Seção: Tutoriais

Características

Dados teóricos da técnica MIMO mostram ganhos na taxa de transferência de DL (Downlink) ou UL (Uplink) da ordem de duas vezes em relação ao uso da técnica SISO, dependendo diretamente da relação sinal ruído. Será mostrado neste trabalho como se comportam os principais indicadores de desempenho em medições práticas efetuadas em campo, num ambiente indoor de média densidade de tráfego.

A figura 1 [2] mostra a relação entre taxa de transferência e a relação sinal-ruído para as técnicas de transmissão SISO e MIMO, onde a variável M é a quantidade de antenas que irradiam o sinal no sistema, ou seja, M=1 sistema SISO, M=2 MIMO 2x2 e M=4 sendo o MIMO 4x4.

Figura 1: Dados teóricos de ganho de taxa de transferência com uso da técnica MIMO

O uso das técnicas MIMO vai além de ganhos proporcionados no domínio do tempo e da frequência, pois além de ajudar a superar as deficiências do canal sem fio, traz ganhos de dimensão espacial, estas ocasionadas pelo uso de múltiplas antenas utilizadas no receptor no transmissor.

A diversidade espacial propiciada pelo uso das técnicas MIMO traz a possibilidade de uma utilização mais agressiva de reuso de frequência, garantindo um ganho de capacidade à rede celular envolvida.

O diagrama básico de funcionamento de um sistema MIMO é basicamente composto de cinco ações, que são as etapas de codificação, entrelaçamento, mapeamento de símbolos, codificação espaço-temporal e transmissão do sinal. Na recepção é feito o processo reverso.

Várias literaturas, tais como [1] e [2], tratam de como cada etapa é realizada mostrando matematicamente cada uma delas. O objetivo deste trabalho limita-se a apresentar dados práticos e fazer um breve comparativo do uso das técnicas de MIMO e SISO de modo a embasar a decisão técnica dos projetistas de ambientes indoor, e sendo assim não será feito o detalhamento teórico das técnicas MIMO.

Benefícios

Os principais benefícios do uso do MIMO são ganho de arranjo, ganho por diversidade espacial, ganho de multiplexação espacial e redução de interferência, detalhados em [2] e descritos resumidamente abaixo.

Ganho de Arranjo

O ganho de arranjo é um incremento na relação sinal-ruído (SNR) ocasionado pelo efeito da combinação coerente na recepção dos sinais que chegam ao receptor.

Ganho por Diversidade Espacial

O sinal transmitido, até chegar ao receptor, é afetado por uma série de fatores dentre os quais se destacam a flutuação do nível de potência e o desvanecimento do sinal recebido, que pode ser provocado pelas obstruções existentes no meio, afetando assim a potência média do sinal recebido ou provocado pelos multipercursos existentes no meio fazendo assim que haja flutuação no nível de potência do sinal recebido.

A diversidade espacial aumenta a probabilidade de regeneração do sinal na recepção, uma vez que provê cópias espaciais, temporais e em frequência dos sinais transmitidos. Com várias cópias do sinal transmitido chegando ao receptor, sinais descorrelacionados, aumenta-se a probabilidade que este consiga regenerar pelo menos uma ou mais delas, trazendo assim aumento de qualidade e confiabilidade na recepção destes sinais.

Ganho de Multiplexação

Traz um ganho linear de taxa de transferência de DL (downlink) e UL (uplink) usando múltiplos e independentes sinais na mesma banda de operação.

A idéia básica é usar sinais diferentes, dois ou mais, que chegam ao receptor e tenham níveis semelhantes de qualidade, RSRQ (Reference Signal Received Quality), para prover dentre outros fatores o ganho de taxa de transferência.

Este tipo de solução possibilita aumento de taxa de transferência, mas também impossibilita os ganhos relacionados com a diversidade espacial, uma vez que os sinais irradiados são diferentes na multiplexação espacial, e a diversidade espacial necessita que os sinais sejam iguais.

A multiplexação espacial utiliza somente os melhores e semelhantes caminhos/sinais usando-se o índice de qualidade (RSRQ) como base, ou seja, para um sistema com LTE release 8, rede e terminais fazem uso da técnica MIMO 2x2, que significa uso dos 2 melhores sinais de transmissão e 2 melhores sinais de recepção para aumento de taxa de transferência de DL e UL, que para este caso será o dobro do que num sistema com somente 1 sinal na recepção e 1 sinal na transmissão.

Basicamente, o ganho de multiplexação traz um aumento de vazão da rede sem fio uma vez que aumenta a taxa média de transferência do usuário fazendo uso de dois sinais independentes transmitidos para o mesmo usuário

Redução de Interferência

Utilizando-se a técnica de beamforming, ou seja,fazendo o direcionamento de mais potência para o usuário que a demanda, e reduzindo para os demais usuários, provoca-se a redução de interferência entre os usuários de uma mesma célula onde se emprega MIMO e controle de potência. Com o uso das técnicas combinadas, é possível um incremento de capacidade e qualidade da rede celular.

MIMO versus SISO

Assim, baseado nos ganhos teóricos do uso das técnicas MIMO, foram feitos testes para efeito comparativo com a técnica SISO, num ambiente indoor onde há uma probabilidade maior de ocorrência de propagação por multipercurso quando comparado com um ambiente outdoor. Basicamente, as medidas deste teste foram feitas considerando-se cenários de melhor cobertura, sinal-ruído e pior cobertura, sinal-ruído, usando em cada uma delas as técnicas SISO e MIMO, de modo a identificar qual impacto causado pelas técnicas na taxa de transferência de DL e UL dos usuários, na medida de latência da rede e nos próprios indicadores de cobertura e qualidade (RSRP e SINR).