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Nesta seção, serão discutidos os problemas de estimação de canal e detecção de sinais para sistemas VL-MIMO. Primeiramente, serão tratados os métodos de estimação de canal, onde será explicado porque o modo TDD é usualmente utilizado. Depois, os métodos de detecção de sinal linear e não-linear serão apresentados.

3.3.1 Estimação de canal

Para sistemas MIMO regulares, a pre-codificação multiusuário no enlace direto e detecção no enlace reverso requerem CSI na estação rádio-base. O

3.3. Estimação de canal e detecção de sinal 28

recurso, tempo ou frequência, exigido para estimação de canal num sistema MIMO é proporcional ao número de antenas transmissoras e é independente do número de antenas receptoras.

Caso o modo de duplexação por divisão de frequência (FDD, do inglês: frequency-division duplexing) seja utilizado, isto é, canais direto e reverso usam diferentes bandas de frequência, então a CSI correspondente para estes canais são diferentes [1]. A estimação de canal no enlace direto é realizada na estação rádio-base através das diferentes sequências piloto enviadas por todos os usuários. O tempo exigido para a transmissão dos pilotos no enlace reverso é independente do número de antenas na BS. Contudo, para obter a CSI do canal direto em sistemas FDD, um procedimento de dois estágios é requerido. Primeiramente a estação rádio-base transmite os símbolos piloto para todos os usuários, e então todos os usuários retornam a CSI estimada (parcial ou completa) pelo canal reverso para a estação rádio-base. O tempo exigido para transmitir os símbolos piloto no enlace direto é proporcional ao número de antenas na BS. Quando o número de antenas cresce, as estratégias de estimação de canal direto tradicionais para os sistemas FDD tornam-se inviáveis.

Piloto no enlace reverso

Dados no enlace direto Processamento da BS Dados no enlace reverso

Figura 3.2: Protocolo TDD MIMO multiusuário.

Felizmente, a estratégia de estimação de canal em sistemas TDD podem ser utilizadas para resolver o problema. Com base na suposição de reciprocidade do canal, apenas a CSI do enlace reverso precisa ser estimada. Em [63], um protocolo TDD, mostrado na Fig. 3.2, foi proposto. De acordo com este protocolo, todos os usuários em todas as células primeiro enviam sincronizadamente sinais para as BS. Depois, os usuários enviam as sequências piloto. A estação rádio-base utiliza estas sequências piloto para estimar a CSI do usuários localizados na suas células. Então, as BSs utilizam a CSI estimada para detectar os símbolos transmitidos no canal reverso e gerar os vetores de formatação de feixe visando a transmissão da BS para os usuários. Entretanto, devido ao tempo de coerência do canal limitado, as sequências piloto utilizadas pelos usuários nas células vizinhas podem não ser ortogonais àquelas dentro da célula, causando o problema da contaminação entre os sinais piloto [4], o que será discutido na Seção 3.4.

do inglês: minimum mean square error) é comumente utilizada [1], podendo prover desempenho próximo do ótimo com baixa complexidade. Além da estimação MMSE, uma abordagem de estimação de canal baseada em sensoriamento compressivo (CS) foi proposta em [12], explorando o fato de que os graus de liberdade da matriz de canal física são bem menores que o número de parâmetros livres. Para melhorar a eficiência espectral do sistema, um projeto de sequência de treinamento no tempo-frequência foi desenvolvido em [64]. A estrutura proposta alcança os benefícios da estimação no domínio do tempo e da frequência enquanto que evita as suas desvantagens [1].

3.3.2 Detecção de sinal

Detectores de sinal lineares com baixa complexidade, tais como o filtro casado (MF), o ZF e o MMSE, são bons candidatos para resolver os problemas práticos para sistemas VL-MIMO. Eles podem alcançar assintoticamente a capacidade quando o número de antenas na BS é grande o suficiente em comparação com o número de usuários e quando os vetores do canal dos diferentes usuários são independentes [4, 59]. O desempenho dos sistemas MIMO massivo baseado em vários receptores lineares tem sido estudado de várias perspectivas [65–68]. Uma comparação de desempenho entre o receptor MMSE e o MF num sistema com configurações realísticas é fornecida em [65]. Isto mostra que o receptor MMSE pode alcançar com menos antenas o mesmo desempenho que o MF, especialmente quando existe interferência inter-célula. O cenário com taxa limitada do número de antenas para o número de usuários foi investigado em [66, 67] para os receptores MMSE e o MF, respectivamente. Em [66], uma expressão para a razão sinal interferência mais ruído (SINR, do inglês: signal-to-interference-plus-noise-ratio) do receptor MMSE para um sistema de apenas uma célula com taxa limitada do número de antenas para o número de usuários é obtida. Dois tipos de receptores MMSE são considerados: o receptor MMSE ótimo que leva em consideração os diferentes níveis de potência de transmissão dos diferentes usuários e o receptor MMSE sub-ótimo que assume potências de transmissão iguais. Em [67], a taxa de dados exata, a taxa de erro de símbolos e o desempenho em outage do receptor ZF são obtidos. Além de sistemas MIMO centralizados, a soma da taxa dos receptores ZF num sistema MIMO distribuído é também analisada e os limites inferiores e superiores da soma da taxa são obtidos em [68].

Além dos métodos de detecção lineares, a detecção não-linear pode também ser utilizada para alcançar melhor desempenho à custo de maior complexidade computacional. A redução de complexidade para detectores não-lineares em sistemas VL-MIMO é a questão-chave e alguns