3GPP LTE: Hacia la 4G móvil

2.5.5. Técnicas MIMO multiusuario

Las técnicas MIMO multiusuario o Multi-User MIMO (MU-MIMO) representan un avance muy prometedor de cara a aumentar la eficiencia espectral global del sistema LTE. La idea básica es que, si se dispone de N antenas en el eNodeB, es posible transmitir y recibir simultáneamente la información de un máximo de N usuarios al mismo tiempo y en la misma frecuencia. La condición necesaria es que el eNodeB debe conocer el canal de cada usuario, tanto en el sentido ascendente (lo que ya es habitual) como en el sentido descendente. Con duplexado por división en frecuencia o Frequency Division Duplexing (FDD), esto último requiere realimentación por parte de los terminales móviles.

Para implementar las técnicas de MU-MIMO se seleccionan K usuarios de la celda (K ≤ N), donde cada usuario puede disponer de más de una antena. Si cada usuario dispone de J antenas, el conjunto de usuarios seleccionados y sus antenas puede verse como un transmisor/receptor multiantena distribuido con M = K · J antenas. Si M > N, como es de esperar, el número máximo de flujos espaciales que pueden transmitirse en un sistema MIMO M × N es N. Por tanto, el número de antenas disponibles en el eNodeB limita el número de usuarios que se pueden servir al mismo tiempo y en la misma banda de frecuencias con MU-MIMO. El número máximo de flujos simultáneos que puede separar un usuario es igual al número de antenas de que dispone, J. Si cada usuario tiene una sola antena (J = 1) pueden servirse hasta N usuarios. Por tanto, a diferencia de las técnicas MIMO convencionales, las técnicas MU-MIMO proporcionan ganancia de multiplexación incluso si los terminales disponen de una sola antena. En MU-MIMO es el eNodeB quien debe asumir la carga computacional de separar los flujos espaciales en transmisión y recepción. Otra ventaja de MU-MIMO es que, dado que la separación de los usuarios es mucho mayor que la longitud de onda, los canales de los diferentes usuarios están incorrelados de forma natural.

Suponiendo usuarios con una sola antena, la situación en UL es similar a un MIMO convencional en lazo abierto, ya que el eNodeB conoce los canales de todos los usuarios con cada una de sus antenas y puede aplicar ecualización ZF o MMSE, por ejemplo, para separar los flujos individuales. Las transmisiones de los diferentes terminales deben estar sincronizadas en frecuencia y llegar al eNodeB al mismo tiempo. Esta configuración no aumenta la velocidad de transmisión individual de cada usuario, pero sí la eficiencia global de la celda, ya que se da servicio a varios usuarios usando un solo conjunto de recursos tiempo-frecuencia. La Release 8 de las especificaciones de LTE contempla ya esta configuración.

En el DL el eNodeB puede aplicar un precoding que anule la interferencia multiusuario. Una posible solución sería aplicar ZF en el transmisor. Es decir, si el modelo del sistema global es:

donde X es el vector de símbolos transmitidos, r₁, · · ·, r_K son los símbolos recibidos en los diferentes terminales, es la matriz de canal, es la matriz de precoding aplicada por el eNodeB y es la matriz diagonal de asignación de potencias, el eNodeB podría aplicar:

Esta solución diagonaliza el canal y permite separar los símbolos, aunque podría requerir mucha potencia en transmisión si el termino fuera grande (canal mal condicionado). El conocimiento del canal en transmisión requiere trabajar en lazo cerrado.

2.6. HARQ y codificación

Las variaciones de la calidad del canal pueden ser en parte compensadas a través de los mecanismos de adaptación del enlace y scheduling. Sin embargo, el ruido en el receptor, las interferencias y las variaciones más rápidas del canal no pueden ser completamente corregidos. Por tanto, es necesario implementar una técnica de retransmisión de paquetes erróneos. En el caso de LTE, se usa una técnica llamada petición automática de reenvío o Automatic Repeat-reQuest (ARQ) con soft combining.

El esquema HARQ es una modificación del ARQ convencional que añade, entre otras, la posibilidad de combinar diferentes retransmisiones y de realizar retransmisiones de nivel físico. Más concretamente, el HARQ se puede definir como una técnica que combina control de errores “hacia delante”, FEC, y control de errores “hacia atrás”, Backward Error Correction (BEC). La técnica FEC consiste en enviar información redundante en cada transmisión para posibilitar la detección y corrección de errores en el receptor. La técnica BEC se implementa con mecanismos de retransmisión selectiva ARQ, en los cuales el receptor solicita la retransmisión de los datos que en la decodificación han sido determinados como erróneos. En el caso de LTE, se utilizarán turbo códigos para la implementación del FEC y CRC para la detección de errores en el modo BEC.

Tras la corrección de errores, algunos paquetes pueden seguir siendo erróneos. De hecho, en las primeras versiones de UMTS éstos se descartaban a la espera de una retransmisión y decodificación correcta del mismo bloque de información. La diferencia fundamental a partir de la introducción de HARQ es que los bloques recibidos erróneamente no se descartan sino que se almacenan en un buffer para ser combinados con los procedentes de retransmisiones posteriores. La decodificación es entonces llevada a cabo con el paquete resultante de la combinación, por lo que a este mecanismo se le denomina soft combining. El proceso de recepción, almacenamiento y combinación se detiene cuando la decodificación es satisfactoria o se alcanza un número máximo de retransmisiones.

Gracias a este método, las retransmisiones que se hagan de un mismo conjunto de bits de información, también conocido como transport block set, pueden ser incluso distintas. Ese conjunto se codifica para obtener un nuevo conjunto de bits codificados. Esos bits codificados se pueden dividir entre bits sistemáticos y bits de paridad. Los bits sistemáticos son necesarios para recuperar la información original, mientras que los de paridad sólo añaden redundancia. En la primera transmisión se envían los bits sistemáticos y sólo una pequeña parte de los bits de paridad. Si es necesario realizar una retransmisión, pueden enviarse otros bits codificados, ya sean sólo bits de paridad o una parte de los sistemáticos y el resto de paridad. Por lo tanto, aunque el transport block set es siempre el mismo, en cada retransmisión puede cambiar el channel bit set, es decir, el conjunto de bits transmitido por el canal.

En la actualidad se distinguen tres tipos de HARQ con soft combining:

 HARQ tipo I. Este mecanismo utiliza packet combining o chase combining. El esquema de chase combining consiste en el envío de retransmisiones idénticas a la transmisión original. En este tipo de HARQ se añade a los datos de interés un campo CRC para verificación de errores y se realiza una codificación FEC. En el receptor se realiza la decodificación FEC y se verifica la posible existencia de errores mediante el campo CRC. Si se detectan errores en el bloque recibido, se guarda el paquete en un buffer y se solicita su retransmisión. El bloque retransmitido utilizará exactamente la misma codificación y será una réplica exacta del bloque enviado en la transmisión inicial. Cada retransmisión, además, es decodificable en sí misma, esto es, contiene toda la información para decodificar correctamente el bloque radio. De esta forma, en la retransmisión se envían los mismos bits codificados y se combinan con los paquetes recibidos anteriores, multiplicando cada copia por la SNR del paquete en cuestión, es decir, se aplica una combinación MRC. Por tanto, este método no introduce redundancia al paquete transmitido, simplemente aumenta la SNR recibida.

 HARQ tipo II. En este tipo de HARQ, también conocido como Full Incremental Redundancy, se utiliza un esquema de redundancia incremental. Al igual que en el caso anterior, los bloques recibidos con error son conservados en el buffer de recepción para ser combinados con las posteriores retransmisiones asociadas a dicho bloque. La particularidad del HARQ tipo II reside en que las retransmisiones consisten en información redundante adicional y distinta a la recibida en la transmisión inicial. Esta redundancia adicional se combina con la recibida en el bloque anterior, obteniéndose así una secuencia de bits con mayor cantidad de redundancia que aumenta la probabilidad de decodificar correctamente la información recibida. En concreto, cada retransmisión aporta únicamente información redundante (Full Incremental Reduncancy), distinta a la de las transmisiones anteriores. Por este motivo las retransmisiones no son autodecodificables y sólo pueden decodificarse después de combinarlas con las transmisiones previas. Como las retransmisiones pueden incluir bits de paridad adicional, la tasa de codificación resultante es generalmente más baja en éstas, incluso el esquema de modulación podría ser diferente en cada retransmisión.

 

 HARQ tipo III. Este tipo de HARQ, conocido también como Partial Incremental Redundancy, trata de superar el inconveniente del tipo II en cuanto a que las retransmisiones con redundancia adicional sí puedan ser autodecodificables. Este esquema es útil en situaciones en las que el bloque transmitido inicialmente queda seriamente dañado por los errores de transmisión y resulta deseable que las futuras retransmisiones con redundancia adicional sean autodecodificables, de modo que sea posible recuperar la información transmitida a partir únicamente de la información retransmitida, sin necesidad de combinarla con las transmisiones anteriores. Como sucede en el tipo II, las retransmisiones no son idénticas, pero cada versión contiene la información necesaria para la recepción correcta de los datos. Las retransmisiones son en este caso llamadas autodecodificables y son combinadas después de la operación de decodificación.

En LTE se utiliza un esquema de retransmisión HARQ tipo II. Cada paquete se caracteriza por un número de versión de redundancia de 0 a 3, que define la cantidad de bits codificados que son seleccionados para ser transmitidos. El transmisor y el receptor conocen el número máximo de transmisiones de un mismo paquete y una secuencia de versión de redundancia, como por ejemplo {0, 1, 2, 3}.

El protocolo HARQ es un protocolo stop & wait, es decir, el transmisor debe esperar a recibir un reconocimiento positivo o Acknowledgement (ACK) o un reconocimiento negativo o Negative Acknowledgement (NACK) antes de transmitir el siguiente paquete. También existe un número de procesos máximo, por ejemplo 6, activos, de manera que se garantiza una continuidad de la transmisión, es decir, como máximo se puede estar esperando ACK o NACK de seis paquetes a la vez (ver figura 2.23).

En su implementación en la red LTE, el procesamiento ARQ es manejado por la capa control de acceso al medio o Medium Access Control (MAC), mientras que el soft combining se realiza en la capa física. El hecho de que HARQ con soft combining reduzca la tasa de datos efectiva en función de la cantidad de paquetes erróneos recibidos puede ser visto como una adaptación implícita de la tasa de transmisión a la variación del canal, es decir, como un mecanismo complementario al link adaptation. La principal desventaja de HARQ es que requiere una cierta cantidad adicional de memoria y capacidad de procesado en el terminal.

Figura 2.23. Protocolo stop & wait.

2.6.1. Codificación de canal en LTE

La finalidad de la transmisión reside en que el receptor reciba exactamente lo que se le envía desde un emisor dado. El principal problema se encuentra en que el canal añade ruido aleatorio y, en consecuencia, es necesario un proceso mediante el cual decidir qué mensaje, de los posibles, ha sido enviado. Si no existieran restricciones en potencia, bastaría con aumentar el nivel de potencia de las señales transmitidas para tener una demodulación más fiable, ya que la potencia de ruido no aumenta. Sin embargo, en sistemas limitados por interferencias, como el sistema LTE, esta solución no es válida y es necesario encontrar una opción alternativa.

En sus trabajos, Shannon concluyó que no hacía falta aumentar la potencia sino disminuir el número de mensajes, es decir, no enviar todos los posibles sino sólo una fracción de ellos. Los mensajes posibles son 2ⁿ en el caso de transmisión binaria (siendo n el número de bits de la palabra codificada), es decir, existen 2ⁿ combinaciones posibles de n unos y ceros. Lo que Shannon propuso es enviar 2^Rn mensajes con R < 1. De esta forma, si R es menor que la capacidad del canal C (es una característica propia de cada canal), se puede crear un sistema de comunicaciones con una probabilidad de error característica muy baja, siempre que n sea lo suficientemente grande, es decir, cuando n tiende a infinito. El problema está en decidir qué 2^Rn vectores se van a enviar. Al sistema que realiza dicha decisión se le llama codificador.

La codificación del canal consiste en asignar a cada secuencia de datos de entrada una secuencia de salida que será transmitida a través del canal radio. En recepción, con la información recibida del canal, se realiza una asignación inversa, obteniéndose una secuencia de datos de tal forma que los efectos del ruido sean mínimos. Además, en este proceso de asignación, también denominado mapeo por herencia de la expresión inglesa mapping, se introduce cierta información de redundancia en la secuencia de datos original, consiguiéndose de esta manera una mayor protección de los datos que supone obviamente una mejora en la fiabilidad de la transmisión.

Según el estándar de LTE [20], el canal de transporte en sentido descendente, el Downlink Shared Channel (DL-SCH), utiliza los Turbo Códigos como esquema de codificación con una tasa de codificación de 1/3.

Turbocodificación

La turbocodificación fue propuesta en 1993 por Berrou y Glavieux, quienes demostraron la existencia de una excelente ganancia en la codificación, acercándose a las predicciones de Shannon. Basaron el funcionamiento de un turbocódigo en codificar una secuencia dos veces, con un entrelazador entre las dos codificaciones con el fin de independizar estadísticamente las dos secuencias codificadas. Para la codificación, propusieron el uso de codificadores convolucionales sistemáticos recursivos, o codificadores Recursive Systematic Convolutional (RSC).

Para el turbodecodificador propusieron dos decodificadores RSC, los cuales debían emplear algoritmos de decodificación especiales que aceptasen entradas indecisas y proporcionasen a su salida salidas indecisas. Berrou y Glavieux establecieron que la salida de los decodificadores debía realizar no sólo una estimación de los bits, sino que además debían proporcionar la probabilidad de que los bits hubieran sido correctamente decodificados. Años después, Berrou propuso como algoritmo de decodificación una versión modificada del algoritmo Maximum a Posteriori (MAP) con una elevada complejidad computacional.

Desde la aparición de los turbocódigos, se han realizado un gran número de investigaciones a fin de reducir la complejidad del turbodecodificador, lo que dio lugar a la aparición de distintos algoritmos de decodificación como el log-MAP.

La estructura general del turbocodificador de LTE se encuentra totalmente descrito en el estándar [20]. El turbocodificador emplea dos codificadores RSC o convolucional sistemático recursivo, para codificar la misma secuencia de bits de entrada. Sin embargo, en el caso del segundo RSC existe un entrelazador previo.

A veces, los bits de salida de los RSC son, en algunos casos, eliminados (punctured o pruned) y multiplexados. Normalmente, los dos codificadores convolucionales sistemáticos constitutivos son de tasa 1/2, proporcionando un bit de paridad y un bit sistemático por cada bit de entrada. Si se deseara obtener un turbocodificador de tasa 1/2, la mitad de los bits de salida de los dos RSC deberían ser eliminados. Normalmente, los bits que son eliminados son los de paridad, ya que eliminar los bits sistemáticos supondría una disminución excesiva de las prestaciones del código.

El rendimiento de un turbocódigo depende de varios factores, como pueden ser el diseño del bloque entrelazador empleado antes del segundo RSC, los codificadores convolucionales sistemáticos recursivos empleados y el puncturing aplicado.

Turbodecodificación

La estructura del turbodecodificador no está especificada en la norma del Third Generation Partnership Project (3GPP), en la cual únicamente se especifica la estructura del codificador. Por lo tanto, su implementación queda abierta a la consideración de los distintos fabricantes, permitiendo así el aumento de la competencia entre ellos. En la literatura existen múltiples posibles implementaciones, cuyas prestaciones varían en función de qué parámetro se desea optimizar, su rendimiento o el consumo de potencia del terminal.

2.7. Adaptación al canal y scheduling

Los sistemas de comunicaciones móviles tienen la necesidad de adaptarse a un canal de transmisión cuyas características varían muy rápidamente con el tiempo. La respuesta al impulso del canal móvil es dispersiva y variante en el tiempo, lo que se traduce en un comportamiento de atenuación selectiva en frecuencia y con dispersión en el dominio Doppler. Además, las pérdidas de propagación variarán también en función de la ocultación entre transmisor y receptor y su distancia y, por tanto, cambiarán con el tiempo debido al desplazamiento del terminal. Asimismo, los efectos producidos por interferencias provocadas por otros terminales o estaciones base será también un efecto variable en el tiempo. En definitiva, y desde el punto de vista del receptor, este comportamiento se traducirá en variaciones de la calidad de las señales recibidas, difícilmente predecibles de forma determinista, distintas para cada posición de transmisor y receptor y en cada banda de frecuencias, aspecto éste que puede tratar de explotarse para mejorar el comportamiento global del sistema, como se verá en este apartado.

Una de de las técnicas que se incorporan en los sistemas móviles para compensar las variaciones instantáneas de la calidad del enlace radio es el scheduling (o priorización de transmisiones) en función del estado del canal (Channel-dependent scheduling), que aborda el uso compartido entre distintos usuarios de los recursos radio disponibles en el sistema para conseguir la máxima eficiencia en la asignación y utilización de los mismos. En general, esto implicará calcular el mínimo número de recursos necesarios por usuario para garantizar la calidad de servicio que se haya asignado a cada uno de ellos, maximizando al mismo tiempo el número de usuarios “satisfechos” (en términos de calidad de servicio) en el sistema.

Por otro lado, las técnicas de adaptación del enlace (link adaptation) se implementan para decidir, de forma dinámica, la configuración más adecuada de parámetros del enlace radio para conseguir máxima calidad adaptándose a las variaciones del canal móvil.

Ambas técnicas (scheduling y link adaptation) tratan de explotar la variabilidad del canal móvil tomando decisiones previas a la transmisión de cada bloque de información en función del conocimiento del estado reciente del canal. De todas formas, la velocidad de adaptación del enlace y de reasignación de recursos es, por regla general, mucho más lenta que la variación del canal móvil, por lo que la adaptación instantánea es materialmente imposible. Por esta razón, deben considerarse conjuntamente técnicas de retransmisión, en particular en LTE se utilizarán adaptaciones de las ya implantadas en algunas versiones anteriores de 3GPP, tales como la retransmisión selectiva híbrida HARQ, que en esencia consiste en solicitar la retransmisión de paquetes recibidos erróneos aunque combinando en recepción la información retransmitida con la recibida inicialmente. Éste es un mecanismo que complementa los anteriores, ya que de alguna forma se está corrigiendo a posteriori el efecto de las variaciones rápidas del canal y otros efectos de ruido e interferencias que no se pueden compensar con la dinámica de scheduling y link-adaptation.