Macrodiversidad

En el campo de las comunicaciones inalámbricas, la macrodiversidad ^{[1] [2]} es una especie de esquema de diversidad espacial que utiliza varias antenas receptoras o transmisoras para transferir la misma señal. La distancia entre los transmisores es mucho mayor que la longitud de onda , a diferencia de la microdiversidad donde la distancia es del orden o más corta que la longitud de onda.

En una red celular o una LAN inalámbrica , la macrodiversidad implica que las antenas generalmente están situadas en diferentes sitios de estaciones base o puntos de acceso . La macrodiversidad del receptor es una forma de combinación de antenas y requiere una infraestructura que media las señales desde las antenas o receptores locales hasta un receptor o decodificador central. La macrodiversidad del transmisor puede ser una forma de transmisión simultánea , donde la misma señal se envía desde varios nodos. Si las señales se envían a través del mismo canal físico (por ejemplo, la frecuencia del canal y la secuencia de dispersión), se dice que los transmisores forman una red de frecuencia única , término utilizado especialmente en el mundo de la radiodifusión.

El objetivo es combatir el desvanecimiento y aumentar la intensidad y la calidad de la señal recibida en posiciones expuestas entre las estaciones base o puntos de acceso. La macrodiversidad también puede facilitar servicios de multidifusión eficientes , donde se puede utilizar el mismo canal de frecuencia para todos los transmisores que envían la misma información. El esquema de diversidad puede basarse en la macrodiversidad del transmisor (enlace descendente) y/o en la macrodiversidad del receptor (enlace ascendente).

Ejemplos

• Transferencia suave CDMA :
  • " Transferencia más suave UMTS" .
• Las redes de frecuencia única (SFN ) basadas en OFDM y ecualización en el dominio de frecuencia (FDE ) son una forma de macrodiversidad de transmisores utilizada en redes de radiodifusión como DVB-T y DAB.
  • Redes dinámicas de frecuencia única (DSFN), donde un esquema de programación adapta dinámicamente las formaciones SFN a las condiciones del tráfico y/o a las condiciones del receptor.
  • Traspaso de macrodiversidad 802.16e (MDHO)
  • Red de frecuencia única de transmisión multidifusión (MBSFN) de evolución a largo plazo (LTE) 3GPP , que permite enviar de manera eficiente los mismos datos a muchos móviles en celdas adyacentes.
  • Diversidad cooperativa , por ejemplo la transmisión/recepción multipunto coordinada (CoMP ) de evolución a largo plazo (LTE ) 3GPP, que permite aumentar la velocidad de datos a un móvil situado en la superposición de varios rangos de transmisión de estaciones base.

Formularios

La forma básica de macrodiversidad se denomina macrodiversidad de usuario único. De esta forma, un único usuario, que puede tener múltiples antenas, se comunica con varias estaciones base. Por lo tanto, dependiendo del grado de libertad espacial (DoF) del sistema, el usuario puede transmitir o recibir múltiples flujos de datos independientes hacia/desde estaciones base en el mismo recurso de tiempo y frecuencia.

• Macrodiversidad de usuario único
  • Macrodiversidad de enlaces ascendentes
  • Macrodiversidad del enlace descendente

En la siguiente forma más avanzada de macrodiversidad, múltiples usuarios distribuidos se comunican con múltiples estaciones base distribuidas en el mismo recurso de tiempo y frecuencia. Se ha demostrado que esta forma de configuración utiliza de manera óptima la DoF espacial disponible y, por lo tanto, aumenta considerablemente la capacidad del sistema celular y la capacidad del usuario.

• Macrodiversidad multiusuario
  • Canal de acceso múltiple (MAC) a la macrodiversidad ^[2]
  • Canal de difusión de Macrodiversidad (BC) ^{[3] [4]}

Descripción matemática

Escenario típico de comunicación de enlace ascendente de macrodiversidad multiusuario con tres estaciones base (BS) y dos estaciones móviles (MS). Todas las BS están conectadas a una unidad de procesamiento de retorno (BPU). ^[2]

El sistema de comunicación de enlace ascendente MIMO multiusuario de macrodiversidad considerado aquí consta de usuarios de antena única distribuida y estaciones base (BS) de antena única distribuida. Siguiendo el modelo de sistema MIMO de desvanecimiento plano de banda estrecha bien establecido , la relación entrada-salida se puede dar como ${\displaystyle \scriptstyle N}$ ${\displaystyle \scriptstyle n_{R}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} }$

donde y son los vectores de recepción y transmisión, respectivamente, y y son la matriz del canal de macrodiversidad y el vector de ruido AWGN espacialmente no correlacionado , respectivamente. Se supone que la densidad espectral de potencia del ruido AWGN es . El enésimo elemento de representa el coeficiente de desvanecimiento (ver Desvanecimiento ) del enésimo enlace constituyente que, en este caso particular, es el enlace entre el enésimo usuario y la enésima estación base. En el escenario de macrodiversidad, ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {y} }$ ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {H} }$ ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {n} }$ ${\displaystyle \scriptstyle N_{0}}$ ${\displaystyle \scriptstyle i,j}$ ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {H} }$ ${\displaystyle h_{ij}}$ ${\displaystyle \scriptstyle i,j}$ ${\displaystyle \scriptstyle j}$ ${\displaystyle \scriptstyle i}$

${\displaystyle E\left\{\left|h_{ij}\right|^{2}\right\}=g_{ij}\quad \forall i,j}$,

donde se denomina ganancia promedio del enlace, lo que da una SNR promedio del enlace de . La matriz del perfil de poder de la macrodiversidad ^[2] puede definirse así como ${\displaystyle \scriptstyle g_{i,j}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\frac {g_{ij}}{N_{0}}}}$

${\displaystyle \mathbf {G} ={\begin{pmatrix}g_{11}&\dots &g_{1N}\\g_{21}&\dots &g_{2N}\\\dots &\dots &\dots \\g_{n_{R}1}&\dots &g_{n_{R}N}\\\end{pmatrix}}.}$

La relación entrada-salida original puede reescribirse en términos del perfil de poder de la macrodiversidad y la llamada matriz de canales normalizada, como ${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\left(\left(\mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}\right)\circ \mathbf {H} _{w}\right)\mathbf {x} +\mathbf {n} }$.

donde es la raíz cuadrada de elementos de , y el operador, representa la multiplicación de Hadamard (ver producto de Hadamard ). El décimo elemento de , , satisface la condición dada por ${\displaystyle \mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}}$ ${\displaystyle \mathbf {G} }$ ${\displaystyle \circ }$ ${\displaystyle \scriptstyle i,j}$ ${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$ ${\displaystyle h_{w,ij}}$

${\displaystyle E\left\{\left|h_{w,ij}\right|^{2}\right\}=1\quad \forall i,j}$.

Se ha demostrado que existe un vínculo funcional entre la matriz permanente del perfil de poder de la macrodiversidad y el desempeño de los sistemas de macrodiversidad multiusuario en el desvanecimiento. ^[2] Aunque parece que la macrodiversidad solo se manifiesta en el perfil de potencia, los sistemas que dependen de la macrodiversidad generalmente tendrán otros tipos de restricciones de potencia de transmisión (por ejemplo, cada elemento tiene una potencia promedio limitada) y diferentes conjuntos de transmisores coordinadores. /receivers al comunicarse con diferentes usuarios. ^[4] Tenga en cuenta que la relación entrada-salida anterior se puede extender fácilmente al caso en que cada transmisor y/o receptor tenga múltiples antenas. ${\displaystyle \mathbf {G} }$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$

Ver también

• MIMO
  • MIMO multiusuario
• Diversidad de antenas
• Esquemas de diversidad
• Combinación de diversidad
  • Combinación de relación máxima
  • combinación selectiva
• Ganancia de diversidad
• Microdiversidad
• Muchas antenas
• radar multiestático
• Sistema de antena distribuida

Referencias

1. D. Gesbert, S. Hanly, H. Huang, S. Shamai, O. Simeone, W. Yu, Redes cooperativas MIMO multicelulares: una nueva mirada a la interferencia IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 28, núm. 9, págs. 1380-1408, diciembre de 2010.
2. DA Basnayaka, PJ Smith y PA Martin, Análisis de rendimiento de sistemas MIMO de macrodiversidad con receptores MMSE y ZF en transacciones IEEE sobre comunicaciones inalámbricas con desvanecimiento plano de Rayleigh, vol. 12, núm. 5, págs. 2240–2251, mayo de 2013.
3. MK Karakayali, GJ Foschini y RA Valenzuela, Coordinación de redes para comunicaciones espectralmente eficientes en sistemas celulares Revista IEEE Wireless Communication, vol. 13, núm. 4, págs. 56 a 61, agosto de 2006.
4. E. Björnson y E. Jorswieck, Asignación óptima de recursos en sistemas multicelulares coordinados, fundamentos y tendencias en la teoría de la información y las comunicaciones, vol. 9, núm. 2–3, págs. 113–381, 2013.