Macrodiversità

Nel settore della comunicazione wireless, la macrodiversità è una specie di schema di diversità spaziale che utilizza più antenne riceventi o trasmittenti per trasferire lo stesso segnale. La distanza tra i trasmettitori è molto più lunga della lunghezza d'onda, al contrario della microdiversità in cui la distanza è nell'ordine o inferiore alla lunghezza d'onda.

In una rete cellulare o in una LAN wireless, la macrodiversità implica che le stazioni base sono generalmente situate in diversi siti o punti di accesso. La macrodiversità del ricevitore è una forma di combinazione di antenne e richiede un'infrastruttura che medi i segnali dalle antenne o dai ricevitori locali a un ricevitore o decodificatore centrale. La macrodiversità del trasmettitore può essere una forma di trasmissione simultanea, in cui lo stesso segnale viene inviato da più nodi. Se i segnali vengono inviati sullo stesso canale fisico (ad esempio la frequenza del canale e la sequenza di diffusione), si dice che i trasmettitori formino una rete a frequenza singola, termine usato soprattutto nel mondo della radiodiffusione.

L'obiettivo è combattere il fading, aumentare la potenza del segnale ricevuto e migliorare la qualità del segnale nelle posizioni esposte tra le stazioni base o i punti di accesso. La macrodiversità può anche rendere più efficienti servizi multicast, in cui lo stesso canale di frequenza può essere utilizzato per tutti i trasmettitori che inviano le stesse informazioni. Lo schema di diversità può essere basato sulla macrodiversità del trasmettitore (downlink) e/o del ricevitore (uplink).

Esempi

• Trasferimento soft CDMA:
  • Trasferimento soft dell'UMTS.
• Le reti a frequenza singola (SFN) basate su OFDM e sull'equalizzazione del dominio di frequenza (FDE) sono una forma di macrodiversità del trasmettitore utilizzata nelle reti di trasmissione come DVB-T e DAB
  • Reti dinamiche a frequenza singola (DSFN), in cui uno schema di schedulazione adatta dinamicamente le formazioni SFN alle condizioni del traffico e/o alle condizioni del ricevitore
  • Handover della macrodiversità basato sullo standard IEEE 802.16e (MDHO)
  • Rete a frequenza singola multicast-broadcast (MBSFN) 3GPP a lungo termine (LTE), che consente di inviare in modo efficiente gli stessi dati a molti cellulari nelle celle adiacenti.
  • Diversità cooperativa, ad esempio trasmissione/ricezione multipunto coordinata (CoMP) 3GPP evoluzione a lungo termine (LTE), che consente di aumentare la velocità dei dati su un cellulare situato all'interno di una sovrapposizione di diversi intervalli di trasmissione della stazione base.

Tipologie

La tipologia base della macrodiversità è chiamata macrodiversità per utente singolo. In questa tipologia, un singolo utente, che può avere più antenne, comunica con più stazioni base. Pertanto, a seconda del grado di libertà spaziale (DoF) del sistema, l'utente può trasmettere o ricevere più flussi di dati indipendenti da/verso le stazioni base nella stesso slot di tempo e frequenza.

• Macrodiversità a utente singolo
  • Macrodiversità in uplink
  • Macrodiversità in downlink

In una tipologia più avanzata di macrodiversità, più utenti distribuiti comunicano con più stazioni base distribuite nella stessa risorsa di tempo e frequenza. È stato dimostrato che questa tipologia di configurazione che utilizza in modo ottimale il DoF spaziale disponibile, aumenta in modo considerevolmente la capacità del sistema cellulare e la capacità dell'utente.

• Macrodiversità multiutente
  • Macrodiversity Multiple Access Channel (MAC)
  • Macrodiversity broadcast channel (BC)

Descrizione matematica

Tipico scenario di comunicazione uplink multiutente con macrodiversità con tre stazioni base (BS) e due stazioni mobili (MS). Tutte le BS sono collegate a un'unità di elaborazione back-haul (BPU).

Il sistema di macrodiversità multiutente con comunicazione uplink MIMO qui considerato è costituito da $\scriptstyle N$ utenti distribuiti con antenna singola e $\scriptstyle n_{R}$ stazioni base ad antenna singola distribuita (BS). Seguendo il modello di sistema MIMO a dissolvenza piatta a banda stretta ben consolidato, la relazione input-output può essere data come

$\mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n}$

dove $\scriptstyle \mathbf {y}$ e $\scriptstyle \mathbf {x}$ sono rispettivamente i vettori di ricezione e trasmissione e $\scriptstyle \mathbf {H}$ e $\scriptstyle \mathbf {n}$ sono rispettivamente la matrice del canale della macrodiversità e il vettore di rumore AWGN spazialmente non correlato. Si presume $\scriptstyle N_{0}$ sia la densità spettrale di potenza del rumore AWGN. L' $\scriptstyle i,j$-esimo elemento di $\scriptstyle \mathbf {H}$, $h_{ij}$ rappresenta il coefficiente di dissolvenza del $\scriptstyle i,j$-esimo legame costitutivo che in questo caso particolare, è il collegamento tra il $\scriptstyle j$-esimo utente e l'$\scriptstyle i$-esima stazione base. Nello scenario della macrodiversità

$E\left\{\left|h_{ij}\right|^{2}\right\}=g_{ij}\quad \forall i,j$ ,

dove $\scriptstyle g_{i,j}$ è chiamato guadagno di collegamento medio che fornisce un SNR di collegamento medio di $\scriptstyle {\frac {g_{ij}}{N_{0}}}$ . La matrice del profilo di potere della macrodiversità può quindi essere definita come

$\mathbf {G} ={\begin{pmatrix}g_{11}&\dots &g_{1N}\\g_{21}&\dots &g_{2N}\\\dots &\dots &\dots \\g_{n_{R}1}&\dots &g_{n_{R}N}\\\end{pmatrix}}.$

La relazione input-output originale può essere riscritta in termini di profilo di potenza della macrodiversità e della cosiddetta matrice di canale normalizzata, $\mathbf {H} _{w}$, come

$\mathbf {y} =\left(\left(\mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}\right)\circ \mathbf {H} _{w}\right)\mathbf {x} +\mathbf {n}$ .

dove $\mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}$ è la radice quadrata per elemento di $\mathbf {G}$, e l'operatore, $\circ$, rappresenta la moltiplicazione di Hadamard (vedi prodotto Hadamard ). L'$\scriptstyle i,j$-esimo elemento di $\mathbf {H} _{w}$, $h_{w,ij}$, soddisfa la condizione data da

$E\left\{\left|h_{w,ij}\right|^{2}\right\}=1\quad \forall i,j$ .

È stato dimostrato che esiste un legame funzionale tra la matrice del profilo di potere permanente della macrodiversità $\mathbf {G}$ e le prestazioni dei sistemi di macrodiversità multiutente in dissolvenza. Sebbene sembri che la macrodiversità si manifesti solo nel profilo di potenza, i sistemi che si basano sulla macrodiversità avranno tipicamente altri tipi di vincoli di potenza di trasmissione (ad esempio, ogni elemento di $\mathbf {x}$ ha una potenza media limitata) e diversi set di trasmettitori/ricevitori coordinati quando si comunica con utenti diversi. Si noti che la relazione ingresso-uscita sopra descritta può essere facilmente estesa al caso quando ogni trasmettitore e/o ricevitore possiedono più antenne.