En radio, la tecnología cooperativa de entrada múltiple y salida múltiple ( MIMO cooperativa , CO-MIMO ) es una tecnología que puede explotar eficazmente el dominio espacial de los canales móviles con desvanecimiento para aportar mejoras significativas en el rendimiento a los sistemas de comunicación inalámbrica. También se denomina MIMO de red , MIMO distribuido , MIMO virtual y conjuntos de antenas virtuales .
Los sistemas MIMO convencionales , conocidos como MIMO punto a punto o MIMO coubicado, requieren que tanto el transmisor como el receptor de un enlace de comunicación estén equipados con múltiples antenas. Si bien MIMO se ha convertido en un elemento esencial de los estándares de comunicación inalámbrica, incluidos IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA+ (3G), WiMAX (4G) y Long-Term Evolution (4G), muchos dispositivos inalámbricos no pueden admitir múltiples antenas debido a limitaciones de tamaño, costo y/o hardware. Más importante aún, la separación entre antenas en un dispositivo móvil e incluso en plataformas de radio fijas a menudo es insuficiente para permitir ganancias significativas de rendimiento. Además, a medida que aumenta el número de antenas, el rendimiento MIMO real se queda cada vez más atrás de las ganancias teóricas. [1]
La MIMO cooperativa utiliza antenas distribuidas en diferentes dispositivos de radio para lograr ganancias cercanas a las teóricas de MIMO. La idea básica de la MIMO cooperativa es agrupar múltiples dispositivos en una matriz de antenas virtuales para lograr comunicaciones MIMO. Una transmisión MIMO cooperativa implica múltiples enlaces de radio punto a punto, incluidos enlaces dentro de una matriz virtual y posiblemente enlaces entre diferentes matrices virtuales.
Las desventajas de la tecnología MIMO cooperativa provienen de la mayor complejidad del sistema y la gran sobrecarga de señalización necesaria para soportar la cooperación entre dispositivos. Las ventajas de la tecnología MIMO cooperativa, por otro lado, son su capacidad para mejorar la capacidad, el rendimiento del borde de la celda, la cobertura y la movilidad de grupo de una red inalámbrica de una manera rentable. Estas ventajas se logran mediante el uso de antenas distribuidas, que pueden aumentar la capacidad del sistema decorrelacionando los subcanales MIMO y permiten que el sistema explote los beneficios de la macrodiversidad además de la microdiversidad. En muchas aplicaciones prácticas, como las redes móviles celulares e inalámbricas ad hoc, las ventajas de implementar la tecnología MIMO cooperativa superan las desventajas. En los últimos años, [ ¿cuándo? ] las tecnologías MIMO cooperativas se han adoptado en la corriente principal de los estándares de comunicación inalámbrica.
En el multipunto coordinado (CoMP), los datos y la información del estado del canal (CSI) se comparten entre las estaciones base celulares (BS) vecinas para coordinar sus transmisiones en el enlace descendente y procesar conjuntamente las señales recibidas en el enlace ascendente . La arquitectura del sistema se ilustra en la figura 1a. Las técnicas CoMP pueden convertir de manera efectiva la interferencia entre celdas que de otro modo sería dañina en señales útiles, lo que permite explotar una ganancia de potencia significativa, una ventaja de rango de canal y/o ganancias de diversidad . CoMP requiere una red de retorno de alta velocidad para permitir el intercambio de información (por ejemplo, datos, información de control y CSI) entre las BS. Esto se logra típicamente a través de un fronthaul de fibra óptica. CoMP se ha introducido en los estándares 4G. [7]
Los relés fijos (ilustrados en la Figura 1b) son infraestructuras de radio fijas y de bajo costo sin conexiones de retorno por cable. Almacenan datos recibidos de la estación base y los transmiten a las estaciones móviles (MS), y viceversa. Las estaciones de retransmisión fijas (RS) suelen tener potencias de transmisión y áreas de cobertura menores que una estación base. Se pueden implementar de manera estratégica y rentable en redes celulares para extender la cobertura, reducir la potencia de transmisión total, mejorar la capacidad de una región específica con altas demandas de tráfico y/o mejorar la recepción de la señal. Al combinar las señales de los relés y posiblemente la señal de origen de la estación base, la estación móvil (MS) puede explotar la diversidad inherente del canal de retransmisión. Las desventajas de los relés fijos son los retrasos adicionales introducidos en el proceso de retransmisión y los niveles potencialmente mayores de interferencia debido a la reutilización de frecuencias en las RS. Como una de las tecnologías MIMO cooperativas más maduras, el relé fijo ha atraído un apoyo significativo en los principales estándares de comunicación celular. [8] [9]
Los relés móviles se diferencian de los relés fijos en el sentido de que los RS son móviles y no se implementan como la infraestructura de una red. Por lo tanto, los relés móviles son más flexibles para acomodar patrones de tráfico variables y adaptarse a diferentes entornos de propagación. Por ejemplo, cuando una MS de destino sufre temporalmente de malas condiciones de canal o requiere un servicio de velocidad relativamente alta, sus MS vecinas pueden ayudar a proporcionar cobertura de múltiples saltos o aumentar la velocidad de datos retransmitiendo información a la MS de destino. Además, los relés móviles permiten una implementación de red más rápida y de menor costo. De manera similar a los relés fijos, los relés móviles pueden ampliar el área de cobertura, reducir la potencia de transmisión general y/o aumentar la capacidad en los bordes de las celdas. Por otro lado, debido a su naturaleza oportunista, los relés móviles son menos confiables que los relés fijos ya que la topología de la red es altamente dinámica e inestable.
Los relés de usuario móviles permiten que los MS distribuidos se autoorganicen en una red ad hoc inalámbrica, que complementa la infraestructura de red celular mediante transmisiones de múltiples saltos. Los estudios han demostrado que los relés de usuario móviles tienen una ventaja fundamental en el sentido de que la capacidad total de la red, medida como la suma de los rendimientos de los usuarios, puede escalar linealmente con el número de usuarios si se cuenta con el apoyo de infraestructura suficiente. [10] [11] Por lo tanto, los relés de usuario móviles son una mejora deseable para los sistemas celulares futuros. Sin embargo, los relés de usuario móviles enfrentan desafíos en el enrutamiento, la gestión de recursos de radio y la gestión de interferencias.
Dispositivo a dispositivo (D2D) en LTE es un paso hacia los relés móviles. [12]
En Cooperative-MIMO, el proceso de decodificación implica la recopilación de N R combinaciones lineales de N T símbolos de datos originales, donde N R suele ser el número de nodos receptores y N T es el número de nodos transmisores. El proceso de decodificación se puede interpretar como la solución de un sistema de N R ecuaciones lineales, donde el número de incógnitas es igual al número de símbolos de datos ( N T ) y señales de interferencia. Por lo tanto, para que los flujos de datos se decodifiquen correctamente, el número de ecuaciones lineales independientes (N R ) debe ser al menos igual al número de datos ( N T ) y flujos de interferencia.
En la codificación de subespacio cooperativo, también conocida como codificación de red lineal , los nodos transmiten combinaciones lineales aleatorias de paquetes originales con coeficientes que pueden elegirse a partir de mediciones del entorno de dispersión naturalmente aleatorio. Alternativamente, se confía en el entorno de dispersión para codificar las transmisiones. [13] Si los subcanales espaciales están suficientemente descorrelacionados entre sí, la probabilidad de que los receptores obtengan combinaciones linealmente independientes (y, por lo tanto, obtengan información innovadora) se acerca a 1. Aunque la codificación de red lineal aleatoria tiene un excelente rendimiento de procesamiento, si un receptor obtiene una cantidad insuficiente de paquetes, es extremadamente improbable que pueda recuperar alguno de los paquetes originales. Esto se puede abordar enviando combinaciones lineales aleatorias adicionales (como aumentando el rango de la matriz de canal MIMO o retransmitiendo en un momento posterior que sea mayor que el tiempo de coherencia del canal ) hasta que el receptor obtenga una cantidad suficiente de paquetes codificados para permitir la decodificación. [14]
La codificación subespacial cooperativa enfrenta una alta complejidad computacional de decodificación. Sin embargo, en la radio MIMO cooperativa, la decodificación MIMO ya emplea métodos similares, si no idénticos, a la decodificación de red lineal aleatoria. Los códigos de red lineal aleatoria tienen una alta sobrecarga debido a los grandes vectores de coeficientes adjuntos a los bloques codificados. Pero en la radio MIMO cooperativa, los vectores de coeficientes se pueden medir a partir de señales de entrenamiento conocidas, lo que ya se realiza para la estimación del canal . Finalmente, la dependencia lineal entre los vectores de codificación reduce el número de bloques codificados innovadores. Sin embargo, la dependencia lineal en los canales de radio es una función de la correlación del canal , que es un problema resuelto por MIMO cooperativo.
Antes de la introducción de MIMO cooperativo, se propuso el procesamiento conjunto entre estaciones base celulares para mitigar la interferencia entre celdas [15] , y la diversidad cooperativa [16] ofrecía una mayor ganancia de diversidad mediante relés, pero a costa de una menor eficiencia espectral. Sin embargo, ninguna de estas técnicas aprovecha la interferencia para obtener ganancias de multiplexación espacial, que pueden aumentar drásticamente la eficiencia espectral.
En 2001, Steve Shattil, un científico de Idris Communications, introdujo el MIMO cooperativo en una solicitud de patente provisional [17] que divulgaba relés fijos y multipunto coordinados, seguida de un artículo en el que S. Shamai y BM Zaidel propusieron la precodificación de "papel sucio" en el coprocesamiento de enlace descendente para celdas de un solo usuario. [18] En 2002, Shattil introdujo los aspectos de retransmisión móvil y codificación de red del MIMO cooperativo en la patente estadounidense n.º 7430257 [19] y la publicación estadounidense n.º 20080095121. [20] Las implementaciones de radio definida por software (SDR) y computación distribuida en MIMO cooperativo se introdujeron en las patentes estadounidenses n.º 7430257 (2002) y 8670390 [21] (2004), proporcionando la base para la red de acceso por radio en la nube ( C-RAN ).
Las implementaciones del lado del servidor de MIMO cooperativo fueron las primeras en adoptarse en las especificaciones celulares 4G y son esenciales para 5G . CoMP y Fixed Relays agrupan recursos de procesamiento de banda base en centros de datos, lo que permite implementaciones densas de terminales de radio simples y económicas (como cabezales de radio remotos ) en lugar de estaciones base celulares. Esto permite que los recursos de procesamiento se escalen fácilmente para satisfacer la demanda de la red, y las antenas distribuidas podrían permitir que cada dispositivo de usuario sea atendido por el ancho de banda espectral completo del sistema. Sin embargo, el ancho de banda de datos por usuario aún está limitado por la cantidad de espectro disponible, lo que es una preocupación porque el uso de datos por usuario continúa creciendo.
La adopción de MIMO cooperativo del lado del cliente va a la zaga de MIMO cooperativo del lado del servidor. MIMO cooperativo del lado del cliente, como los relés móviles, puede distribuir cargas de procesamiento entre dispositivos cliente en un clúster, lo que significa que la carga computacional por procesador puede escalar de manera más efectiva a medida que crece el clúster. Si bien hay una sobrecarga adicional para coordinar los dispositivos cliente, los dispositivos en un clúster pueden compartir canales de radio y subcanales espaciales a través de enlaces inalámbricos de corto alcance. Esto significa que a medida que crece el clúster, el ancho de banda de datos instantáneo disponible por usuario también crece. Por lo tanto, en lugar de que el ancho de banda de datos por usuario esté limitado estrictamente por las leyes de la Física (es decir, el Teorema de Shannon-Hartley ), el ancho de banda de datos está restringido solo por la potencia de procesamiento computacional, que sigue mejorando de acuerdo con la Ley de Moore . A pesar del gran potencial de MIMO cooperativo del lado del cliente, una infraestructura basada en el usuario es más difícil de monetizar para los proveedores de servicios, y existen desafíos técnicos adicionales.
Si bien los relés móviles pueden reducir la energía total de transmisión, este ahorro puede compensarse con la energía del circuito necesaria para aumentar el procesamiento computacional. Por encima de un cierto umbral de distancia de transmisión, se ha demostrado que la MIMO cooperativa logra ahorros generales de energía. [22] Se han desarrollado varias técnicas para manejar los desfases de tiempo y frecuencia, que es uno de los problemas más críticos y desafiantes en la MIMO cooperativa. [23] [24] Recientemente, la investigación se ha centrado en el desarrollo de protocolos MAC eficientes. [25]
En esta sección, describimos la precodificación utilizando un modelo de sistema de un canal de enlace descendente MIMO cooperativo para un sistema CoMP. Un grupo de estaciones base emplea un agregado de M antenas de transmisión para comunicarse con K usuarios simultáneamente.
El usuario k , ( k = 1,… , K ), tiene N k antenas receptoras. El modelo de canal desde las estaciones base hasta el k º usuario está representado por una matriz de canal N k × M H k .
Sea s k el k º vector de símbolo de transmisión del usuario. Para el usuario k , las estaciones base emplean una matriz de precodificación de transmisión lineal, W k , que transforma el vector de datos s k en el vector transmitido M ×1 W k × s k . El vector de señal recibida en el k º usuario viene dado por ,
donde n k = [ n k, 1 , …, n k,Nk ] T denota el vector de ruido para el k ésimo usuario, y (.) T denota la transpuesta de una matriz o vector. Los componentes n k,i del vector de ruido n k son iid con media cero y varianza σ 2 para k = 1,…, K e i = 1,…, N k . El primer término, H k W k s k , representa la señal deseada, y el segundo término, , representa la interferencia recibida por el usuario k .
El canal de red se define como H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , y el conjunto correspondiente de señales recibidas por todos los usuarios se expresa mediante
donde H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , y = [ y 1 T ,…, y K T ] T , W = [ W 1 T ,…, W K T ] T , s = [ s 1 T ,…, s K T ] T , y n = [ n 1 T ,…, n K T ] T .
La matriz de precodificación W está diseñada en base a la información del canal para mejorar el rendimiento del sistema Cooperativo-MIMO.
Alternativamente, el procesamiento del lado del receptor, conocido como demultiplexación espacial, separa los símbolos transmitidos. Sin precodificación, el conjunto de señales recibidas por todos los usuarios se expresa mediante
La señal recibida se procesa con una matriz de demultiplexación espacial G para recuperar los símbolos de transmisión: .
Los tipos comunes de precodificación incluyen la precodificación de forzamiento a cero (ZF), la precodificación de error cuadrático medio mínimo (MMSE), la transmisión de relación máxima (MRT) y la diagonalización de bloques . Los tipos comunes de demultiplexación espacial incluyen ZF , la combinación MMSE y la cancelación de interferencias sucesivas .
