvencionalesysmartantennarepresentansistemasunidimensionales, mientrasqueMIMOrepresentauninnovadorsistemadecomunicacin multidimensional, nica manera de mejorar los tres parmetros bsicos de rendimiento de un radio enlace: alcance, velocidad y fiabilidad. Cuando decimos multidimensional nosreferimosalenvodevariassealesdedatosalmismotiempoyporelmismo radiocanal. Lo entenderemos mejor con las siguientes imgenes. Enlailustracin3-4hemosrepresentadounsistemacondosantenasen transmisinyunaenrecepcin(sistemaMISO),queademsutilizalatcnicade beamformingparadirigirelhazdelaantenahaciael mejorcaminodelaruta multicamino (para ello es conocer previamente el canal radio). Ilustracin 3-4: Sistema MISO: diversidad en transmisin y beamforming Enlasiguienteilustracinhemosrepresentadounsistemacondiversidaden recepcin para capturar la seal ms fuerte resultante de la propagacin multicamino. Ilustracin 3-5: Sistema SIMO: diversidad en recepcin Lailustracin3-6muestraloquepodraseruntpicosistemasmartantenna queutilizavariasantenasentransmisin,variasenrecepcinybeamforming. Notemos que, a pesar de las distintas tcnicas usadas, slo una seal es enviada por el canal. A esto nos referamos cuando hablbamos de sistema unidimensional, y es por esto que no se incrementara la tasa de bits o la capacidad de nuestro sistema. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 85 Ilustracin 3-6: Tpico sistema smart antenna con diversidad en transmisin y recepcin y beamforming. A diferencia del sistema anterior, MIMO enva varias seales al mismo tiempo yporelmismocanal,creandounatransmisinmultidimensional.Estesistema doblara el throughput, multiplicando de esta manera la eficiencia espectral. Ilustracin 3-7: Sistema MIMO Paraconcluir,pongamoselsiguienteejemplo,alqueCarlTemme, vicepresidentedeAirgoNetworks,aludaenunartculodeNetworkWorld,yque seguro aclara conceptos. Podemospensarenlossistemasradiotradicionalescomosiviajsemoscon nuestrococheporelcarrildeunacarreteranacional,lacualtendraunlmitede velocidadqueeselquegobernaraelflujomximodetrficopermitidoatravsde ella.Comparndolosconlossistemasconvencionales,lossistemassmartantenna convertiranestecarrilenunomsseguro,porloque,aunquelamximavelocidad permitidasiguesiendolamisma,altenermsfiabilidad,con smartantennapodramosviajaraunavelocidadmscercanaall miteestablecido.Sinembargo MIMO, en comparacin con estos dos casos anteriores, ayudara a abrir ms carriles de circulacinennuestromismosentido,loqueconvertiralacarreteranacionaldeun carril por la que estbamos circulando en una autova con varios carriles (tantos como antenasdisponibles).Ahoraellmitedevelocidadsquesubiraysepodracircular msrpido.Latasadetrficoseraproporcionalalnmerodecarrilesabiertos.Y tambin aumentara la fiabilidad [3-8]. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 86 3.3.2.Uso incorrecto del trmino MIMO Como explicamos antes, no todo lo MIMOes MIMO. Se est haciendo un uso incorrecto deltrmino y su abuso repercute negativamente en los consumidores, que esperanzados en alcanzar las prestaciones prometidas, ven como stas no se cumplen deltodo.DispositivosdeWLANsbasadosenlosexistentesestndaresWi-Fino siempretienenelsuficientealcancecomoparacubrirunhogarenteroonotienenla suficientevelocidadcomoparapodersoportaraplicacionesdevideoodevoz; dispositivos WLANs que incorporan la tecnologa MIMO verdadera darn solucin a estosproblemas;perodispositivosconlaetiqueta MIMO basadossolamenteenel uso de mltiples antenas es probable que no. Aunquealgunosfabricantesdiganquelosproductosinalmbricosqueusan smart antennay/ o mltiples canales son productos MIMO, en realidad no lo son, en elsentidodequenoaportantodoslosbeneficiosqueelverdaderoMIMOpuede aportar.Poresoloshemosdenominado pseudo-MIMO .Estosproductospodrn emplear diversidad o beamforming. Est demostrado que ambas tcnicas proporcionan evidentes mejoras en sistemas de comunicaciones inalmbricos unidimensionales, tal y como podemos leer en numerosas publicaciones. Pero no es MIMO verdadero. Y es que, como anuncia Datacomm Research Company, l a i ndust r i a y elmer cado del ast ecnol ogasi nal mbr i casdebeexi gi r unusomsexact odel t r mi noM I M Opar aevi t arcr earconfusi n en l os consumi dor es. H ay que ayudar l os a di st i ngui rent r e pseudo-M I M O y l as ver dader assol uci onesM I M O,ysal vaguar dar asl ai dent i daddeest ai nnovaci nt ecnol gi ca[3-9]. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 87 3.4.Principales tcnicas de MIMO Explicaremoslasprincipalestcnicasdetransmisinqueutilizalatecnologa MIMOantesdededicarnosacomprendersufuncionamiento.Bsicamentepodemos dividirlas en tres categoras principales: diversidad de antenas, multiplexacin espacialy beamforming. 3.4.1.Diversidad de antenas LossistemasMIMOusanladiversidadespacialparamejorarlasprestaciones delsistema.Comodijimosenelapartado3.2.1, stalaconsiguen mediante elusode varias antenas en un mismo transmisor. Segn en qu extremo de la comunicacin se daladiversidad,diferenciamosentrediversidadenrecepcinodiversidaden transmisin. Ambas pueden combinarse o darse por separado. 3.4.1.1.Diversidad de recepcin Eselusodedosomsantenasenunmismoreceptorparagenerar recepcionesindependientesdelasealtransmitida.Lasantenasdebenestarbien distribuidasespacialmente,esdecir,debenestarseparadasalmenosporuna distanciadecoherencia.Dependiendodecmousemoslasantenaspodemos distinguir a su vez tres subtipos: Diversidad por seleccin: elige una de las antenas atendiendo a un criterio concreto: la que reciba la seal de ms potencia, la que reciba la seal con mejor SNR, etc. Ilustracin 3-8: Esquema de un receptor con diversidad por seleccin Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 88 Diversidadporconmutacin:cambialaantenaderecepcincuandola seal recibida no supera un cierto umbral. Ilustracin 3-9: Esquema de un receptor con diversidad por conmutacin Diversidad por combinacin, realiza una combinacin lineal ponderada de todaslassealesrecibidas.Dependiendodecmosealacombinacin,se divide a su vez varios tipos: de radio mximo, de igual ganancia, etc. Ilustracin 3-10: Esquema de un receptor con diversidad por combinacin 3.4.1.2.Diversidad de transmisin Serefierealusodedosomsantenasenelmismotransmisor.Existen varios tipos de diversidad de transmisin: con cambio de antena, con ponderado de frecuencia,atravsdediversidadderetrasoyatravsdediversidaddecdigo. Nosotros nos vamos a centrar en esta ltima tcnica, ya que es la que generalmente usa MIMO [3-10]. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 89 La diversidad de cdigo o tcnicas Space-Time Coding (STC), en castellano codifi cacin espacio-tiempo, es un mtodo empleado para mejorar la fiabilidad de latransmisindedatosusandodiversidaddetransmisin.STCsebasaen transmitir redundantes copias codificadas de una trama de datos, con la esperanza de que al menos una de ellas llegue al receptor en buen estado y as ser posible su decodifi cacinfiable.Estascopiassondistribuidasalolargodeltiempoyentre todas las antenas transmisoras disponibles. En la imagen vemos el diagrama de bloques de un transmisor con STC. Para cadasmbolodeentradaelcodi ficadorespacio-tiempoeligeunadelas constelaciones para transmitir simultneamente desde cada antena. Ilustracin 3-11: Diagrama de bloques de un transmisor con codificador espacio-tiempo Hay dos tipos de STC: STTCoSpace-TimeTrellisCoding.Lascopiassoncodificadasconun cdigoTrellis(uncdigoconvolucional).Conestemtodoobtenemos ganancia de codificacin2 y ganancia de diversidad3, adems de una mejor BER.Sinembargoelcodififcador/ decodificadoresmscomplejode implementar debido a que es un decodificador de Viterbi [3-10]. STBC o Space-Time Block Coding. Las copias son codificadas en conjunto comounbloquededatos.Conestemtodoobtenemosslogananciade diversidad,perosonmuchomenoscomplejosdeimplementarqueSTTC porque se basan en procesamientos lineales [3-11]. 2 Se defi ne gananci a de codi fi caci n (di versi ty codi ng en i ngl s) como l a canti dad de SNR que tenemos que i ncrementar para que un si stema que no usa codi fi caci n tenga l a mi sma BER que ese mi smo si stema usando codi fi caci n. Se mi de en deci bel i os. 3 Se defi ne gananci a de di versi dad (di versi ty gai n en i ngl s) como eli ncremento de l a SNR delsi stema debi do aluso de di versi dad. Se mi de en deci bel i os. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 90 3.4.2.Multiplexacin Espacial o Spatial Multiplexing (SM) Lademultiplexacinespacialconsisteenladivisindeunasealdemayor anchodebandaenvariassealesigualesdemenoranchodebanda.El apellidoespacialhacereferenciaalatransmisin,simultneayporelmismocanalde frecuencia,decadaunadeestassealespormediodeantenasdiferentes.La multiplexacinespacialesjustamenteelprocesocontrario:lacombinacindevarias sealesde menoranchodebandaen unaseal demayoranchodebanda.Estasdos tcnicassonlasqueusanlostransmisoresyreceptoresMIMOrespectivamentepara aprovechar la propagacin multicamino y es la responsable del aumento de la tasa de transmisin en dichos sistemas. Ilustracin 3-12: Multiplexacin espacial Elordendemultiplexacinespacialeselnmerodeflujosdedatos transmitidosparalelamente,ysuvalormximoestarlimitadoporelmenordelnmero de antenas transmisoras o de antenas receptoras. El incremento de la eficienci a espectral ser proporcional a este orden. PorltimodestacarquenopodemosentenderSMsinunesquemade diversidaddeantenas:esobligatorioutilizarvariasantenastantoeneltransmisor comoenelreceptor,yaqueesloquenosproporcionaladiversidadespacial.Sin embargo, con SM no ser necesario el conocimiento previo del canal. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 91 3.4.3.Precoding y Beamforming Precoding (traducido al castellano, precodificacin), en el sentido amplio de la palabra,serefiereatodaslastcnicasdeprocesadoespacialqueserealizanenel transmisorMIMO.Peroenunsentidomsespecfico,hacereferenciaauncaso especialdebeamformingparatransmisionesmultidimensionales,comolasque realizan los sistemas MIMO.

Beamforming convencional es una tcnica de procesado de seales usada para controlar el patrn de radiacin de nuestra antena. Aporta la funcionalidad de un filtro espacial y es aplicada tanto en transmisin como en recepcin: Enrecepcin,beamformingseutilizaparaincrementarodisminuirla sensibilidaddelreceptorenunadeterminadadireccin.Porejemplo, podremosaumentarlasensibilidadenladireccindelasealdeseada, y reducirla en las restantes direcciones, reduciendo as interferencias y ruidos. Entransmisin,beamformingseempleaparaconfigurarelpatrnde radiacindenuestraantena.Cambiandolaformadelhaz,podremos aumentarladirectividaddelaantenaenunadeterminadadireccin,y minimizar la ganancia de la antena para el resto de direcciones. Muchos autores suelen establecer una analoga de esta tcnica con la capacidad que tiene el sistema auditivo humano para locali zar sonidos cuando, por ejemplo, en unpubconmuchagente,msicayruidos,podemosdistinguirelorigenoaislary entender una conversacin de otras [3-12]. Hayquetenerencuentaquetantoelprecodingcomoelbeamforming requieren de un conocimiento previo del estado del canal. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 92 3.5. Funcionamiento de MIMO 3.5.1.Propagacin multicamino. Distorsiones del canal radio Podemosdecirqueentreuntransmisor situado enunpunto Ayunreceptor situado en un punto B hay un camino primario, que definiremos como el ms directo entre ambos. Inevitablemente no todas las seales que transmitimos entre estos puntos siguen este camino, sino que debido a las numerosas reflexiones y/ o refracciones que sufren con los diversos obstculos que encuentran a su paso, como montaas, edificios o incluso las mismas capas de la atmsfera, tomarn mltiples caminos distintos para alcanzar al receptor. A esto se le llama propagacin multicamino o multitrayecto y es una caracterstica que presenta el canal radio de todos los sistemas de comunicaciones inalmbricos. Veamos cmo afecta este fenmeno a las seales que transmitimos. Las seales que recorren estos caminos no primariosllegarn al receptor en tiempos diferentes (siempre ms tarde), ya que cada una de stas ha seguido una ruta diferentealresto.Decimosentoncesquetienenundesfaseconrespectoalaseal primaria. Segn este desfase se producirn interferencias constructivas o destructivas provocando sumas o degradaciones de la seal original. La seal vista por el receptor, quenoesmsqueunacombinacinlinealdelassealesmulticaminoconlaseal primaria, sufrir interferencias constructivas o destructivas que se traducirn en sumas o degradaciones de la seal final.

Este fenmeno lo hemos plasmado en las siguientes ilustraciones. Comopodemosapreciarenlapartesuperiordelailustracin3-13,laseal multicamino(representadaenrojo)tieneunpequeodesfaseconrespectoalaseal primaria(representadaenazul).Estoharquecuandoambassecombinenenelreceptor conformen una seal principal debil itada, tal y como hemos representado en la parte inferior. Ilustracin 3-13: Las seales multicamino que lleguen ligeramente desfasadas crearn una seal ms dbil al combinarse con la seal primaria en el receptorRedes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 93 Podemosencontrarnoselcasoextremo:sieldesfaseesde180,laseal multicamino cancelar totalmente a la seal primaria, no teniendo seal en el receptor. Esto se muestra en la siguiente imagen: Ilustracin 3-14: Las seales multicamino que lleguen con un desfase de 180 cancelarn completamente a la seal primaria. Enlasiguienteilustracinobservamosunescenariotpicodepropagacin multicamino: Ilustracin 3-15: Distorsiones presentes en el canal inalmbrico Atodoloanteriormentedescrito,hayqueaadirotrotipodedistorsiones caractersticas del canal inalmbrico: Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 94 I SI oI nterferenciaI nter-Simblica,causadaporlapropagacin multicamino. Fading o desvanecimiento de la amplitud de la seal, tambin causada por lapropagacinmulitrayectoylosefectosdedispersin(scattering)que sufre la seal. CCIo I nterferencia Co-Canal, causada cuando dos estaciones emiten a la misma frecuencia, en el mismo canal. Canal variante en el tiempo (Doppler), cuando las estaciones transmisoras y/ o receptoras se encuentran en movimiento. Ruido trmico, inherente a los propios dispositivos electrnicos. Todas estas distorsiones causarn una reduccin importante de la velocidad de transmisindedatosyunincrementodelnmerodeerrores,ylospercibiremosen forma de ruidos, desvanecimientos de la amplitud, recepcin intermitente o repentinas cadas de la transmisin durante nuestra comunicacin. 3.5.2.Cmo funciona MIMO Lapropagacinmulticaminofueconsideradaunproblemaparalas radiocomunicaciones,sinembargo,durantelosaos90,variosinvestigadoresdela Stanford University y los Laboratorios Bell demostraron que poda ser explotada para multiplicarlacapacidaddelossistemasinalmbricos[3-4],[3-13].Estaeslaidea principal en la que se basa el funcionamiento deMIMO. Ilustracin 3-16: Esquema general de un sistema MIMO Canal Radio MIMO: ISI CCI Fading Doppler Ruido NT transmisores DSP Radio Radio DSP Radio Radio NR receptores Nec esar i o un ambi ent e r i coen sc at t er i ng y propagac i n mul t i c ami no TXRX Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 95 UnsistemaMIMOdispondrdeuntransmisorconNTantenastransmisoras espacialmentedistribuidas.EltransmisortambincontendrunDSP(DigitalSignal Processor, procesador digital de seales en castellano) que codificar un flujo de datos de un solo usuario con velocidad R, en NT subflujosde velocidad R/NT cada uno.Cada subflujo ser modulado y enviado en paralelo hacia el canal inalmbrico por una antena diferente. Destacar que todos los subflujos se envan en el mismo intervalo de tiempo y a la misma frecuencia e, insistimos de nuevo, por antenas diferentes. En otras palabras, se enviarn mltiples seales simultneamente por el mismo radiocanal. MIMOsacaventajadelmulticaminodelasiguienteforma:cadaruta multicaminosertratadacomo uncanaldiferente,creandoasunaespeciede cable virtualsobre el cual se transmite la seal. Cada ruta ser un cable virtual, y el canal inalmbrico se comportar como un mazode cables virtuales. Al emplear mltiples antenasseparadasespacialmente,podremosaprovecharestoscablesvirtualespara transmitir ms datos, multiplicando de esta manera el throughput (caudal efectivo). La tasamximaporcanalcrecerlinealmenteconelnmerodesubflujosdedatos diferentes que son transmitidos en el mismo canal. Adems, debido a la diversidad de antenas, se incrementar tambin la distancia de cobertura. Perolatransmisinsincablesnosecomportaigualdebienqueatravsde cables, por lo que la comparacin hecha no es precisa del todo. Cada seal transmitida bajo la influencia de la propagacin multicamino seguir una ruta diferente, por lo que seremos ms exactos si decimos que el canal inalmbrico actuar como un conjunto de cablesperocongrangradode fuga entreellos.Estoocasionarquelasseales transmitidassemezclenjuntas.CadaunadelasNRantenasdelextremoreceptor recibi rentoncesunaseal,frutodelacombinacindelosmltiplessubflujos transmitidos.ElDSPdelreceptor,mediantecomplejosalgoritmosdeprocesadode seales, separar cada uno de ellos, los ordenar y los combinar, recuperando as la seal original con los datos transmitidos originalmente. Con un esquema de transmisin MIMO conseguimos un incremento lineal en la eficienciaespectralfrenteal incrementologartmicoqueconsiguenotrossistemas tradicionales de una sola antena [3-14]. En consecuencia, la cobertura (en trminos de distancia), la cal idad (en trminos de BER, Bit Error Ratio, o probabi lidad de error), l a capacidad (referida en Bits/ Hz/ segundo o nmero de usuarios/ Hz) y la tasa de bits (Bits/ segundo) se vern mejoradas notablemente [3-13]. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 96 3.5.3.EjemplodefuncionamientodeMIMO:WLANqueopera bajo el estndar 802.11n ConesteejemplovamosacomprendermejorelfuncionamientodeMIMO. SupongamosunaWLANqueoperabajoelIEEE802.11n 4,estndarque,comoya dijimos antes, utilizar tecnologa MIMO. Supongamos que un cliente quiere transmitir datos al punto de acceso al que est registrado. Veamos cmo sera el proceso, paso a paso, con ayuda de la ilustracin 3-17: 1.El cliente enva un flujo de datos a la red inalmbrica a 108Mbps.2.Eladaptadorinalmbrico802.11ndelcl ientedisponedeuntransmisor MIMO con dos antenas transmisoras (por ejemplo) y un DSP. ste divide la trama de datos de 108Mbps en dos tramas ms lentas de 54Mbps cada una. 3.Eltransmisorenvasimultneamentecadatramaporantenasseparadas pero por el mismo radiocanal. 4.Lassealesenviadasporelcanalinalmbricosufrendiversasreflexiones conlosobjetosqueencuentranasupaso,haciendoquesiganmtliples caminos.Dentrodelmismoradiocanal,MIMOconvierteestosmltiples caminos en canales virtuales que transportan mezcladas las distintas tramas de datos. 5.Elpuntodeacceso802.11ndisponedeunreceptorconmltiplesantenas querecepcionanlaseal.Lastramasdedatosqueviajanenlosdistintos canales virtuales se separan mediante complejos algoritmos. A continuacin se combinan para reconstruir la seal original a 108Mbps. Ilustracin 3-17: Ejemplo de funcionamiento de MIMO en una WLAN que opera con el estndar 802.11n. 4 Ser necesari o un punto de acceso con estndar 802.11n y un cl i ente con adaptador i nal mbri co que opere bajo elmi smo estndar. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 97 3.6.Aplicaciones y beneficios de MIMO 3.6.1.Aplicaciones MIMO MIMOesunatecnologacreadaparamejorartodacomunicacinqueseasin cables.Enlaactualidadexistennumerososgruposdeinvestigacincentradosenel estudio de este tipo de sistemas. Como muestra cabe destacar el inters en estandarizar lastcnicasMIMOentresgrandesreasdeaplicacininalmbricas:sistemasde comunicaciones mviles de 4G, sistemas WMAN y WLANs [3-2], [3-15]. Hay importantes estudios acerca de cmo conseguir los objetivos marcados por lacuartageneracindesistemasdecomunicacionesmviles.Unadelaspropuestas para aumentar la tasa binaria en UMTS fue la utilizacin de mltiples antenas tanto en el Nodo-B (o estacin base) como en los terminales mviles de usuario. Es por eso que MIMO emerge para satisfacer las necesidades de 4G: alta tasa de datos, alta fiabilidad y gran alcance. El grupo 3GPP ya ha previsto la utilizacin de MIMO-OFDM en HSOPA, estndarPre-4G(tambinllamadoSuper3G),yestamossegurosqueserunadelas tecnologas base de los futuros sistemas 4G [3-16]. Tambinha surgidoun graninters paraaplicarMIMOenWMAN(Wireless MetropolitanAreaNetworks)comoasmuestralanorma802.16e,MobileWiMAX. staesunaevolucindeWiMaxparadarsoportealamovilidaddelusuario,y tambin incorpora MIMO-OFDMA. Porltimohacemostambinunamencinespecialalaaplicacindirectade MIMO a las WLAN: el estndar 802.11n. Es notable el esfuerzo que est realizando el grupodetrabajoIEEE802.11TaskGroupN,que,juntoconvariosgrupos colaboradores, trabaja para definir el futuro estndar. Previsiblemente estar finalizado paranoviembredel2008yrepresentarla4GdelasWLAN,convelocidades mucho mayores que los estndares anteriores, mayor capacidad y ms fiabilidad. 3.6.2.Beneficios LatecnologaMIMOmejoraelrendimientodecualquiersistemade comunicaciones inalmbrico, multiplicando su eficiencia espectral. Esto se traduce en los siguientes beneficios para nuestra red o dispositivo MIMO: 1.Tasadebits.Permitiendolatransmisinsimultneademltiples tramas de datos, MIMO multiplica la tasa de transmisin sin consumir Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 98 msespectro.Elcaudalefectivoothroughputincrementaenunfactor igualalnmerodesealestransmitidasenparaleloporel mismo radiocanalyalmismotiempo.Losexpertoscalculasquesepodrn alcanzartasasmximasde600Mbps,conunthrougputmediode 108Mbps [3-1]. 2.Eficiencia espectral. MIMO es el nico sistema que mejora la eficiencia espectral multiplicando al menos dos veces los bits transmitidos por Hz. Porejemplo,seprevquelosprimerosdispositivosMIMOpara WLANsrepartirn108Mbpsen20MHzdeespectro,loquehacen 5.4Mbps/ MHz.Silocomparamoscon802.11a/ g,quereparta54Mbps en20MHz(2.7Mbps/ MHz)vemosqueresultaeldoble,incluso utilizando tcnicas como beamforming o diversidad [3-17]. 3.Nmerodeusuarios.Incrementarlacapacidadpermiteaumentarelnmero de usuarios que podran conectarse simultneamente a nuestra red en un mismo canal de frecuencia. 4.Cobertura. Debido a las tcnicas de diversidad, alcanzaremos distancias mayores sin aumentar la potencia de transmisin. Con un solo punto de acceso podremos dar cobertura a una regin de espacio ms grande que antes. 5.Fiabilidad. Aumenta. Con MIMO la probabilidad de error es ms baja. 6.Coste. Debido a que un solo punto de acceso es capaz de soportar ms usuarios,yaqueconlamismapotenciamejoramossualcance, necesitaremos un menor nmero de dispositivos, abaratando el coste de nuestra red. Yaqueeslamateriaprincipaldeestudiodenuestroproyecto,vamosa mencionar beneficios concretos que MIMO aportar a las WLANs que trabajarn con el futuro estndar 802.11n. En aplicaciones domsticasEn aplicaciones en empresas Un AP se basta para dar acceso de banda ancha a un hogar entero: Atraviesa ms murosConsigue velocidades mayores Sustituye a Ethernet. Mejora la fiabilidad y la robustez de la red Velocidades similares a Fast Ethernet Reduce el coste de infraestructura porque necesitaremos menos APs Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 99 Soportaeltransportedeaplicaciones multimediadetodotipo:voz,datos, msica, SDTV, HDTV, etc Mejora el rendimiento de VoIP Incrementa la capacidad de una llamada Mejora la QoS Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 100 3.7.Tipos de MIMO Podemos destacar dos tipos de MIMO: SU-MIMO (Single-User MIMO) y MU-MIMO (Multi-User MIMO). 3.7.1.SU-MIMO (o Multi-antenna MIMO) Single-UserMIMO(osimplementeMIMO,sinperdergeneralidad)esla tecnologaquehemosestadodescribiendohastaahoraeneldesarrollodelcaptulo. Podramostraducirlocomo MIMOdeunsolousuario ,ocomo MIMOpunto-a-punto(Point-to-Point MIMO). Yahemosvistoantes queestetipodeMIMOconsigue grandesmejorasenla eficienciaespectral,lacapacidaddelcanalylafiabil idad,esencialmentemedianteel uso de tcnicas como la multiplexacin espacial o STC. Pero SU-MIMO no explota la diversidaddeusuarios,elaccesomltiple:losgradosdelibertad(DoF,Degreesof Freedom) adquiridos con el uso de mltiples antenas son aprovechados para crear una transmisinmultidimensionalpuntoapunto,peronopuntoamultipunto.Esdecir, SU-MIMO no est diseado para trabajar con varios usuarios al mismo tiempo. Esta es la caracterstica diferencial con MU-MIMO.

Hasta ahora, SU-MIMO ha sido implementado principalmente para el estndar 802.11n, y las principales tcnicas SU-MIMO desarrolladas son: BLAST(BellLaboratoriosArquitectureLayeredSpace-Time),porG.J. Foschini de los Laboratorios Bell [3-18]. PARC (Per Antenna Rate Control) SPARC (Selective Per Antenna Rate Control). 3.7.2.MU-MIMO (o Multi-User & Multi-Antenna MIMO) MU-MIMO es radicalmente diferente a SU-MIMO. Representa un conjunto de tcnicasyalgoritmosavanzados(esunodelosmotivosporelquealgunosautores denotan a esta tecnologa como Advanced MIMOo MIMO avanzado ) que, adems deaprovecharlasventajasdelusodemltiplesantenas,explotalamultiplicidadde usuarios.EstavariacindeMIMOimplicaelaccesomltiple,esdecir,elreparto Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 101 espacialdelcanalentremltiplesusuarios,pudiendocreartransmisiones multidimensionalespuntoamultipunto(unusuarioamuchosusuarios),oincluso multipunto a multipunto (varios usuarios a varios usarios). La siguiente figura trata de explicar el concepto bsico de MU-MIMO. Ilustracin 3-18: Concepto bsico de MU-MIMO 3.7.2.1.Tcnicas SDMA y otras tcnicas MU-MIMO EstavariantedelatecnologaMIMOdaungiroradicalaldiseodelos protocolosdeniveldeenlaceparaaccesomltiple[3-15],apareciendonuevas tcnicas como SDMA (Space-Division Multiple Access). SDMAesunmtododemltipleaccesoquepermiteaunaestacin transmitir (o recibir) seales hacia (o desde) mltiples usuarios, simultneamente y enlamismabandadefrecuencias.Aligualquehacalamultiplexacinespacial, SDMA crea una serie de cables virtualesparalelos por los que viajan las seales, pero adems ofrece un rendimiento superior en sistemas de comunicaciones radio con mltiples usuarios [3-19]. En los numerosos artculos cientficos sobre MU-MIMO, podemos encontrar numerosastcnicasqueseutilizanparaexplotarladiversidaddeusuarios.Por ponerunejemplo,podemosenumerarlassiguientes:planificacinyseleccinde usuarios;codificacinydecodificacinavanzada,condeteccindemltiples La estacin base se comunica simultneamente con mltiples usuarios Estacin Base NT antenas Usuario 1 M1 antenas Usuario 2 M2 antenas Usuario K MK antenas DOWNLINK (MIMO BC) UPLINK (MIMO MAC) Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 102 usuarioscomoelreceptorMLD;tcnicasdecooperacincomoDPC(DirtyPaper Coding), etc. 3.7.2.2.Clasificacin de MU-MIMO Los algoritmos Multi-User MIMO son desarrollados para sistemas con ms de un usuario. Podemos diferenciar dos escenarios:Punto a Multipunto: En escenarios donde la comunicacin comprende desde un solo usuario con mltiplesantenashaciavariosusuarios,oviceversa(Multi-userto/ frommulti-antennasingle-user).Dentrodeesteescenariopodemosreconocerdostiposde MIMO para cada uno de los enlaces, ascendente y descendente: MI MOBroadcastChannelsoMI MOBC.Representaelenlace descendente(EstacinbaseUsuarios)paraunatopologapuntoa multipunto.Laestacinbaseutilizaprocesadoresavanzadosparala transmisin,incluyendotcnicascomoSDMAyprecodingavanzado. Adems,deberconocerelestadodelcanalentodomomento(CSIT,de Channel State Information at the Transmitter). MI MOMultipleAccessChannelsoMI MOMAC.Hacereferenciaal enlaceascendente(UsuariosEstacinbase)dentrodeestamisma topologa.Enestecasolaestacinbaseactacomoreceptor,porloque tambin incluir algoritmos avanzados para la recepcin de la seal, como joint interferente cancellation o. Tambin deber conocer el estado del canal (CSIR, de Channel State Information at the Receiver) pero esta vez le ser ms fcil que conocer CSIT, ya que se puede basar en ste. MIMO BC y MIMO MAC tienen un rendimiento superior a sistemas MIMO puntoapunto(SU-MIMO),especialmentecuandoelnmerodeantenasenla estacin base es mayor que el nmero de antenas de cada usuario.Multipunto a Multipunto En situaciones donde la comunicacin va desde varios usuarios hasta varios usuariosyviceversa(Multi-usertoMulti-user). Eselcasode Cooperative MIMO (CO-MIMO) tambin conocido como Network MIMO o Ad Hoc MIMO. Enlascomunicacionesinalmbricascooperativas,alcontrarioquelas convencionalesqueintentanevitarlasinterferencias,cadanodoaprovechasu propiainterferencia,ylasinterferenciasdelosnodosrestantesdelared,para mejorar el rendimiento de la codificacin y decodificacin de datos. En concreto, en CO-MIMO, un nodo usa mltiples antenas distribuidas que pertenecen a mltiples Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 103 nodos diferentes. sta es una tcnica muy til para redes celulares con topologas adhocinalmbricas,dondemliplesnodostransmisoressecomunicancon mltiples nodos receptores a la vez. No entraremos en ms detalles. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 104 3.8.Breve descripcin matemtica de MIMO Paraterminarestecaptulo,intentaremoscaracterizarmatemticamenteun sistemaMIMO.Porlacomplejidaddelasmatemticasqueimplicasuestudio,y porquestenoeselobjetoprincipaldeesteproyecto,sloecharemosunvistazoal modelomatemticodeunsistemaSingle-UserMIMO,aunquesinentrarmuchoen detalle. PodemosrepresentarelmodelomatemticodeunsistemaSU-MIMOtaly comomuestralafiguradeabajo.Hemosasumidoqueelcanalesaleatorioysin memoria y que se desconoce el canal [3-13], [3-20]: Ilustracin 3-19: Modelo de un canal MIMO La relacin entrada y salida en un instante de tiempo ser: ( ) ( ) ( ) t n t x H t y + =(3-1) donde:

( ) t xes el vector de datos transmitidos, con dimensin (NTx1). ( ) t yes el vector de datos recibidos, y tiene dimensin (NRx1). ( ) t nes el vector de ruido AWGN (Additive White Gaussian Noise), y es de dimensin (NRx1). Hes la matriz del canal MIMO, con dimensin (NRxNT). Transmisor MIMO Receptor MIMO 1 i NT transmisores 1 j Canal MIMO H hji 11010101101010 x1 xi xNT y1 yj yNR NR receptores xy Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 105 siendoNTelnmerodeantenastransmisoras,yNRelnmerodeantenas receptoras. Es decir: (((((((

+(((((((

(((((((

=(((((((

NRjNTiNT NR i NR NRNT j ji jNT iNRjnnnxxxh h hh h hh h hyyy............... ...... ... .... ...... ... ... ...... .........1 1, , 1 ,, 1, 1 1 11 1 (3-2) Como vemos, una entrada general de la matriz del canal H es denotada por jih , y representa la ganancia compleja del canal desde la antena transmisora i-sima hasta la antena receptora j-sima: jijjiarctg jjie h e j h ) ( 2 2 = + = + = (3-3) Por otro lado, jyrepresentar la seal recibida por l a antena receptora j-sima mientrasque ix serlasealtransmitidaporlaantenaemisorai-sima. jn serelruido AWGN que reciba la antena receptora j-sima. Paraelcasode un sistemaSISO,dondeslotenemos unaantena transmisora (NT=1) y una antena receptora (NR=1), la expresin del modelo del canal cambiara de la siguiente manera: ( ) ( ) ( ) t n t x h t y + =(3-4) Definimoscapacidaddelcanal(deShannon)latasamximadebitsque podemos transmitir sin error a travs de dicho enlace de comunicaciones. Es decir, es unamedidadecuntainformacinpuedesertransmitidayrecibidaconunaprobabilidad de error nula. La capacidad depender del modelo del canal, del ruido y de la potencia de la seal transmitida. Queremos comparar la capacidad del canal SISO con la de un canal MIMO. Se puede demostrar que la capacidad del canal para un sistema SISO en un instante t, en bits/ segundo/ Hz es [3-13], [3-14], [3-21]: ( ) ( )) 1 ( log2t SNR t CSISO SISO+ =(3-5)

Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 106 dondeSNReslarelacinsealaruidodela sealrecibidaenelinstantet, y que se define como: 222) (nsSISOht SNR=(3-6) hes el mdulo de la ganancia del canal SISO 2ses la varianza de la seal recibida por el receptor. 2nes la potencia del ruido a la entrada del receptor. En cambio, la capacidad de un canal MIMO vendr dada por la expresin [3-13], [3-14], [3-20]: (((

||.|

\|+ =*221det log H Q H I E CnMIMO (3-7) donde: H es la matriz (NRxNT) del canal MIMO Q es la matriz de covarianza del vector de transmisin( ) t x . La potencia de transmisin tiene que ser adecuadamente distribuida entre todas las antenas para maximizar la capacidad. Para un caso donde el canal es desconocido, distribuiruniformementelapotenciatotaldeltransmisorPentrelasantenas disponiblespuedeserunabuenasolucin[3-20].EntonceslamatrizQtendrala siguiente forma: INPQT=(3-8) y (3-7) quedara [3-5], [3-10], [3-19]: (((

||.|

\|+ =((((

|||.|

\|+ =*2*2 2det log det log H HNI E H HNPI E CTTMIMOn (3-9) dondees la relacin seal a ruido media de la seal recibida en cada una de las antenas del receptor. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 107 Comparando (3-9) y (3-5) resulta que: ) , min(R TSISOMIMON NCC(3-10) lo que significa que la capacidad de un canal MIMO es TNo RNveces mayor (el menor de los dos nmeros) que la de un sistema SISO. Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 108 CAPTULO 3: TECNOLOGA MIMO................................................................... 77 3.1.INTRODUCCIN................................................................................................................ 77 3.2.ANTECEDENTES DE MIMO............................................................................................. 79 3.2.1.DIVERSIDAD ....................................................................................................................... 79 3.2.2.HISTORIA DE MIMO........................................................................................................... 81 3.3.DEFINICIN DE MIMO..................................................................................................... 82 3.3.1.DIFERENCIAS CON UN SISTEMA SMART ANTENNA TPICO ................................................... 82 3.3.2.USO INCORRECTO DEL TRMINO MIMO ........................................................................... 86 3.4.PRINCIPALES TCNICAS DE MIMO.............................................................................. 87 3.4.1.DIVERSIDAD DE ANTENAS ................................................................................................... 87 3.4.1.1.Diversidad de recepcin............................................................................................ 87 3.4.1.2.Diversidad de transmisin......................................................................................... 88 3.4.2.MULTIPLEXACIN ESPACIAL O SPATIAL MULTIPLEXING (SM).............................................. 90 3.4.3.PRECODING Y BEAMFORMING ............................................................................................. 91 3.5.FUNCIONAMIENTO DE MIMO........................................................................................ 92 3.5.1.PROPAGACIN MULTICAMINO. DISTORSIONES DEL CANAL RADIO.......................................... 92 3.5.2.CMO FUNCIONA MIMO..................................................................................................... 94 3.5.3.EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE MIMO: WLAN QUE OPERA BAJO EL ESTNDAR 802.11N . 96 3.6.APLICACIONES Y BENEFICIOS DE MIMO................................................................... 97 3.6.1.APLICACIONES MIMO........................................................................................................ 97 3.6.2.BENEFICIOS ........................................................................................................................ 97 3.7.TIPOS DE MIMO............................................................................................................... 100 3.7.1.SU-MIMO (O MULTI-ANTENNA MIMO) ........................................................................... 100 3.7.2.MU-MIMO (O MULTI-USER & MULTI-ANTENNA MIMO) ................................................. 100 3.7.2.1.Tcnicas SDMA y otras tcnicas MU-MIMO ........................................................... 101 3.7.2.2.Clasificacin de MU-MIMO.................................................................................... 102 Punto a Multipunto: ...................................................................................................... 102 Multipunto a Multipunto ............................................................................................... 102 3.8.BREVE DESCRIPCIN MATEMTICA DE MIMO..................................................... 104 ILUSTRACIN 3-1: 802.11N, LA CUARTA GENERACIN DE WLANS. ....................................................... 78 ILUSTRACIN 3-2: DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS SISO, MISO Y SIMO RESPECTIVAMENTE................... 80 ILUSTRACIN 3-3: DIAGRAMA DE UN SISTEMA MIMO........................................................................... 80 ILUSTRACIN 3-4: SISTEMA MISO: DIVERSIDAD EN TRANSMISIN Y BEAMFORMING .............................. 84 ILUSTRACIN 3-5: SISTEMA SIMO: DIVERSIDAD EN RECEPCIN............................................................. 84 ILUSTRACIN 3-6: TPICO SISTEMA SMART ANTENNA CON DIVERSIDAD EN TRANSMISIN Y RECEPCIN Y BEAMFORMING............................................................................................................................. 85 ILUSTRACIN 3-7: SISTEMA MIMO...................................................................................................... 85 ILUSTRACIN 3-8: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR SELECCIN ................................... 87 ILUSTRACIN 3-9: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR CONMUTACIN............................. 88 ILUSTRACIN 3-10: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR COMBINACIN ............................ 88 ILUSTRACIN 3-11: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN TRANSMISOR CON CODIFICADOR ESPACIO-TIEMPO ... 89 ILUSTRACIN 3-12: MULTIPLEXACIN ESPACIAL................................................................................... 90 ILUSTRACIN 3-13: LAS SEALES MULTICAMINO QUE LLEGUEN LIGERAMENTE DESFASADAS CREARN UNA SEAL MS DBIL AL COMBINARSE CON LA SEAL PRIMARIA EN EL RECEPTOR ........................ 92 ILUSTRACIN 3-14: LAS SEALES MULTICAMINO QUE LLEGUEN CON UN DESFASE DE 180 CANCELARN COMPLETAMENTE A LA SEAL PRIMARIA. ...................................................................................... 93 ILUSTRACIN 3-15: DISTORSIONES PRESENTES EN EL CANAL INALMBRICO ........................................... 93 Redes de rea Local I nalmbricas:Diseo de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio terico Captulo 3: Tecnologa MI MO 109 ILUSTRACIN 3-16: ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA MIMO............................................................ 94 ILUSTRACIN 3-17: EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE MIMO EN UNA WLAN QUE OPERA CON EL ESTNDAR 802.11N...................................................................................................................... 96 ILUSTRACIN 3-18: CONCEPTO BSICO DE MU-MIMO....................................................................... 101 ILUSTRACIN 3-19: MODELO DE UN CANAL MIMO............................................................................. 104 TABLA 3-1: EVOLUCIN DE MIMO....................................................................................................... 81