Multiple Input Multiple Output

A t ´ecnica MIMO, LTE Release 8 [3GP08], consiste no uso de m ´ultiplas antenas tanto para o envio como para a recec¸ ˜ao, o que permite aumentar a capacidade do sistema e a dist ˆancia de cobertura sem a necessidade de largura de banda adicional nem aumento de pot ˆencia transmitida. S ˜ao tr ˆes as t ´ecnicas usadas recorrendo a MIMO: diversidade espacial, multiplexagem espacial e beamforming. Com a introduc¸ ˜ao de MIMO nas comunicac¸ ˜oes m ´oveis tornou-se poss´ıvel explorar uma terceira di-mens ˜ao para al ´em do tempo e da frequ ˆencia: o espac¸o.

O efeito desvanecimento nas comunicac¸ ˜oes m ´oveis pode ser causado pelos fen ´omenos de multiper-curso e efeito sombra. O multipermultiper-curso acontece devido aos v ´arios caminhos que o sinal pode tomar, chegando ao recetor com fases diferentes, o que vai causar interfer ˆencia construtiva ou destrutiva na recec¸ ˜ao. Na primeira os sinais est ˜ao em fase e portanto aumentam em amplitude enquanto na se-gunda os sinais subtraem-se podendo mesmo anularem-se mutuamente. Este fen ´omeno ´e conhecido por desvanecimento r ´apido. O efeito sombra, ou desvanecimento lento, ´e causado pela atenuac¸ ˜ao dos v ´arios obst ´aculos que o sinal encontra at ´e chegar ao recetor, e.g., edif´ıcios, vegetac¸ ˜ao, carros. Este efeito acontece quando n ˜ao existe linha de vista do recetor com o emissor.

O uso do ganho de diversidade leva a um aumento da qualidade do sinal recebido e `a reduc¸ ˜ao do desvanecimento recorrendo a m ´ultiplas antenas na emiss ˜ao, na recec¸ ˜ao ou em ambos. Quanto maior a dist ˆancia em comprimentos de onda entre as antenas, menor ser ´a a correlac¸ ˜ao entre o desvanecimento sentido pelos sinais e maior ser ´a o ganho de diversidade. Esta t ´ecnica ´e mais usada no UL pela dificul-dade existente em colocar m ´ultiplas antenas suficientemente espac¸adas nos UEs. Outra possibilidificul-dade para criar diversidade ´e o uso de polarizac¸ ˜oes ortogonais j ´a que o desvanecimento sentido por estas ´e pouco correlacionado.

A diversidade de recec¸ ˜ao usa duas ou mais antenas na recec¸ ˜ao para criar diversidade espacial, desig-nado por Single Input Multiple Output (SIMO). Na recec¸ ˜ao s ˜ao usadas duas formas de combining dos sinais recebidos: selection combining e gain combining. No selection combining ´e escolhido a cada

instante o sinal com maior SINR enquanto no gain combining ´e feita a combinac¸ ˜ao linear de todos os sinais recebidos. Pelo contr ´ario, a diversidade de transmiss ˜ao usa duas ou mais antenas na emiss ˜ao, Multiple Input Single Output (MISO). O maior problema desta alternativa ´e a possibilidade da ocorr ˆencia de interfer ˆencia destrutiva na recec¸ ˜ao j ´a que existe apenas uma antena. Existem duas soluc¸ ˜oes para este problema: Closed Loop Transmit Diversity (CLTD) e Open Loop Transmit Diversity (OLTD). No CLTD o emissor envia duas c ´opias do sinal a partir de duas antenas mas aplica uma desfasagem a um ou a ambos os sinais. A desfasagem necess ´aria ´e determinada no recetor e enviada para o emissor sob a forma dum precoding matrix indicator (PMI). Um PMI simples pode indicar uma de duas opc¸ ˜oes: transmitir os dois sinais sem desfasagem ou transmitir o segundo com uma desfasagem de 180^◦. Se a primeira opc¸ ˜ao der origem a interfer ˆencia destrutiva a segunda n ˜ao d ´a certamente. As desfasagens sentidas no canal dependem do comprimento de onda, e portanto da frequ ˆencia. A melhor escolha de PMI vai ent ˜ao depender da frequ ˆencia pelo que o UE pode enviar PMIs diferentes para conjuntos de sub-portadoras diferentes. A posic¸ ˜ao do UE vai tamb ´em influenciar a escolha do PMI, o que leva a uma necessidade de constante atualizac¸ ˜ao deste no caso de UEs em movimento. O problema que surge ´e o uso de PMIs, por parte do emissor, que j ´a n ˜ao est ˜ao atuais devido ao atraso introduzido pelo feedback loop. Por esta raz ˜ao, CLTD ´e apenas adequado a UEs que estejam est ´aticos ou a mover-se com uma velocidade baixa. Para UEs com elevada velocidade existe o OLTD.

No OLTD o emissor envia dois s´ımbolos, s1e s2, em dois intervalos de tempo consecutivos. No primeiro intervalo envia s1 da primeira antena e s2 da segunda, enquanto no segundo intervalo envia −s₂^∗ da primeira antena e s₁^∗da segunda. O s´ımbolo^∗ representa o conjugado. O recetor pode agora resolver as equac¸ ˜oes resultantes e recuperar os s´ımbolos transmitidos. Para que este m ´etodo resulte h ´a dois re-quisitos necess ´arios: o desvanecimento se mantenha praticamente o mesmo no primeiro e no segundo intervalo de tempo e os dois sinais n ˜ao podem ser perdidos ao mesmo tempo devido a desvanecimento. Esta t ´ecnica pode ser usada para quatro antenas em LTE e ´e poss´ıvel combinar Open e Closed Loop Transmit Diversity com diversidade de recec¸ ˜ao.

Na multiplexagem espacial, ao contr ´ario da diversidade anteriormente abordada, ´e poss´ıvel aumentar o d ´ebito bin ´ario usando as v ´arias antenas dispon´ıveis para estabelecer fluxos de informac¸ ˜ao paralelos. Num sistema com Nt antenas de emiss ˜ao e Nr antenas de recec¸ ˜ao, Nt× N_r, o d ´ebito bin ´ario m ´aximo alcanc¸ ´avel ´e proporcional ao min(Nt, Nr). Num caso simples de 2 × 2 o que acontece ´e que o emis-sor retira do modulador 2 s´ımbolos a cada instante, para depois serem ambos enviados, 1 s´ımbolo por antena. Neste caso o d ´ebito est ´a a ser duplicado. Os s´ımbolos viajam at ´e ao recetor por 4 ca-minhos diferentes experienciando diferentes atenuac¸ ˜oes e alterac¸ ˜oes de fase. O recetor de seguida usa os 2 sinais recebidos para recuperar os 2 s´ımbolos enviados. Esta separac¸ ˜ao s ´o ´e poss´ıvel recor-rendo previamente a uma t ´ecnica denominada Channel Estimation que consiste no envio de s´ımbolos de refer ˆencia por parte do emissor com uma predefinida amplitude e fase. No recetor ´e calculado a atenuac¸ ˜ao e o atraso de fase que foi introduzido pelo canal e torna-se assim poss´ıvel remover o mesmo para s´ımbolos de informac¸ ˜ao. Visto neste exemplo se usarem 2 antenas para o envio, cada antena envia o seu s´ımbolo de refer ˆencia `a vez, o qual vai permitir ao recetor saber a atenuac¸ ˜ao e o atraso de fase de cada antena no recetor para cada antena no emissor. No entanto existe um problema com

esta t ´ecnica e com os valores retirados do canal, depois de ser feito o Channel Estimation, que provoca no recetor uma divis ˜ao por 0, [Cox12], impossibilitando assim a recuperac¸ ˜ao dos s´ımbolos enviados. Tamb ´em este mesmo valor n ˜ao sendo 0 mas sendo bastante baixo indica que os sinais est ˜ao extre-mamente afetados por ru´ıdo e que a recuperac¸ ˜ao dos s´ımbolos n ˜ao ´e poss´ıvel. Para resolver este problema existe o Open Loop Spatial Multiplexing (OLSM).

No OLSM ´e enviado apenas um s´ımbolo num dado instante, i.e. o uso apenas de diversidade, quando o canal n ˜ao permite que se use multiplexagem. Nesta t ´ecnica o recetor estima os elementos do canal e calcula um rank indication (RI), que indica o n ´umero de s´ımbolos que o recetor consegue receber. Este RI ´e ent ˜ao enviado ao emissor e equivale ao n ´umero de fluxos de informac¸ ˜ao independentes suportados naquele instante, tamb ´em denominado de layers. Quando est ´a a ser usada diversidade, pode ocorrer interfer ˆencia destrutiva dos sinais nas antenas de recec¸ ˜ao, [Cox12], o que n ˜ao permite a recuperac¸ ˜ao dos s´ımbolos. A t ´ecnica Closed Loop Spatial Multiplexing (CLSM) vem corrigir esse problema.

Quando est ´a a ser enviado apenas um s´ımbolo, o que foi introduzido em CLSM ´e a possibilidade de alterac¸ ˜ao do sinal/fase numa das antenas de emiss ˜ao. Por exemplo para o envio do s´ımbolo s₁, uma das antenas enviaria s₁enquanto que a outra enviaria −s₁. Caso o RI seja igual a 1, ´e usada diversi-dade, enquanto que para um RI igual a 2 continua a ser usada multiplexagem espacial. Nesta t ´ecnica o recetor necessita de enviar n ˜ao s ´o um RI mas tamb ´em um PMI que maximize o d ´ebito bin ´ario da ligac¸ ˜ao.

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E tamb ´em poss´ıvel usar multiplexagem espacial para mais do que um UE ao mesmo tempo, ou seja, multiple user MIMO (MU-MIMO). Nos casos anteriormente referidos, as t ´ecnicas de multiplexagem es-pacial eram apenas entre um UE e um eNB, single user MIMO (SU-MIMO). Diferentes UEs podem transmitir no UL na mesma portadora e no mesmo instante sem saberem que est ˜ao a usar multiplexa-gem espacial. S ˜ao dois os factores que tornam esta t ´ecnica poss´ıvel no UL: os UEs estarem normal-mente bastante afastados uns dos outros e os eNBs poderem escolher quais os UEs com quem usar esta t ´ecnica. Apesar de n ˜ao aumentar o d ´ebito dos UEs em quest ˜ao, o d ´ebito m ´edio da c ´elula aumenta. No DL esta t ´ecnica j ´a n ˜ao ´e poss´ıvel sem o uso de beamforming.

O beamforming usa m ´ultiplas antenas no eNB de forma a aumentar a cobertura da c ´elula. Esta t ´ecnica usa agregados de antenas na emiss ˜ao do eNB para criar interfer ˆencia construtiva no UE para o qual est ´a a enviar o sinal, e interfer ˆencia destrutiva nos UEs que est ˜ao a sofrer interfer ˆencia. A largura do feixe para o UE principal ´e menor do que seria caso se usasse apenas uma antena de emiss ˜ao, o que, para a mesma pot ˆencia de emiss ˜ao faz com que a cobertura aumente. O l ´obulo principal do agregado pode ser direcionado para qualquer ponto da c ´elula, sendo este apenas influenciado pela amplitude e fase do sinal de cada antena do agregado. Num sistema com N antenas, ´e poss´ıvel ter at ´e N − 2 nulos ou l ´obulos secund ´arios. Esta t ´ecnica pode ser usada no UL e assim torna tamb ´em poss´ıvel o aumento de cobertura. Beamforming funciona melhor se as antenas estiverem perto umas das outras, com dist ˆancias da ordem do comprimento de onda, e se os sinais forem correlacionados ao contr ´ario da diversidade e multiplexagem espacial.

Com a introduc¸ ˜ao de multiplexagem espacial surge o Dual Layer Beamforming. Nesta t ´ecnica o eNB envia ao agregado de antenas dois fluxos de informac¸ ˜ao em vez de um. De seguida estes fluxos s ˜ao

afetados por dois conjuntos de ganhos e alterac¸ ˜oes de fase e s ˜ao somados antes da emiss ˜ao. Desta forma s ˜ao criados dois feixes independentes que usam a mesma portadora mas transportam diferente informac¸ ˜ao para dois UEs. O eNB pode ent ˜ao ajustar as amplitudes e fases para apontar os fluxos para os dois UEs diferentes, para que um UE receba interfer ˆencia construtiva para a seu fluxo e interfer ˆencia destrutiva para o outro fluxo e vice-versa. O d ´ebito bin ´ario est ´a ent ˜ao a ser duplicado na c ´elula. ´E tamb ´em poss´ıvel direcionar dois feixes para duas antenas diferentes dum dado UE, duplicando assim o d ´ebito para esse UE.

As t ´ecnicas anteriormente descritas correspondem a modos de transmiss ˜ao em LTE e est ˜ao na Tabela 2.3. Para cada t ´ecnica est ´a indicado quais os par ˆametros que o eNB espera receber no feedback por parte do UE.

Tabela 2.3: Modos de Transmiss ˜ao suportados no DL em LTE [Cox12].

UL feedback

Modo Descric¸ ˜ao CQI RI PMI

1 Single Antenna Transmission x -

-2 Open Loop Transmit Diversity x -

-3 Open Loop Spatial Multiplexing x x

-4 Closed Loop Spatial Multiplexing x x x

5 Multiple User MIMO x - x

6 Closed Loop Transmit Diversity x - x

7 Beamforming x -

-8 Dual Layer Beamforming x Configur ´avel

9 Eight layer spatial multiplexing x Configur ´avel

Num dado TTI o modo de transmiss ˜ao a ser usado numa ligac¸ ˜ao ´e definido pelo eNB. Tipicamente os eNB disp ˜oem dum conjunto de antenas usadas para diversidade e multiplexagem espacial, com dist ˆancias elevadas entre as antenas, e um agregado de antenas usado para t ´ecnicas de beamforming, com menor dist ˆancia entre as mesmas.