Tesis de graduación sobre tecnología de la comunicación 4g
La tecnología de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) o de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MTMRA) es un gran avance en la tecnología de antenas inteligentes en el campo de las comunicaciones móviles inalámbricas. Esta tecnología puede duplicar la capacidad y la utilización del espectro del sistema de comunicaciones sin aumentar el ancho de banda, y es una tecnología clave que debe ser adoptada por la nueva generación de sistemas de comunicaciones móviles.
Entonces, ¿qué es la tecnología MIMO?
De hecho, la tecnología MIMO tiene una larga historia. Ya en 1908, Marconi propuso utilizarlo para luchar contra la decadencia. En la década de 1970, se propuso el uso de la tecnología MIMO en sistemas de comunicación, pero los académicos de AT Bell Labs completaron el trabajo básico que promovió en gran medida la aplicación de la tecnología MIMO en sistemas de comunicación móviles inalámbricos. En 1995, Teladar proporcionó la capacidad MIMO en condiciones de desvanecimiento; en 1996, Foshinia propuso un algoritmo de procesamiento de múltiples entradas y múltiples salidas: el algoritmo de espacio-tiempo en capas del laboratorio Diagonal-Bell (D-BLAST); en 1998, Tarokh et al. código espacio-temporal. En 1998, Wolniansky et al. utilizaron el algoritmo de espacio-tiempo en capas (V-BLAST) de Vertical Bell Labs para establecer un sistema experimental MIMO y lograron una tasa de utilización del espectro de más de 20 bit/s/Hz en experimentos en interiores. Los sistemas ordinarios son extremadamente difíciles de lograr. Estos trabajos han atraído gran atención de académicos de todo el mundo, lo que ha dado como resultado el rápido desarrollo de investigaciones con múltiples insumos y múltiples resultados.
En resumen, los sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) utilizan múltiples antenas para suprimir el desvanecimiento del canal. Dependiendo del número de antenas en el transmisor y el receptor, en comparación con los sistemas SISO (entrada única y salida única) ordinarios, MIMO también puede incluir sistemas SIMO (entrada única y salida múltiple) y sistemas MISO (entrada múltiple y salida única).
El concepto de MIMO
Generalmente, el multitrayecto provoca desvanecimiento y, por tanto, se considera un factor perjudicial. Sin embargo, los resultados de la investigación muestran que la ruta múltiple puede usarse como un factor beneficioso en los sistemas MIMO. Los sistemas MIMO utilizan múltiples antenas (o conjunto de antenas) y múltiples canales tanto en el extremo del transmisor como en el del receptor. MIMO apunta a canales inalámbricos de múltiples rutas. La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema MIMO. El flujo de información de transmisión s(k) está codificado en el espacio-tiempo para formar n subflujos de información ci(k), I=1,... Estos n subflujos son transmitidos por n antenas y recibidos por m después de pasar por el Recepción de antena de canal espacial. Los receptores de antenas múltiples pueden lograr un procesamiento óptimo mediante el uso de un procesamiento avanzado de codificación espacio-temporal para separar y decodificar estos subflujos de datos.
En particular, estos n subflujos se envían al canal al mismo tiempo y cada señal enviada ocupa la misma banda de frecuencia, por lo que el ancho de banda no aumenta. Los sistemas MIMO pueden crear múltiples canales espaciales paralelos si las respuestas de los canales entre las antenas de transmisión y recepción son independientes. Al transmitir información de forma independiente a través de estos canales espaciales paralelos, ciertamente se pueden aumentar las velocidades de datos.
MIMO optimiza los canales inalámbricos multitrayecto, la transmisión y la recepción en su conjunto, logrando así una alta capacidad de comunicación y utilización del espectro. Este es un proceso de cancelación de interferencia y diversidad conjunta espacio-temporal casi óptimo.
La capacidad del sistema es uno de los indicadores más importantes de un sistema de comunicación. Indica la velocidad máxima de transmisión del sistema de comunicación. Para un sistema MIMO con N antenas de transmisión y M antenas de recepción, suponiendo que el canal es un canal de desvanecimiento de Rayleigh independiente y que tanto N como M son grandes, la capacidad del canal C es aproximadamente: C=[min(M, N)] Blog2 (ρ/2).
Donde b es el ancho de banda de la señal, ρ es la relación señal-ruido promedio en el extremo receptor, min(M, N) es el menor entre M y N. La fórmula anterior muestra que cuando el la potencia y el ancho de banda son constantes. La capacidad máxima o techo de capacidad de un sistema MIMO aumenta linealmente con el número mínimo de antenas. En las mismas condiciones, la capacidad de un sistema de antena inteligente común con múltiples antenas o conjuntos de antenas en el extremo receptor o transmisor solo aumenta con el logaritmo del número de antenas. Relativamente hablando, MIMO tiene un gran potencial para mejorar la capacidad de los sistemas de comunicación inalámbrica.
Se puede observar que la capacidad del canal en este momento aumenta linealmente con el aumento del número de antenas. En otras palabras, el uso de canales MIMO puede aumentar exponencialmente la capacidad de los canales inalámbricos y mejorar exponencialmente la utilización del espectro sin aumentar el ancho de banda ni la potencia de transmisión de la antena. El uso de la tecnología MIMO puede aumentar la capacidad del canal, mejorar la confiabilidad del canal y reducir las tasas de error de bits. Actualmente, otro foco de investigación en el campo de la tecnología MIMO es la codificación espacio-temporal. Los códigos espacio-temporales comunes incluyen códigos de bloque espacio-temporal y códigos enrejados espacio-temporales. La idea principal de la codificación espacio-temporal es utilizar la codificación espacio-temporal para lograr cierta diversidad espacial y diversidad temporal, reduciendo así la tasa de error del canal.
Estado de la investigación de MIMO
Actualmente, académicos de todo el mundo están estudiando exhaustivamente la teoría, el rendimiento, los algoritmos y la implementación de MIMO. Existe mucha literatura sobre la teoría y la investigación del rendimiento de los sistemas MIMO, que cubre una amplia gama de contenidos. Sin embargo, dado que el canal MIMO de las comunicaciones móviles inalámbricas es un sistema MIMO no estacionario que varía en el tiempo, todavía quedan muchas cuestiones que deben estudiarse. Por ejemplo, la mayor parte de la literatura supone que el canal es un canal con desvanecimiento constante por partes. Esto no es suficiente para los sistemas 4G de señal de banda ancha y los sistemas móviles rápidos para exteriores, y se deben utilizar modelos complejos para la investigación. Se ha trabajado mucho en esta área, es decir, el canal tiene desvanecimiento selectivo en frecuencia y la estación móvil se mueve rápidamente. Además, en la literatura básica, se supone que el receptor conoce con precisión los parámetros del canal multitrayecto, por lo que es necesario enviar secuencias de entrenamiento para entrenar al receptor. Sin embargo, si la estación móvil se mueve demasiado rápido y el tiempo de entrenamiento es demasiado corto, entonces la estimación rápida del canal o el procesamiento ciego se convierte en un contenido de investigación importante.
Además, este sistema experimental supone un paso importante en la investigación de la tecnología MIMO. Una cuestión importante en la investigación de sistemas actuales es lograr la recepción multicanal de múltiples antenas en terminales móviles, y los académicos están haciendo grandes esfuerzos en este sentido. Debido a que los dispositivos terminales móviles requieren un tamaño pequeño, peso ligero y bajo consumo de energía, todavía queda mucho trabajo por hacer. Actualmente, grandes empresas están desarrollando sistemas experimentales.
El sistema BLAST de Bell Labs [4] es el primer sistema experimental MIMO. La frecuencia de funcionamiento del sistema es de 1,9 GHz, con 8 antenas transmisoras y 12 antenas receptoras, y utiliza el algoritmo D-BLAST. La tasa de utilización del espectro alcanza los 25,9 bit/(Hz?s). Sin embargo, este sistema sólo estudió señales de banda estrecha y entornos interiores, y aún queda un largo camino por recorrer en aplicaciones 3G y 4G. La colocación de múltiples antenas en el transmisor y el receptor puede proporcionar efectos de diversidad espacial y superar los efectos adversos del desvanecimiento de las ondas de radio. Esto se debe a que múltiples antenas, correctamente dispuestas, proporcionan múltiples canales espaciales y todas estas antenas no se desvanecen al mismo tiempo. En el sistema experimental específico mencionado anteriormente, cada estación base está equipada con dos antenas transmisoras y tres antenas receptoras, y cada terminal de usuario está equipado con 1 antena transmisora y tres antenas receptoras, es decir, la ruta de enlace descendente está equipada con 2×3 antenas, y la ruta de enlace ascendente está equipada con una antena de 1×3. De esta manera, en comparación con SISO, la eficiencia de transmisión es de 10 ~ 20 dB y la capacidad del sistema aumenta en consecuencia. Además, las dos antenas transmisoras de la estación base pueden usarse para transmitir diferentes señales de datos cuando sea necesario, y la velocidad de datos transmitida por el usuario puede duplicarse.
La tecnología de espacio-tiempo en capas (BLAST) de Lucent Technologies Bell Labs es la tecnología de aplicación MIMO líder en el campo de las comunicaciones móviles y también es el desarrollo posterior de sus antenas inteligentes. La tecnología BLAST, en términos de su principio, utiliza la "identificación espacial" única de la señal en cada par de antenas transmisoras y receptoras para "recuperar" la señal en el extremo receptor. La tecnología BLAST establece múltiples subcanales paralelos que no interfieren en la banda de frecuencia original y utiliza tecnología avanzada de detección multiusuario para transmitir datos de usuario de manera precisa y eficiente, lo que aumentará en gran medida la capacidad del enlace directo e inverso. La tecnología BLAST demuestra que el uso de múltiples conjuntos de antenas en los extremos transmisor y receptor de la antena puede aprovechar al máximo la propagación por trayectos múltiples, lograr el efecto de "convertir los desechos en tesoros" y aumentar la capacidad del sistema. La investigación teórica demuestra que al utilizar la tecnología BLAST, la eficiencia espectral del sistema puede aumentar linealmente con la cantidad de antenas. Es decir, siempre que se permita que la cantidad de antenas aumente, la capacidad del sistema se puede mejorar continuamente. Esto también demuestra plenamente el enorme potencial de la tecnología BLAST. En vista de sus destacadas contribuciones a la teoría de la comunicación inalámbrica, la tecnología BLAST ganó el Premio a la Invención Thomas Edison en 2002.
Junio de 5438 En octubre de 2002, apareció el primer chip BLAST del mundo en Bell Labs de Lucent. El equipo de diseño de Bell Labs anunció el lanzamiento del primer chip de la industria que incorpora la tecnología MIMO de espacio-tiempo en capas (BLAST) de Bell Labs. El chip admite un diseño de antena máximo de 4×4 y puede manejar una velocidad de datos máxima de 19,2 Mbps. Esta tecnología se utiliza para comunicaciones móviles. El chip BLAST permite a los terminales recibir datos de 19,2 Mbps en redes móviles 3G. Ahora, Lucent Technologies ha comenzado a aplicar este chip BLAST a sus estaciones base de la serie Flexent OneBTS y planea autorizar a los fabricantes de terminales a utilizar este chip BLAST para mejorar la capacidad de los terminales de datos inalámbricos 3G para admitir el acceso a datos de alta velocidad.
En agosto de 2003, Airgo Networks lanzó el chipset Wi-Fi AGN100 y afirmó que era el primer producto de mercado masivo del mundo que integraba la tecnología MIMO. El AGN100 utiliza la tecnología de transmisión y recepción de múltiples antenas de la compañía para aumentar las tarifas Wi-Fi actuales a 108 Mbps por canal mientras mantiene la compatibilidad con todos los estándares Wi-Fi comunes. El producto integra dos chips, incluido un chip de banda base/MAC (AGN100BB) y un chip de radiofrecuencia (AGN100RF), y adopta una estructura escalable, por lo que los fabricantes pueden usar solo un chip de radiofrecuencia para implementar un único sistema de antena o agregar otros chips de RF. chips para mejorar el rendimiento. El chip admite todos los modos 802.11 a, B y G, incluidos los últimos estándares introducidos por el grupo de trabajo IEEE 802.11 (incluidas las funciones de seguridad TGi y servicio premium TGe). El chipset de Airgo es compatible con los estándares Wi-Fi actuales, admite los modos 802.11a, "b" y "G" y utiliza tres antenas de 5 GHz y tres de 2,4 GHz. Los dispositivos inalámbricos que utilizan el chipset Airgo pueden comunicarse con dispositivos 802.11 anteriores, incluso en formato .