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Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de ComunicaçõesMóveis

Walter C. Freitas Jr.1

[email protected]

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 Telecomunicações Sem Fio – GTELUniversidade Federal do Ceará – UFC

http://www.gtel.ufc.br

XXII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SBrT2005)4-8 de Setembro de 2005 - Campinas-SP

c© Freitas, Cavalcante & Cavalcanti MIMO-OFDM para Comunicações Móveis

Conteúdo

1 Sistema OFDM

2 Estruturas MIMO

3 Estruturas MIMO-OFDM

4 Medidas sistêmicas

5 Desafios e Perspectivas


Contexto (1)

Futuros sistemas de comunicações móveis (3G+ e 4G) requisitarãotaxas de transmissão da ordem de gigabits

Funcionamento dentro dos requisitos de qualidade de serviço (QoS)cada vez mais dif́ıcil

Gerenciamento do espectro torna-se um componente ainda maisimportante

Canais em tais faixas de freqüência são mais distorsivos: aumento nainterferência

Capacidade do sistema é vinculada à taxa de transmissão efetiva


Contexto (2)

Técnicas avançadas de processamento de sinais visam ajudar asolucionar os limitantes dos futuros sistemas móveis

Capacidade (taxas de transmissão): sistemas com múltiplas antenastransmissoras e receptoras (MIMO) são utilizados

Interferência (distorção do canal): transmissão por portadorasortogonais (OFDM)

Nosso objetivo

Estudo da confluência das duas técnicas


Parte I

Sistema OFDM: Conceitos


Sistema de modulação OFDM

Orthogonal Division Multiplex Access

Ińıcio da idéia nos anos 70

Aplicação da Fast Fourier Transform (FFT) como maneira deimplementação em sistemas práticos

Baseado no conceito de múltiplas portadoras

Idéia básica

Transformar um canal com desvanecimento seletivo em freqüência em umconjunto de canais paralelos de desvanecimento plano.


Idéia do sistema OFDM

1 portadora(1 canal)

20 subportadoras(20 canais paralelos)

Am

plitu

de

Am

plitu

de

Freqüência Freqüência


Observações

1 O número de subportadoras Ns deve ser “bem ajustado” para que ossubcanais sejam aproximadamente planos em freqüência

2 Ns pequeno

Pior aproximaçãoTransmissão mais rápida

3 Ns grande

Melhor aproximaçãoTransmissão mais lenta


Formalização

Śımbolo OFDM é gerado a partir de um bloco de śımbolos transmitidosem diferentes subportadoras

s′(t) =

Ns−1∑

k=0

sk · exp(j2πfkt)

em que s = [ s0, s1, . . . , sS−1] é o bloco de śımbolos a sertransmitidos

Possibilidade de implementação através da IFFT

s′n = IFFTN{s}


Ortogonalidade das subportadoras

Para a transmissão ser eficiente as subportadoras devem ser ortogonaisentre si

Toda a faixa do canal deve ser “coberta” pela composição dassubportadoras

Em condição ideal, não há interferência intercarrier


Exemplo de subportadoras de um sinal OFDMFreqüência normalizada em relação 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


Intervalo de guarda: prefixo ćıclico

Na prática não há transformação para canais com desvanecimento plano

Para mitigar os efeitos do delay spread do canal uso de intervalo deguarda

Geralmente é inserido um prefixo ćıclico na seqüência de dados a sertransmitida

Seqüência com intervalo de guarda é então dada como

s′gn = s′(n)S

, n = −G, . . . ,−1, 0, 1, . . . , N − 1

em que G é o tamanho do intervalo de guarda em amostras e (n)S é oreśıduo de n módulo S.


Sistema OFDM básico

S/P��

��FFT��P/S��

�

�

�

��

��

�

�

TX

RX


Resumo

1 Pode-se reduzir efeito do desvanecimento seletivo do canal

2 Utilização da dimensão freqüência (subportadoras) para transmissãodos sinais

3 Configuração do sistema usando IFFT-FFT é computacionalmentesimples

4 Eficiente técnica de transmissão multiportadora


Sistemas práticos 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 há um consenso dasempresas e universidades que os futuros sistemas de comunicação móveisserão baseados em tecnologia OFDM


Parte II

Estruturas MIMO


Introdução

História

- Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular paratransmitir códigos Morse da letra S


Introdução

História

- Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular paratransmitir códigos Morse da letra S

Motivação

- ganho de arranjo: aumento no alcance =⇒ cobertura- ganho de multiplexação espacial: aumento na eficiência espectral =⇒

bps/Hz- ganho de diversidade espacial: mitigar o efeito do desvanecimento =⇒

robustez [BER]- ganho de codificação: menor consumo de potência


Sistemas MIMO

Dados

Transmitidos Tx

Tx M

Tx

Tx 1

Tx

Dados

RecebidosIC

Alg

oritm

o

Rx

Rx 1

Rx

Rx N

Rx

Canal MIMOQuase-estático

Desvanecimento plano

Definições

MIMO - uso simultâneo de arranjo de antenas em ambos transmissor ereceptor

M - número de antenas transmissoras

N - número de antenas receptoras


Benef́ıcios presente no canal MIMO

Multiplexação

s1... s2

s3t = T

Diversidade

s1... s1

s1t = T

Principais Benef́ıcios

multiplexação espacial - multiplexar śımbolos diferentes em cada antena

diversidade espacial - tomar proveito dos múltiplos enlacesindependentes transmitindo redundância levando a uma melhoria naconfiabilidade do enlace

Ganhos máximos

multiplexação espacial: min(M,N)

diversidade espacial: MN


Esquemas de Transceptores MIMOIntrodução

Classificação

Esquemas de diversidade puros, e.g., STBC

Esquemas de multiplexação puros, e.g., BLAST

Esquemas h́ıbridos (HMTS)

Esquemas de multiplexação

popularmente conhecidos com o esquemas BLAST (Bell-labs LAyered Space-Time),propostos por G. J. Foschini no Bell-labs

foco em fornecer ganho de multiplexação

processamento de sinais é mandatário no receptor para cancelamento da interferência

Esquemas de diversidade

combinação de codificação de canal e sistemas MIMO

popularmente conhecidos com o STBC (Space-Time Block Codes), proposto por Alamouti

fácil detecção (baixa complexidade)


Esquemas de Transceptores MIMOMultiplexação espacial

Esquemas de multiplexação

Classificação

- Vertical BLAST- Diagonal BLAST

Técnicas BLAST

V-BLAST

s4 s1... s5 s2

s6 s3t = 2 t = 1

D-BLAST

s3 s2 s1... s4 s3 s2

s1 s4 s3t = 3 t = 2 t = 1

Cancelamento da interferência

Detecção linear (LD)

- receptor Zero Forcing (ZF)- receptor Minimum Mean Square Error (MMSE)

Detecção não linear

- ZF ou MMSE + Successive Interference Cancellation (SIC)- ZF ou MMSE + Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)


Esquemas de Transceptores MIMODetecção Linear - receptores ZF e MMSE

Definições

vetor de śımbolos:

s = � s1 s2 . . . sM Tsinal recebido:

x = H · s + v

matriz de canal:

H =

!"""#h11 h12 h1Mh21 h22 h2M...

......

hN1 hN2 hNM

$%%%&

ZFcritério:

WTi (H)j = ' 1, i = j0, i 6= j

i = 1, . . . , M

pesos do filtro:

WZF = (HHH)−1 HHMMSE

critério:

minE{‖Wx − sd‖2}

pesos do filtro:

WMMSE = Rxx−1

Rsdx

Rxx = E{xxH} e Rsdx = E{sdx

H}


Esquemas de Transceptores MIMODetecção Não Linear - receptores SIC e OSIC

Successive Interference Cancellation (SIC)

idéia:

- impacto dos śımbolos detectados no sinal recebido é removidogradualmente em estágios sucessivos ⇒ maior diversidade a cada estágio

- Nulling:WMMSE = Rxx

−1Rsdxyi = WMMSEx

- Cancelling: xi+1 = xi − ŝihi

Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC)

SIC pode ter o efeito de propagação dos erros no processo sucessivo

Fazendo-se um ordenamento este efeito é mitigado neste caso:ordenado SIC −→ OSIC


Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC

Caracteŕısticas

fornecer ganho de diversidade espacial - redundância no espaço e notempo

Detecção 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] é ortogonal

Detecção ML - processamentolinear no receptor


Esquemas de Transceptores MIMODetecção STBC

Detecção STBC

r1 = h1s1 + h2s2 + v1

r2 = −h1s∗1 + h2s

∗2 + v2

* r1r2 +, -. /r

= * h1 h2−h∗2 h

∗1 +, -. /

H

* s1s2 +, -. /s

+ * v1v2 +, -. /v

r = Hs + v

HH

H = * |h1|2 + |h2|2 00 |h1|2 + |h2|2 +

Transmissão G2

t=1 s1 s2t=2 −s∗2 s

∗1

Tx = 1 Tx = 2

NotasH é ortogonal

HH

H - filtro casado espacial(detecção ML com proc. linear)

|h1|2 + |h2|2 - ganho dediversidade

Taxa: R = K/T = 1


Esquemas de Transceptores MIMODiversidade espacial - STBC

Esquema H3

SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =

!""""#s1 s2

s3√2

−s∗2 s∗1

s3√2

s∗3√2

s∗3√2

−s1−s∗1+s2−s∗

2

2s∗3√2

−s∗3√2

s2+s∗

2+s1−s∗12

$%%%%&Taxa: R = K/T = 3/4

Esquema G3

SH3[T=1,T=2,T=3,T=4] =

!""""#s1 s2

s3√2

−s∗2 s∗1

s3√2

s∗3√2

s∗3√2

−s1−s∗1+s2−s∗

2

2s∗3√2

−s∗3√2

s2+s∗

2+s1−s∗12

$%%%%&Taxa: R = K/T = 1/2


Esquemas de Transceptores MIMOEsquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos

Esquemas de Transceptores MIMO H́ıbridos

Combinação de STBC e V-BLAST em camadas

Compromisso entre ganho de diversidade e multiplexação

maior taxa que os STBC puros

maior robustez que o V-BLAST

Esquema G2+1

12s

11s

1s STBCG2

Ser

ial-

par

alel

o

2s

s

Caracteŕısticas

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



Esquema G2+G2

STBC

G2

Ser

ial

- P

aral

elo

s

12s

11s

STBC

G222s

21s

1s

2s

Caracteŕısticas

SG2+G2[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4−s∗2 s∗1 −s∗3 s∗4 +η = 2 · log2(M) bps/Hz



Esquema G2+1+1

Ser

ial

- P

aral

lel

s

12s

11s

1s

2s

3sSer

ial

- P

aral

elo

STBC

G2

Caracteŕısticas

SG2+1+1[T=1,T=2] = * s1 s2 s3 s4−s∗2 s∗1 s5 s6 +η = 3 · log2(M) bps/Hz


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)



Esquema G3+1

STBC

G3

Ser

ial

- P

aral

elo

s

12s

11s

13s

1s

2s

CaracteŕısticasSG3+1[T=1,T=2,...,T=8] =!"""""""""#

s1 s2 s3 s5−s2 s1 −s4 s6−s3 s4 s1 s7−s4 −s3 s2 s8s∗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.





Algoritmo de cancelamento de interferência modificado

idéia:

- bom desempenho do detector não linear SIC- fácil detecção dos STBC

Algoritmo

Passos

1. “anulamento” da interferência1. detecção STBC e remontagem

do sinal detectado2. cancelamento da interferência3. detecção camadas não

codificadas

Algoritmo

Decodificação

Espaco-temporal

cancelamento

da

interferência

1

N

y[k]

Filtro

Espacial

MIMO

STBC

Decod.

Canal

EquivalenteEstimção

de

Canal

x[k]

N

1

1ˆs

z[k]


ResultadosComparação dos Algoritmos de Cancelamento de Interferência

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


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 multiplexação

Superior eficiência espectral que os STBC puros

Menor BER que o V-BLAST


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





ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiência 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





ResultadosDesempenho dos Esquemas com Eficiência 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





ResultadosProposta de Resolução do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1

NotasCamadas STBC com BER muito menor que as camadas BLAST

Camadas BLAST transmitem sem nenhuma proteção, esta camada é o “gargalo”

Soluções:

- 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)

Solução 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)


ResultadosProposta de Resolução do “Gargalo” Presente no HMTS: G3+1

Solução 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 - Solução I

Enorme diferença no desempenho deBER entre a camada 1 e a camada 2

Solução baseada em codificação decanal diminui a eficiência espectral dacamada BLAST

Notas - Solução 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


Conclusões

HMTS: compromisso entre diversidade e multiplexação

Algoritmo de IC modificado: detecção ML dos STBC preservada

G2+1 e G3+1: OSIC similar ao SIC

Número de antenas fixo: HMTS - compromisso entre diversidade emultiplexação

Eficiência espectral fixa: HMTS melhor desempenho

Camada V-BLAST dos HMTS: “gargalo” no desempenho,

solução com o CSI: solução satisfatória para este “gargalo”


Parte III

Estruturas MIMO-OFDM


Considerações gerais

Inserção de modulação OFDM para transmissão e recepção pormúltiplas antenas

Junção das duas técnicas fornece ganhos de capacidade (taxa detransmissão) e tratamento da interferência

Pasśıvel de utilização com multiplexação (baseado em BLAST) ediversidade (baseado em STC)

Também é extenśıvel para caso h́ıbrido

Possibilidade de outras estratégias de diversidade1 Código espaço-temporal por subportadora2 Código espaço-freqüência3 Código espaço-tempo-freqüência

Complexidade adicional


MIMO-OFDM: diagrama geral

012343560123435601234356

...

0123728956:;8=?@5...

Possível ramo de diversidade


Resumo

Junção de poderosas técnicas individuais

Complexidade adicional

Para OFDM perfeitamente ajustado o desempenho MIMO-OFDM é omesmo que sistemas MIMO com desvanecimento plano

Resultados preliminares neste contexto


Parte IV

Medidas sistêmicas: impactos e soluções


Considerações gerais

Contexto mais geral: integração da camada f́ısica com camadassuperiores no sistema de comunicação digital

Gerenciamento de recursos de rádio: parâmetros selecionados emcamadas superiores

Desempenho afetado por camada f́ısica

Prinćıpio de water filling - distribuição dos recursos de forma aprivilegiar melhores parâmetros

Vantagens com OFDM?


Questões e impactos (1)

Múltiplos canais espaço-tempo-freqüência: alta granularidade naalocação de recursos e provisionamento de taxa e QoS

Dimensionalidade do problema (grande número de parâmetros) implicanum maior desafio RRM para MIMO-OFDM

Problema importante (e complexo): RRM em sistemas MIMO-OFDM

Alocação de recursos como modulação, potência, sub-portadora e antena,em um cenário dinâmico (variação temporal do canal, variação dosrequisitos de QoS) utilizando algoritmos fact́ıveis (complexidade e tempode resposta) e baseando-se em uma infra-estrutura de estimação de canal edemais grandezas relevantes que seja realizável.



Sistemas coordenados (sem interferência externa desconhecida):solução para RRM baseada em conceitos de water-filling (algoritmos debit-loading)

Sistemas celulares (não-coordenados): problema de RRM paraMIMO-OFDM é amplamente aberto

Degradação ao se migrar de um ambiente limitado por rúıdo para outrolimitado por interferência: maior em sistemas MIMO que em sistemasSISO

Aumento do número de antenas receptoras necessário para permitircancelamento de interferência (Catreux et al, 2001)



Soluções baseadas em processamento de sinais e codificação podemamenizar o problema.

Turbo-multiuser-space-time-detection: redução de efeitos da interferência(Dai et al, 2004)

Entretanto, o desempenho de tais soluções é bastante inferior ao casodo cenário sem interferência

Indicativo de que apenas solução global baseada em RRM proveráaumento de capacidade.

Cooperação entre ERBs deverá ser inclúıda nas soluções em vista.


Parte V

Desafios e Perspectivas


Questões chave

Sincronização: temporal e em freqüência

Efeito de crista (crest effect)

Equalização no tempo ou freqüência?

Estimação de canal: fator chave para STC e cross-layer

Sensibilidade a offsets

Gerenciamento de recursos: alta dimensionalidade do problema (goodand bad)


Perspectivas interessantes

1 Estratégias de estimação de canal

2 Peak-to-Average Power Reduction (PAPR)

3 Modelagem

4 Equalização

5 Avaliação de interferência

6 Algoritmos de adaptação de enlace/gerenciamento de recursos

7 Diversidade (STC,SFC,STFC, qual deles e como?)


Parte VI

Referências e Bibliografia


Bibliografia

S. Müller-Weinfurtner, OFDM for Wireless Communications, Shaker Verlag, 2000.

H. Bölcskei, “Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems”, in Signal Processing for Mobile Communications Handbook,CRC Press, 2004.

S. Catreux, P. F. Driessen, and L. J. Greenstein, “Attainable Throughput of an Interference-Limited Multiple-Input

Multiple-Output (MIMO) Cellular System”, IEEE Transactions on Communications, vol. 49, no. 8, pp. 1307-1311, August,2001.

H. Dai, A. F. Molisch, and H. V. Poor, “Downlink Capacity of Interference-Limited MIMO Systems With Joint Detection”,

IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 3, no. 2, pp. 442-453, March, 2004.

G. J. Foschini, “Layered Space-Time Architecture for Wireless Communications in a Fading Environment When Using

Multiple Antennas”, Bell Labs Tech. Journal, (2):41 − 59, 1996.

S. Alamouti, “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications”, IEEE Journal of Selected Areas in

Communications, (16):1451 − 1458, 1998.

N. Seshadri, V. Tarokh e A. R. Calderbank, “Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance

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