Iniziamo con un riassunto sommario dei molteplici aspetti da affrontare. Una prima discriminazione terminologica riguarda la localizzazione della molteplicità di antenne, specificando che mentre adottarne più di una sia in trasmissione che in ricezione viene indicato con l’acronimo MIMO ovvero multiple input multiple output, ed il caso tradizionale di una singola antenna da entrambi i lati è detto SISO (single input single output), l’utilizzo di antenne multiple da un solo lato del collegamento, in trasmissione od in ricezione, viene rispettivamente indicato con i termini MISO (multiple input single output) e SIMO (single input multiple output), vedi fig. 21.1a.

E’ la più diretta conseguenza della possibilità di poter trasmettere e/o ricevere una stessa trasmissione mediante antenne diverse. Come riferito al § 20.4.4 se le antenne sono abbastanza distanziate tra loro i cammini multipli su cui si sviluppa il collegamento sono differenti, così come la risposta in frequenza H(f) vista dalle singole antenne, cosicché la distorsione lineare subita da ciascuna di esse diviene una v.a. statisticamente indipendente. Ciò rende molto improbabile che le antenne subiscano tutte assieme una forte attenuazione, cosicché la ricezione risente molto meno della variabilità del canale; come introdotto al (§ 20.3.3.1), questo risultato è frutto dello sfruttamento della diversità spaziale. In tale scenario la velocità di trasmissione non cambia, dato che ogni antenna trasmette lo stesso simbolo, o come approfondiremo al § 21.3.2.2, una versione codificata della stessa sequenza. Due particolarità della tecnica sono che in generale non è necessario conoscere le caratteristiche del canale per le diverse antenne, e che una qualche sua variante può essere attuata anche se solo una delle parti in comunicazione è dotata di più antenne. Il guadagno di diversità conseguito può essere impiegato a favore di una maggiore affidabilità del collegamento (ossia per ottenere un miglior ^E_b⁄_N0 e dunque P_e), oppure per preservare la stessa affidabilità di un sistema SISO ma diminuire la potenza totale irradiata, a vantaggio della durata delle batterie dei terminali di utente.

In presenza di più antenne da entrambi i lati del collegamento la multiplazione consiste nel trasmettere flussi numerici diversi da parte delle differenti antenne, contemporaneamente, ed alla stessa frequenza. Ciò è possibile a patto che il ricevitore conosca la matrice H che descrive la risposta in frequenza tra coppie di antenne; quando tali valori risultano sufficientemente incorrelati la matrice diviene invertibile, rendendo possibile risalire ai singoli segnali a partire dalle loro diverse combinazioni lineari, ricevute da ciascuna antenna. Il risultato è che la velocità aggregata è la somma [1181]   [1181] In altre parole la velocità aggregata aumenta linearmente con il numero delle antenne, inteso come il numero minimo tra quelle di trasmissione e quelle di ricezione. di quella dei diversi flussi, mentre la banda occupata è quella di un flusso singolo, conseguendo pertanto una elevata efficienza spettrale (pag. 1). Qualora anche il trasmettitore conosca H può combinare la multiplazione con il precoding, rendendo possibile trasmettere i diversi flussi verso destinatari differenti, anche ad antenna singola, realizzando in tal modo un sistema multiutente detto mu-mimo basato sullo space division multiple access o sdma.

Non è possibile conseguire allo stesso tempo sia un pieno guadagno di diversità che un altrettanto pieno guadagno di multiplazione, semplicemente perché le antenne o trasmettono gli stessi dati, oppure dati differenti. Nei sistemi reali si ricerca una condizione operativa di compromesso, ed in grado di adattarsi in funzione delle condizioni del collegamento: mentre in presenza di un buon SNR può non essere necessario ricorrere alla diversità e dunque è possibile sfruttare al massimo la multiplazione (conseguendo una velocità elevata), per valori di SNR ridotti è opportuno rinunciare a buona parte di multiplazione, a favore della diversità.

Il senso più letterale di questo termine si riferisce alla consolidata tecnica di orientare verso una determinata direzione l’onda elettromagnetica emessa da una schiera di antenne [1182]   [1182] Tecnica nota anche come smart antenna o phased array, vedi ad es.
https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array, in modo da aumentare la potenza ricevuta in tale direzione e/o riducendo la potenza interferente per soggetti in posizioni diverse. Nato nel contesto di una comunicazione in visibilità, nel caso di fading di Rayleigh ovvero di prevalenza dei cammini riflessi tale approccio perde di applicabilità, ma lo stesso termine è usato per intendere anche la tecnica del...

Nel caso di una molteplicità di antenne di tipo mimo e della perfetta conoscenza di H da parte del trasmettitore, studieremo come tecniche di signal processing consentano di realizzare il cosiddetto eigen-beamforming, ovvero utilizzare il collegamento ripartendo l’informazione da trasmettere nelle direzioni individuate dagli autovettori della matrice di canale. Come per il multiplexing anche con il precoding si ottiene un aumento della velocità di trasmissione, sia per quanto riguarda un collegamento punto-punto, sia per la possibilità di servire più utenti in un sistema mu-mimo. Ma in questo secondo caso la tecnica da adottare si modifica allo scopo di minimizzare l’effetto interferente nei confronti degli utenti non destinatari.

Le due direzioni di trasmissione possono essere distinte nel tempo o in frequenza: mentre nel primo caso la proprietà di reciprocità del canale radio permette di usare la stima di canale svolta in fase di ricezione anche durante quella di trasmissione, nel secondo caso ciò non è possibile, determinando l’esigenza di rendere nota al trasmettitore la matrice H stimata in ricezione. La trasmissione di H inoltre avviene per forza di cose in modo approssimato (quantizzato), comportando errori ed imprecisioni nel precoding, ed impegnando tante più risorse di trasmissione quanto più precisa si desidera la codifica della H da trasmettere.

Gran parte degli approcci fin qui descritti si basano sul presupposto di avere a che fare con segnali a banda stretta ovvero per i quali si verificano le condizioni di fading piatto, impedendo di aumentare troppo la velocità di trasmissione ovvero l’occupazione di banda, a causa dell’aumento di complessità della procedura di equalizzazione che si renderebbe necessaria. Ciò non è più vero nel caso della trasmissione ofdm, per la quale la banda a disposizione è suddivisa in P sotto-canali di banda ridotta su ciascuno dei quali trasmettere una frazione del flusso informativo complessivo, rendendo l’ipotesi di H(f) costante verificata per ciascun sotto-canale. In pratica è come avere a disposizione P diverse trasmissioni mimo, su ciascuna delle quali applicare le tecniche discusse, con valutazioni di compromesso potenzialmente differenti per ciascuna sottoportante. A questo aspetto sono da aggiungere due ulteriori vantaggi di una trasmissione mimo-ofdm: il primo deriva dalla semplicità con cui l’odfm consente di equalizzare la distorsione lineare subita da ciascuna sottoportante, mentre la seconda è la possibilità di assegnare sottoportanti diverse ad utenti differenti per realizzare con facilità un sistema multiutente.

La trasmissione broadcast attuata dai sistemi di radio e tv digitale si basa su molteplici antenne disseminate sul territorio che trasmettono tutte il medesimo segnale ofdm, allo stesso tempo e nella stessa regione di frequenza, secondo un approccio [1183]   [1183] Al contrario, le tecniche di broadcast analogico (cap. 25) su scala nazionale prevedono l’uso di regioni di frequenza diverse per lo stesso canale trasmesso in bacini di propagazione differenti, in cui questi ultimi sono definiti dalle condizioni di visibilità legate alla conformazione del territorio. noto come single frequency network o sfn [1184]   [1184] Vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/Single-frequency_network. Ciò richiede una stringente sincronizzazione sia nel tempo che in frequenza (derivata dal sistema gps) in modo che il ritardo relativo dei segnali che pervengono ad un medesimo destinatario ricada tutto entro i limiti del tempo di guardia del simbolo ofdm.