Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de Comunicações

Transcrição

1 Estruturas MIMO-OFDM para Sistemas de Comunicações Móveis Walter C. Freitas Jr. 1 ext-walter.freitas@nokia.com Charles C. Cavalcante 2 e F. Rodrigo P. Cavalcanti 2 {charles,rodrigo}@gtel.ufc.br 1 Instituto Nokia de Tecnologia - INdT 2 Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio GTEL Universidade Federal do Ceará UFC XXII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SBrT2005) 4-8 de Setembro de Campinas-SP

2 Conteúdo 1 Sistema OFDM 2 Estruturas MIMO 3 Estruturas MIMO-OFDM 4 Medidas sistêmicas 5 Desafios e Perspectivas

3 Contexto (1) Futuros sistemas de comunicações móveis (3G+ e 4G) requisitarão taxas de transmissão da ordem de gigabits Funcionamento dentro dos requisitos de qualidade de serviço (QoS) cada vez mais difícil Gerenciamento do espectro torna-se um componente ainda mais importante Canais em tais faixas de freqüência são mais distorsivos: aumento na interferência Capacidade do sistema é vinculada à taxa de transmissão efetiva

4 Contexto (2) Técnicas avançadas de processamento de sinais visam ajudar a solucionar os limitantes dos futuros sistemas móveis Capacidade (taxas de transmissão): sistemas com múltiplas antenas transmissoras e receptoras (MIMO) são utilizados Interferência (distorção do canal): transmissão por portadoras ortogonais (OFDM) Nosso objetivo Estudo da confluência das duas técnicas

5 Parte I Sistema OFDM: Conceitos

6 Sistema de modulação OFDM Orthogonal Division Multiplex Access Início da idéia nos anos 70 Aplicação da Fast Fourier Transform (FFT) como maneira de implementação em sistemas práticos Baseado no conceito de múltiplas portadoras Idéia básica Transformar um canal com desvanecimento seletivo em freqüência em um conjunto de canais paralelos de desvanecimento plano.

7 Idéia do sistema OFDM Amplitude Amplitude Freqüência 1 portadora (1 canal) Freqüência 20 subportadoras (20 canais paralelos)

8 Observações 1 O número de subportadoras N s deve ser bem ajustado para que os subcanais sejam aproximadamente planos em freqüência 2 N s pequeno Pior aproximação Transmissão mais rápida 3 N s grande Melhor aproximação Transmissão mais lenta

9 Formalização Símbolo OFDM é gerado a partir de um bloco de símbolos transmitidos em diferentes subportadoras s (t) = N s 1 k=0 s k exp(j2πf k t) em que s = [ s 0, s 1,..., s S 1 ] é o bloco de símbolos a ser transmitidos Possibilidade de implementação através da IFFT s n = IFFT N {s}

10 Ortogonalidade das subportadoras Para a transmissão ser eficiente as subportadoras devem ser ortogonais entre si Toda a faixa do canal deve ser coberta pela composição das subportadoras Em condição ideal, não há interferência intercarrier

11 Exemplo de subportadoras de um sinal OFDM Freqüência normalizada em relação ao valor 1/T Amplitude Freqüência

12 Intervalo de guarda: prefixo cíclico Na prática não há transformação para canais com desvanecimento plano Para mitigar os efeitos do delay spread do canal uso de intervalo de guarda Geralmente é inserido um prefixo cíclico na seqüência de dados a ser transmitida Seqüência com intervalo de guarda é então dada como s g n = 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 o resíduo de n módulo S.

13 Sistema OFDM básico TX S/P RX P/S FFT

14 Resumo 1 Pode-se reduzir efeito do desvanecimento seletivo do canal 2 Utilização da dimensão freqüência (subportadoras) para transmissão dos sinais 3 Configuração do sistema usando IFFT-FFT é computacionalmente simples 4 Eficiente técnica de transmissão multiportadora

15 Sistemas práticos que usam conceito OFDM 1 High Speed Data Packet Access (HSDPA) 2 Sistemas de TV Digital: DVB e IDVB 3 WLAN IEEE xdsl Sistemas futuros O World Wireless Research Forum divulgou que há um consenso das empresas e universidades que os futuros sistemas de comunicação móveis serão baseados em tecnologia OFDM

16 Parte II Estruturas MIMO

17 Introdução História - Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular para transmitir códigos Morse da letra S

18 Introdução História - Guglielmo Marconi em 1901 usou 4 antenas em um arranjo circular para transmitir 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

19 Sistemas MIMO Tx 1 Rx 1 Dados Transmitidos Tx Tx Canal MIMO Rx Quase-estático Desvanecimento plano Tx M Rx N Tx Rx IC Algoritmo Rx Dados Recebidos Definições MIMO - uso simultâneo de arranjo de antenas em ambos transmissor e receptor M - número de antenas transmissoras N - número de antenas receptoras

20 Benefícios presente no canal MIMO Multiplexação Diversidade s 1... s 2 s 3 t = T s 1... s 1 s 1 t = T Principais Benefícios multiplexação espacial - multiplexar símbolos diferentes em cada antena diversidade espacial - tomar proveito dos múltiplos enlaces independentes transmitindo redundância levando a uma melhoria na confiabilidade do enlace Ganhos máximos multiplexação espacial: min(m, N) diversidade espacial: M N

21 Esquemas de Transceptores MIMO Introdução Classificação Esquemas de diversidade puros, e.g., STBC Esquemas de multiplexação puros, e.g., BLAST Esquemas híbridos (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)

22 Esquemas de Transceptores MIMO Multiplexação espacial Técnicas BLAST Esquemas de multiplexação Classificação - Vertical BLAST - Diagonal BLAST V-BLAST D-BLAST s 4 s 1... s 5 s 2 s 6 s 3 t = 2 t = 1 s 3 s 2 s 1... s 4 s 3 s 2 s 1 s 4 s 3 t = 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)

23 Esquemas de Transceptores MIMO Detecção Linear - receptores ZF e MMSE Definições vetor de símbolos: s = s 1 s 2... s M T ZF critério: W T i (H) j = ' 1, i = j 0, i j i = 1,..., M sinal recebido: matriz de canal: H =! " # x = H s + v h 11 h 12 h 1M h 21 h 22 h 2M... h N1 h N2 h NM $ & % pesos do filtro: W ZF = (H H H) 1 H H MMSE critério: mine{ Wx s d 2 } pesos do filtro: W MMSE = R 1 xx R sd x R xx = E{xx H } e R sd x = E{s d x H }

24 Esquemas de Transceptores MIMO Detecção Não Linear - receptores SIC e OSIC Successive Interference Cancellation (SIC) idéia: - impacto dos símbolos detectados no sinal recebido é removido gradualmente em estágios sucessivos maior diversidade a cada estágio - Nulling: W MMSE = R xx 1 R sd x y i = W MMSE x - Cancelling: x i+1 = x i ŝ i h i 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

25 Esquemas de Transceptores MIMO Diversidade espacial - STBC Características fornecer ganho de diversidade espacial - redundância no espaço e no tempo 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) S G2[T=1,T=2] = * s 1 s 2 s 2 s 1 + S G2[T=1,T=2] é ortogonal Detecção ML - processamento linear no receptor

26 Esquemas de Transceptores MIMO Detecção STBC Detecção STBC r 1 = h 1 s 1 + h 2 s 2 + v 1 r 2 = h 1 s 1 + h 2s 2 + v 2 Transmissão G2 t=1 s 1 s 2 t=2 s 2 s 1 Tx = 1 Tx = 2 * r 1 = * h 1 h 2 * s r 2 + h 2 h s 2 +, -. / r, -. / H r = Hs + v, -. / s + * v 1 v 2 +, -. / v H H H = * h h h h Notas H é ortogonal H H H - filtro casado espacial (detecção ML com proc. linear) h h ganho de diversidade Taxa: R = K/T = 1

27 Esquemas de Transceptores MIMO Diversidade espacial - STBC Esquema H3 S H3[T=1,T=2,T=3,T=4] =! " # s 1 s 2 s 3 2 s 2 s 1 s 3 2 s 3 2 s 3 2 s 1 s 1 +s 2 s 2 2 s 3 2 s 3 2 s 2 +s 2 +s 1 s 1 2 $ & % Taxa: R = K/T = 3/4 Esquema G3 S H3[T=1,T=2,T=3,T=4] =! " # s 1 s 2 s 3 2 s 2 s 1 s 3 2 s 3 2 s 3 2 s 1 s 1 +s 2 s 2 2 s 3 2 s 3 2 s 2 +s 2 +s 1 s 1 2 $ & % Taxa: R = K/T = 1/2

28 Esquemas de Transceptores MIMO Esquemas de Transceptores MIMO Híbridos Esquemas de Transceptores MIMO Híbridos 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 Características s Serial-paralelo s 1 s2 STBC G2 s 11 s 12 S G2+1[T=1,T=2] = * s 1 s 2 s 3 s 2 s 1 s 4 + η = 2 log 2 (M) bps/hz ordem de diversidade Detector Camada 1 Camada 2 LD 2(N-1) 1(N-2) SIC 2(N-1) 1N

29 Esquemas de Transceptores MIMO Esquemas de Transceptores MIMO Híbridos Esquema G2+G2 s Serial - Paralelo s 1 s2 STBC G2 STBC G2 s 11 s 12 s21 s22 Características S G2+G2[T=1,T=2] = * s 1 s 2 s 3 s 4 s 2 s 1 s 3 s 4 + η = 2 log 2 (M) bps/hz ordem de diversidade Características Detector Camada 1 Camada 2 LD 2(N-2) 2(N-2) SIC 2(N-1) 2N Esquema G2+1+1 s Serial - Paralelo Parallel s 1 s2 s3 STBC G2 s 11 s 12 S G2+1+1[T=1,T=2] = * s 1 s 2 s 3 s 4 s 2 s 1 s 5 s 6 + η = 3 log 2 (M) bps/hz ordem de diversidade Detector Camada 1 Camada 2 Camada 3 LD 2(N-2) 1(N-3) 1(N-3) SIC 2(N-2) 1(N-1) 1(N)

30 Esquemas de Transceptores MIMO Esquemas de Transceptores MIMO Híbridos Esquema G3+1 s Serial - Paralelo s 1 s2 STBC G3 s 11 s 12 s13 Características S G3+1[T=1,T=2,...,T=8] =! s 1 s 2 s 3 s 5 s 2 s 1 s 4 s 6 s 3 s 4 s 1 s 7 s 4 s 3 s 2 s 8 s 1 s 2 s 3 s 9 " s # 2 s 1 s 4 s 10 s 3 s 4 s 1 s 11 s 4 s 3 s 2 s 12 $ & % η = 1.5 log 2 (M) bps/hz. ordem de diversidade Detector Camada 1 Camada 2 LD 3(N-1) 1(N-3) SIC 3(N-1) 1N

31 Esquemas de Transceptores MIMO Esquemas de Transceptores MIMO Híbridos Algoritmo de cancelamento de interferência modificado idéia: - bom desempenho do detector não linear SIC - fácil detecção dos STBC Algoritmo Passos 1. anulamento da interferência 1. detecção STBC e remontagem do sinal detectado 2. cancelamento da interferência 3. detecção camadas não codificadas Algoritmo cancelamento da interferência x[k] 1 N Filtro Espacial MIMO Estimção de Canal y[k] 1 N Decodificação Espaco-temporal STBC Decod. Canal Equivalente z[k] s ˆ1

32 Resultados Comparação dos Algoritmos de Cancelamento de Interferência HMTS G2+1 HMTS G2+G G2+G2(BPSK LD), 4Tx 4Rx G2+G2(BPSK SIC), 4Tx 4Rx G2+G2(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx Bit Error Rate Bit Error Rate G2+1(BPSK LD), 3Tx 3Rx G2+1(BPSK SIC), 3Tx 3Rx G2+1(BPSK OSIC), 3Tx 3Rx E /N [db] b E /N [db] b 0 Notas SIC superior ao LD OSIC similar ao SIC Notas SIC superior ao LD OSIC superior ao SIC

33 Resultados Desempenho dos Esquemas com Complexidade Similar 3Tx-3Rx Bit Error Rate E /N [db] b 0 G3(BPSK), 3Tx 3Rx H3(BPSK), 3Tx 3Rx G2+1(BPSK LD), 3Tx 3Rx G2+1(BPSK SIC), 3Tx 3Rx G2+1(BPSK OSIC), 3Tx 3Rx VBLAST(BPSK OSIC), 3Tx 3Rx Notas HMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação Superior eficiência espectral que os STBC puros Menor BER que o V-BLAST

34 Resultados Desempenho dos Esquemas com Complexidade Similar 4Tx-4Rx Bit Error Rate E b /N 0 [db] G4(BPSK), 4Tx 4Rx G3+1(BPSK SIC), 4Tx 4Rx G2+G2(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx G2+1+1(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx VBLAST(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx Notas HMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação Superior eficiência espectral que os STBC puros Menor BER que o V-BLAST

35 Resultados Desempenho dos Esquemas com Eficiência Espectral Fixa 3 bps/hz Bit Error Rate VBLAST(BPSK OSIC), 3Tx 3Rx G3+1(QPSK SIC), 4Tx 4Rx G2+1+1(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx G3(64 PSK), 3Tx 3Rx E b /N 0 [db] Notas HMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação Superior eficiência espectral que os STBC puros Menor BER que o V-BLAST

36 Resultados Desempenho dos Esquemas com Eficiência Espectral Fixa 4 bps/hz Bit Error Rate VBLAST(BPSK OSIC), 4Tx 4Rx G2+1(QPSK SIC), 3Tx 3Rx G2+G2(QPSK OSIC), 4Tx 4Rx G4(256 PSK), 4Tx 4Rx E b /N 0 [db] Notas HMTS atingem o compromisso entre diversidade e multiplexação Superior eficiência espectral que os STBC puros Menor BER que o V-BLAST

37 Resultados Proposta de Resolução do Gargalo Presente no HMTS: G3+1 Notas Camadas 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 Solução I: cod. de canal G3+1(SIC)(layer 1 STBC G3) G3+1(SIC)(layer 2 VBLAST) G3+1(SIC)(layer 1 STBC G3) G3+1(SIC)(layer 2 VBLAST) G3+1(SIC COD SOVA)(layer 2 VBLAST) Bit Error Rate Bit Error Rate Eb/No [db] Eb/No [db]

38 Resultados Proposta de Resolução do Gargalo Presente no HMTS: G3+1 Solução II: CSI no transmissor 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 de BER entre a camada 1 e a camada 2 Solução baseada em codificação de canal diminui a eficiência espectral da camada BLAST Bit Error Rate E /N [db] b 0 Notas - Solução II Apenas parcial CSI no transmissor Pequeno overhead Baixa E b /N 0 - desempenho similar camada 1 e a camada 2 Alta E b /N 0 - desempenho superior camada 2 sobre a camada 1

39 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 e multiplexação Eficiência espectral fixa: HMTS melhor desempenho Camada V-BLAST dos HMTS: gargalo no desempenho, solução com o CSI: solução satisfatória para este gargalo

40 Parte III Estruturas MIMO-OFDM

41 Considerações gerais Inserção de modulação OFDM para transmissão e recepção por múltiplas antenas Junção das duas técnicas fornece ganhos de capacidade (taxa de transmissão) e tratamento da interferência Passível de utilização com multiplexação (baseado em BLAST) e diversidade (baseado em STC) Também é extensível para caso híbrido Possibilidade de outras estratégias de diversidade 1 Código espaço-temporal por subportadora 2 Código espaço-freqüência 3 Código espaço-tempo-freqüência Complexidade adicional

42 MIMO-OFDM: diagrama geral Possível ramo de diversidade : ;8<=>=?@

43 Resumo Junção de poderosas técnicas individuais Complexidade adicional Para OFDM perfeitamente ajustado o desempenho MIMO-OFDM é o mesmo que sistemas MIMO com desvanecimento plano Resultados preliminares neste contexto

44 Parte IV Medidas sistêmicas: impactos e soluções

45 Considerações gerais Contexto mais geral: integração da camada física com camadas superiores no sistema de comunicação digital Gerenciamento de recursos de rádio: parâmetros selecionados em camadas superiores Desempenho afetado por camada física Princípio de water filling - distribuição dos recursos de forma a privilegiar melhores parâmetros Vantagens com OFDM?

46 Questões e impactos (1) Múltiplos canais espaço-tempo-freqüência: alta granularidade na alocação de recursos e provisionamento de taxa e QoS Dimensionalidade do problema (grande número de parâmetros) implica num 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 dos requisitos de QoS) utilizando algoritmos factíveis (complexidade e tempo de resposta) e baseando-se em uma infra-estrutura de estimação de canal e demais grandezas relevantes que seja realizável.

47 Questões e impactos (2) Sistemas coordenados (sem interferência externa desconhecida): solução para RRM baseada em conceitos de water-filling (algoritmos de bit-loading) Sistemas celulares (não-coordenados): problema de RRM para MIMO-OFDM é amplamente aberto Degradação ao se migrar de um ambiente limitado por ruído para outro limitado por interferência: maior em sistemas MIMO que em sistemas SISO Aumento do número de antenas receptoras necessário para permitir cancelamento de interferência (Catreux et al, 2001)

48 Questões e impactos (3) Soluções baseadas em processamento de sinais e codificação podem amenizar 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 caso do cenário sem interferência Indicativo de que apenas solução global baseada em RRM proverá aumento de capacidade. Cooperação entre ERBs deverá ser incluída nas soluções em vista.

49 Parte V Desafios e Perspectivas

50 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 (good and bad)

51 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?)

52 Parte VI Referências e Bibliografia

53 Bibliografia S. Müller-Weinfurtner, OFDM for Wireless Communications, Shaker Verlag, H. Bölcskei, Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems, in Signal Processing for Mobile Communications Handbook, CRC Press, 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 , August, 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 , March, 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, S. Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE Journal of Selected Areas in Communications, (16): , N. Seshadri, V. Tarokh e A. R. Calderbank, Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction, IEEE Transactions on Information Theory, 44(02): , H. Jafarkhani, V. Tarokh e A. R. Calderbank, Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs, IEEE Transactions on Information Theory, 45(05): , L. Zheng e D. Tse, Diversity And Multiplexing: A Fundamental Tradeoff in Multiple Antenna Channels, IEEE Transactions on Information Theory, (49): , 2003.