3.3. Некоторые вопросы многоантенной техники

Из материалов главы и приведенных в ней графиков видно, что эффективность многоантенных систем растет с ростом числа передающих и приемных антенн. Можно сформулировать три условия, при выполнении которых при­менение многоантенной техники оказывается эффективным средством по строения высокоскоростных систем связи. Во-первых, SNR в системе должно быть достаточно высоким. Во-вторых, канал должен быть многолучевым. В-третьих, пространственные размеры системы не должны быть слишком ма­лыми. Физическое, качественное обоснование этих трех требований понятно.

1. Только при высоком SNR возможны разделение мощности по различным пространственным каналам и параллельная передача информации. Ранее при расчетах и построении графиков полагалось, что SNR в системе достаточно велико. Именно по этой причине MIMO- и SDMA-системы стро­ятся для передачи информации на сравнительно малые расстояния, когда уровень сигнала достаточно высок.

2. Если сигнал от передатчика к приемнику распространяется по одному пути, канал однолучевой, то построение различных пространственных кана­лов невозможно. Только в многолучевом радиоканале возможно построе­ние различных пространственных каналов и параллельная передача информации по ним.

3. При малых пространственных размерах системы становится невозможным разнесение антенн и разделение различных пространственных лучей.

В заключительном разделе затронуты некоторые пути преодоления упомяну­тых ограничений в многоантенных системах. Это вопросы кооперации поль­зователей, кооперации базовых станций и задача разработки специальных антенных систем для многоантенной техники.

Вопросы кооперации отдельных мобильных пользователей в системе связи рассмотрены в работах [14, 15]. В этих работах при передаче информации от двух подвижных пользователей к базовой станции пользователи коопериру­ются. То есть пользователь 1 часть времени тратит на передачу собственной информации, а часть — на передачу информации, которую он получает от пользователя 2. Аналогичную стратегию использует и пользователь 2. Показано [8], что при такой кооперации увеличивается пропускная способность системы и уменьшается вероятность срыва связи в ней. Во второй части [15] рассматривается реализация кооперации в CDMA-системе. Результаты расче­тов и моделирования подтверждают, что кооперация пользователей действи­тельно приводит к улучшению характеристик системы.

Конечно, объединение не только мобильных пользователей, но и стационар­ных базовых станций приводит к увеличению общего числа антенн и расши­ряет возможности многоантенной техники в построении систем связи с высокой спектральной эффективностью. Для такого объединения базовые станции необходимо соединить высокоскоростными, например, радиорелейными или оптическими, линиями связи. Такое объединение базовых станций можно рассматривать как единую передающую систему с очень большим количеством передающих антенн. Это, в свою очередь, дает возможность построить систему связи с большим числом пространственных каналов и достичь большой спектральной эффективности и высоких скоростей переда­чи информации.

Следует отметить еще одну важную выгоду от объединения базовых станций. MIMO-системы связи с одной базовой станцией эффективны только в многолучевом канале в среде с большим числом рассеивателей. Только в этом случае вторичные источники, отражающие объекты, оказываются разнесенными в пространстве и могут различаться антенными системами. При объединении базовых станций их антенны оказываются разнесенными в пространстве даже при отсутствии рассеивателей, т.е. при объединении базовых станций высокоскоростные MIMO- и SDMA-системы могут проектироваться и использоваться даже в том случае, когда их построение невозможно, если базовые станции работают независимо друг от друга.

Перейдем, наконец, к вопросу о пространственных размерах МIМО-систем связи. Этот вопрос особенно важен для подвижных пользователей, размеры аппаратов которых жестко ограничены. В [8] поставлена задача о возможно­сти применения многоантенной техники в аппаратуре ограниченных пространственных размеров. Задача сформулирована следующим образом: какую максимальную скорость передачи информации можно получить в многолучевом радиоканале, если пространственные размеры области приема заданы? Какое число пространственных каналов при этом следует использовать? При решении этой задачи оказалось удобным ввести понятие "потенци­альной" антенны. Так названа гипотетическая антенна, которая извлекает всю информацию, содержащуюся в электромагнитном поле в заданной об­ласти приема. Приближением к потенциальной антенне является система многочисленных датчиков поля, расположенных в дискретных точках облас­ти приема.

Приведем некоторые результаты исследования многолучевых радиоканалов с потенциальными антеннами. Показано, что в трехмерном многолучевом ка­нале даже в том случае, когда пространственные размеры d области приема много меньше длины волны (d « λ), оптимальное число пространственных каналов равно шести. При многолучевом распространении все компоненты электрического и магнитного полей оказываются независимыми и раздельное их измерение дает 6 пространственных каналов. Заметим, что при больших SNR MIMO-система с шестью пространственными каналами примерно в 6 раз эффективнее одноканальной системы.

Установлено, что оптимальное число пространственных каналов быстро рас­тет с увеличением размеров области приема. Так, при сферической области приема диаметром вдвое большем длины волны (d = 2λ), при SNR = 20 дБ оптимальное число пространственных каналов равно 60. Удельная пропуск­ная способность при этом оказывается 70 бит/с·Гц. Эта величина более чем в 10 раз превышает пропускную способность одноканальной системы, рав­ную при SNR 20 дБ 6,7 бит/с · Гц.

Приведенные результаты показывают, что многоантенная техника может су­щественно улучшить характеристики беспроводных систем связи. Применение МВМО-техники позволит значительно увеличить скорость передачи ин­формации и эффективность использования спектра в следующем поколении систем WiMAX.