La multiplexación por división de frecuencia ortogonal de múltiples entradas y múltiples salidas ( MIMO-OFDM ) es la interfaz aérea dominante para las comunicaciones inalámbricas de banda ancha 4G y 5G . Combina la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas ( MIMO ), que multiplica la capacidad al transmitir diferentes señales a través de múltiples antenas, y la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), que divide un canal de radio en una gran cantidad de subcanales espaciados de manera muy cercana para proporcionar comunicaciones más confiables a altas velocidades. Las investigaciones realizadas a mediados de la década de 1990 mostraron que, si bien MIMO se puede utilizar con otras interfaces aéreas populares, como el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y el acceso múltiple por división de código (CDMA), la combinación de MIMO y OFDM es más práctica a velocidades de datos más altas. [ cita requerida ]
MIMO-OFDM es la base de los estándares más avanzados de redes de área local inalámbricas ( LAN inalámbricas ) y redes de banda ancha móviles porque logra la mayor eficiencia espectral y, por lo tanto, ofrece la mayor capacidad y rendimiento de datos. Greg Raleigh inventó MIMO en 1996 cuando demostró que se podían transmitir diferentes flujos de datos al mismo tiempo en la misma frecuencia aprovechando el hecho de que las señales transmitidas a través del espacio rebotan en objetos (como el suelo) y toman múltiples caminos hacia el receptor. Es decir, al usar múltiples antenas y precodificar los datos, se podían enviar diferentes flujos de datos por diferentes caminos. Raleigh sugirió y luego demostró que el procesamiento requerido por MIMO a velocidades más altas sería más manejable usando modulación OFDM, porque OFDM convierte un canal de datos de alta velocidad en una serie de canales paralelos de menor velocidad.
En el uso moderno, el término "MIMO" indica más que la presencia de múltiples antenas de transmisión (entrada múltiple) y múltiples antenas de recepción (salida múltiple). Si bien se pueden utilizar múltiples antenas de transmisión para la formación de haces y múltiples antenas de recepción para la diversidad , la palabra "MIMO" se refiere a la transmisión simultánea de múltiples señales ( multiplexación espacial ) para multiplicar la eficiencia espectral (capacidad).
Tradicionalmente, los ingenieros de radio trataban la propagación por trayectos múltiples naturales como un impedimento que se debía mitigar. MIMO es la primera tecnología de radio que trata la propagación por trayectos múltiples como un fenómeno que se debe explotar. MIMO multiplica la capacidad de un enlace de radio al transmitir múltiples señales a través de múltiples antenas ubicadas en el mismo lugar. Esto se logra sin necesidad de potencia o ancho de banda adicionales. Se emplean códigos espacio-temporales para garantizar que las señales transmitidas a través de las diferentes antenas sean ortogonales entre sí, lo que facilita que el receptor distinga una de otra. Incluso cuando hay acceso a la línea de visión entre dos estaciones, se puede utilizar la polarización dual de antena para garantizar que haya más de una ruta robusta.
OFDM permite comunicaciones de banda ancha confiables al distribuir datos de usuario a través de una serie de subcanales de banda estrecha muy espaciados. [1] Esta disposición permite eliminar el mayor obstáculo para las comunicaciones de banda ancha confiables, la interferencia entre símbolos (ISI). La ISI se produce cuando la superposición entre símbolos consecutivos es grande en comparación con la duración de los símbolos. Normalmente, las altas velocidades de datos requieren símbolos de duración más corta, lo que aumenta el riesgo de ISI. Al dividir un flujo de datos de alta velocidad en numerosos flujos de datos de baja velocidad, OFDM permite símbolos de mayor duración. Se puede insertar un prefijo cíclico (CP) para crear un intervalo de guarda (temporal) que evite por completo la ISI. Si el intervalo de guarda es más largo que la dispersión de retardo (la diferencia en los retrasos experimentados por los símbolos transmitidos por el canal), entonces no habrá superposición entre símbolos adyacentes y, en consecuencia, no habrá interferencia entre símbolos. Aunque el CP reduce ligeramente la capacidad espectral al consumir un pequeño porcentaje del ancho de banda disponible, la eliminación de la ISI lo convierte en una compensación sumamente valiosa.
Una ventaja clave de OFDM es que se pueden utilizar transformadas rápidas de Fourier (FFT) para simplificar la implementación. Las transformadas de Fourier convierten señales de un dominio temporal a otro y viceversa. En consecuencia, las transformadas de Fourier pueden aprovechar el hecho de que cualquier forma de onda compleja se puede descomponer en una serie de sinusoides simples. En aplicaciones de procesamiento de señales, se utilizan transformadas discretas de Fourier (DFT) para operar en muestras de señales en tiempo real. Las DFT se pueden aplicar a señales OFDM compuestas, evitando la necesidad de los bancos de osciladores y demoduladores asociados con subportadoras individuales. Las transformadas rápidas de Fourier son algoritmos numéricos utilizados por las computadoras para realizar cálculos DFT. [2]
Las FFT también permiten que OFDM haga un uso eficiente del ancho de banda. Los subcanales deben estar separados en frecuencia lo suficiente para garantizar que sus formas de onda en el dominio del tiempo sean ortogonales entre sí. En la práctica, esto significa que se permite que los subcanales se superpongan parcialmente en frecuencia.
MIMO-OFDM es una combinación particularmente poderosa porque MIMO no intenta mitigar la propagación por trayectos múltiples y OFDM evita la necesidad de ecualización de señal . MIMO-OFDM puede lograr una eficiencia espectral muy alta incluso cuando el transmisor no posee información del estado del canal (CSI). Cuando el transmisor posee CSI (que se puede obtener mediante el uso de secuencias de entrenamiento), es posible acercarse a la capacidad teórica del canal. La CSI se puede utilizar, por ejemplo, para asignar constelaciones de señales de diferentes tamaños a las subportadoras individuales, haciendo un uso óptimo del canal de comunicaciones en cualquier momento dado.
Los desarrollos MIMO-OFDM más recientes incluyen MIMO multiusuario (MU-MIMO), implementaciones MIMO de orden superior (mayor número de flujos espaciales) e investigación sobre MIMO masivo y MIMO cooperativo (CO-MIMO) para su inclusión en los próximos estándares 5G.
MU-MIMO es parte del estándar IEEE 802.11ac , el primer estándar de Wi-Fi que ofrece velocidades en el rango de gigabits por segundo. MU-MIMO permite que un punto de acceso (AP) transmita a hasta cuatro dispositivos cliente simultáneamente. Esto elimina los retrasos por contención, pero requiere mediciones frecuentes del canal para dirigir adecuadamente las señales. Cada usuario puede emplear hasta cuatro de los ocho flujos espaciales disponibles. Por ejemplo, un AP con ocho antenas puede comunicarse con dos dispositivos cliente con cuatro antenas, proporcionando cuatro flujos espaciales a cada uno. Alternativamente, el mismo AP puede comunicarse con cuatro dispositivos cliente con dos antenas cada uno, proporcionando dos flujos espaciales a cada uno. [3]
La formación de haces MIMO multiusuario beneficia incluso a los dispositivos de flujo espacial único. Antes de la formación de haces MU-MIMO, un punto de acceso que se comunicaba con varios dispositivos cliente solo podía transmitir a uno a la vez. Con la formación de haces MU-MIMO, el punto de acceso puede transmitir a hasta cuatro dispositivos de flujo único al mismo tiempo en el mismo canal.
El estándar 802.11ac también admite velocidades de hasta 6,93 Gbit/s utilizando ocho flujos espaciales en modo de usuario único. La velocidad máxima de datos supone el uso del canal opcional de 160 MHz en la banda de 5 GHz y 256 QAM (modulación de amplitud en cuadratura). Se han introducido chipsets que admiten seis flujos espaciales y se están desarrollando chipsets que admiten ocho flujos espaciales.
El MIMO masivo consiste en una gran cantidad de antenas de estación base que operan en un entorno MU-MIMO. [4] Si bien las redes LTE ya admiten teléfonos que utilizan dos flujos espaciales y se han probado diseños de antenas de teléfonos capaces de admitir cuatro flujos espaciales, el MIMO masivo puede ofrecer ganancias de capacidad significativas incluso para teléfonos con un solo flujo espacial. Nuevamente, la formación de haces MU-MIMO se utiliza para permitir que la estación base transmita flujos de datos independientes a múltiples teléfonos en el mismo canal al mismo tiempo. Sin embargo, una pregunta que aún debe ser respondida por la investigación es: ¿cuándo es mejor agregar antenas a la estación base y cuándo es mejor agregar celdas pequeñas?
Otro de los objetivos de la investigación en el campo de las comunicaciones inalámbricas 5G es el de la tecnología CO-MIMO. En este campo, grupos de estaciones base trabajan juntas para mejorar el rendimiento. Esto se puede lograr mediante la diversidad macro para mejorar la recepción de señales de los teléfonos móviles o la multiplexación multicelda para lograr velocidades de datos de enlace descendente más altas. Sin embargo, el CO-MIMO requiere una comunicación de alta velocidad entre las estaciones base que cooperan.
Gregory Raleigh fue el primero en recomendar el uso de MIMO en combinación con OFDM. En un artículo teórico, demostró que con el tipo adecuado de sistema MIMO (varias antenas ubicadas en el mismo lugar que transmiten y reciben múltiples flujos de información mediante codificación y codificación multidimensionales), se podía aprovechar la propagación por trayectos múltiples para multiplicar la capacidad de un enlace inalámbrico. [5] Hasta ese momento, los ingenieros de radio intentaron hacer que los canales del mundo real se comportaran como canales ideales mitigando los efectos de la propagación por trayectos múltiples. Sin embargo, las estrategias de mitigación nunca han tenido un éxito total. Para aprovechar la propagación por trayectos múltiples, fue necesario identificar técnicas de modulación y codificación que tuvieran un rendimiento robusto en canales multitrayecto dispersivos y variables en el tiempo. Raleigh publicó investigaciones adicionales sobre MIMO-OFDM en condiciones variables en el tiempo, estimación de canal MIMO-OFDM, técnicas de sincronización MIMO-OFDM y el rendimiento del primer sistema experimental MIMO-OFDM. [6] [7] [8] [9]
Raleigh solidificó el caso de OFDM al analizar el rendimiento de MIMO con tres técnicas de modulación líderes en su disertación de doctorado: modulación de amplitud en cuadratura (QAM), espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS) y multitono discreto (DMT). [10] QAM es representativo de esquemas de banda estrecha como TDMA que utilizan ecualización para combatir la ISI. DSSS utiliza receptores de rastrillo para compensar el trayecto múltiple y es utilizado por sistemas CDMA. DMT utiliza entrelazado y codificación para eliminar la ISI y es representativo de los sistemas OFDM. El análisis se realizó derivando los modelos de matriz de canal MIMO para los tres esquemas de modulación, cuantificando la complejidad computacional y evaluando los desafíos de estimación y sincronización de canal para cada uno. Los modelos mostraron que para un sistema MIMO que utiliza QAM con un ecualizador o DSSS con un receptor de rastrillo, la complejidad computacional crece cuadráticamente a medida que aumenta la velocidad de datos. Por el contrario, cuando se utiliza MIMO con DMT, la complejidad computacional crece de forma log-lineal (es decir, n log n) a medida que aumenta la velocidad de datos.
Posteriormente, Raleigh fundó Clarity Wireless en 1996 y Airgo Networks en 2001 para comercializar la tecnología. Clarity desarrolló especificaciones en el Broadband Wireless Internet Forum (BWIF) que condujeron a los estándares IEEE 802.16 (comercializado como WiMAX ) y LTE , ambos compatibles con MIMO. Airgo diseñó y envió los primeros conjuntos de chips MIMO-OFDM para lo que se convirtió en el estándar IEEE 802.11n . MIMO-OFDM también se utiliza en el estándar 802.11ac y se espera que desempeñe un papel importante en los sistemas de telefonía móvil 802.11ax y de quinta generación ( 5G ).
Varios de los primeros artículos sobre MIMO multiusuario fueron escritos por Ross Murch et al. en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. [11] MU-MIMO se incluyó en el estándar 802.11ac (desarrollado a partir de 2011 y aprobado en 2014). La capacidad MU-MIMO aparece por primera vez en lo que se conoce como productos "Wave 2". Qualcomm anunció chipsets compatibles con MU-MIMO en abril de 2014. [12]
Broadcom presentó los primeros conjuntos de chips 802.11ac compatibles con seis flujos espaciales para velocidades de datos de hasta 3,2 Gbit/s en abril de 2014. Quantenna afirma que está desarrollando conjuntos de chips para admitir ocho flujos espaciales para velocidades de datos de hasta 10 Gbit/s. [13]
Actualmente, la investigación sobre las redes inalámbricas 5G se centra en las tecnologías Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) y HetNets (redes heterogéneas). Se espera que el desarrollo de estándares 5G comience en 2016. Entre los investigadores más destacados hasta la fecha se encuentran Jakob Hoydis (de Alcatel-Lucent), Robert W. Heath (de la Universidad de Texas en Austin), Helmut Bölcskei (de la ETH de Zúrich) y David Gesbert (de EURECOM). [14] [15] [16] [17]
Samsung ha realizado pruebas de la tecnología 5G. [18] El operador japonés NTT DoCoMo planea probar la tecnología 5G en colaboración con Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia y Samsung. [19]
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