O que é MIMO?

Postado por leopedrini quinta-feira, 8 de setembro de 2011 09:15:00 Categories: Curso
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Novas tecnologias estão cada vez mais presentes em nosso dia a dia, evoluindo em direção a redes cada vez mais modernas – e complexas!

 

 

Para permitir essa verdadeira revolução, novas técnicas precisam ser desenvolvidas, e as existentes precisam ser melhoradas.

Vamos falar aqui no telecomHall de algumas dessas técnicas, tentando como sempre expor o assunto da maneira mais simples possível, e entender como essas novidades podem estão se tornando realidade.

Começaremos hoje com: MIMO. Você já ouviu falar?

Mesmo que já conheça, convidamos você a ler esse breve resumo disponibilizado para você.

 

SISO, MISO, SIMO

Antes de falarmos especificamente de MIMO, vamos conhecer, ou relembrar o que significa também SISO, MISO e SIMO.

Embora possa parecer algum tipo de trava línguas, na verdade essas letras correspondem aos diferentes tipos de utilização de um canal de rádio. Ou seja, referem-se aos modos de acesso do canal de rádio, num sistema de transmissão e recepção qualquer.

Vamos começar com o SISO - ‘Single Input, Single Output’, o modelo mais intuitivo. Como o nome diz, temos apenas uma entrada no canal de rádio, e apenas uma saída.

Com a figura abaixo fica mais fácil de entender: temos a transmissão dos dados do Transmissor (TX) através de uma única antena, e a recepção dos mesmos no Receptor (RX), também através de uma única antena.

 

Quando o sistema possui múltiplas entradas, e uma única saída, temos o MISO - ‘Multiple Input, Single Output’.

 

Nesse caso temos várias entradas, e apenas uma saída.

Nota: na prática, podemos ter mais de uma antena. Apenas para simplificar a demonstração vamos nos limitar a duas antenas no máximo nas ilustrações.

 

Lembre-se que estamos falando do canal de rádio, a figura abaixo ajuda a entender melhor essa nomenclatura.

 

De forma praticamente oposta ao MISO, temos também o SIMO - ‘Single Input, Multiple Output’.

 

Entendida essa nomenclatura, podemos falar de MIMO.

Como mencionamos, embora na prática possamos ter várias antenas no transmissor e várias antenas no receptor, vamos representar o nosso sistema com 2 antenas em cada lado.

 

A primeira vista, e comparando com os acessos anteriores, o MIMO nos parece até simples, mas infelizmente não é.

O seu funcionamento é muito mais complexo do que os demais: agora temos múltiplas entradas e múltiplas saídas. O maior desafio é: como recuperar a informação original corretamente?

Veja a ilustração de um cenário mais real, mostrando o que ocorre na prática.

 

Embora seja mais complexo, traz representa um enorme ganho de desempenho, ou eficiência de utilização do espectro, como veremos a seguir.
 

E novamente: existe uma complexidade muito grande sobre como o MIMO funciona, e suas variações. Vamos tentar mostrar aqui de forma simples apenas como o mesmo funciona, ou seja, como é possível.

Uma boa analogia para fixarmos o conceito de MIMO é imaginar que temos duas bocas, e usamos as duas para perguntar a alguém:

“Quantos Anos Você Tem?”

Observe que usamos 4 palavras. Como temos duas bocas, podemos usar uma para “Quantos Anos” e outra – ao mesmo tempo - para “Você Tem?”.

Com as duas bocas falando ao mesmo tempo, se os ouvidos da outra pessoa estiverem bem limpos, e a mesma for esperta, conseguirá entender.

Ou seja, falamos 4 palavras no mesmo tempo em que falaríamos 2 palavras.

O que isso representa? Em termos de dados, suponha que cada palavra tenha 100 KB. Então, estamos transmitindo 400 KB. Só que como estamos transmitindo 2 streams em paralelo, cada um com uma parte dos dados. Ou seja, transmitimos os 400 KB na metade do tempo que levaríamos para transmitir normalmente com um stream.

 

De forma simplificada, é isso o que o MIMO faz, e permite conseguirmos elevadas taxas de 300 até 600 Mbps!

Assim, o MIMO é usado para melhorar o acesso wireless em um grande número de aplicações. Diversos padrões de acesso como LTE, WiMax, HSPA e WiFi utilizam-se desse ganho para alcançar as melhorias expressivas que cada uma delas possui.

E agora temos um conceito que parece ser contra tudo aquilo que aprendemos: o MIMO baseia-se em interferência da linha de visão (LOS), ou seja, no caminho do sinal entre a estação e o móvel.

Para que o MIMO apresente vantagem é preciso que tenhamos uma boa diversidade no sinal.

 

Ou seja, qualquer coisa que interfira no caminho do sinal como prédios, automóveis, pessoas, etc. na verdade estão contribuindo para a eficiência geral do sistema, e a efetividade das aplicações MIMO.

A diversidade do sinal – que não toma um caminho direto entre o transmissor – antes vista como um problema, agora é o que torna possível que os streams de dados sejam combinados e recuperados!

Como vimos na analogia mais acima, o MIMO permite o envio de mais de um stream de dados sobre um único canal. Ele efetivamente ele dobra a velocidade que temos nesse canal – no caso de exemplo em que usamos duas antenas.

Mas tudo bem, como isso funciona?

Antigamente, os DSP’s, ou Processadores de Sinal Digital não eram tão desenvolvidos. Atualmente porém, os mesmos evoluiram bastante – e continuam evoluindo. São processadores muito poderosos, capazes de recuperar o nosso sinal transmitido quando o mesmo chega no receptor em diferentes intervalos de tempo.

Os DSP’s então têm a responsabilidade de pegar os dados, ‘separar’ em diferentes partes, enviar cada parte via antenas diferentes, ao mesmo tempo, no mesmo canal. E fazer o processo inverso no receptor.

 

O resultado é óbvio: estamos conseguindo enviar uma certa quantidade de dados na metade do tempo que deveria levar normalmente.

Cada uma das antenas tem o seu próprio stream de dados, tanto na transmissão, quanto na recepção. No final, temos então temos os dados recebidos.

Vale lembrar que o Multipercurso varia de acordo com a localização, e essa variação é bem dinâmica - difícil de se prever. Mesmo assim, o multipercurso torna possível que a antena receptora diferencie entre os dados que foram transmitidos no mesmo canal, ao mesmo tempo.

 

OFDM

Aí entra o acesso via OFDM - ‘Orthogonal Frequency Division Multiplexing’. Vamos falar com mais detalhes sobre esse tipo de multiplexação/acesso em um outro tutorial, mas o OFDM é muito importante no funcionamento do MIMO para as novas gerações de tecnologias celulares.

Fica mais fácil se fizermos uma comparação.

Nos sistemas de uma Única Portadora temos os símbolos (os pedaços da informação) transmitidos em banda larga, cada um transmitido sequencialmente, e por um período relativamente curto de tempo.

  • Símbolos transmitidos em Série
  • Banda Larga
  • Período de Símbolo Curto

Já no OFDM, os símbolos são transmitidos em paralelo, cada um usando uma porção relativamente bem estreita do espectro. Porém, cada símbolo é transmitido por um período de tempo muito maior!

  • Símbolos transmitidos em Paralelo
  • Frequência de Banda Estreita
  • Período de Símbolo Longo

Esse cenário representa uma vantagem na recepção do sinal, já que é muito mais fácil para o receptor verificar cada um dos símbolos - mesmo que eles sofram alguma degradação, lembre-se que eles são transmitidos por um período muito maior.

Na transmissão em banda larga, durante o curto intervalo de tempo em que cada símbolo é transmitido, podemos ter problemas com perda dos dados, ficando difícil de recuperá-los. Se houver interferência no sinal, uma parte significativa do mesmo pode ser degradada, podendo acabar tornando impossível receber determinados símbolos (com pedaços da informação) corretamente.

 

Já no OFDM, embora a banda seja mais estreita, cada símbolo permanece transmitido por um tempo bem maior, e as chances de conseguir recuperar com sucesso são maiores.

 

A sequência a seguir nos ajuda a entender esse conceito.

 

Comparando uma portadora única com o OFDM, na metodologia OFDM temos múltiplas frequências sendo transmitidas em paralelo – os símbolos estão sendo transmitidos em paralelo!

E cada símbolo está sendo transmitido por um período de tempo muito maior. E mesmo que venhamos a ter algum problema de desvanecimento em algum momento, é provável que ainda consigamos recuperar a informação.

Assim, com transmissões dos símbolos em paralelo e por um maior período de tempo, maiores as chances de sucesso na recepção!

Outro fato novo diz respeito ao que entendemos sobre transmissão e recepção de dados: o cenário comum e conhecido por nós é termos uma antena no transmissor, transmitindo em uma determinada frequência, e uma outra antena no receptor, recebendo nesta mesma frequência.

O MIMO introduz um novo conceito em termos dessa operação conhecida, e como já vimos, em termos de eficiência de espectro, através da utilização de duas ou mais antenas para transmitir, e duas ou mais antenas para receber.

E talvez o conceito mais inovador: todas as antenas transmitem na mesma frequência, com diferentes dados transmitidos por cada uma!

Com certeza, isso é diferente de tudo aquilo que aprendemos na escola, porque aprendemos que as frequências certamente vão interferir umas nas outras, e acabaremos perdendo todos os nossos dados.

Antenas operando operando na mesma frequência e transmitindo diferentes dados gera interferência, e interferência gera perdas?

Não mais. Felizmente, usando novas tecnologias avançadas dos DSP’s conseguimos, para uma mesma frequência, transmitir diferentes dados em diferentes antenas - e simultaneamente. E nas antenas receptoras, conseguimos diferenciar entre esses streams de dados.

Não é difícil de se entender que isso representa um enorme vantagem em termos de eficiência de utilização do espectro.

Se tivermos por exemplo duas antenas, acabamos duplicando a eficiência. Se utilizarmos mais antenas, triplicamos ou quadriplicamos essa eficiência. Mas é óbvio que quanto maior o número de antenas, bem maior é a complexidade do sistema.

 

 

Exemplo MIMO

Para concluir, vamos mostrar um exemplo de como seria uma decodificação dos pacotes por um receptor MIMO.

Voltando ao nosso exemplo inicial, suponhamos um transmissor com duas antenas. Utilizando a nomenclatura hij para o canal h da antena i do transmissor para a antena j do receptor.

 

Ou seja, quando um pacote p1 é transmitido da antena 1 do transmissor, o receptor recebe h11 * p1 na sua primeira antena, e recebe também h12*p1 em sua segunda antena. Em outras palavras, o receptor recebe um vetor cuja direção é determinada pelo canal.

 

Mas lembre-se que o nosso transmissor de exemplo tem duas antenas, ou seja, podemos enviar ao mesmo tempo outro pacote p2 através de sua outra antena.

O receptor recebe h21p2 na sua primeira antena, e h22p2 em sua segunda antena.

 

Com isso, temos um vetor final no receptor, definido pela somatória de todos os vetores.

 

Certo, mas como o receptor pode decodificar esses dois pacotes? Uma vez que os dois pacotes são enviados de forma concorrente, eles representam interferência ao outro. Para decodificar um pacote, o receptor projeta uma direção ortogonal à interferência do outro pacote.

Para eliminar a interferência do pacote p2, e assim poder decodificar o pacote p1, o receptor projeta uma direção ortogonal ao mesmo (pacote p2).

 

Da mesma forma, para decodificar o pacote p2, o receptor elimina a interferência do outro pacote p1, projetando um direção ortogonal à interferência do mesmo.

 

Então, com 2 antenas conseguimos decodificar 2 pacotes concorrentes! Seguindo o mesmo raciocínio, podemos compreender que o MIMO permite decodificar quantos pacotes concorrentes quanto seja o número de antenas.

 

 

Conclusão

Hoje tivemos uma breve introdução sobre MIMO, que como mencionamos, é muito mais complexo do que mostramos, pois estamos apenas fazendo uma introdução ao mesmo para permitir que você entenda o seu funcionamento básico.

Entretanto, os benefícios que o mesmo trás compensa os esforços de sua complexidade.

Espero que tenha gostado, e se gostou, por favor compartilhe o telecomHall com seus amigos. Abaixo você tem algumas formas rápidas de fazer isso.