تکنیک‌های میمو تک لایه و متقابل لایه برای IMT-Advanced ۲۰۲۲
Single and Cross-Layer Mimo Techniques for Imt-Advanced 2022

در دو دهه‌ی اخیر، عرصه‌ی بی‌سیم شاهد ظهور تعداد شگفت‌انگیزی از فناوری‌هایی بوده است که در تعریف سیستم‌های بی‌سیم جدید نقش دارند. با توجه به تقاضای فزاینده برای ظرفیت، جامعه‌ی تحقیقاتی چندین عامل توانمندساز فناوری را توسعه داده است. بلوک‌های سازنده‌ی اساسی فناوری که قطعاً بخشی از سیستم‌های بی‌سیم در آینده‌ی نزدیک خواهند بود، عبارتند از: مدولاسیون مالتی‌پلکسینگ تقسیم فرکانس متعامد (OFDM) در لایه‌ی فیزیکی (PHY)، سیستم‌های چند ورودی چند خروجی (MIMO) و طراحی پشته‌ای متقاطع (CL). در حالی که مزایای OFDM برای چندین سال شناخته شده است، بهبود واقعی ظرفیت آنتن‌های MIMO هنوز مورد بحث است. در مورد نکته‌ی آخر، حتی اگر فرصت‌ها برای CL مدت‌هاست مورد اشاره قرار گرفته‌اند، تأثیر آن بر سیستم‌های قدیمی موجود قابل توجه نبوده است، زیرا سرمایه‌گذاران در اجرای تغییر الگوی طراحی ذاتی مردد هستند.

کتاب «تکنیک‌های MIMO تک لایه و متقاطع برای IMT-Advanced» برخی از تکنیک‌های پیشرفته‌ی MIMO را ارائه می‌دهد که در آن انطباق‌پذیری، رویکرد متقاطع لایه و آنتن‌های MIMO با هم تجزیه و تحلیل می‌شوند تا تأثیر عمیقی بر مجموع ظرفیت قابل دستیابی از طریق لینک بی‌سیم نشان داده شود.

مقدمه، الزامات عملکردی سیستم‌های کاندیدای IMT-A و رابطه‌ی بین شبکه‌های دسترسی بی‌سیم IEEE802.16 و LTE را ارائه می‌دهد. سپس، در بخش اول، استراتژی‌های انطباقی به طور جداگانه در لایه‌های PHY و Medium Access Control (MAC) تجزیه و تحلیل می‌شوند. بخش دوم، تکاملی از رویکرد قبلی را ارائه می‌کند و یک پروتکل MIMO-ARQ متقاطع لایه را ارائه می‌دهد، که در آن طرح‌های MIMO انطباقی، یعنی Spatial Multiplexing (SM) و STBC Alamouti، با پروتکل ARQ استفاده می‌شوند. یک شبکه‌ی Multiple User (MU) در DownLink (DL) با یک زمان‌بند Round Robin (RR) سرویس‌دهی می‌شود. طراحی آماده است تا زمان‌بندهای پیشرفته‌تری را شامل شود. ماشین حالت ARQ در لایه‌ی MAC از ARQ به ازای هر آنتن آگاه است. تعامل بین ARQ و لایه‌ی PHY، با ACK به ازای هر آنتن، به بهره‌برداری از منابع برای افزایش با ACKهای به ازای هر آنتن اجازه می‌دهد و از افزایش پردازش سیگنال MIMO به افزایش پروتکل MIMO بدون نیاز به بازخورد اطلاعات وضعیت کانال (CSI) تغییر می‌کند. عدم وجود بازخورد CSI در لایه‌ی PHY یک ویژگی مهم از طرح‌های متقاطع لایه‌ی MIMO-ARQ پیشنهادی است، زیرا بازخورد CSI MIMO (در صورت امکان) به طور چشمگیری راندمان شبکه را کاهش می‌دهد.

درجات آزادی اضافی ارائه شده توسط انتقال‌های MIMO می‌تواند تفاوت ایجاد کند اگر به درستی هم در لایه‌های فیزیکی و هم در لایه‌های دسترسی متوسط مورد بهره‌برداری قرار گیرد، به ویژه برای غلبه بر مشکل رتبه‌های کانال MIMO پایین.

مزایای تغییر الگو از افزایش پردازش سیگنال به افزایش پروتکل – همراه با تغییراتی که باید در پشته‌ی پروتکل کلاسیک اعمال شود – در فصل آخر مورد بحث قرار می‌گیرد.

In the last two decades, the wireless arena has witnessed the emergence of an astonishing number of technologies which play a part in the definition of new wireless systems. Driven by the pressing capacity demand, the research community has developed several technological enablers. Fundamental technological building blocks that will be part of wireless systems in the near-future definitely include: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation at the physical (PHY) layer, Multiple Input Multiple.Output (MIMO) systems, and a cross-layer (CL) stack design. While the benefits of OFDM have been recognized for several years, the real capacity improvement of MIMO antennae is still being debated today. As to the lastpoint, even if opportunities for CL have been pointed out for a long time, the impact on the actual legacy systems has not been noticeable, as investors are hesitant to implement the inherent design paradigm shift.Single and Cross-Layer MIMO Techniques for IMT-Advanced will present some advanced MIMO techniques where adaptivity, cross-layer approach, and MIMO antennae are analyzed together to show a deep impact on the sum-capacityachievable over the wireless link.The introduction presents the functional requirements for IMT-A candidate systems and the relation between IEEE802.16 and LTE wireless access networks. Then, in the first part, adaptive strategies are analyzedseparately at the PHY and Medium Access Control (MAC) layers. The second part presents an evolution of the previous approach, providing a cross-layer MIMO-ARQ protocol, where adaptive MIMO schemes, namely SpatialMultiplexing (SM) and STBC Alamouti, are used with ARQ protocol. A Multiple User (MU) network is served in DownLink (DL) with a Round Robin (RR) scheduler; the design is ready to include more advanced schedulers. The ARQstate machine at the MAC layer is aware of per-antenna ARQ. The interaction between the ARQ and the PHY layer, with a per-antenna ACK, allows resource exploitation to increase with per-antenna ACKs, shifting from MIMO Signal Processing Gain to MIMO Protocol Gain with no need for Channel State Information (CSI) feedback. The absence of CSI feedback at the PHY layer is an important characteristic of the proposedMIMO-ARQ cross-layer designs since MIMO CSI feedback (when feasible) drastically reduces the network efficiency.The added degrees of freedom offered by MIMO transmissions can make the difference if correctly exploited both at the physical and medium access layers, in particular for overcoming the problem of low MIMO channel ranks.The advantages of the paradigm shift from signal processing gain to protocol gain – together with the modifications to be applied at the classical protocol stack – are discussed in the final chapter.