Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de ComunicacoesMoveis
Walter C. Freitas Jr.1
Charles C. Cavalcante2 e F. Rodrigo P. Cavalcanti2
{charles,rodrigo}@gtel.ufc.br
1 Instituto Nokia de Tecnologia - INdThttp://www.indt.org.br
2 Grupo de Pesquisa em Telecomunicacoes Sem Fio – GTELUniversidade Federal do Ceara – UFC
http://www.gtel.ufc.br
XXII Simposio Brasileiro de Telecomunicacoes (SBrT2005)4-8 de Setembro de 2005 - Campinas-SP
c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicacoes Moveis
Conteudo
1 Sistema OFDM
2 Estruturas MIMO
3 Estruturas MIMO-OFDM
4 Medidas sistemicas
5 Desafios e Perspectivas
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Contexto (1)
Futuros sistemas de comunicacoes moveis (3G+ e 4G) requisitaraotaxas de transmissao da ordem de gigabits
Funcionamento dentro dos requisitos de qualidade de servico (QoS)cada vez mais difıcil
Gerenciamento do espectro torna-se um componente ainda maisimportante
Canais em tais faixas de frequencia sao mais distorsivos: aumento nainterferencia
Capacidade do sistema e vinculada a taxa de transmissao efetiva
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Contexto (2)
Tecnicas avancadas de processamento de sinais visam ajudar asolucionar os limitantes dos futuros sistemas moveis
Capacidade (taxas de transmissao): sistemas com multiplas antenastransmissoras e receptoras (MIMO) sao utilizados
Interferencia (distorcao do canal): transmissao por portadorasortogonais (OFDM)
Nosso objetivo
Estudo da confluencia das duas tecnicas
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Parte I
Sistema OFDM: Conceitos
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Sistema de modulacao OFDM
Orthogonal Division Multiplex Access
Inıcio da ideia nos anos 70
Aplicacao da Fast Fourier Transform (FFT) como maneira deimplementacao em sistemas praticos
Baseado no conceito de multiplas portadoras
Ideia basica
Transformar um canal com desvanecimento seletivo em frequencia em umconjunto de canais paralelos de desvanecimento plano.
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Ideia do sistema OFDM
1 portadora(1 canal)
20 subportadoras(20 canais paralelos)
Am
plitu
de
Am
plitu
de
Freqüência Freqüência
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Observacoes
1 O numero de subportadoras Ns deve ser “bem ajustado” para que ossubcanais sejam aproximadamente planos em frequencia
2 Ns pequeno
Pior aproximacaoTransmissao mais rapida
3 Ns grande
Melhor aproximacaoTransmissao mais lenta
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Formalizacao
Sımbolo OFDM e gerado a partir de um bloco de sımbolos transmitidosem diferentes subportadoras
s′(t) =
Ns−1∑
k=0
sk · exp(j2πfkt)
em que s = [ s0, s1, . . . , sS−1] e o bloco de sımbolos a sertransmitidos
Possibilidade de implementacao atraves da IFFT
s′n = IFFTN{s}
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Ortogonalidade das subportadoras
Para a transmissao ser eficiente as subportadoras devem ser ortogonaisentre si
Toda a faixa do canal deve ser “coberta” pela composicao dassubportadoras
Em condicao ideal, nao ha interferencia intercarrier
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Exemplo de subportadoras de um sinal OFDMFrequencia normalizada em relacao ao valor 1/T
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Freqüência
Am
plit
ude
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Intervalo de guarda: prefixo cıclico
Na pratica nao ha transformacao para canais com desvanecimento plano
Para mitigar os efeitos do delay spread do canal uso de intervalo deguarda
Geralmente e inserido um prefixo cıclico na sequencia de dados a sertransmitida
Sequencia com intervalo de guarda e entao dada como
s′gn = s′(n)S, n = −G, . . . ,−1, 0, 1, . . . , N − 1
em que G e o tamanho do intervalo de guarda em amostras e (n)S e oresıduo de n modulo S.
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Sistema OFDM basico
S/P������������������� ��� ������������������������ ������������������������������ �����������������������
������������������������������������������������FFT���������������������P/S
���������������
�
�
�
�����������������������������
������������������ �
�
TX
RX
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Resumo
1 Pode-se reduzir efeito do desvanecimento seletivo do canal
2 Utilizacao da dimensao frequencia (subportadoras) para transmissaodos sinais
3 Configuracao do sistema usando IFFT-FFT e computacionalmentesimples
4 Eficiente tecnica de transmissao multiportadora
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Sistemas praticos que usam conceito OFDM
1 High Speed Data Packet Access (HSDPA)
2 Sistemas de TV Digital: DVB e IDVB
3 WLAN IEEE 802.16
4 xDSL
Sistemas futuros
O World Wireless Research Forum divulgou que ha um consenso dasempresas e universidades que os futuros sistemas de comunicacao moveisserao baseados em tecnologia OFDM
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Introducao
Historia
- Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular paratransmitir codigos Morse da letra S
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Introducao
Historia
- Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular paratransmitir codigos Morse da letra S
Motivacao
- ganho de arranjo: aumento no alcance =⇒ cobertura- ganho de multiplexacao espacial: aumento na eficiencia espectral =⇒
bps/Hz- ganho de diversidade espacial: mitigar o efeito do desvanecimento =⇒
robustez [BER]- ganho de codificacao: menor consumo de potencia
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Sistemas MIMO
Dados
Transmitidos Tx
Tx M
Tx
Tx 1
Tx
Dados
Recebidos IC
Alg
oritm
o
Rx
Rx 1
Rx
Rx N
Rx
Canal MIMO Quase-estático
Desvanecimento plano
Definicoes
MIMO - uso simultaneo de arranjo de antenas em ambos transmissor ereceptor
M - numero de antenas transmissoras
N - numero de antenas receptoras
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Benefıcios presente no canal MIMO
Multiplexacao
s1
... s2
s3
t = T
Diversidade
s1
... s1
s1
t = T
Principais Benefıcios
multiplexacao espacial - multiplexar sımbolos diferentes em cada antena
diversidade espacial - tomar proveito dos multiplos enlacesindependentes transmitindo redundancia levando a uma melhoria naconfiabilidade do enlace
Ganhos maximos
multiplexacao espacial: min(M,N)
diversidade espacial: MN
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Esquemas de Transceptores MIMOIntroducao
Classificacao
Esquemas de diversidade puros, e.g., STBC
Esquemas de multiplexacao puros, e.g., BLAST
Esquemas hıbridos (HMTS)
Esquemas de multiplexacao
popularmente conhecidos com o esquemas BLAST (Bell-labs LAyered Space-Time),propostos por G. J. Foschini no Bell-labs
foco em fornecer ganho de multiplexacao
processamento de sinais e mandatario no receptor para cancelamento da interferencia
Esquemas de diversidade
combinacao de codificacao de canal e sistemas MIMO
popularmente conhecidos com o STBC (Space-Time Block Codes), proposto por Alamouti
facil deteccao (baixa complexidade)
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Esquemas de Transceptores MIMOMultiplexacao espacial
Esquemas de multiplexacao
Classificacao
- Vertical BLAST- Diagonal BLAST
Tecnicas BLAST
V-BLAST
s4 s1
... s5 s2
s6 s3
t = 2 t = 1
D-BLAST
s3 s2 s1
... s4 s3 s2
s1 s4 s3t = 3 t = 2 t = 1
Cancelamento da interferencia
Deteccao linear (LD)
- receptor Zero Forcing (ZF)- receptor Minimum Mean Square Error (MMSE)
Deteccao nao linear
- ZF ou MMSE + Successive Interference Cancellation (SIC)- ZF ou MMSE + Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)
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Esquemas de Transceptores MIMODeteccao Linear - receptores ZF e MMSE
Definicoes
vetor de sımbolos:
s = � s1 s2 . . . sM T
sinal recebido:
x = H · s + v
matriz de canal:
H =
!"""#h11 h12 h1M
h21 h22 h2M
......
...hN1 hN2 hNM
$%%%&
ZFcriterio:
WTi (H)j = ' 1, i = j
0, i 6= j
i = 1, . . . , M
pesos do filtro:
WZF = (HHH)−1
HH
MMSEcriterio:
minE{‖Wx − sd‖2}
pesos do filtro:
WMMSE = Rxx−1
Rsdx
Rxx = E{xxH} e Rsdx = E{sdx
H}
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Esquemas de Transceptores MIMODeteccao Nao Linear - receptores SIC e OSIC
Successive Interference Cancellation (SIC)
ideia:
- impacto dos sımbolos detectados no sinal recebido e removidogradualmente em estagios sucessivos ⇒ maior diversidade a cada estagio
- Nulling:
WMMSE = Rxx
−1Rsdx
yi = WMMSEx
- Cancelling: xi+1 = xi − sihi
Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)
SIC pode ter o efeito de propagacao dos erros no processo sucessivo
Fazendo-se um ordenamento este efeito e mitigado neste caso:ordenado SIC −→ OSIC
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Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC
Caracterısticas
fornecer ganho de diversidade espacial - redundancia no espaco e notempo
Deteccao ML - processamento linear no receptor
Esquemas de diversidade puros
Esquemas importantes:
- Alamouti (1998) Full diversity scheme (2Tx-1Rx)- Tarokh et al (1998) Design criteria for STC and STBC for more than 2Tx
Esquema G2(Alamouti)
SG2[T=1,T=2] = * s1 s2
−s∗2 s∗1 +SG2[T=1,T=2] e ortogonal
Deteccao ML - processamentolinear no receptor
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Esquemas de Transceptores MIMODeteccao STBC
Deteccao STBC
r1 = h1s1 + h2s2 + v1
r2 = −h1s∗1 + h2s∗2 + v2
* r1
r2 +, -. /r
= * h1 h2
−h∗2 h∗
1 +, -. /H
* s1
s2 +, -. /s
+ * v1
v2 +, -. /v
r = Hs + v
HH
H = * |h1|2 + |h2|2 00 |h1|2 + |h2|2 +
Transmissao G2
t=1 s1 s2
t=2 −s∗2 s∗1Tx = 1 Tx = 2
NotasH e ortogonal
HH
H - filtro casado espacial(deteccao ML com proc. linear)
|h1|2 + |h2|2 - ganho dediversidade
Taxa: R = K/T = 1
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Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC
Esquema H3
SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =
!""""#s1 s2
s3√2
−s∗2 s∗1s3√2
s∗3√2
s∗3√2
−s1−s∗1+s2−s∗
2
2s∗3√2
−s∗3√2
s2+s∗2+s1−s∗
1
2
$%%%%&Taxa: R = K/T = 3/4
Esquema G3
SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =
!""""#s1 s2
s3√2
−s∗2 s∗1s3√2
s∗3√2
s∗3√2
−s1−s∗1+s2−s∗
2
2s∗3√2
−s∗3√2
s2+s∗2+s1−s∗
1
2
$%%%%&Taxa: R = K/T = 1/2
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO Hıbridos
Esquemas de Transceptores MIMO Hıbridos
Combinacao de STBC e V-BLAST em camadas
Compromisso entre ganho de diversidade e multiplexacao
maior taxa que os STBC puros
maior robustez que o V-BLAST
Esquema G2+1
12 s
11 s
1 s STBC
G2
Ser
ial-
par
alel
o
2 s
s
Caracterısticas
SG2+1[T=1,T=2] = * s1 s2 s3
−s∗2 s∗1 s4 +η = 2 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 2(N-1) 1(N-2)SIC 2(N-1) 1N
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO Hıbridos
Esquema G2+G2
STBC
G2
Ser
ial
- P
aral
elo
s
12 s
11 s
STBC
G2 22 s
21 s
1 s
2 s
Caracterısticas
SG2+G2[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4
−s∗2 s∗1 −s∗3 s∗4 +η = 2 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 2(N-2) 2(N-2)SIC 2(N-1) 2N
Esquema G2+1+1
Ser
ial
- P
aral
lel
s
12 s
11 s
1 s
2 s
3 s Ser
ial
- P
aral
elo STBC
G2
Caracterısticas
SG2+1+1[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4
−s∗2 s∗1 s5 s6 +η = 3 · log2(M) bps/Hz
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2 Camada 3LD 2(N-2) 1(N-3) 1(N-3)SIC 2(N-2) 1(N-1) 1(N)
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO Hıbridos
Esquema G3+1
STBC
G3
Ser
ial
- P
aral
elo
s
12 s
11 s
13 s
1 s
2 s
CaracterısticasSG3+1[T=1,T=2,...,T=8] =!"""""""""#
s1 s2 s3 s5
−s2 s1 −s4 s6
−s3 s4 s1 s7
−s4 −s3 s2 s8
s∗1 s∗2 s∗3 s9
−s∗2 s∗1 −s∗4 s10
−s∗3 s∗4 s∗1 s11
−s∗4 −s∗3 s∗2 s12
$%%%%%%%%%&η = 1.5 · log2(M) bps/Hz.
ordem de diversidade
Detector Camada 1 Camada 2LD 3(N-1) 1(N-3)SIC 3(N-1) 1N
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Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO Hıbridos
Algoritmo de cancelamento de interferencia modificado
ideia:
- bom desempenho do detector nao linear SIC- facil deteccao dos STBC
Algoritmo
Passos
1. “anulamento” da interferencia1. deteccao STBC e remontagem
do sinal detectado2. cancelamento da interferencia3. deteccao camadas nao
codificadas
Algoritmo
Decodificação
Espaco-temporal
cancelamento
da
interferência
1
N
y[k]
Filtro
Espacial
MIMO
STBC
Decod.
Canal
Equivalente Estimção
de
Canal
x[k]
N
1
1 ˆ s
z[k]
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ResultadosComparacao dos Algoritmos de Cancelamento de Interferencia
HMTS G2+1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−4
10−3
10−2
10−1
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G2+1(BPSK−LD), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−OSIC), 3Tx−3Rx
Notas
SIC superior ao LD
OSIC similar ao SIC
HMTS G2+G2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G2+G2(BPSK−LD), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−OSIC), 4Tx−4Rx
Notas
SIC superior ao LD
OSIC superior ao SIC
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Complexidade Similar
3Tx-3Rx
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3(BPSK), 3Tx−3RxH3(BPSK), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−LD), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+1(BPSK−OSIC), 3Tx−3RxVBLAST(BPSK−OSIC), 3Tx−3Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexacao
Superior eficiencia espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Complexidade Similar
4Tx-4Rx
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G4(BPSK), 4Tx−4RxG3+1(BPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+G2(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG2+1+1(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxVBLAST(BPSK−OSIC), 4Tx−4Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexacao
Superior eficiencia espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiencia Espectral Fixa
3 bps/Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
VBLAST(BPSK−OSIC), 3Tx−3RxG3+1(QPSK−SIC), 4Tx−4RxG2+1+1(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG3(64−PSK), 3Tx−3Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexacao
Superior eficiencia espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiencia Espectral Fixa
4 bps/Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810
−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
VBLAST(BPSK−OSIC), 4Tx−4RxG2+1(QPSK−SIC), 3Tx−3RxG2+G2(QPSK−OSIC), 4Tx−4RxG4(256−PSK), 4Tx−4Rx
NotasHMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexacao
Superior eficiencia espectral que os STBC puros
Menor BER que o V-BLAST
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ResultadosProposta de Resolucao do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1
NotasCamadas STBC com BER muito menor que as camadas BLAST
Camadas BLAST transmitem sem nenhuma protecao, esta camada e o “gargalo”
Solucoes:
- cod. de canal- CSI no transmissor
“Gargalo” - HMTS G3+1
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/No [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(SIC)(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)
Solucao I: cod. de canal
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/No [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(SIC)(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)G3+1(SIC−COD−SOVA)(layer 2 − VBLAST)
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ResultadosProposta de Resolucao do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1
Solucao II: CSI no transmissor
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
Eb/N
0 [dB]
Bit
Err
or R
ate
G3+1(layer 1 − STBC G3)G3+1(SIC)(layer 2 − VBLAST)G3+1(SIC, CSI parcial)layer 2 − VBLAST)
Notas - Solucao I
Enorme diferenca no desempenho deBER entre a camada 1 e a camada 2
Solucao baseada em codificacao decanal diminui a eficiencia espectral dacamada BLAST
Notas - Solucao II
Apenas parcial CSI no transmissor
Pequeno overhead
Baixa Eb/N0 - desempenho similarcamada 1 e a camada 2
Alta Eb/N0 - desempenho superiorcamada 2 sobre a camada 1
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Conclusoes
HMTS: compromisso entre diversidade e multiplexacao
Algoritmo de IC modificado: deteccao ML dos STBC preservada
G2+1 e G3+1: OSIC similar ao SIC
Numero de antenas fixo: HMTS - compromisso entre diversidade emultiplexacao
Eficiencia espectral fixa: HMTS melhor desempenho
Camada V-BLAST dos HMTS: “gargalo” no desempenho,
solucao com o CSI: solucao satisfatoria para este “gargalo”
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Parte III
Estruturas MIMO-OFDM
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Consideracoes gerais
Insercao de modulacao OFDM para transmissao e recepcao pormultiplas antenas
Juncao das duas tecnicas fornece ganhos de capacidade (taxa detransmissao) e tratamento da interferencia
Passıvel de utilizacao com multiplexacao (baseado em BLAST) ediversidade (baseado em STC)
Tambem e extensıvel para caso hıbrido
Possibilidade de outras estrategias de diversidade1 Codigo espaco-temporal por subportadora2 Codigo espaco-frequencia3 Codigo espaco-tempo-frequencia
Complexidade adicional
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MIMO-OFDM: diagrama geral
012343560123435601234356
...
0123728956:;8<=>=?@5...
Possível ramo de diversidade
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Resumo
Juncao de poderosas tecnicas individuais
Complexidade adicional
Para OFDM perfeitamente ajustado o desempenho MIMO-OFDM e omesmo que sistemas MIMO com desvanecimento plano
Resultados preliminares neste contexto
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Parte IV
Medidas sistemicas: impactos e solucoes
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Consideracoes gerais
Contexto mais geral: integracao da camada fısica com camadassuperiores no sistema de comunicacao digital
Gerenciamento de recursos de radio: parametros selecionados emcamadas superiores
Desempenho afetado por camada fısica
Princıpio de water filling - distribuicao dos recursos de forma aprivilegiar melhores parametros
Vantagens com OFDM?
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Questoes e impactos (1)
Multiplos canais espaco-tempo-frequencia: alta granularidade naalocacao de recursos e provisionamento de taxa e QoS
Dimensionalidade do problema (grande numero de parametros) implicanum maior desafio RRM para MIMO-OFDM
Problema importante (e complexo): RRM em sistemas MIMO-OFDM
Alocacao de recursos como modulacao, potencia, sub-portadora e antena,em um cenario dinamico (variacao temporal do canal, variacao dosrequisitos de QoS) utilizando algoritmos factıveis (complexidade e tempode resposta) e baseando-se em uma infra-estrutura de estimacao de canal edemais grandezas relevantes que seja realizavel.
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Questoes e impactos (2)
Sistemas coordenados (sem interferencia externa desconhecida):solucao para RRM baseada em conceitos de water-filling (algoritmos debit-loading)
Sistemas celulares (nao-coordenados): problema de RRM paraMIMO-OFDM e amplamente aberto
Degradacao ao se migrar de um ambiente limitado por ruıdo para outrolimitado por interferencia: maior em sistemas MIMO que em sistemasSISO
Aumento do numero de antenas receptoras necessario para permitircancelamento de interferencia (Catreux et al, 2001)
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Questoes e impactos (3)
Solucoes baseadas em processamento de sinais e codificacao podemamenizar o problema.
Turbo-multiuser-space-time-detection: reducao de efeitos da interferencia(Dai et al, 2004)
Entretanto, o desempenho de tais solucoes e bastante inferior ao casodo cenario sem interferencia
Indicativo de que apenas solucao global baseada em RRM proveraaumento de capacidade.
Cooperacao entre ERBs devera ser incluıda nas solucoes em vista.
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Parte V
Desafios e Perspectivas
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Questoes chave
Sincronizacao: temporal e em frequencia
Efeito de crista (crest effect)
Equalizacao no tempo ou frequencia?
Estimacao de canal: fator chave para STC e cross-layer
Sensibilidade a offsets
Gerenciamento de recursos: alta dimensionalidade do problema (good
and bad)
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Perspectivas interessantes
1 Estrategias de estimacao de canal
2 Peak-to-Average Power Reduction (PAPR)
3 Modelagem
4 Equalizacao
5 Avaliacao de interferencia
6 Algoritmos de adaptacao de enlace/gerenciamento de recursos
7 Diversidade (STC,SFC,STFC, qual deles e como?)
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Parte VI
Referencias e Bibliografia
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Bibliografia
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Information Theory, 45(05):1456 − 1467, 1999.
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