MIMO, SU-MIMO, MU-MIMO y
mMIMO
Mg. Ing. Javier More
06 de marzo de 2021
jmore@pucp.edu.pe
MIMO es usado en diversas tecnologías
4G
5G
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Múltiple Entrada Múltiple Salida
Wi-Fi
(4, 5, 6)
PTP
Múltiples antenas en el TX y en el RX
WiMAX
PMTP
Existe mucha información sobre MIMO
Los orígenes de MIMO
1931
Fuente: https://ieeexplore.ieee.org/document/1670955
2016
Fuente: https://ieeexplore-ieee-org.up.idm.oclc.org/document/7696049
La antena de Beverage: Diversidad
Harold Henry Beverage (1893-1993)
1a2λ
COMBINADOR
0.5 a 0.7 λ
RCA: 1920’s
Diversidad de antena
Fuente: Imagen extraída de https://museopostalytelegrafico.es/harold-h-beverage-y-lasantenas-de-radio/
Aprende más sobre Beverage: https://ethw.org/Harold_H._Beverage
Muy usadas para las bandas de 160m (1.875 MHz), 80m
(3.75 MHz) y 40m (7.5 MHz)
MIMO: Multiple Input Multiple Output
4 Antenas TX
4 Antenas RX
𝑦1
𝑥1
Transmisor
Receptor
𝑦2
𝑥2
𝑿
4 streams
RRU
AP
𝑥3
𝑦3
𝑥4
𝑦4
Ejemplo de MIMO
𝒀
4 streams
Smartphone
Laptop
Recordando matemática básica
ℎ𝑖𝑗
ℎ11
ℎ12
ℎ13
ℎ14
ℎ21
ℎ22
ℎ23
ℎ24
𝒀=
𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑇𝑋 𝑦 𝑒𝑙 𝑅𝑋
Ventajas de MIMO:
𝑿
ℎ31
ℎ32
ℎ33
ℎ34
ℎ41
ℎ42
ℎ43
ℎ44
𝑯
• Diversidad en la transmisión: Símbolos
iguales por cada elemento radiante:
Incrementa la SNR.
• Multiplexaje
espacial:
Símbolos
distintos por cada elemento radiante:
Incrementa la tasas de bits. [Se requiere
señales de referencia]
• Incrementa la eficiencia espectral.
Recordando Nyquist y Shannon
Nyquist (1928)
Shannon (1948)
𝐶 = 2 ∗ 𝐵 ∗ 𝑙𝑜𝑔2 𝑀
𝐶 = 𝐵 ∗ 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑆𝑁𝑅)
C = Capacidad (en bps)
B = Ancho de banda (en Hz)
M = Nivel de modulación
C = Capacidad (en bps)
B = Ancho de banda (en Hz)
SNR = Relación señal a ruido
“A Mathematical Theory of Communication”: Paper disponible en:
http://people.math.harvard.edu/~ctm/home/text/others/shannon/entropy/entropy.pdf
¿MIMO rompe el límite de Shannon?
𝑈𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝟐𝟎 𝑴𝑯𝒛 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎
PDCCH
PDSCH
Ejemplo de señales de referencia en
LTE sin usar MIMO
Frecuencia: 12 subportadoras
2Bloques de Recurso = 168 Elementos de Recurso
R0
R0
2RB = 168 RE
R0
RE para PDCCH = 36 RE
R0
RE disponibles para datos = 132 RE
R0
R0
RE para estimación de canal = 6 RE
RE para datos = 132-6 RE
RE para datos = 126 RE
R0
R0
75%
Tiempo: 1 ms
PDCCH
PDSCH
Ejemplo de señales de referencia en
LTE con MIMO 4x4
Frecuencia: 12 subportadoras
2Bloques de Recurso = 168 Elementos de Recurso
R1
R3
R0
R1
R2
R0
2RB = 168 RE
R0
R2
R1
R0
R3
R1
RE para PDCCH = 36 RE
RE disponibles para datos = 132 RE
R1
R3
R0
R1
R2
R0
RE para estimación de canal MIMO = 16 RE
RE para datos = 132-16 RE
RE para datos = 116 RE
R0
R2
R1
R0
R3
R1
69%
Tiempo: 1 ms
ANT 1
A
N
T
1
A
N
T
2
A
N
T
3
A
N
T
4
2 PRB
2 PRB
ANT 2
2 PRB
ANT 3
ANT 4
2 PRB
Ejemplo de MIMO 4*4
Tiempo: 1 ms
Ejemplo de terminales móviles con MIMO: Galaxy S10 y S21
Fuente: https://www.samsung.com/global/galaxy/galaxy-s10/specs/
https://www.samsung.com/global/galaxy/galaxy-s21-ultra-5g/specs/
IEEE 802.11 y MIMO
MIMO
Wave 1
b
g
n
4
1999
2003
2009
Sin MIMO
Wave 2
ac
5
2013
SU-MIMO
ax
6
2015
2019
MU-MIMO
Hasta 8
streams
Más información sobre IEEE 802.11 AX: https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/wireless/white-paper-c11-740788.pdf
SU-MIMO y MU-MIMO
SU-MIMO: Single User - MIMO
Cliente
1
Cliente
3
MU-MIMO: Multi User - MIMO
Cliente
1
Cliente
3
Ejemplo: AP AX6000
Cliente
2
Cliente
4
Solo puede atender a un usuario a la vez
Cliente
2
Cliente
4
Puede atender a varios usuarios a la vez
Con Beamforming
Massive MIMO (mMIMO)
En redes móviles, a partir de MIMO 16x16, recibe el nombre de Massive MIMO
(mMIMO)
16x16
32x32
Disponibles comercialmente
64x64
128x128
256x256
Futuro
mMIMO permite el Beamforming
mMIMO permite
MU-MIMO
MIMO 8x8
MIMO 4x4
MIMO 2x2
La red puede manejar distintos tipos
de usuarios
MIMO 1x1
3D-Beamforming
Nos olvidamos del TILT. Para cada usuario hay un TILT “personalizado”.
Hay equipos que soportan mMIMO, MU-MIMO y 3D Beamforming.
Ejemplo de antenas MIMO
MIMO 64x64
SISO
MIMO 4x4
Commscope
Airscale
Fuente: Imágenes extraídas de Commscope, Nokia y del álbum del expositor.
AAU
Gracias
06 de marzo de 2021
jmore@pucp.edu.pe