26. Телекомунікаційні мережі з технологією mimo. Процеси у багатопроменевому каналі. Параметри. Математичні моделі. Методи розділення просторових каналів(16).

1. Общие сведения

Использование нескольких пространственных каналов приводит к повышению пропускной способности системы. В случае ухудшения условий приема сигналов система с несколькими пространственными каналами позволяет повысить качество передачи информации за счет перевода ее в режим «дублирования» – передачи одной и той же информации по нескольким пространственным каналам. При этом скорость передачи информации снижается.

Система MIMO , в общем виде, представлена на рис 1.

Рис. 1. Обобщенная схема системы радиодоступа MIMO

Модуляционные символы поступают на преобразователь потока данных ППД, который преобразует последовательный поток модуляционных символов в M параллельных потоков. Каждый из выходов ППД выходит на свой передатчик Пд_i. Затем сигналы излучаются в радиоканал.

Матрицу столбец сигналов передающего устройства из N канальных передатчиков и матрицу столбец приемного устройства из N канальных приемников можно записать в виде

, . (1)

Передаточная функция многолучевого канала описывается матрицей

, (2)

где – передаточная функция между i-й передающей и j-й приемной антенной.

Сигналы, принятые антеннами на приемном конце линии связи связаны с сигналами на передающем конце матричным соотношением

. (3)

Определить, какие сигналы были переданы можно с помощью устройства, установленного на приемной стороне системы связи и решающего систему из линейных уравнений с неизвестными. В матричной форме решение имеет вид

. (4)

Для решения задачи необходимо знать матрицу передачи . Значения элементов матрицы можно определить, например, посылая известный тестовый (пилотный) сигнал поочередно через каждую из передающих антенн при выключенных остальных и замеряя уровни сигнала на всех приемных антеннах в каждом случае.

Система уравнений существует, если ранг матрицы равен 2 или больше. При ранге равном 1 система вырождается в одноканальную. Ранг матрицы для системы MIMO не может превышать min{M,N}, где М – число передающих, а N – число приемных антенн. Число антенн на передаче и на приеме не обязательно равное. Существует следующая классификация:

1. MIMO (Multi Input Multi Output) M>1, N>1; а) M=N; б) M>N; в) M<N.

2. MISO (Multi Input Single Output) M>1, N=1.

3. SIMO (Single Input Multi Output) M=1, N>1

4. SISO (Single Input Single Output) M=1, N=1 (случай вырождения MIMO в одноканальную систему).

Ранг матрицы зависит не только от числа передающих и приемных антенн. Увеличение степени корреляции элементов в матрице канала MIMO приводит к уменьшению ранга матрицы, а корреляция в свою очередь зависит как от параметров антенн и их пространственного разнесения, так и от рассредоточения группировки объектов в пространстве между антенными структурами на передающей и приемной стороне системы. В данном случае рассматриваются только те объекты, которые могут вызывать явления отражения, рассеяния, преломления и дифракции волн и в результате суммарного действия этих объектов или их группировки в пространстве влиять на степень корреляции элементов матрицы.

2. Три метода разделения пространственных каналов.

Пространственное разделение каналов в системах MIMO может осуществляться тремя основными методами.

Первый метод основан на использовании классического пространственного разделения каналов за счет использования направленных антенн (рис. 2). При уменьшении расстояния между антеннами l корреляция элементов матрицы H увеличивается, при ранг матрицы r = 1, и разделить каналы не возможно Предел разрешающей способности – по критерию Релея . Как видно на рис.2, уменьшение l приводит к увеличению h₁₂ (h₂₁.) Они стремятся к h₁₁ (h₂₂) и разделение каналов становится невозможным. Сигналы собственного канала и канала влияния становятся равными и не различимыми.

Рис.2. Пространственное разделение каналов классическим методом

Метод пространственного разделения каналов классическим способом в системах MIMO практического распространения не получил. Область его применения ограничена. Размеры антенн с достаточно узкой диаграммой направленности (ДН) велики, а при увеличении пространственного разноса антенн габариты антенных структур еще больше возрастают. Кроме того, для повышения помехозащищенности в условиях замираний в многолучевом канале необходимо обеспечить независимость замираний сигнала в разных ветвях приема, а этого можно достичь при расстояниях между антенными элементами на приеме не менее 10λ.

Второй метод заключается в применении на приемной стороне цифровых антенных решеток с электронным управлением луча (Smart Antennas) . Например, в случае двух сигналов, с помощью приемной smart антенны можно сформировать два независимых луча ДН и сориентировать их в направлениях максимальной приходящей мощности. Для увеличения углового разноса трасс прохождения сигналов можно искусственно ориентировать ДН передающей антенны не в направлении приемника, а в сторону мощного переотражателя (высотного здания и т.п.).

Если же различия в направлениях приема сигналов не превышают ширины главного луча результирующей приемной ДН, а остальные их параметры совпадают, сигналы передатчика MIMO могут быть разделены на основе методов углового "сверхразрешения". Это третий метод пространственного разделения каналов. Поясним сущность одной из таких процедур.

Если угловые координаты (β_m) излучателей относительно нормали к приемной антенне известны, задача разделения сигналов, излученных парой антенн, сводится к решению системы уравнений, составленных по одному отсчету АЦП:

где y₁, y₂ - выходные напряжения приемных антенн; х₁, х₂ - неизвестные комплексные амплитуды излученных сигналов; h₁(β_m), h₂(β_m) - известные значения ДН приемных антенных элементов в направлениях источников излучения.

Неизвестные угловые координаты источников излучения β_m определяются на этапе вхождения в связь при цифровом формировании ДН, для этого можно применять нелинейные математические операции - например, процедуру Кейпона (рис. 3). В результате ДН подобных приемных антенн (являющиеся виртуальными функциями) будут крайне узконаправленными и остроконечными, что позволяет повысить пространственную избирательность антенной системы. Характерно, что передавать сигналы в данном случае может антенна с широкой ДН. Это особенно важно, поскольку при нелинейной обработке принцип взаимности не выполняется, и воспроизвести столь же остроконечные ДН для передающей антенны невозможно.

Рис.3. Эффект «сверхрэлеевского» разрешения двух сигналов по методу Кейпона

Схему приемного устройства (рис.4), которое можно использовать в системах MIMO, и его теоретические исследования можно найти в работе Уидроу. Такая антенная решетка АР должна применяться в каждом из каналов MIMO.

Рис. 4. Использование адаптивных АР с алгоритмом максимального правдоподобия и повышенной разрешающей способностью

Из сравнения формул для неадаптивной и адаптивной систем следует, что ширина луча адаптивной антенной системы на уровне -3дБ меньше и отличается множителем

,

где N – число элементов в адаптивной антенной решетке; – мощность сигнала; – мощность шума.

Следует отметить, что в режиме MIMO цифровое диаграммообразование со "сверхразрешением" быстро теряет свою эффективность с увеличением расстояния передачи. Например, в базовой станции (БС) "сверхразрешение" сигналов двух излучателей терминалов можно реализовать на расстояниях в сотни метров, а при большем числе независимых элементов в передающей антенне - и того меньше. Иное дело - прием сигналов БС самим терминалом. Как правило, в MIMO-системах на БС может быть создан сравнительно большой разнос антенных элементов - до 10 длин волн. Это обеспечивает лучшую декорреляцию сигналов в режиме передачи на терминал. Потенциально такое решение позволяет применять разные методы для разделения MIMO-каналов в отношении входящего и исходящего трафиков.