Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2Z: MIMO Applications in LTE"

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[[File:P_ID2311__Z_4_2.png|right|frame|Vier MIMO-Anwendungen bei LTE]]
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[[File:P_ID2311__Z_4_2.png|right|frame|Four MIMO applications in LTE]]
Eine der vielen Neuerungen von LTE ist die Verwendung von Mehrantennenkonzepten. Bei der unter dem Namen  ''Multiple Input Multiple Output''  (MIMO) bekannten Technologie handelt es sich allerdings nicht um eine LTE–spezifische Entwicklung. Beispielweise nutzt auch WLAN diese Methode.
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One of the many innovations of  $\rm LTE$  is the use of multi-antenna concepts.  However, the technology known as  "Multiple Input Multiple Output"  $\rm (MIMO)$  is not an LTE specific development.  For example, WLAN also uses this method.
  
Das prinzipielle Konzept von MIMO wird in der  [[Mobile_Kommunikation/Technische_Neuerungen_von_LTE#Mehrantennensysteme|Grafik  im Theorieteil (Beispiel 2)]]  verdeutlicht. Sowohl der Sender als auch der Empfänger sind hier mit mehreren Antennen ausgestattet. Damit lassen sich gleichzeitig auch mehrere Datenströme übertragen. LTE unterstützt neben  ''Single Input Single Output''  (SISO) auch 2x2–MIMO im Uplink und bis zu 4x4–MIMO im Downlink.
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The basic concept of MIMO is explained in the chapter [[Mobile_Communications/Technical_Innovations_of_LTE#Multiple_Antenna_Systems|Multiple Antenna Systems]].  Both the transmitter and the receiver are equipped with several antennas.  This means that several data streams can be transmitted simultaneously.  In addition to  "Single Input Single Output"  $\rm (SISO)$, LTE also supports "2x2 MIMO" in the uplink and up to  "4x4 MIMO"  in the downlink.
  
Vorteile der MIMO–Technik sind:
+
The advantages of MIMO technology are:
*ein  ''Diversitätsgewinn''  und ein  ''Datenratengewinn''  bei mehreren Verbindungen,
+
*a  "Diversity Gain"  and a  "Data Rate Gain"  for multiple connections,
*ein  ''höheres Signal–to–Noise Ratio''  (SNR) und ein  ''höheres Peak–SNR''  bei gleicher Sendeleistung,  
+
*a higher signal-to-noise ratio  $\rm (SNR)$  and a  $\text{higher peak SNR}$  at the same transmission power,  
*eine  ''geringere erforderliche Sendeleistung''  bei gleichen Qualitätsanforderungen, oder
+
* lower required transmission power  for the same quality requirements, or
*mehr Redundanz bei der Systemrealisierung und damit ein  ''robusteres System''.
+
*more redundancy in system implementation and thus a more robust system.
  
  
Meist können nicht alle Vorteile gleichzeitig ausgenutzt werden. Abhängig von der Kanalbeschaffenheit kann es auch passieren, dass man nicht einmal die Wahl hat, welchen dieser Vorteile man nutzen will.
+
In most cases, not all advantages can be exploited simultaneously.  Depending on the nature of the channel, it can also happen that you don't even have the choice of which of these advantages you want to use.
  
Unter dem Namen „MIMO” werden vier verschiedene Mehrantennenverfahren mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefasst, die in gewissen Situationen nützlich sein können:
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Four different multi-antenna methods with different characteristics are combined under the name  "MIMO", which can be useful in certain situations:
*Werden die weitgehend unabhängigen Kanäle eines MIMO-Systems von einem einzigen Nutzer belegt, so spricht man von  '''Single–User  MIMO'''. Dadurch erhöht sich für diesen Teilnehmer die Datenrate bei 2x2–MIMO fast um den Faktor 2 und bei 4x4–MIMO knapp um den Faktor 4.
+
*If the largely independent channels of a MIMO system are occupied by a single user, this is called  "Single-User MIMO".  This increases the data rate for this user by a factor of  $\approx 2$  for "2x2 MIMO" and by a factor of  $\approx 4$  for "4x4 MIMO".
*Bei  '''Multi–User MIMO'''  überträgt man verschiedene Datenströme zu unterschiedlichen Nutzern. Dies ist besonders an Orten mit einer hohen Nachfrage nützlich, wie zum Beispiel an Flughäfen oder auch in Fußballstadien. Im Mittelpunkt steht also nicht die maximale Datenrate für einen Empfänger, sondern die Anzahl der Endgeräte, die gleichzeitig das Netz nutzen können.
+
*At  "Multi-User MIMO"  one transmits different data streams to different users.  This is especially useful in places with a high demand, such as airports or even football stadiums.  The focus is therefore not on the maximum data rate for one receiver, but on the number of terminal devices that can use the network simultaneously.
*Von  '''Beamforming'''  spricht man dann, wenn im Falle von schlechten Übertragungsbedingungen die Sendeleistung mehrerer Antennen gebündelt und so gezielt Daten zu einem (besonders wichtigen) Teilnehmer übertragen werden, um dessen Empfangsqualität zu verbessern.
+
*One speaks from  "Beamforming"  when (in the case of poor transmission conditions)  the transmission power of several antennas is bundled and thus data is transmitted to a (particularly important) user in a targeted manner in order to improve his quality of reception.
*Mit Hilfe von  '''Antennendiversität'''  erhöht man die Redundanz und gestaltet so die Übertragung robuster gegenüber Störungen. Gibt es zum Beispiel vier Kanäle, so übertragen diese bei dieser Anwendung alle die gleiche Nachricht. Fällt irgendwann ein Kanal aus, so sind immer noch drei Kanäle vorhanden, die die Nachricht transportieren können.
+
*With the help of  "Antenna Diversity"  one increases the redundancy and thus makes the transmission more robust against interference.  For example, if there are four channels, they will all transmit the same message in this application.  If one channel fails at some point, there are still three channels that can carry the message.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Notes:''  
  
Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Mobile_Kommunikation/Technische_Neuerungen_von_LTE |Technische Neuerungen von LTE]].  
+
*This task refers to the chapter  [[Mobile_Communications/Technical_Innovations_of_LTE|Technical Innovations of LTE]].
*In der nebenstehenden Grafik sind die oben aufgeführten MIMO–Anwendungen durch stark vereinfachende Schaubilder verdeutlicht.  
+
*In the adjacent diagram, the MIMO applications listed above are illustrated by highly simplified diagrams.  
*In der Teilaufgabe '''(1)''' sollen Sie die einzelnen Anwendungen den Skizzen zuordnen.
+
*In the subtask  '''(1)'''  you should assign the individual applications to the sketches.
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Solution===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welche Skizzen stehen für welche der bei LTE eingesetzten MIMO–Methoden?
+
{Which sketches represent which of the MIMO methods used in LTE?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Skizze &nbsp;$\rm A$&nbsp; verdeutlicht Multi–User MIMO.
+
+ Sketch &nbsp;$\rm A$&nbsp; illustrates multi-user MIMO.
+ Skizze &nbsp;$\rm B$&nbsp; verdeutlicht Antennendiversität.
+
+ Sketch &nbsp;$\rm B$&nbsp; illustrates antenna diversity.
- Skizze &nbsp;$\rm C$&nbsp; verdeutlicht Multi–User MIMO.
+
- Sketch &nbsp;$\rm C$&nbsp; illustrates multi-user MIMO.
- Skizze &nbsp;$\rm D$&nbsp; verdeutlicht Antennendiversität.
+
- Sketch &nbsp;$\rm D$&nbsp; illustrates antenna diversity.
  
{Welche Arten von Diversitäten gibt es allgemein?
+
{What types of diversity are there in general?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Interferenzdiversität,
+
- Interference diversity,
+ Raumdiversität,
+
+ spatial diversity,
+ Zeitdiversität,
+
+ time diversity,
- Rayleigh–Diversität,
+
- Rayleigh Diversity,
+ Frequenzdiversität.
+
+ frequency diversity.
  
{Welche Vorteile ergeben sich durch den Einsatz von MIMO direkt?
+
{What immediate advantages are there of using MIMO?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Ein Diversitätsgewinn,
+
+ A diversity gain,
- Verminderung der Interzellinterferenzen,
+
- reduction of intercell interference,
- Verminderung der Intersymbolinterferenzen,
+
- reduction of intersymbol interference,
+ ein größeres Signal–to–Noise–Ratio (SNR),
+
+ a higher signal-to-noise ratio (SNR),
+ eine robustere Systemrealisierung.
+
+ a more robust system implementation.
  
{Welche (direkten) Vorteile ergeben sich für LTE durch MIMO?
+
{What (direct) advantages does MIMO have for LTE?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Höhere Datenraten für einzelne Nutzer,
+
+ Higher data rates for individual users,
+ größere Reichweiten der Basisstationen,
+
+ longer ranges of the base stations,
- ein geringerer Energieverbrauch an den Basisstationen,
+
- lower energy consumption at the base stations,
- ein geringerer Energieverbrauch bei den Endgeräten,
+
- a lower energy consumption of the end devices,
- verbessertes Quality–of–Service (QoS),
+
- improved quality of service (QoS),
+ eine größere Anzahl gleichzeitiger Nutzer.
+
+ a larger number of simultaneous users.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Antworten 1 und 2</u>. Die folgenden Skizzen sollen folgende MIMO–Methoden erklären:
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'''(1)'''&nbsp; Correct are the <u>answers 1 and 2</u>.&nbsp; The following sketches should explain the following MIMO methods:
*Skizze &nbsp;$\rm A$:&nbsp; Multi–User MIMO,
+
*Sketch &nbsp;$\rm A$:&nbsp; "Multi–User MIMO",
*Skizze &nbsp;$\rm B$:&nbsp; Antennendiversität,
+
*Sketch &nbsp;$\rm B$:&nbsp; "Antenna Diversity",
*Skizze &nbsp;$\rm C$:&nbsp; Single–User MIMO,
+
*Sketch &nbsp;$\rm C$:&nbsp; "Single–User MIMO",
*Skizze &nbsp;$\rm D$:&nbsp; Beamforming.
+
*Sketch &nbsp;$\rm D$:&nbsp; "Beamforming".
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Antworten 2, 3 und 5</u>. Diversität kann immer dann ausgenutzt werden, wenn die Übertragungsbedingungen nutzbare Unterschiede aufweisen:  
+
'''(2)'''&nbsp; Correct are the <u>answers 2, 3 and 5</u>.&nbsp; Diversity can always be exploited if the transmission conditions show useful differences:  
*an unterschiedlichen Orten  &nbsp; &rArr; &nbsp;   Raumdiversität,
+
*In different places &nbsp; &rArr; &nbsp; "Spatial Diversity",
*zu unterschiedlichen Zeiten  &nbsp; &rArr; &nbsp; Zeitdiversität,
+
*at different times &nbsp; &rArr; &nbsp; "Time Diversity",
*für unterschiedliche Frequenzen  &nbsp; &rArr; &nbsp; Frequenzdiversität
+
*for different frequencies &nbsp; &rArr; &nbsp; "Frequency Diversity".
  
  
Die beiden anderen hier verwendeten Begriffe sind frei erfunden.
+
The other two terms used here are purely fictional.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Antworten 1, 4 und 5</u>:  
+
'''(3)'''&nbsp; Correct are the <u>answers 1, 4 and 5</u>:  
*Wie im Theorieteil ausführlich beschrieben, erzielt man durch MIMO–Technik einen Diversitätsgewinn.  
+
*As described in detail in the theory section, MIMO technology is used to achieve a diversity gain.  
*Aus diesem ergeben sich dann indirekt auch ein besseres SNR sowie verbesserte Übertragungsqualität durch robustere Systeme.  
+
*This indirectly results in a better SNR and an improved transmission quality through more robust systems.  
*Interferenzen, egal ob zwischen Zellen oder Symbolen, können durch MIMO dagegen nicht vermindert werden.
+
*Interference, whether between cells or symbols, cannot be reduced by MIMO.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Antworten 1, 2 und 6</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are the <u>answers 1, 2 and 6</u>:
*Durch Single–User MIMO werden höhere Datenraten für den einzelnen Nutzer erreicht.
+
*Single-user MIMO enables higher data rates for the individual user.
*Durch Multi–User MIMO können mehr gleichzeitige Nutzer versorgt werden.
+
*Multi-user MIMO allows more simultaneous users to be served.
*Beamforming erhöht die Reichweite der Basisstationen.
+
*Beamforming increases the range of the base stations.
  
  
 
+
Energy consumption is by no means reduced by MIMO technology, it even increases at the base stations as well as at the terminal:
Der Energieverbrauch wird durch MIMO–Technologie in keinem Fall niedriger, er steigt sogar an den Basisstationen wie auch am Endgerät an:
+
*The more antennas need to be powered, the higher the power consumption.  
*Je mehr Antennen versorgt werden müssen, um so höher ist der Stromverbrauch.  
+
*For this reason, mobile phones are currently limited to a maximum of two antennas &ndash; otherwise the battery life would be too short.  
*Aus diesem Grund gibt es momentan für Mobiltelefone noch das Limit von maximal zwei Antennen – die Batterielaufzeit wäre sonst zu kurz.  
+
*The higher power consumption is of course less important at the base stations than with the large number of terminals.
*An den Basisstationen fällt der höhere Stromverbrauch natürlich weniger ins Gewicht als bei der Vielzahl von Endgeräten.
+
*It is quite possible that MIMO and appropriate controlling will lead to improvements with regard to suggestions 3, 4 and 5.&nbsp; <br>However, these improvements are indirect.
*Es kann durchaus sein, dasss es durch MIMO und entsprechendes Controlling auch zu Verbesserungen hinsichtlich der Vorschläge 3, 4 und 5 kommt. Diese Verbesserungen sind dann allerdings indirekt.
 
  
 
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[[Category:Exercises for Mobile Communications|^4.2 Technical Innovations of LTE^]]
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[[Category:Mobile Communications: Exercises|^4.2 Technical Innovations of LTE^]]

Latest revision as of 14:37, 23 March 2021

Four MIMO applications in LTE

One of the many innovations of  $\rm LTE$  is the use of multi-antenna concepts.  However, the technology known as  "Multiple Input Multiple Output"  $\rm (MIMO)$  is not an LTE specific development.  For example, WLAN also uses this method.

The basic concept of MIMO is explained in the chapter Multiple Antenna Systems.  Both the transmitter and the receiver are equipped with several antennas.  This means that several data streams can be transmitted simultaneously.  In addition to  "Single Input Single Output"  $\rm (SISO)$, LTE also supports "2x2 MIMO" in the uplink and up to  "4x4 MIMO"  in the downlink.

The advantages of MIMO technology are:

  • a  "Diversity Gain"  and a  "Data Rate Gain"  for multiple connections,
  • a higher signal-to-noise ratio  $\rm (SNR)$  and a  $\text{higher peak SNR}$  at the same transmission power,
  • lower required transmission power for the same quality requirements, or
  • more redundancy in system implementation and thus a more robust system.


In most cases, not all advantages can be exploited simultaneously.  Depending on the nature of the channel, it can also happen that you don't even have the choice of which of these advantages you want to use.

Four different multi-antenna methods with different characteristics are combined under the name  "MIMO", which can be useful in certain situations:

  • If the largely independent channels of a MIMO system are occupied by a single user, this is called  "Single-User MIMO".  This increases the data rate for this user by a factor of  $\approx 2$  for "2x2 MIMO" and by a factor of  $\approx 4$  for "4x4 MIMO".
  • At  "Multi-User MIMO"  one transmits different data streams to different users.  This is especially useful in places with a high demand, such as airports or even football stadiums.  The focus is therefore not on the maximum data rate for one receiver, but on the number of terminal devices that can use the network simultaneously.
  • One speaks from  "Beamforming"  when (in the case of poor transmission conditions)  the transmission power of several antennas is bundled and thus data is transmitted to a (particularly important) user in a targeted manner in order to improve his quality of reception.
  • With the help of  "Antenna Diversity"  one increases the redundancy and thus makes the transmission more robust against interference.  For example, if there are four channels, they will all transmit the same message in this application.  If one channel fails at some point, there are still three channels that can carry the message.




Notes:

  • This task refers to the chapter  Technical Innovations of LTE.
  • In the adjacent diagram, the MIMO applications listed above are illustrated by highly simplified diagrams.
  • In the subtask  (1)  you should assign the individual applications to the sketches.


Solution

1

Which sketches represent which of the MIMO methods used in LTE?

Sketch  $\rm A$  illustrates multi-user MIMO.
Sketch  $\rm B$  illustrates antenna diversity.
Sketch  $\rm C$  illustrates multi-user MIMO.
Sketch  $\rm D$  illustrates antenna diversity.

2

What types of diversity are there in general?

Interference diversity,
spatial diversity,
time diversity,
Rayleigh Diversity,
frequency diversity.

3

What immediate advantages are there of using MIMO?

A diversity gain,
reduction of intercell interference,
reduction of intersymbol interference,
a higher signal-to-noise ratio (SNR),
a more robust system implementation.

4

What (direct) advantages does MIMO have for LTE?

Higher data rates for individual users,
longer ranges of the base stations,
lower energy consumption at the base stations,
a lower energy consumption of the end devices,
improved quality of service (QoS),
a larger number of simultaneous users.


Solution

(1)  Correct are the answers 1 and 2.  The following sketches should explain the following MIMO methods:

  • Sketch  $\rm A$:  "Multi–User MIMO",
  • Sketch  $\rm B$:  "Antenna Diversity",
  • Sketch  $\rm C$:  "Single–User MIMO",
  • Sketch  $\rm D$:  "Beamforming".


(2)  Correct are the answers 2, 3 and 5.  Diversity can always be exploited if the transmission conditions show useful differences:

  • In different places   ⇒   "Spatial Diversity",
  • at different times   ⇒   "Time Diversity",
  • for different frequencies   ⇒   "Frequency Diversity".


The other two terms used here are purely fictional.


(3)  Correct are the answers 1, 4 and 5:

  • As described in detail in the theory section, MIMO technology is used to achieve a diversity gain.
  • This indirectly results in a better SNR and an improved transmission quality through more robust systems.
  • Interference, whether between cells or symbols, cannot be reduced by MIMO.


(4)  Correct are the answers 1, 2 and 6:

  • Single-user MIMO enables higher data rates for the individual user.
  • Multi-user MIMO allows more simultaneous users to be served.
  • Beamforming increases the range of the base stations.


Energy consumption is by no means reduced by MIMO technology, it even increases at the base stations as well as at the terminal:

  • The more antennas need to be powered, the higher the power consumption.
  • For this reason, mobile phones are currently limited to a maximum of two antennas – otherwise the battery life would be too short.
  • The higher power consumption is of course less important at the base stations than with the large number of terminals.
  • It is quite possible that MIMO and appropriate controlling will lead to improvements with regard to suggestions 3, 4 and 5. 
    However, these improvements are indirect.