4.5Прием/передача множеством антенн
Беспроводные системы связи не могут одновременно передавать несколько сигналов на одной частоте из-за интерференции волн. Для повышения эффективности использование частотного ресурса разработана технология MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output - множественный вход, множественный выход), суть которой заключается в использовании нескольких антенн как на передающей, так и на приемной сторонах для пространственного мультиплексирования сигналов для одновременной передачи различных сигналов на одной частоте. Как таковое пространственное мультиплексирование возможно в условиях плотной городской застройки вследствие многократных отражений сигналов от препятствий.
MIMO представляет собой технологию передачи данных с помощью N-антенн и приема информации M-антеннами. При этом принимающие и передающие сигнал антенны разнесены между собой на такое расстояние, чтобы получить слабую степень корреляции между соседними антеннами (рис. 1.20).
Рисунок 1.20 – Антенные системы технологии LTE
Принцип MIMO для однопользовательского и многопользовательского вариантов отражен на рис. 1.21.
Рисунок 1.21 – Принцип MIMO (2 x 2)
В общем случае технология MIMO обеспечивает:
расширение зоны покрытия радиосигналами и сглаживание в ней мертвых зон;
использование нескольких путей распространения сигнала, что повышает вероятность работы по трассам с замираниями, переотражениями и т.п.;
увеличение пропускной способности линий связи за счет формирования физически различных каналов (разделенных пространственно, с помощью ортогональных кодов, частот, поляризационных мод).
Строго говоря, существует три вида технологии MIMO, как показано на рис. 1.22:
SU-MIMO – одиночный пользователь MIMO;
Beamforming SU-MIMO – формирование луча в SU-MIMO;
MU-MIMO – многопользовательский MIMO.
Рисунок 1.22 – Виды технологий MIMO
Тип (а) SU-MIMO рассматривается как основной метод, но требует высокой производительности терминалов для компенсации помех и комплексной обработки сигналов. В типе (б) Beamforming SU-MIMO антенна управляется (формируется направленный луч) базовой станцией, уменьшая этим нагрузку на абонентские терминалы. Дальнейшим расширением типа (б) является тип (с) - многопользовательский MIMO (MU-MIMO), технология для соединения с несколькими терминалами. По сравнению с типами (а) и (б), которые могут быть отнесены к однопользовательской MIMO, многопользовательский MU-MIMO позволяет достичь более высокой емкости передачи в системе с простыми терминалами.
Таким образом, при наличии технологии MIMO эффективность использования полосы пропускания по всей ячейке заметно возрастает. Но переход от технологии (а) к (б) и далее к (с) требует все более технологически сложного оборудования системы. Конечно, на самом деле все не так просто - требуется более сложный протокол (как дать клиенту знать, какие поднесущие - его?), более сложная обработка сигналов (удорожание клиентского и базового оборудования), контроль роуминга, да и сама технология MU-MIMO использует не только разделение поднесущих OFDM по пользователям.
Технология многопользовательского MIMO позволяет повысить скорость беспроводной передачи за счет увеличения числа антенн на базовой станции и терминале абонента, не потребляя при этом большого частотного ресурса и не увеличивая уровень модуляции (что требует наличия лучшего соотношения сигнал/шум).