Introducción a los Sistemas de Comunicación Inalámbricos equipados con Múltiples Antenas

Lab. Comunicaciones Digitales,

FCEFyN, Univ. Nac. Córdoba

Introducción a las Sistemas de Comunicación

Inalámbricos con Múltiples Antenas 1

Introducción a los Sistemas de

Comunicación Inalámbricos

equipados con Múltiples Antenas

Ing. Alexis A. DowhuszkoLaboratorio de Comunicaciones Digitales

FCEFyN, Universidad Nacional de Córdoba





Sistemas de Comunicación Inalámbricos

� Son sistemas que posibilitan el intercambio de información entre usuarios sin mediación de cables

� Diferencias con los sistemas alámbricos:� Los enlaces no son punto-a-punto� La capacidad del enlace, la tasa de error de bits (BER) y

los retardos varían con el tiempo� La capacidad del sistema se debe compartir con el resto

de los usuarios activos (interferentes)� Las caracterísicas del canal varían aleatoriamente

con el tiempo� Mayor dificultad para el diseño de sistema confiables

que garanticen un determinado grado de desempeño





Sistemas Alámbricos vs. Sist. Inalámbricos

Limitado por atenuación e Interferencias varias

Limitado por atenuación (Ruido)

Rango de Comunicación

La intercepción es posible (encriptación). Jamming

Dificultad p/ interceptar e interferir intencional.

Seguridad de Comunicación

Espectro Radioeléctrico (medio compartido)

Cables de cobre, Fibra óptica

Medio de Transmisión

Aumento de Capacidad

Característicadel Medio

Nuevas Técnicas de TxOptimizar diseño de Red

Nuevos canales p/cable Nuevos cables

Gran variabilidad temporal (multitrayecto, movilidad)

Estable, bien definido, invariante en el tiempo

Sist. InalámbricosSist. Alámbricos





Características de los Sist. Inalámbricos

� Ventajas:� Situaciones donde es imposible (o

impráctico) tender nuevos cables � Brinda opción de movilidad al usuario� Menores costos (tiempos) de des-

pliegue de nueva infraestructura

� Limitaciones:� Ancho de banda espectral� Potencia de transmisión� Seguridad en las comunicaciones





Espectro Electromagnético

EspectroRadioeléctrico





Espectro Radioeléctrico





Mecanismos de Propagación

CA

D

BReceiverTransmitter

A: Espacio libreB: ReflexiónC: DifracciónD: Dispersión

Reflexión: Objetos grandes en comparación con la long.de onda

Dispersión: Objetos pequeños en comparación con la long.de onda





Modelos de Propagación

� Modelos de Propagación:� Gran Escala (Atenuación del trayecto)� Escala Media (Shadowing → Entorno que rodea al Rx)� Pequeña Escala (Multitrayecto → Desvanecimiento)





Modelos de Propagacion

� Modelos a Gran Escala:� Predicen el nivel promedio de señal

a una distancia desde el Tx al Rx� Determinan el Área de Cobertura� Variación gradual del nivel de señal

con la distancia

Trayectos de Propagación

TxRx

� Modelos a Pequeña Escala:� Estiman el comportamiento de la señal

en rangos de longitud pequeños (λ)� Origen: Multitrayecto (la señal en Rx

es la suma de contribuciones prove-nientes de diferentes direcciones)

� El nivel de señal varía mucho en desplazamientos de fracciones de λ

Tx

Rx

Rango

Shadowing





Desvanecimiento Rayleigh

Modelo razonable en medios con gran cantidad de objetos que dispersan la señal de radio en su camino al receptor

Las zonas con alta densidad de edificios se aproximan al comportamiento de un medio con desvanecimiento Rayleigh





Dinámica del Desvanecimiento (Doppler)

Din

ámic

a Le

nta

Din

ámic

a R

ápid

a





Sistema Inalámbrico Convencional (SISO)

� SISO: Single-Input Single-Output

� Ventajas:� Simplicidad y Bajo Costo

� Limitaciones:� No se puede garantizar la comunicación si el canal cae en

desvanecimiento profundo → Conmutación de antenas

� Se desperdicia energía irrandiando en todas las direcciones� Mayor interferencia para los otros usuarios activos

� Mayor sensibilidad a interferencia provenientes de múltiples direcciones

CanalRadioDSPBits

TX

Radio DSP BitsRX





SNR (dB)

BE

R

� Desvanecimiento Rayleigh → Muy bajo desempeño (BER)� Hay gran probabilidad de que la ganancia de canal instantánea se

encuentre en un nivel muy pobre (i.e., desvanecimiento profundo)

Desempeño de Sistemas Inalámbricos SISO

PDF Energía del Canal





Sistema con Múltiples Antenas (MIMO)

� MIMO: Multiple-Input Multiple-Output

� Utilizan interfaces de radio paralelas para:� Reducir la probabilidad de caer en desvanecimiento profundo

combinando la señal proveniente de antenas diferentes

� Mejorar la potencia de recepción combinando coherentemente las señales deseadas (rechazando interferencia en forma direccional)

� Mejorar la tasa de transferencia del sistema multiplexando espacialmente varias corrientes de datos independientes

� Desventaja: Mayor complejidad y más alto costo

CanalRadio

DSP

Bits

TX

Radio

Radio

DSP

Bits

RX

Radio





Sistemas MIMO para Diversidad Espacial

� Consiste en transmitir/recibir la misma información por caminos (canales) con desvanecimiento independiente

Div

ersi

dad

en R

x

Div

ersi

dad

en T

x

Div

ersi

dad

en T

x y

Rx

t

“La probabilidad de que trayectos múltiples experimenten desvanecimiento profundo en forma simultánea es inferior”

Gan

anci

a de

Can

al





Sistemas MIMO para Diversidad Espacial

SNR (dB)B

ER

A: Curva de BER vs. SNR B: PDF energía en RxC: Laptop con 4 antenasD: Arreglo de antenas en BS

A B

C D





� Procesamiento de señal en Tx/Rx para controlar el patrón de radiación (direccionalidad) de un arreglo de antenas

� Posibilita incrementar la sensibilidad en la dirección de la señal deseada y minimizar la interferencia no deseada

Sistemas MIMO para Beamforming

SALIDA DE

SEÑAL

BEAM SELECT

SEÑAL

BE

AM

FO

RM

ER

SEÑAL

INTERFERENCIA

INTERFERENCIABEAMFORMER

WEIGHTS

SALIDA DE

SEÑAL

Arreglo de antenas con haces conmutados (Switched multibeam antenna)

Arreglo de antenas adaptivo (Adaptive antenna array)





Sistemas MIMO para Beamforming

Canal Bits

Radio

DSP

Radio

RX

BitsTX

Radio

BitsRXRadio

DSP

BitsRadio

TX

RadioCanal

� SIMO: Single-Input Multiple-Output

� MISO: Multiple-Input Single-Output

� Mejora la calidad de la señal en Rx (combinación coherente)

� Focaliza la energía en la dirección del receptor deseado





Sist. MIMO para Multiplexación Espacial

CanalRadio

Radio

DSP

DSP

BitSplit

BitsBit

Merge

TX

Radio

RadioRX

DSP

DSP

� Técnicas de procesamiento de señal (tanto en Tx como en Rx) para generar corrientes de datos paralelas que viajan por caminos (canales) espacialmente ortogonales

� Posibilita incrementar la capacidad del sistema

� No apto para medios con alta correlación entre antenas

� Se necesitan arreglos de antena y técnicas de procesamiento de señal tanto en Tx como en Rx





Sist. MIMO para Multiplexación Espacial

Desvanecimiento Rayleigh indep.

� Incremento marginal de M o N → Desplazamiento horizontal (bps/Hz)

M= Nro. antenas Tx

N= Nro. antenas Rx

Eje “x”: SNR (dB)

Eje “y”: Capacidad Ergódica (bps/hz)

� Incremento conjunto de M y N → Aumenta la pendiente de la curva





Interpretación Física (Diversidad y BF)

ArrayProcessing

BS

MS

MS

MS

ArrayProcessing

BS

� Diversidad Espacial MIMO� Trayectos múltiples

� Ganancias de canal no correlacionadas

� Mayor confiabilidad

� Beamforming MIMO

� Mejor calidad de señal y menor interferencia

� Ganancias de canal correlacionadas

� Unico trayecto





Interpretación Física (Multiplex. Espacial)

ArrayProcessing

ArrayProcessing

Trayecto 1

Trayecto 2

λ1

λλλλ2222

S= min(M,N) canales paralelos

Interpretación:

ReceptorTransmisor





Ideas de Cierre: Tecnologías MIMO

� Incrementan el rango de cobertura

� Minimiza la interferencia en Tx

� Mejora tolerancia Interferencia en Rx

� Ganancia de Potencia = M x N

Beamforming MIMO

Multiplexación Espacial MIMO

Diversidad Espacial MIMO

� Incrementa la capacidad del Sistema

� Corrientes de datos paralelas en Tx

� Ganancia de Capacidad = min (M,N)

� Reduce la variabilidad del canal

� La misma información viaja por caminos independientes

� Ganancia de Diversidad = M x N





Ideas de Cierre� La demanda de comunicaciones inalámbricas presenta

una tendencia en franco crecimiento� Los sistemas inalámbricos requiren un empleo cada vez

más eficiente del ancho de banda disponible

� Los sistemas MIMO para multiplexación espacial(antenas múltiples + procesamiento de señal en Tx y Rx) se perfilan como la alternativa más idónea para resolver el cuello de botella de los sistemas inalámbricos futuros

¿Preguntas?

Introducción a los Sistemas de Comunicación Inalámbricos equipados con Múltiples Antenas

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