1 ECO ECO: Transmisión cooperativa para sistemas inalámbricos de banda ancha Proyecto TEC-2004-04526

2 Cooperation in TDMA networks Initially the relay channel was studied assuming full duplex mode [Cover] Extension of the relay channel for TDD systems [Sendonaris], [Laneman] The total capacity of the new systems using TDD achieve similar results than in the full duplex case [Host-Madsen] Old paradigm: multi-hop S R 1 st tx R D 2 nd tx New approaches Relay channel S R D S R DS R DS R DS R D

3 ECO Cooperation creates a “virtual” MIMO system D S R2R2 R1R1 R3R3 Potential increase of Diversity Mux gain Main objectives Multi S-D link networks scheduling Devise effective virtual MIMO tx protocols

4 Cooperation in TDMA networks Cooperative transmission (doubling the rx antennas) presents a MIMO performance with a ½ penalising factor Amplify and Forward Decode and Forward Unconstrained CodeRepetition Code Mx2N MIMO (M+R)x2N MIMO MS RS BS H1H1 H0H0 H2H2

5 ECO DF implementation for protocol I MRNOptionSTCs 221Repetition CodeVBLAST M=2 {T=2,Q=4} 221Unconstrained CodeQOD M=4 {T=4, Q=8} 421Unconstrained CodeQOD M=6 {T=8, Q=16} Distributed Space Time Coding for Cooperative Radio Nodes Schemes have been proposed achieving close to theoretical capacity for - - Protocols I and II - - A&F and D&F

6 ECO System application: UMTS - HSDPA         Relay terminal User equipment TDD/TDMA frame Only one user is served in the DL slot K relays transmit during the RL slot Interference appears in the RL slot Single user case Cooperative schemes achieves the capacity [bits/channel use] of a 2N receiving antennas system 2 channel uses are required in cooperative schemes: capacity [bits/s/Hz] is reduced by a factor 2. Reuse of the relay slot:

7 ECO Amplify and Forward Decode and Forward Cell capacityBase station: 1 - 2 antennas RS and UE: 1 antenna Average cell capacity gain For M=2, R=1, N=1, the AF scheme outperforms the DF scheme Cell capacity is close to MIMO 2x2 schemes with simpler UE

8 ECO Amplify and Forward Decode and Forward Cell capacityBase station: 1 - 2 antennas RS: 2 antennas UE: 1 antenna For 2 antennas at the RS, there is a gain when decoding at RS (a more complex relay terminal is needed). For the A&F, the use of 2 antennas at the RS only provides marginal gains with respect to the use of 1 antenna

9 ECO Ergodic capacity R=2, N=1 Amplify and Forward Decode and Forward

10 ECO Personal 2005 - 2007 Profesores Juan Fernandez Xavier Villares Margarita Cabrera Jaume Riba (50%) Josep Sala (100% a partir 2º año) Olga Muñoz (100% a partir 2º año) Josep Vidal (100% a partir 2º año) Becarios/contratados 100% Maribel Madueño Luis Garcia Adrian Agustin José Huerta Pau Closas Silvana Silva Carlos Adrian Gutiérrez

11 ECO Workpackage breakdown (I) WP 1 Project management WP 2 Scenario definition - - Cooperative protocols for wireless communications - - Cellular (UMTS), meshed (802.16), adhoc (802.11) networks WP 4 Distributed space-time coding techniques - - Amplify and forward vs Decode and forward - - Informed vs non-informed trasmitters - - Ergodic and outage capacity analysis WP 3 Channel sounding and modeling - - Channel sounder update - - Measurement campaign - - Cooperative channel modeling

12 ECO WP 6 Dynamic link control of cooperative connections - - ARQ, AQR-II and turbo coded-based H-ARQ - - TDMA-based reuse - - Adaptive modulation WP 7 Dissemination WP 5 RRM for cooperative networks - - MAC definition - - Packet scheduling - - Power allocation for spatial reuse Workpackage breakdown (II) Duration: 36 months Personnel:9 EDP Budget: 273.000 Euros

13 ECO Actividad :T3.1 Objetivo: Actualización del transceptor de radio para medidas de canal Meses:4 Personal: Jose Huerta, Pau Closas, Adrian Gutiérrez, Silvana Silva Desarrollo técnico:   Se actualizará el equipo para disponer de dos unidades transmisoras equipadas con dos antenas cada una, y sincronizables mediante un radio modem en la banda de 400 MHz. Estas unidades estarán equipadas con GPS lo que permitirá extraer conclusiones sobre las estadísticas del canal de propagación en función de la posición de los transmisores cooperativos y caracterizar de esta forma la macrodiversidad.   Diseño y fabricación de unos equipos similares en la banda de 5 GHz que aprovecharán la circuitería de banda base disponible hasta el momento para los transmisores (con capacidad de trabajo de hasta 100 MHz de ancho de banda). Se integrarán junto con los equipos informáticos necesarios para la transferencia de señales a dispositivos de almacenamiento masivos. Subtareas:   Adquisición, puesta en marcha y test de los equipos transmisión en BB   Adquisición, instalación, puesta en marcha y test de los equipos de recepción   Generación de señales piloto basadas en los standards 802.11 y 802.16 para canales MIMO

14 ECO Actividad :T3.2 Objetivo: Campaña de medidas MIMO Meses:6 Personal: Jose Huerta, Pau Closas, Adrian Gutiérrez, Silvana Silva Desarrollo técnico:   Campaña de medidas a 2 GHz (y a 5 GHz) en los siguientes entornos: visión directa/indirecta (LOS/NLOS), outdoor-to-outdoor, outdoor-to-indoor, rooftop-to-rooftop, rooftop-to-below rooftop, urbano/suburbano, de media y baja movilidad. Las medidas se realizaran usando tres terminales: dos transmisores y un terminal receptor, cada uno de ellos equipado con un GPS.   Se utilizarán distintas configuraciones de antenas en cada terminal: con polaridad cruzada (configuración de diversidad) y con misma polaridad separadas media longitud de onda (configuración de conformación de haz).   Las medidas capturadas se clasificarán para pasar a formar parte de la base de datos de medidas disponible para el grupo de investigación. Subtareas:   Selección y acoplo de antenas, mecánica para los equipos móviles   Elaboración e implementación de técnicas de adquisición de sincronismo (símbolo, frecuencia y muestreo)   Elaboración e implementación de técnicas de estimación de canal MIMO   Definición y diseño de las campañas de medidas   Adquisición y almacenaje en disco de canales estimados así como de segmentos de señal

15 ECO Actividad :T3.3 Objetivo: Elaboración de modelos de canal para transmisiones MIMO y cooperativos Meses:4 Personal: Adrian Gutiérrez Desarrollo técnico:   Las medidas de canal capturadas en la actividad T3.2 se analizarán mediante técnicas de máxima verosilimitud, en función de las posiciones y velocidades relativas de los terminales cooperativos. En base a los modelos que se deriven se determinaran las capacidades de los enlaces usando las expresiones teóricas derivadas en la actividad T4.1 para los distintos protocolos, modos de funcionamiento del relay, y conocimiento/desconocimiento del canal en transmisión.   Se determinarán los modelos estadísticos necesarios para caracterizar el comportamiento dinámico de los distintos canales MIMO implicados en la transmisión cooperativa. Se pretende caracterizar: - - Modelos Rice para cada uno de los enlaces, y evolución temporal de las situaciones de visión directa (LOS) - - El perfil de distribución de potencia espacial, de retardo y Doppler. - - La caracterización de estos parámetros para cada uno de los canales involucrados en la transmisión cooperativa, así como la correlación entre ellos (macrodiversidad). Subtareas:   Formateo de archivos de señal   Estimación de distintos parámetros del canal, incluyendo su evolución temporal   Generación de modelos

16 ECO Actividad :T3.4 Objetivo: Implementación de esquemas de recepción MIMO y cooperativo Meses:6 Personal: Silvana Silva, Pau Closas, Adrián Gutiérrez Desarrollo técnico:   Diseño e implementación de un receptor MIMO basado en el estándar 802.16, que incluya los subsistemas de sincronización, estimación de canal, decodificación espacio-tiempo y decodificación convolutiva. Se tomarán como base los esquemas de transmisión, sincronismo y estimación de canal desarrollados en la actividad T3.1   Implementación de un codificador y decodificador de video que permita demostrar el funcionamiento del sistema en tiempo real. Subtareas:   Definición de distintos esquemas de codificación espacio-tiempo-frecuencia   Definición del codificador/decodificador convolucional   Implementación y actualización del transmisor   Implementación de las técnicas desarrolladas en el receptor   Evaluación de BER y PER

17 ECO Fases en el desarrollo de las actividades 1. 1.Generación de especificaciones 2. 2.Selección de técnicas 3. 3.Simulación en Matlab en condiciones controladas 4. 4.Definición de los bloques de la arquitectura 5. 5.Generación de código a bajo nivel asociado a cada bloque 6. 6.Integración de equipos 7. 7.Tests de laboratorio 8. 8.Pruebas de campo Fase 1Fase 2Fase 3Fase 4Fase 5Fase 6Fase 7Fase 8 T 3.1AG, MC, SS, JV AG, SSJH, PC, SS PC JH, PC T 3.2AG, MC, JV AG, MC, SS AG, SSJH, PC, SS JH, PC, AG JH, PC JH, PC, AG T 3.3AG, MC, JV AG___ T 3.4AG, MC, JV AG, SSJH, AG, SS JH, PC, AG JH, PC

18 ECO Oct-Nov 2005 Dic-Ene 2006 Feb-Mar 2006 Abr-May 2006 Jun-Jul 2006 Set-Oct 2006 Nov-Dic 2006 Ene-Feb 2006 T 3.1XX T 3.2XXX X T 3.3XX T 3.4XXX X Gaant chart