Tecnología MIMO
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Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Capítulo Parte I: Estudio teórico 3 Tecnología MIMO 3.1. Introducción Las redes inalámbricas de área local han cosechado éxitos instantáneos tanto en ambientes residenciales y domésticos como en oficinas y empresas, debido en parte a la función que aportan y a su bajo coste. Sin embargo, la tasa de transferencia que conseguimos con las WLANs actuales es todavía muy limitada comparándolas con las LAN cableadas. Después del 802.11b aparecieron el estándar 802.11a y el tan extendido 802.11g, que quintuplican la velocidad del primero, pero sus 54Mbps quedan muy lejos aún de los 1000Mbps del Gigabit Ethernet que usan algunas redes cableadas. Además el alcance y el rendimiento que ofrecen son bastante mejorables. MIMO, acrónimo en inglés de Multiple-Input Multiple-Output (en español, Múltiple entrada, Múltiple salida) surge como la tecnología que promete resolver muchos de estos problemas en un futuro inmediato, ofreciendo mayores tasas de transferencia, mayores distancias de cobertura, mayor capacidad de usuarios y más fiabilidad; y todo ello sin aumentar el ancho de banda, y la potencia transmitida. Por estas propiedades, el grupo de trabajo IEEE 802.11n está desarrollando un estándar para WLANs que permitirá conseguir una velocidad máxima hipotética de hasta 600Mbps, 10 veces más que el límite teórico de sus predecesores, y un throughput (caudal efectivo) de 108Mbps [3-1]. Este estándar, que representará la cuarta generación de WLANs, está aún en desarrollo, pero fabricantes como Cisco, Capítulo 3: Tecnología MIMO 77 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Belkin o Netgear han sacado ya al mercado dispositivos denominados “Pre-n”, basados en esta tecnología, y que, aunque no aseguran que serán compatibles con el definitivo 802.11n, ya muestran ciertas ventajas sobre las antiguas normas. Ilustración 3-1: 802.11n, la cuarta generación de WLANs. Pero MIMO no es sólo una tecnología aplicable a las WLANs. Es la tendencia actual de las investigaciones internacionales en comunicaciones inalámbricas [3-2], y numerosos tipos de redes WPAN o WMAN y sistemas de comunicaciones móviles celulares están o estarán provistos de esta tecnología. WiMAX Mobile (802.16e) ha aceptado aplicarla en sus especificaciones y usarla como tecnología base. A su vez, el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) y 3GPP2 están evaluando emplear esta técnica en redes celulares y está previsto su utilización para los futuros terminales 4G, los cuales han sido probado experimentalmente con éxito, logrando tasas de transferencia de hasta 100Mbps a distancias de 200Kms [3-3]. Para las WPANs, MIMO se encuentra aún en una fase inicial de investigación. En este capítulo nos dedicaremos a estudiar con cierto grado de detalle dicha tecnología. En primer lugar repasaremos sus antecedentes y aportaremos una definición precisa del término. A continuación destacaremos las distintas técnicas que usa, y explicaremos detalladamente cómo funciona. Seguidamente enumeraremos los distintos beneficios que conlleva, así como las distintas aplicaciones que incorporan esta tecnología. Después haremos una clasificación de los distintos tipos de MIMO que existen, y para terminar, introduciremos una breve descripción matemática de la tecnología. Capítulo 3: Tecnología MIMO 78 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.2. Antecedentes de MIMO 3.2.1. Diversidad Hablamos de diversidad cuando tenemos múltiples copias de la señal transmitida, y según dónde se produzca esta diversidad, distinguimos las siguientes clases: Diversidad en el tiempo, cuando transmitimos varias versiones de la misma señal en instantes diferentes. Diversidad en la frecuencia, cuando la señal es transmitida usando distintos canales de frecuencia. Un ejemplo sería OFDM o las técnicas de espectro expandido, ambas explicadas en el capítulo anterior. Diversidad en el espacio, cuando se utilizan caminos de propagación diferentes para transmitir la señal. En comunicaciones inalámbricas esto se consigue mediante diversidad de antenas, es decir, usando varias antenas transmisoras (diversidad en transmisión) y/o varias antenas receptoras (diversidad en recepción). Diversidad de polarización, cuando múltiples copias de la señal son 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 través de la diversidad de antenas. Según el número de antenas que encontramos en ambos extremos de la comunicación podemos distinguir los siguientes sistemas, los cuales podemos considerar puntos de partida de la tecnología MIMO: SISO (Single Input, Single Output): sistema de comunicaciones que utiliza una sola antena transmisora y una sola antena receptora. MISO (Multiple Input, Single Output): sistema de comunicaciones que utiliza dos o más antenas transmisoras pero sólo una antena receptora. También se le conoce como diversidad en transmisión. SIMO (Single Input, Multiple Output): sistema de comunicaciones que utiliza una sola antena de emisión y dos o más antenas receptoras. Se le conoce como diversidad en recepción. Capítulo 3: Tecnología MIMO 79 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Observemos la siguiente ilustración: TX SISO RX TX MISO RX TX SIMO RX Ilustración 3-2: Diagramas de los sistemas SISO, MISO y SIMO respectivamente. Atendiendo a esta clasificación MIMO representará entonces un sistema de comunicaciones que utiliza dos o más antenas en el extremo transmisor, y dos o más antenas en el extremo receptor. Es decir, utilizará diversidad en el espacio a través del uso de varias antenas tanto en transmisión como en recepción. TX MIMO RX Ilustración 3-3: Diagrama de un sistema MIMO ¿Pero podríamos definir MIMO como un caso corriente de diversidad espacial o implicaría algo más? Efectivamente MIMO implica algo más que diversidad de Capítulo 3: Tecnología MIMO 80 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico antenas, pero esto lo explicaremos más adelante. Ahora veamos una breve reseña histórica acerca de esta tecnología. 3.2.2. Historia de MIMO Estos casos de diversidad espacial en transmisión o recepción no son fenómenos pioneros en las radiocomunicaciones. Ya Marconi en el año 1901 probó con éxito transmitir la letra “S” del código Morse desde Inglaterra hasta Signal Hill, (St. John, Terranova, Canadá), a casi 4000Km de distancia, utilizando cuatro antenas transmisoras desde cuatro torres de 60 metros de altura cada una. También podemos encontrar ejemplos de diversidad desde 1910 en sonar submarinos y sensores acústicos, o desde 1940 en los sistemas de radar. Pero las primeras ideas acerca de MIMO como tal aparecen al principio de la década de los 70. La evolución desde entonces hasta nuestros días la resumimos en la siguiente tabla. Fecha Años 70 1984-1986 1994 1996 1998 2001 2003 2006 2008 Evento A. R. Kaye , D. A. George y W. Van Etten realizan las primeras investigaciones Los Laboratorios Bell, por medio de Jack Winters y Jack Salz, publicaron numerosos artículos acerca de aplicaciones donde podría ser útil el “beamforming” o conformación de los haces de antena A. Paulraj y T. Kailath, profesores de la Universidad de Stanford (California, EEUU), propusieron el concepto de “Multiplexación Espacial” y destacaron sus numerosas aplicaciones en comunicaciones inalámbricas. La Universidad de Stanford patentó la “Spacial Multiplexing” o Multiplexación Espacial. Rayleigh y Foschini, de los laboratorios Bell, comprobaron que la propagación multicamino podría ser muy beneficiosa en una configuración con múltiples antenas. Los Laboratorios Bell crearon el primer prototipo de multiplexación espacial, técnica clave para el desarrollo de sistemas de comunicación MIMO. Iospan Wireless Inc. desarrolló el primer sistema comercial que usaba la tecnología MIMO-OFDMA. Airgo Networks desarrolló el primer prototipo de chip MIMO, con un DSP para el procesado digital de señales. Compañías como Cisco, Netgear, Belkin o Intel empiezan a fabricar dispositivos para WLANs que aportan una solución MIMO-OFDM denominada 802.11 Pre-N, basada en el futuro estándar IEEE 802.11n. Numerosas compañías desarrollan soluciones MIMO-OFDMA para WiMAX Mobile (802.16e). Año previsto para la publicación del definitivo estándar IEEE 802.11n, el cual se basará en la tecnología MIMO Tabla 3-1: Evolución de MIMO Capítulo 3: Tecnología MIMO 81 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.3. Definición de MIMO Quizás éste sea el apartado más “conflictivo” del capítulo, ya que ha sido muy difícil encontrar una definición precisa de MIMO. Y es que no todos los fabricantes que afirman vender MIMO venden MIMO. La mayoría hacen un mal uso del término creando confusión y ambigüedad, por lo que será fácil “caer en la trampa” y dar la definición de una tecnología “pseudo MIMO” en vez de la verdadera tecnología. Tal y como es definido y entendido por la mayoría de ingenieros, investigadores, académicos y estudiosos del tema, MIMO o Multiple Input Multiple Output es una tecnología que se refiere específicamente al uso de múltiples señales que viajan simultáneamente y a la misma frecuencia por un solo canal de radiofrecuencia, y que aprovecha la propagación multicamino (veremos en qué consiste en el apartado 3.4.1) para incrementar la eficiencia espectral de nuestro sistema de comunicaciones inalámbrico. Esto lo consigue a través del uso de diversidad de antenas, distintas técnicas y complejos algoritmos de tratamiento digital de señales en ambos extremos del enlace: extremo transmisor (múltiple entrada) y extremo receptor (múltiple salida) [3-4]. Esta definición del término es la que creemos más adecuada ya que se apoya en numerosos artículos de investigación, publicaciones, libros y conferencias de diferentes expertos en la materia. Antes del desarrollo de MIMO, los sistemas de comunicaciones inalámbricos veían en la propagación multicamino un gran inconveniente que debía de ser solventado, pero MIMO es la primera tecnología que trata el multicamino como una característica inherente a nuestro sistema que hay que aprovechar para poder multiplicar su capacidad. Esto nos permitirá incrementar extraordinariamente la velocidad, el caudal efectivo, el rango, la capacidad y la fiabilidad de nuestro sistema y 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 áreas de cobertura al menos dos veces más grandes que la que cubren dispositivos convencionales, aumentando también la velocidad y disminuyendo la probabilidad de error [3-6]. En resumen, MIMO aumenta la eficiencia espectral de un sistema de comunicación inalámbrica por medio de la utilización de técnicas de diversidad espacial y de complejos algoritmos de procesado digital de señales. 3.3.1. Diferencias con un sistema “smart antenna” típico Capítulo 3: Tecnología MIMO 82 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico “Smart Antenna” (o Adaptive Array Antenna) es una tecnología aplicada a las comunicaciones inalámbricas que consiste en usar varias antenas espacialmente distribuidas (diversidad espacial, diversidad de antena) y/o algoritmos de tratamiento digital de señales. Estos últimos son usados para identificar marcas espaciales en las señales como la dirección de llegada (DOA o Direction Of Arrival), o para calcular el patrón de radiación de la antena (beamforming o conformado de haz) [3-7]. El adjetivo “smart” significa elegante y hace referencia a los algoritmos de procesado de señales que usan, no al aspecto físico de la propia antena en sí. Destacar que hay diferentes niveles de “elegancia” según los algoritmos empleados. A primera vista, parece que MIMO y “smart antenna” son similares basándonos en la definición dada. Ambas usan varias antenas y algoritmos de tratamiento digital de señales. Entonces ¿Cómo difieren? Podríamos decir que MIMO es un tipo extendido de sistemas smart antenna. Expliquémoslo con detalle. La primera diferencia radica en cómo se comportan ante la propagación multicamino. Los sistemas radio unidimensionales tradicionales normalmente siguen dos estrategias para tratarla. La primera es simplemente ignorarla, en cuyo caso se está desperdiciando la energía contenida en las señales multicamino. Esta energía puede ser demasiado grande como para ignorarla y puede causar degradaciones del rendimiento de nuestro sistema. La segunda es emplear técnicas de mitigación del desvanecimiento multicamino. Alguna de las técnicas más convencionales son el beamforming o la diversidad. Beamforming puede aportarnos mayor alcance en ciertas aplicaciones pero no resuelve problemas como la reducción del número de usuarios soportados y la limitación del número de canales disponibles debido al consumo de energía. En soluciones de diversidad en recepción podemos conmutar entre las distintas antenas receptoras para capturar la señal más potente, mejorando así la fiabilidad. Igualmente, con la combinación en recepción se pueden procesar las señales provenientes desde múltiples antenas para acomodar los efectos del desvanecimiento. De todas formas, cualquiera que sea la técnica de mitigación empleada, smart antenna (al igual que los sistemas de radio convencionales) asume que la propagación multicamino es perjudicial, e intenta minimizar su daño 1. MIMO, en cambio, aprovecha la propagación multicamino para incrementar el througput, el alcance y la fiabilidad. Más que combatirla, la utiliza para llevar más información. El cómo lo hace lo veremos en el aparatado 3.5.2 Cómo funciona MIMO. 1 ¡Ojo! No estamos diciendo que sean técnicas inútiles. Está sobradamente demostrado que “smart antenna” mejora los convencionales sistemas de radiocomunicaciones unidimensionales, pero MIMO da un paso más allá. Capítulo 3: Tecnología MIMO 83 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico La segunda diferencia sustancial entre ambos es la multidimensionalidad. Los sistemas convencionales y smart antenna representan sistemas unidimensionales, mientras que MIMO representa un innovador sistema de comunicación multidimensional, única manera de mejorar los tres parámetros básicos de rendimiento de un radio enlace: alcance, velocidad y fiabilidad. Cuando decimos multidimensional nos referimos al envío de varias señales de datos al mismo tiempo y por el mismo radiocanal. Lo entenderemos mejor con las siguientes imágenes. En la ilustración 3-4 hemos representado un sistema con dos antenas en transmisión y una en recepción (sistema MISO), que además utiliza la técnica de beamforming para dirigir el haz de la antena hacia el mejor camino de la ruta multicamino (para ello es conocer previamente el canal radio). Ilustración 3-4: Sistema MISO: diversidad en transmisión y beamforming En la siguiente ilustración hemos representado un sistema con diversidad en recepción para capturar la señal más fuerte resultante de la propagación multicamino. Ilustración 3-5: Sistema SIMO: diversidad en recepción La ilustración 3-6 muestra lo que podría ser un típico sistema smart antenna que utiliza varias antenas en transmisión, varias en recepción y beamforming. Notemos que, a pesar de las distintas técnicas usadas, sólo una señal es enviada por el canal. A esto nos referíamos cuando hablábamos de sistema unidimensional, y es por esto que no se incrementaría la tasa de bits o la capacidad de nuestro sistema. Capítulo 3: Tecnología MIMO 84 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Ilustración 3-6: Típico sistema smart antenna con diversidad en transmisión y recepción y beamforming. A diferencia del sistema anterior, MIMO envía varias señales al mismo tiempo y por el mismo canal, creando una transmisión multidimensional. Este sistema doblaría el throughput, multiplicando de esta manera la eficiencia espectral. Ilustración 3-7: Sistema MIMO Para concluir, pongamos el siguiente ejemplo, al que Carl Temme, vicepresidente de Airgo Networks, aludía en un artículo de Network World, y que seguro aclara conceptos. Podemos pensar en los sistemas radio tradicionales como si viajásemos con nuestro coche por el carril de una carretera nacional, la cual tendría un límite de velocidad que es el que gobernaría el flujo máximo de tráfico permitido a través de ella. Comparándolos con los sistemas convencionales, los sistemas smart antenna convertirían este carril en uno más seguro, por lo que, aunque la máxima velocidad permitida sigue siendo la misma, al tener más fiabilidad, con “smart antenna” podríamos viajar a una velocidad más cercana al límite establecido. Sin embargo MIMO, en comparación con estos dos casos anteriores, ayudaría a abrir más carriles de circulación en nuestro mismo sentido, lo que convertiría la carretera nacional de un carril por la que estábamos circulando en una autovía con varios carriles (tantos como antenas disponibles). Ahora el límite de velocidad sí que subiría y se podría circular más rápido. La tasa de tráfico sería proporcional al número de carriles abiertos. Y también aumentaría la fiabilidad [3-8]. Capítulo 3: Tecnología MIMO 85 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College 3.3.2. Parte I: Estudio teórico Uso incorrecto del término “MIMO” Como explicamos antes, no todo lo “MIMO” es MIMO. Se está haciendo un uso incorrecto del término y su abuso repercute negativamente en los consumidores, que esperanzados en alcanzar las prestaciones prometidas, ven como éstas no se cumplen del todo. Dispositivos de WLANs basados en los existentes estándares Wi-Fi no siempre tienen el suficiente alcance como para cubrir un hogar entero o no tienen la suficiente velocidad como para poder soportar aplicaciones de video o de voz; dispositivos WLANs que incorporan la tecnología MIMO verdadera darán solución a estos problemas; pero dispositivos con la etiqueta “MIMO” basados solamente en el uso de múltiples antenas es probable que no. Aunque algunos fabricantes digan que los productos inalámbricos que usan “smart antenna” y/o múltiples canales son productos MIMO, en realidad no lo son, en el sentido de que no aportan todos los beneficios que el verdadero MIMO puede aportar. Por eso los hemos denominado “pseudo-MIMO”. Estos productos podrán emplear diversidad o beamforming. Está demostrado que ambas técnicas proporcionan evidentes mejoras en sistemas de comunicaciones inalámbricos unidimensionales, tal y como podemos leer en numerosas publicaciones. Pero no es MIMO verdadero. Y es que, como anuncia Datacomm Research Company, “la industria y el mercado de las tecnologías inalámbricas debe exigir un uso más exacto del término MIMO para evitar crear confusión en los consumidores. Hay que ayudarlos a distinguir entre pseudo-MIMO y las verdaderas soluciones MIMO, y salvaguardar así la identidad de esta innovación tecnológica” [3-9]. Capítulo 3: Tecnología MIMO 86 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.4. Principales técnicas de MIMO Explicaremos las principales técnicas de transmisión que utiliza la tecnología MIMO antes de dedicarnos a comprender su funcionamiento. Básicamente podemos dividirlas en tres categorías principales: diversidad de antenas, multiplexación espacial y beamforming. 3.4.1. Diversidad de antenas Los sistemas MIMO usan la diversidad espacial para mejorar las prestaciones del sistema. Como dijimos en el apartado 3.2.1, ésta la consiguen mediante el uso de varias antenas en un mismo transmisor. Según en qué extremo de la comunicación se da la diversidad, diferenciamos entre diversidad en recepción o diversidad en transmisión. Ambas pueden combinarse o darse por separado. 3.4.1.1. Diversidad de recepción Es el uso de dos o más antenas en un mismo receptor para generar recepciones independientes de la señal transmitida. Las antenas deben estar bien distribuidas espacialmente, es decir, deben estar separadas al menos por una distancia de coherencia. Dependiendo de cómo usemos las antenas podemos distinguir a su vez tres subtipos: Diversidad por selección: elige una de las antenas atendiendo a un criterio concreto: la que reciba la señal de más potencia, la que reciba la señal con mejor SNR, etc. Ilustración 3-8: Esquema de un receptor con diversidad por selección Capítulo 3: Tecnología MIMO 87 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Diversidad por conmutación: cambia la antena de recepción cuando la señal recibida no supera un cierto umbral. Ilustración 3-9: Esquema de un receptor con diversidad por conmutación Diversidad por combinación, realiza una combinación lineal ponderada de todas las señales recibidas. Dependiendo de cómo sea la combinación, se divide a su vez varios tipos: de radio máximo, de igual ganancia, etc. Ilustración 3-10: Esquema de un receptor con diversidad por combinación 3.4.1.2. Diversidad de transmisión Se refiere al uso de dos o más antenas en el mismo transmisor. Existen varios tipos de diversidad de transmisión: con cambio de antena, con ponderado de frecuencia, a través de diversidad de retraso y a través de diversidad de código. Nosotros nos vamos a centrar en esta última técnica, ya que es la que generalmente usa MIMO [3-10]. Capítulo 3: Tecnología MIMO 88 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico La diversidad de código o técnicas Space-Time Coding (STC), en castellano codificación espacio-tiempo, es un método empleado para mejorar la fiabilidad de la transmisión de datos usando diversidad de transmisión. STC se basa en 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 así ser posible su decodificación fiable. Estas copias son distribuidas a lo largo del tiempo y entre todas las antenas transmisoras disponibles. En la imagen vemos el diagrama de bloques de un transmisor con STC. Para cada símbolo de entrada el codificador espacio-tiempo elige una de las constelaciones para transmitir simultáneamente desde cada antena. Ilustración 3-11: Diagrama de bloques de un transmisor con codificador espacio-tiempo Hay dos tipos de STC: STTC o Space-Time Trellis Coding. Las copias son codificadas con un código Trellis (un código convolucional). Con este método obtenemos ganancia de codificación2 y ganancia de diversidad3, además de una mejor BER. Sin embargo el codififcador/decodificador es más complejo de implementar debido a que es un decodificador de Viterbi [3-10]. STBC o Space-Time Block Coding. Las copias son codificadas en conjunto como un bloque de datos. Con este método obtenemos sólo ganancia de diversidad, pero son mucho menos complejos de implementar que STTC porque se basan en procesamientos lineales [3-11]. 2 Se define ganancia de codificación (diversity coding en inglés) como la cantidad de SNR que tenemos que incrementar para que un sistema que no usa codificación tenga la misma BER que ese mismo sistema usando codificación. Se mide en decibelios. 3 Se define ganancia de diversidad (diversity gain en inglés) como el incremento de la SNR del sistema debido al uso de diversidad. Se mide en decibelios. Capítulo 3: Tecnología MIMO 89 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College 3.4.2. Parte I: Estudio teórico Multiplexación Espacial o Spatial Multiplexing (SM) La demultiplexación espacial consiste en la división de una señal de mayor ancho de banda en varias señales iguales de menor ancho de banda. El “apellido” espacial hace referencia a la transmisión, simultánea y por el mismo canal de frecuencia, de cada una de estas señales por medio de antenas diferentes. La multiplexación espacial es justamente el proceso contrario: la combinación de varias señales de menor ancho de banda en una señal de mayor ancho de banda. Estas dos técnicas son las que usan los transmisores y receptores MIMO respectivamente para aprovechar la propagación multicamino y es la responsable del aumento de la tasa de transmisión en dichos sistemas. Ilustración 3-12: Multiplexación espacial El orden de multiplexación espacial es el número de flujos de datos transmitidos paralelamente, y su valor máximo estará limitado por el menor del número de antenas transmisoras o de antenas receptoras. El incremento de la eficiencia espectral será proporcional a este orden. Por último destacar que no podemos entender SM sin un esquema de diversidad de antenas: es obligatorio utilizar varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor, ya que es lo que nos proporciona la diversidad espacial. Sin embargo, con SM no será necesario el conocimiento previo del canal. Capítulo 3: Tecnología MIMO 90 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College 3.4.3. Parte I: Estudio teórico Precoding y Beamforming Precoding (traducido al castellano, precodificación), en el sentido amplio de la palabra, se refiere a todas las técnicas de procesado espacial que se realizan en el transmisor MIMO. Pero en un sentido más específico, hace referencia a un caso especial de beamforming para transmisiones multidimensionales, como las que realizan los sistemas MIMO. Beamforming convencional es una técnica de procesado de señales usada para controlar el patrón de radiación de nuestra antena. Aporta la funcionalidad de un filtro espacial y es aplicada tanto en transmisión como en recepción: En recepción, beamforming se utiliza para incrementar o disminuir la sensibilidad del receptor en una determinada dirección. Por ejemplo, podremos aumentar la sensibilidad en la dirección de la señal deseada, y reducirla en las restantes direcciones, reduciendo así interferencias y ruidos. En transmisión, beamforming se emplea para configurar el patrón de radiación de nuestra antena. Cambiando la forma del haz, podremos aumentar la directividad de la antena en una determinada dirección, y minimizar la ganancia de la antena para el resto de direcciones. Muchos autores suelen establecer una analogía de esta técnica con la capacidad que tiene el sistema auditivo humano para localizar sonidos cuando, por ejemplo, en un pub con mucha gente, música y ruidos, podemos distinguir el origen o aislar y entender una conversación de otras [3-12]. Hay que tener en cuenta que tanto el precoding como el beamforming requieren de un conocimiento previo del estado del canal. Capítulo 3: Tecnología MIMO 91 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.5. Funcionamiento de MIMO 3.5.1. Propagación multicamino. Distorsiones del canal radio Podemos decir que entre un transmisor situado en un punto A y un receptor situado en un punto B hay un camino primario, que definiremos como el más directo entre ambos. Inevitablemente no todas las señales que transmitimos entre estos puntos siguen este camino, sino que debido a las numerosas reflexiones y/o refracciones que sufren con los diversos obstáculos que encuentran a su paso, como montañas, edificios o incluso las mismas capas de la atmósfera, tomarán múltiples caminos distintos para alcanzar al receptor. A esto se le llama propagación multicamino o multitrayecto y es una característica que presenta el canal radio de todos los sistemas de comunicaciones inalámbricos. Veamos cómo afecta este fenómeno a las señales que transmitimos. Las señales que recorren estos caminos “no primarios” llegarán al receptor en tiempos diferentes (siempre más tarde), ya que cada una de éstas ha seguido una ruta diferente al resto. Decimos entonces que tienen un desfase con respecto a la señal primaria. Según este desfase se producirán interferencias constructivas o destructivas provocando sumas o degradaciones de la señal original. La señal vista por el receptor, que no es más que una combinación lineal de las señales multicamino con la señal primaria, sufrirá interferencias constructivas o destructivas que se traducirán en sumas o degradaciones de la señal final. Este fenómeno lo hemos plasmado en las siguientes ilustraciones. Como podemos apreciar en la parte superior de la ilustración 3-13, la señal multicamino (representada en rojo) tiene un pequeño desfase con respecto a la señal primaria (representada en azul). Esto hará que cuando ambas se combinen en el receptor conformen una señal principal debilitada, tal y como hemos representado en la parte inferior. Ilustración 3-13: Las señales multicamino que lleguen ligeramente desfasadas crearán una señal más débil al combinarse con la señal primaria en el receptor Capítulo 3: Tecnología MIMO 92 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Podemos encontrarnos el caso extremo: si el desfase es de 180º, la señal multicamino cancelará totalmente a la señal primaria, no teniendo señal en el receptor. Esto se muestra en la siguiente imagen: Ilustración 3-14: Las señales multicamino que lleguen con un desfase de 180º cancelarán completamente a la señal primaria. En la siguiente ilustración observamos un escenario típico de propagación multicamino: Ilustración 3-15: Distorsiones presentes en el canal inalámbrico A todo lo anteriormente descrito, hay que añadir otro tipo de distorsiones características del canal inalámbrico: Capítulo 3: Tecnología MIMO 93 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico ISI o Interferencia Inter-Simbólica, causada por la propagación multicamino. Fading o desvanecimiento de la amplitud de la señal, también causada por la propagación mulitrayecto y los efectos de dispersión (scattering) que sufre la señal. CCI o Interferencia 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 térmico, inherente a los propios dispositivos electrónicos. Todas estas distorsiones causarán una reducción importante de la velocidad de transmisión de datos y un incremento del número de errores, y los percibiremos en forma de ruidos, desvanecimientos de la amplitud, recepción intermitente o repentinas caídas de la transmisión durante nuestra comunicación. 3.5.2. Cómo funciona MIMO La propagación multicamino fue considerada un problema para las radiocomunicaciones, sin embargo, durante los años 90, varios investigadores de la Stanford University y los Laboratorios Bell demostraron que podía ser explotada para multiplicar la capacidad de los sistemas inalámbricos [3-4], [3-13]. Esta es la idea principal en la que se basa el funcionamiento de MIMO. TX RX Radio D S P Radio NT transmisores Canal Radio MIMO: ISI CCI Fading Doppler Ruido Radio Radio D S P NR receptores Necesario un ambiente “rico” en scattering y propagación multicamino Ilustración 3-16: Esquema general de un sistema MIMO Capítulo 3: Tecnología MIMO 94 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Un sistema MIMO dispondrá de un transmisor con NT antenas transmisoras espacialmente distribuidas. El transmisor también contendrá un DSP (Digital Signal Processor, procesador digital de señales en castellano) que codificará un flujo de datos de un solo usuario con velocidad R, en NT “subflujos” de velocidad R/ NT cada uno. Cada subflujo será modulado y enviado en paralelo hacia el canal inalámbrico por una antena diferente. Destacar que todos los subflujos se envían en el mismo intervalo de tiempo y a la misma frecuencia e, insistimos de nuevo, por antenas diferentes. En otras palabras, se enviarán múltiples señales simultáneamente por el mismo radiocanal. MIMO saca ventaja del multicamino de la siguiente forma: cada ruta multicamino será tratada como un canal diferente, creando así una especie de “cable virtual” sobre el cual se transmite la señal. Cada ruta será un cable virtual, y el canal inalámbrico se comportará como un “mazo” de cables virtuales. Al emplear múltiples antenas separadas espacialmente, podremos aprovechar estos cables virtuales para transmitir más datos, multiplicando de esta manera el throughput (caudal efectivo). La tasa máxima por canal crecerá linealmente con el número de subflujos de datos diferentes que son transmitidos en el mismo canal. Además, debido a la diversidad de antenas, se incrementará también la distancia de cobertura. Pero la transmisión sin cables no se comporta igual de bien que a través de cables, por lo que la comparación hecha no es precisa del todo. Cada señal transmitida bajo la influencia de la propagación multicamino seguirá una ruta diferente, por lo que seremos más exactos si decimos que el canal inalámbrico actuará como un conjunto de cables pero con gran grado de “fuga” entre ellos. Esto ocasionará que las señales transmitidas se mezclen juntas. Cada una de las NR antenas del extremo receptor recibirá entonces una señal, fruto de la combinación de los múltiples subflujos transmitidos. El DSP del receptor, mediante complejos algoritmos de procesado de señales, separará cada uno de ellos, los ordenará y los combinará, recuperando así la señal original con los datos transmitidos originalmente. Con un esquema de transmisión MIMO conseguimos un incremento lineal en la eficiencia espectral frente al incremento logarítmico que consiguen otros sistemas tradicionales de una sola antena [3-14]. En consecuencia, la cobertura (en términos de distancia), la calidad (en términos de BER, Bit Error Ratio, o probabilidad de error), la capacidad (referida en Bits/Hz/segundo o número de usuarios/Hz) y la tasa de bits (Bits/segundo) se verán mejoradas notablemente [3-13]. Capítulo 3: Tecnología MIMO 95 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College 3.5.3. Parte I: Estudio teórico Ejemplo de funcionamiento de MIMO: WLAN que opera bajo el estándar 802.11n Con este ejemplo vamos a comprender mejor el funcionamiento de MIMO. Supongamos una WLAN que opera bajo el IEEE 802.11n 4, estándar que, como ya dijimos antes, utilizará tecnología MIMO. Supongamos que un cliente quiere transmitir datos al punto de acceso al que está registrado. Veamos cómo sería el proceso, paso a paso, con ayuda de la ilustración 3-17: 1. El cliente envía un flujo de datos a la red inalámbrica a 108Mbps. 2. El adaptador inalámbrico 802.11n del cliente dispone de un transmisor MIMO con dos antenas transmisoras (por ejemplo) y un DSP. Éste divide la trama de datos de 108Mbps en dos tramas más lentas de 54Mbps cada una. 3. El transmisor envía simultáneamente cada trama por antenas separadas pero por el mismo radiocanal. 4. Las señales enviadas por el canal inalámbrico sufren diversas reflexiones con los objetos que encuentran a su paso, haciendo que sigan mútliples caminos. Dentro del mismo radiocanal, MIMO convierte estos múltiples caminos en canales virtuales que transportan mezcladas las distintas tramas de datos. 5. El punto de acceso 802.11n dispone de un receptor con múltiples antenas que recepcionan la señal. Las tramas de datos que viajan en los distintos canales virtuales se separan mediante complejos algoritmos. A continuación se combinan para reconstruir la señal original a 108Mbps. Ilustración 3-17: Ejemplo de funcionamiento de MIMO en una WLAN que opera con el estándar 802.11n. 4 Será necesario un punto de acceso con estándar 802.11n y un cliente con adaptador inalámbrico que opere bajo el mismo estándar. Capítulo 3: Tecnología MIMO 96 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.6. Aplicaciones y beneficios de MIMO 3.6.1. Aplicaciones MIMO MIMO es una tecnología creada para mejorar toda comunicación que sea sin cables. En la actualidad existen numerosos grupos de investigación centrados en el estudio de este tipo de sistemas. Como muestra cabe destacar el interés en estandarizar las técnicas MIMO en tres grandes áreas de aplicación inalámbricas: sistemas de comunicaciones móviles de 4G, sistemas WMAN y WLANs [3-2], [3-15]. Hay importantes estudios acerca de cómo conseguir los objetivos marcados por la cuarta generación de sistemas de comunicaciones móviles. Una de las propuestas para aumentar la tasa binaria en UMTS fue la utilización de múltiples antenas tanto en el Nodo-B (o estación base) como en los terminales móviles 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 utilización de MIMO-OFDM en HSOPA, estándar Pre-4G (también llamado Super3G), y estamos seguros que será una de las tecnologías base de los futuros sistemas 4G [3-16]. También ha surgido un gran interés para aplicar MIMO en WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) como así muestra la norma 802.16e, Mobile WiMAX. Ésta es una evolución de WiMax para dar soporte a la movilidad del usuario, y también incorpora MIMO-OFDMA. Por último hacemos también una mención especial a la aplicación directa de MIMO a las WLAN: el estándar 802.11n. Es notable el esfuerzo que está realizando el grupo de trabajo IEEE 802.11 Task Group N, que, junto con varios grupos colaboradores, trabaja para definir el futuro estándar. Previsiblemente estará finalizado para noviembre del 2008 y representará la 4G de las WLAN, con velocidades mucho mayores que los estándares anteriores, mayor capacidad y más fiabilidad. 3.6.2. Beneficios La tecnología MIMO mejora el rendimiento de cualquier sistema de comunicaciones inalámbrico, multiplicando su eficiencia espectral. Esto se traduce en los siguientes beneficios para nuestra red o dispositivo MIMO: 1. Tasa de bits. Permitiendo la transmisión simultánea de múltiples tramas de datos, MIMO multiplica la tasa de transmisión sin consumir Capítulo 3: Tecnología MIMO 97 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico más espectro. El caudal efectivo o throughput incrementa en un factor igual al número de señales transmitidas en paralelo por el mismo radiocanal y al mismo tiempo. Los expertos calculas que se podrán alcanzar tasas máximas de 600Mbps, con un througput medio de 108Mbps [3-1]. 2. Eficiencia espectral. MIMO es el único sistema que mejora la eficiencia espectral multiplicando al menos dos veces los bits transmitidos por Hz. Por ejemplo, se prevé que los primeros dispositivos MIMO para WLANs repartirán 108Mbps en 20MHz de espectro, lo que hacen 5.4Mbps/MHz. Si lo comparamos con 802.11a/g, que repartía 54Mbps en 20 MHz (2.7Mbps/MHz) vemos que resulta el doble, incluso utilizando técnicas como beamforming o diversidad [3-17]. 3. Número de usuarios. Incrementar la capacidad permite aumentar el número de usuarios que podrían conectarse simultáneamente a nuestra red en un mismo canal de frecuencia. 4. Cobertura. Debido a las técnicas de diversidad, alcanzaremos distancias mayores sin aumentar la potencia de transmisión. Con un solo punto de acceso podremos dar cobertura a una región de espacio más grande que antes. 5. Fiabilidad. Aumenta. Con MIMO la probabilidad de error es más baja. 6. Coste. Debido a que un solo punto de acceso es capaz de soportar más usuarios, y a que con la misma potencia mejoramos su alcance, necesitaremos un menor número de dispositivos, abaratando el coste de nuestra red. Ya que es la materia principal de estudio de nuestro proyecto, vamos a mencionar beneficios concretos que MIMO aportará a las WLANs que trabajarán con el futuro estándar 802.11n. En aplicaciones domésticas En aplicaciones en empresas Un AP se basta para dar acceso de banda Sustituye a Ethernet. Mejora la fiabilidad y la robustez de la red ancha a un hogar entero: Atraviesa más muros Consigue velocidades mayores Capítulo 3: Tecnología MIMO Velocidades similares a Fast Ethernet Reduce el coste de infraestructura porque necesitaremos menos APs 98 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Soporta el transporte de aplicaciones Mejora el rendimiento de VoIP multimedia de todo tipo: voz, datos, Incrementa la capacidad de una llamada Mejora la QoS música, SDTV, HDTV, etc Capítulo 3: Tecnología MIMO 99 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.7. Tipos de MIMO Podemos destacar dos tipos de MIMO: SU-MIMO (Single-User MIMO) y MUMIMO (Multi-User MIMO). 3.7.1. SU-MIMO (o Multi-antenna MIMO) Single-User MIMO (o simplemente MIMO, sin perder generalidad) es la tecnología que hemos estado describiendo hasta ahora en el desarrollo del capítulo. Podríamos traducirlo como “MIMO de un solo usuario”, o como “MIMO punto-apunto” (Point-to-Point MIMO). Ya hemos visto antes que este tipo de MIMO consigue grandes mejoras en la eficiencia espectral, la capacidad del canal y la fiabilidad, esencialmente mediante el uso de técnicas como la multiplexación espacial o STC. Pero SU-MIMO no explota la diversidad de usuarios, el acceso múltiple: los grados de libertad (DoF, Degrees of Freedom) adquiridos con el uso de múltiples antenas son aprovechados para crear una transmisión multidimensional punto a punto, pero no punto a multipunto. Es decir, SU-MIMO no está diseñado para trabajar con varios usuarios al mismo tiempo. Esta es la característica diferencial con MU-MIMO. Hasta ahora, SU-MIMO ha sido implementado principalmente para el estándar 802.11n, y las principales técnicas SU-MIMO desarrolladas son: 3.7.2. BLAST (Bell Laboratorios Arquitecture Layered Space-Time), por G.J. Foschini de los Laboratorios Bell [3-18]. PARC (Per Antenna Rate Control) SPARC (Selective Per Antenna Rate Control). MU-MIMO (o Multi-User & Multi-Antenna MIMO) MU-MIMO es radicalmente diferente a SU-MIMO. Representa un conjunto de técnicas y algoritmos avanzados (es uno de los motivos por el que algunos autores denotan a esta tecnología como “Advanced MIMO” o “MIMO avanzado”) que, además de aprovechar las ventajas del uso de múltiples antenas, explota la multiplicidad de usuarios. Esta variación de MIMO implica el acceso múltiple, es decir, el reparto Capítulo 3: Tecnología MIMO 100 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico espacial del canal entre múltiples usuarios, pudiendo crear transmisiones multidimensionales punto a multipunto (un usuario a muchos usuarios), o incluso multipunto a multipunto (varios usuarios a varios usarios). La siguiente figura trata de explicar el concepto básico de MU-MIMO. DOWNLINK (MIMO BC) La estación base se comunica simultáneamente con múltiples usuarios Usuario 1 M1 antenas Usuario 2 Estación Base NT antenas M2 antenas Usuario K UPLINK (MIMO MAC) MK antenas Ilustración 3-18: Concepto básico de MU-MIMO 3.7.2.1. Técnicas SDMA y otras técnicas MU-MIMO Esta variante de la tecnología MIMO da un giro radical al diseño de los protocolos de nivel de enlace para acceso múltiple [3-15], apareciendo nuevas técnicas como SDMA (Space-Division Multiple Access). SDMA es un método de múltiple acceso que permite a una estación transmitir (o recibir) señales hacia (o desde) múltiples usuarios, simultáneamente y en la misma banda de frecuencias. Al igual que hacía la multiplexación espacial, SDMA crea una serie de “cables virtuales” paralelos por los que viajan las señales, pero además ofrece un rendimiento superior en sistemas de comunicaciones radio con múltiples usuarios [3-19]. En los numerosos artículos científicos sobre MU-MIMO, podemos encontrar numerosas técnicas que se utilizan para explotar la diversidad de usuarios. Por poner un ejemplo, podemos enumerar las siguientes: planificación y selección de usuarios; codificación y decodificación avanzada, con detección de múltiples Capítulo 3: Tecnología MIMO 101 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico usuarios como el receptor MLD; técnicas de cooperación como DPC (Dirty Paper Coding), etc. 3.7.2.2. Clasificación de MU-MIMO Los algoritmos Multi-User MIMO son desarrollados para sistemas con más de un usuario. Podemos diferenciar dos escenarios: Punto a Multipunto: En escenarios donde la comunicación comprende desde un solo usuario con múltiples antenas hacia varios usuarios, o viceversa (Multi-user to/from multiantenna single-user). Dentro de este escenario podemos reconocer dos tipos de MIMO para cada uno de los enlaces, ascendente y descendente: MIMO Broadcast Channels o MIMO BC. Representa el enlace descendente (Estación base Usuarios) para una topología punto a multipunto. La estación base utiliza procesadores avanzados para la transmisión, incluyendo técnicas como SDMA y precoding avanzado. Además, deberá conocer el estado del canal en todo momento (CSIT, de Channel State Information at the Transmitter). MIMO Multiple Access Channels o MIMO MAC. Hace referencia al enlace ascendente (Usuarios Estación base) dentro de esta misma topología. En este caso la estación base actúa como receptor, por lo que también incluirá algoritmos avanzados para la recepción de la señal, como joint interferente cancellation o. También deberá conocer el estado del canal (CSIR, de Channel State Information at the Receiver) pero esta vez le será más fácil que conocer CSIT, ya que se puede basar en éste. MIMO BC y MIMO MAC tienen un rendimiento superior a sistemas MIMO punto a punto (SU-MIMO), especialmente cuando el número de antenas en la estación base es mayor que el número de antenas de cada usuario. Multipunto a Multipunto En situaciones donde la comunicación va desde varios usuarios hasta varios usuarios y viceversa (Multi-user to Multi-user). Es el caso de Cooperative MIMO (CO-MIMO) también conocido como Network MIMO o Ad Hoc MIMO. En las comunicaciones inalámbricas cooperativas, al contrario que las convencionales que intentan evitar las interferencias, cada nodo aprovecha su propia interferencia, y las interferencias de los nodos restantes de la red, para mejorar el rendimiento de la codificación y decodificación de datos. En concreto, en CO-MIMO, un nodo usa múltiples antenas distribuidas que pertenecen a múltiples Capítulo 3: Tecnología MIMO 102 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico nodos diferentes. Ésta es una técnica muy útil para redes celulares con topologías ad hoc inalámbricas, donde múliples nodos transmisores se comunican con múltiples nodos receptores a la vez. No entraremos en más detalles. Capítulo 3: Tecnología MIMO 103 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico 3.8. Breve descripción matemática de MIMO Para terminar este capítulo, intentaremos caracterizar matemáticamente un sistema MIMO. Por la complejidad de las matemáticas que implica su estudio, y porque éste no es el objeto principal de este proyecto, sólo echaremos un vistazo al modelo matemático de un sistema Single-User MIMO, aunque sin entrar mucho en detalle. Podemos representar el modelo matemático de un sistema SU-MIMO tal y como muestra la figura de abajo. Hemos asumido que el canal es aleatorio y sin memoria y que se desconoce el canal [3-13], [3-20]: Canal MIMO H x y x1 y1 1 Transmisor MIMO 1 hji xi 1101010 Receptor MIMO yj i 1101010 j xNT yNR NT NR transmisores receptores Ilustración 3-19: Modelo de un canal MIMO La relación entrada y salida en un instante de tiempo será: y t H xt nt (3-1) donde: · xt es el vector de datos transmitidos, con dimensión (NTx1). · y t es el vector de datos recibidos, y tiene dimensión (NRx1). · nt es el vector de ruido AWGN (Additive White Gaussian Noise), y es de dimensión (NRx1). · H es la matriz del canal MIMO, con dimensión (NRxNT). Capítulo 3: Tecnología MIMO 104 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico siendo NT el número de antenas transmisoras, y NR el número de antenas receptoras. Es decir: y1 h11 ... h1i ... ... ... ... y j h j1 h ji .... ... ... y NR hNR ,1 ... hNR ,i ... h1, NT x1 n1 ... ... ... h j , NT · xi n j (3-2) ... ... ... ... ... h NR , NT x NT n NR Como vemos, una entrada general de la matriz del canal H es denotada por h ji , y representa la ganancia compleja del canal desde la antena transmisora i-ésima hasta la antena receptora j-ésima: h ji j 2 2 ·e Por otro lado, mientras que xi yj j · arctg ( ) h ji e j · ji (3-3) representará la señal recibida por la antena receptora j-ésima será la señal transmitida por la antena emisora i-ésima. nj será el ruido AWGN que reciba la antena receptora j-ésima. Para el caso de un sistema SISO, donde sólo tenemos una antena transmisora (NT=1) y una antena receptora (NR=1), la expresión del modelo del canal cambiaría de la siguiente manera: y t h xt nt (3-4) Definimos capacidad del canal (de Shannon) la tasa máxima de bits que podemos transmitir sin error a través de dicho enlace de comunicaciones. Es decir, es una medida de cuánta información puede ser transmitida y recibida con una probabilidad de error nula. La capacidad dependerá del modelo del canal, del ruido y de la potencia de la señal 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]: C SISO t log 2 (1 SNRSISO t ) Capítulo 3: Tecnología MIMO (3-5) 105 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico donde SNR es la relación señal a ruido de la señal recibida en el instante t, y que se define como: 2 SNRSISO (t ) h · s2 n2 (3-6) · h es el módulo de la ganancia del canal SISO · s2 es la varianza de la señal recibida por el receptor. · n2 es la potencia del ruido a la entrada del receptor. En cambio, la capacidad de un canal MIMO vendrá dada por la expresión [313], [3-14], [3-20]: C MIMO 1 * E log 2 det I 2 H Q H n (3-7) donde: · H es la matriz (NRxNT) del canal MIMO · Q es la matriz de covarianza del vector de transmisión xt . La potencia de transmisión tiene que ser adecuadamente distribuida entre todas las antenas para maximizar la capacidad. Para un caso donde el canal es desconocido, distribuir uniformemente la potencia total del transmisor P entre las antenas disponibles puede ser una buena solución [3-20]. Entonces la matriz Q tendría la siguiente forma: Q P I NT (3-8) y (3-7) quedaría [3-5], [3-10], [3-19]: C MIMO P NT * E log 2 det I HH 2 n donde * E HH log 2 det I NT (3-9) es la relación señal a ruido media de la señal recibida en cada una de las antenas del receptor. Capítulo 3: Tecnología MIMO 106 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico Comparando (3-9) y (3-5) resulta que: C MIMO min(N T , N R ) C SISO (3-10) lo que significa que la capacidad de un canal MIMO es NT o NR veces mayor (el menor de los dos números) que la de un sistema SISO. Capítulo 3: Tecnología MIMO 107 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico CAPÍTULO 3: TECNOLOGÍA MIMO................................................................... 77 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................77 3.2. ANTECEDENTES DE MIMO .............................................................................................79 3.2.1. 3.2.2. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.4. DIVERSIDAD .......................................................................................................................79 HISTORIA DE MIMO ...........................................................................................................81 DEFINICIÓN DE MIMO.....................................................................................................82 DIFERENCIAS CON UN SISTEMA “SMART ANTENNA” TÍPICO ...................................................82 USO INCORRECTO DEL TÉRMINO “MIMO” ...........................................................................86 PRINCIPALES TÉCNICAS DE MIMO..............................................................................87 3.4.1. DIVERSIDAD DE ANTENAS ...................................................................................................87 3.4.1.1. Diversidad de recepción............................................................................................87 3.4.1.2. Diversidad de transmisión.........................................................................................88 3.4.2. MULTIPLEXACIÓN ESPACIAL O SPATIAL MULTIPLEXING (SM)..............................................90 3.4.3. PRECODING Y BEAMFORMING .............................................................................................91 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.5.3. 3.6. 3.6.1. 3.6.2. 3.7. FUNCIONAMIENTO DE MIMO........................................................................................92 PROPAGACIÓN MULTICAMINO. DISTORSIONES DEL CANAL RADIO..........................................92 CÓMO FUNCIONA MIMO.....................................................................................................94 EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE MIMO: WLAN QUE OPERA BAJO EL ESTÁNDAR 802.11N .96 APLICACIONES Y BENEFICIOS DE MIMO ...................................................................97 APLICACIONES MIMO ........................................................................................................97 BENEFICIOS ........................................................................................................................97 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. Técnicas SDMA y otras técnicas MU-MIMO ........................................................... 101 3.7.2.2. Clasificación de MU-MIMO.................................................................................... 102 Punto a Multipunto: ...................................................................................................... 102 Multipunto a Multipunto ............................................................................................... 102 3.8. BREVE DESCRIPCIÓN MATEMÁTICA DE MIMO ..................................................... 104 ILUSTRACIÓN 3-1: 802.11N, LA CUARTA GENERACIÓN DE WLANS. .......................................................78 ILUSTRACIÓN 3-2: DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS SISO, MISO Y SIMO RESPECTIVAMENTE...................80 ILUSTRACIÓN 3-3: DIAGRAMA DE UN SISTEMA MIMO...........................................................................80 ILUSTRACIÓN 3-4: SISTEMA MISO: DIVERSIDAD EN TRANSMISIÓN Y BEAMFORMING ..............................84 ILUSTRACIÓN 3-5: SISTEMA SIMO: DIVERSIDAD EN RECEPCIÓN.............................................................84 ILUSTRACIÓN 3-6: TÍPICO SISTEMA SMART ANTENNA CON DIVERSIDAD EN TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN Y BEAMFORMING.............................................................................................................................85 ILUSTRACIÓN 3-7: SISTEMA MIMO ......................................................................................................85 ILUSTRACIÓN 3-8: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR SELECCIÓN ...................................87 ILUSTRACIÓN 3-9: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR CONMUTACIÓN .............................88 ILUSTRACIÓN 3-10: ESQUEMA DE UN RECEPTOR CON DIVERSIDAD POR COMBINACIÓN ............................88 ILUSTRACIÓN 3-11: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN TRANSMISOR CON CODIFICADOR ESPACIO-TIEMPO ...89 ILUSTRACIÓN 3-12: MULTIPLEXACIÓN ESPACIAL...................................................................................90 ILUSTRACIÓN 3-13: LAS SEÑALES MULTICAMINO QUE LLEGUEN LIGERAMENTE DESFASADAS CREARÁN UNA SEÑAL MÁS DÉBIL AL COMBINARSE CON LA SEÑAL PRIMARIA EN EL RECEPTOR ........................92 ILUSTRACIÓN 3-14: LAS SEÑALES MULTICAMINO QUE LLEGUEN CON UN DESFASE DE 180º CANCELARÁN COMPLETAMENTE A LA SEÑAL PRIMARIA.......................................................................................93 ILUSTRACIÓN 3-15: DISTORSIONES PRESENTES EN EL CANAL INALÁMBRICO ...........................................93 Capítulo 3: Tecnología MIMO 108 Redes de Área Local Inalámbricas: Diseño de la WLAN de Wheelers Lane Technology College Parte I: Estudio teórico ILUSTRACIÓN 3-16: ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA MIMO............................................................94 ILUSTRACIÓN 3-17: EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE MIMO EN UNA WLAN QUE OPERA CON EL ESTÁNDAR 802.11N......................................................................................................................96 ILUSTRACIÓN 3-18: CONCEPTO BÁSICO DE MU-MIMO ....................................................................... 101 ILUSTRACIÓN 3-19: MODELO DE UN CANAL MIMO............................................................................. 104 TABLA 3-1: EVOLUCIÓN DE MIMO .......................................................................................................81 Capítulo 3: Tecnología MIMO 109
