ELE 561 - Kablosuz Haberleşme Konu 11: Pratik MIMO Örnekleri

11.1 WiFi 1𝑀𝑏𝑝𝑠≤𝑅≤600𝑀𝑏𝑝𝑠, ~𝑥0𝑚𝑡≤𝑑≤~𝑥00𝑚𝑡 1𝑀𝑏𝑝𝑠≤𝑅≤600𝑀𝑏𝑝𝑠, ~𝑥0𝑚𝑡≤𝑑≤~𝑥00𝑚𝑡 Bilgisayarlar, cep telefonları vs. WiFi – Haziran 1997 – 2Mbps, CDMA, FHSS Eylül 1999 – 802.11a Haziran 2003 - 802.11g – 54 Mbps 64QAM (kısa mesafeler için), OFDM, 20MHz Ekim 2009 - MIMO WiFi : IEEE 802.11n - 600Mbps 2.4Ghz, 5GHz, 20 veya 40 MHz, 4anten

IEEE 802.11 standartları

IEEE 802.11n MIMO Teknikleri Anten konfigürasyonları: Alıcıda, vericide en fazla 4 olmalı 2x1, 1x2, 2x2, 3x1, 1x3, 2x3, 3x2, 4x1, 4x2… Uzamsal çoklama: 𝑁 𝑡 paralel veri akışı (V-BLAST) ZF, ZF-IC, LMMSE, LMMSE-IC, veya başka uygun teknikler Üreticiler alıcıdaki teknikleri geliştirebilir 𝑁 𝑟 ≥ 𝑁 𝑡 Uzay-zaman Blok Kodları: Sadece Alamouti, Kapsama alanını artırır Hüzme oluşturma: Full eigenbeamforming (TxBF) Single mode beamforming

IEEE 802.11n MIMO Teknikleri 600Mbps’e nasıl ulaşılabiliyor 802.11 a/g: 20MHz, 64QAM, ¾ FEC, 𝑇 𝐴𝑂𝐹𝐷𝑀 =4.0𝜇𝑠, Her birinde 48 OFDM sembol (64 FFT) 𝑅= 48 4× 10 −6 × log 2 64 × 3 4 =54× 10 6 bps 802.11n : 40MHz, 64QAM, 5/6 FEC, 𝑇 𝐴𝑂𝐹𝐷𝑀 =3.6𝜇𝑠, Her birinde 108 OFDM sembol (128 FFT), 4x4 MIMO 𝑅= 108 3.6× 10 −6 × log 2 64 × 5 6 ×4=600× 10 6 bps Daha yüksek bant genişliği, daha çok anten…

11.1.2 802.11n Paket Yapısı Kablosuz ortamı paylaşmak için: CSMA Modlar Legacy mode: Sadece 802.11a/g, 20 MHz Mixed mode: 802.11a/g ve 802.11n – 20 veya 40 MHz Greenfield mode: Sadece 802.11n – 20 veya 40MHz Paket Başlık – 6Mbps Veri – Daha yüksek hızlarda Legacy – Short Training (2sembol), long training (2 sembol), signal field (1 sembol), data Mixed – Short Training (2sembol), long training (2 sembol), signal field (1 sembol), HT-SIG (2sembol), HT- STF (), HT-LTF (1’er sembol) , data 4 kombinasyon (LG-HT, HT-LG, LG-LG, HT-HT) Greenfield – Legacy preamble yok

802.11n Paket yapıları

11.1.3 802.1n HT İletici Mimarisi Scrambler/Karıştırıcı (OFDM’deki PAPR’ı azaltmak için) Kodlayıcı 1. Evrişimsel Kod 2. LDPC 20MHz: biri kullanılır 40MHz ikisi de kullanılır Puncturing Stream Parser: Uzamsal akışlar (en fazla 𝑁 𝑆𝑆 =4 tane) Serpiştirici, Kipleyici: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM STBC – 4 çeşit (opsiyonel) (hepsi Alamouti) 1,2,3 giriş ve 𝑁 𝑆𝑇𝑆 =2,3,4 çıkış STBC yoksa 𝑁 𝑆𝑆 = 𝑁 𝑆𝑇𝑆 olur Cyclic shift diversity (unintential beamforming’i önlemek) Uzamsal eşleme 𝑁 𝑇𝑋 = 𝑁 𝑡 Direkt eşleme (I) Uzamsal genişleme (Q- Eigenbeamforming) S/P + IDFT + GI + Filtre = OFDM Analog/RF: Sinyali banda taşır (2.4GHz, 5GHz vs.)

11.1.3 802.1n HT İletici Mimarisi a) V-BLAST (Basitleştirilmiş Fig 11.4’ bkz) 1 adet FEC, Stream Parser yerine S/P, STBCyok, Spatial Mapper yok. 𝑁 𝑆𝑆 = 𝑁 𝑆𝑇𝑆 = 𝑁 𝑡 802.11n’de H-BLAST, D-BLAST yoktur b) Uzamsal Çeşitleme (Basitleştirilmiş Fig 11.5’) 1 adet FEC, Stream Parser yok, Spatial Mapper yok. 𝑁 𝑆𝑆 =1, 𝑁 𝑆𝑇𝑆 = 𝑁 𝑡 =2

11.1.3 802.1n HT İletici Mimarisi c) Eigenbeamforming (Basitleştirilmiş Fig 11.6’ bkz) 1 adet FEC, S/P var, STBC yok, 𝑸=𝑽, spatial expansion mode

11.1.4 Uzay Zaman Blok Kodlaması Giriş: 𝑑 𝑘,𝑖,𝑛 |𝑘=0,…, 𝑁 𝑆𝐷 −1;𝑖=1,…, 𝑁 𝑆𝑆 ;𝑛=0,…, 𝑁 𝑆𝑌𝑀 −1 𝑑 𝑘,𝑖,𝑛 |𝑘=0,…, 𝑁 𝑆𝐷 −1;𝑖=1,…, 𝑁 𝑆𝑆 ;𝑛=0,…, 𝑁 𝑆𝑌𝑀 −1 Yani, 𝑑 𝑘,𝑖,𝑛 =i’inci giriş akışının içindeki n’inci OFDM sembolünün içindeki k’ıncı sembol Çıkış: 𝑑 𝑘,𝑖,𝑛 |𝑘=0,…, 𝑁 𝑆𝐷 −1;𝑖=1,…, 𝑁 𝑆𝑇𝑆 ;𝑛=0,…, 𝑁 𝑆𝑌𝑀 −1 𝑑 𝑘,𝑖,𝑛 |𝑘=0,…, 𝑁 𝑆𝐷 −1;𝑖=1,…, 𝑁 𝑆𝑇𝑆 ;𝑛=0,…, 𝑁 𝑆𝑌𝑀 −1 Fig. 11.7 : 4 çeşit STBC Sütun 1: STBC tipi Sütun 2: Uzamsal akış girişi sayısı Sütun 3: Uzamsal akış çıkışı sayısı Sütun 4: indeks i: output space time streams Sütun 5,6 : Alamouti kodlaması

11.1.4.2:Alamouti kodlaması 802.11n standardında Alamouti’den bahsedilmese de aslında Alamouti yapılıyor (b)’deki kod Alamouti özelliği taşıyor

11.1.5 802.11n’de OFDM 𝑠 𝑃𝐴𝐶𝐾𝐸𝑇 𝑡 = 𝑠 𝑃𝑅𝐸𝐴𝑀𝐵𝐿𝐸 𝑡 + 𝑠 𝑆𝐼𝐺 𝑡− 𝑇 𝑝 + 𝑠 𝐷𝐴𝑇𝐴 𝑡− 𝑇 𝑃+𝑆 𝑠 𝑡 =𝑤(𝑡) 𝑘=− 𝑁 𝑆𝑇 /2 𝑁 𝑆𝑇 /2 𝐶 𝑘 exp 𝑗2𝜋𝑘 Δ 𝑓 (𝑡−𝑇) (11.3) Table 11.3: 802.11 OFDM parametreleri Table 11.4: Kanal modelleri Δ 𝑓 ≤ min 𝐵 𝑐 =2𝑀𝐻𝑧 𝑜𝑙𝑚𝑎𝑙𝚤, bu sağlanıyor 𝑇 𝐷𝐹𝑇 = 1 Δ f =3.2𝜇𝑠 𝐺𝐼=0.4 𝑣𝑒𝑦𝑎 0.8𝜇𝑠≤ max 𝑇 𝑚 sağlanıyor

11.1.16: 802.11 Kanal Kestirimi 20 ve 40MHz’de farklı pilot sembolleri Kanal kestirimi frekans alanında yapılır Kanal kestirimi süresince STC yapılmaz LS/ML 𝐻 𝑒𝑓𝑓 𝑘 = 1 𝑁 𝐷𝐿𝑇𝐹 𝐻𝑇𝐿𝑇 𝐹 𝑘 𝑹 𝑘 𝑷 𝐻𝑇𝐿𝑇𝐹 𝑇 𝑹 𝑘 : alınan sinyal 𝑷 𝐻𝑇𝐿𝑇𝐹 𝑇 :Pilot semboller 𝐻𝑇𝐿𝑇 𝐹 𝑘 : 𝜌 : SNR 𝑁 𝐷𝐿𝑇𝐹 : 2 veya 4

11.1.7: 802.11’de kipleme ve kodlama 77 adet MCS seviyesi Bunların 44’ü her akış için farklı MCS tanımlar En düşük rate MCS32 (6Mbps), en yüksek MCS 31 (600 Mbps) Appendix F Mecbur olan MCS seviyeleri

11.2 LTE (Long Term Evolution) 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Bir konsorsiyum Standartlar üretiyor (Release’ler halinde) Release 8 (Aralık 2009): LTE Kitabın basım tarihi itibariyle Release 9 Şu anda Release 13 Release 9 aslında 4G değil (<1Gbps), 3.9 daha uygun Release 10 4G (2010) Ülkemizde Release 10,11 (Aslında 4.5G değil, 4G) 1G: AMPS: Analog ses iletimi 2G: Sayısal ses iletimi (GSM(TDMA,FDMA), CDMA) 2.5G: GPRS, 2.75G: EDGE (IP Paket iletimi) 3G: UMTS (WCDMA): Sayısal ses, veri, görüntü 3.5G: HSPA, 3.75G: Mobile WiMax, 3.9G: LTE 4G: LTE-A (MIMO OFDM) 5G: ? (Massive MIMO, OFDM, GFDM, mmWave vs..)

11.2.2 LTE Çerçeve Yapısı Downlink-OFDMA, Uplink- SC-FDMA Baz İstasyonu eNB, kullanıcı UE Frame, subframe, slot, OFDM symbol.. (Figure 11.12) Figure 11.13: Zaman- frekans kaynak blokları (RB) 12 OFDM alttaşıyıcısı ve 7 OFDM sembolü Uplink SC-FDMA kullanır ama benzerdir Uplink’de bir UE’ye verilen RB’ler frekans alanında bitişik olmalıdır.

11.2.2 LTE Çerçeve Yapısı Veri üst katmandan TB olarak gelir (DL:en fazla 2 TB/slot UL: 1 TB/slot) Δ 𝑓 =15𝑘𝐻𝑧, 𝐶𝑃=4.69𝜇𝑠, 5.2𝜇𝑠, 16.67𝜇𝑠 𝑇 𝑠,𝑂𝐹𝐷𝑀 = 1 15000 +4.69× 10 −6 =71.35666𝜇𝑠 𝑇 𝑠𝑙𝑜𝑡 =6×71.35666𝜇s +71.86666𝜇𝑠=0.5𝑚𝑠𝑛 𝑇 𝑠𝑙𝑜𝑡,𝑏𝑟𝑜𝑎𝑑𝑐𝑎𝑠𝑡 =6×83.333𝜇𝑠=0.5𝑚𝑠𝑛 Her alt taşıyıcı kullanılmaz (guard subcarriers)

11.2.3 LTE blok diyagramı Figure 11.14: DL Scrambler: uzun 1’leri 0’ları , spektral değişkenliği azaltır Modulator: Control (BPSK, QPSK), Data (QPSK, 16/64QAM) Layer 𝑣≤4, Precoding (STBC, Eigenbeamforming) RE mapper: veriyi kaynak bloklarına eşler OFDM: S/P, IFFT, CP, P/S

11.2.3 LTE blok diyagramı Figure 11.15: UL – SC-FDMA SC-FDMA sebebi PAPR’ı azaltmak (OFDM’e göre 2dB az) Scrambler: uzun 1’leri 0’ları , spektral değişkenliği azaltır Modulator: Control (BPSK, QPSK), Data (QPSK, 16/64QAM) M-FFT (SC-FDMA) Subcarrier Mapper + N-IFFT (N>M)+P/S+DAC+RF

11.2.4: DL İletici Çeşitlemesi Space Frequency Block Coding (SFBC) – 2 çeşit 2 veya 4 anten MIMO 1 akış -> v=2 veya 4 katman Alıcı 𝑁 𝑟 =1,2,3,4 anten kullanılabilir (yöntem belirtilmemiş) SFBC-1: 𝑁 𝑡 =2 𝑖ç𝑖𝑛 v=P=2 (Alamouti) Ancak zaman değil frekans alanında SFBC-2: 𝑁 𝑡 =4 𝑖ç𝑖𝑛 Aslında iki tane ayrı alamouti kodu var

11.2.4: LTE’de Uzamsal Çoklama 𝑁 𝑡 =2,3,4 𝑖ç𝑖𝑛 toplam 5 çeşit katmanlayıcı .q girişteki akış sayısı (1,2), v katman sayısı (1,2,3,4) BLAST: 𝑾=𝑰 Eigenbeamform ing: 𝑾=𝑽 (Teoride) Pratikte eNB önceden belirlenmiş V matrislerinden birini kullanır Hangisini kullanacağı UE tarafından bildirilir

11.2.6: LTE Veri Hızları Parametreler Maksimum veri hızı Bant genişliği (1.4,3,5,10,15,20MHz) Anten sayıları () UE Kategorisi (1-5, en yüksek kapasiteli 5) 5: 64QAM ve 4anten, 2-4: 16QAM, 2 anten, 1: tek anten Maksimum veri hızı B=20MHz bant , kullanılabilir bant 𝐵 𝑢 =0.9𝐵=18𝑀𝐻𝑧 𝑁 𝑅𝐵,20 = 18× 10 6 12×15× 10 3 =100→100×12×7=8400 𝑅𝐸 𝑁 𝑏,20 = log 2 𝑀 × 𝑁 𝑅𝐸,20 (bunun 𝜂 𝑂𝐻 =%25’i overhead) Max(M)=64 Süre 0.5msn 1− 𝜂 𝑂𝐻 × 𝑁 𝑏,20 0.5× 10 −3 = 1− 𝜂 𝑂𝐻 × log 2 𝑀 𝑚𝑎𝑥 ×8400 0.5× 10 −3 =75.6𝑀𝑏𝑝𝑠 4x4 MIMO kullanılırsa 4×75.6=302.4𝑀𝑏𝑝𝑠 NxN MIMO için yaklaşık ifade 𝑅 𝑚𝑎𝑥 =75.6×𝑁× 𝐵 𝑀𝐻𝑧 20 𝑀𝑏𝑝𝑠

11.2.6: LTE Veri Hızları Yandaki tablolar 11.7 ve 11.8 Kategori 5 UE varsayar UL veri hızları Tablo 11.9