Применение технологии MIMO в системах радиосвязи. Учебно-методическое пособие

План УМД на 2015/16 уч.г.

Учебно-методическое пособие

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ MIMO В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ

Составители: В.Б. Крейнделин, д.т.н., профессор Д.Ю. Панкратов, к.т.н., доцент

В учебно-методическом пособии рассмотрены различные виды технологии MIMO, общая схема и математическая модель системы. Рассмотрены различные режимы работы технологии MIMO: пространственное мультиплексирование (SM) и пространственновременное кодирование (STC) и другие режимы, которые применяются или будут применяться как в современных (3G и 4G), так и в будущих (5G) системах радиосвязи. Подробно рассмотрена схема Аламаути и ее обобщение на произвольное число антенн. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей, а также для всех учащихся, интересующихся данной областью техники.

Издание утверждено советом факультета РиТ. Протокол № 9

от 21.05.2015 г.

Рецензент С.С. Тарасов, доцент

2

Введение

Системы радиосвязи широко используются для предоставления различных видов информации, таких как речь, данные, передача видео в реальном времени и т.д. абонентам таких систем, при этом в настоящее время требования к скоростям передачи для каждого отдельного абонента (абонентской станции) существенно возросли, увеличивается количество информации, которое как передается, так и принимается от абонентских станций [2; 10; 17].

Связь со многими абонентами организуется за счет распределения доступных системных ресурсов, например, полосы частот и мощности передачи. Такое распределение осуществляется с помощью технологий многостанционного доступа, которые используются в системах радиосвязи. Кратко перечислим эти технологии:

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов

(Frequency Division Multiple Access, FDMA),

Многостанционный доступ с временным разделением каналов

(Time Division Multiple Access, TDMA),

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов

(Code Division Multiple Access, CDMA),

Многостанционный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA),

Многостанционный доступ с пространственным разделением каналов (Spatial Division Multiple Access, SDMA).

Спомощью технологий многостанционного доступа система радиосвязи одновременно поддерживает связь со многими абонентскими станциями. Абонентские станции обмениваются информацией с базовыми станциями по прямой линии связи (от базовых к абонентским станциям) и обратной линии связи (от абонентских к базовым станциям).

Для организации прямой и обратной линий связи могут поддерживаться технологии частотного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD) и временного дуплекса (Time Division Duplex, TDD). При

FDD прямая и обратная линии связи организуются в разных частотных областях, а при TDD прямая и обратная линии связи организуются на одной частоте, но в разных временных интервалах. Таким образом, в случае TDD оценивание параметров радиоканала для прямой линии связи эквивалентно оцениванию параметров радиоканала для обратной линии связи.

3

Структурная схема системы радиосвязи с применением технологии MIMO. Классификация антенных систем технологии MIMO

Общую структурную схему системы радиосвязи, например, системы подвижной радиосвязи, мы здесь рассматривать не будем (смотрите соответствующую литературу [15; 20]). Перейдем к рассмотрению технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output – много входов, много выходов), которая позволяет осуществлять многостанционный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA).

Рис. 1. Система радиосвязи с применением технологии MIMO

На рисунке 1 показана система радиосвязи многостанционного доступа с группами антенн для формирования лучей диаграммы направленности [19]. Базовая станция имеет группы антенн, каждая из которых включает в себя несколько антенн, число которых может быть различным для каждой группы. Базовая станция передает информацию абонентским станциям по прямым линиям связи и принимает информацию от абонентских станций по обратным линиям связи с помощью групп антенн. При использовании FDD прямые линии и обратные линии используют разные частоты, а при использовании TDD прямые и обратные линии связи работают в одной полосе частот, что существенно облегчает оценивание параметров канала. Группа антенн или область, в которой они обеспечивают радиосвязь, называется сектором.

В системе MIMO может использоваться технология формирования лучей диаграммы направленности (Beamforming) для улучшения отношения сигнал/шум (ОСШ) при радиосвязи по прямым линиям. Базовая станция, которая использует эту технологию для передачи

4

информации абонентским станциям, распределенным случайным образом в данной области покрытия (секторе), создает меньшие помехи абонентским станциям в соседних секторах по сравнению со случаем использования отдельной антенны, обеспечивающей радиосвязь по направлению ко всем абонентским станциям в данном секторе.

Базовая станция может также называться точкой доступа, а абонентская станция может называться абонентским оборудованием или терминалом, можно встретить и другие названия.

Технология MIMO широко применяется в современных системах радиосвязи в сочетании с алгоритмами кодирования и модуляции [7; 14-19]. Благодаря использованию нескольких передающих и нескольких приемных антенн технология MIMO позволяет существенно повысить пропускную способность систем радиосвязи по сравнению с традиционными системами с одной передающей и одной приемной антеннами. Рассмотрим теперь классификацию антенных систем технологии MIMO [Ошибка! Источник ссылки не найден.16].

Рис. 2. Виды антенных систем

В системе радиосвязи связь между базовой и абонентской станциями может устанавливаться с помощью антенной системы, имеющей одну или несколько антенн как на передающей, так и на приемной стороне. Эти антенные системы можно классифицировать так:

Система с одной передающей антенной и одной приемной антенной (одним входом и одним выходом, Single-Input Single

Output, SISO),

5

Система с многими передающими и одной приемной антенной (многими входами и одним выходом, Multiple-Input SingleOutput, MISO),

Система с одной передающей и многими приемными антеннами (одним входом и многими выходами, Single-Input Multiple Output, SIMO),

Система с многими передающими и многими приемными антеннами (многими входами и многими выходами, MultipleInput Multiple-Output, MIMO).

Модель системы MIMO

Рассмотрим модель системы MIMO с M передающими антеннами и N приемными антеннами, в которой вектор принимаемых сигналов на входе приемника имеет следующий вид [14]:

y = Hs + n ,

где y – вектор принимаемых сигналов на входе приемника размерности

N 1, H – комплексная матрица радиоканала системы MIMO

размерности N M (каждый элемент hij матрицы H представляет собой комплексный коэффициент передачи от j -й передающей антенны

n – комплексный гауссовский случайный вектор белого (некоррелированного) шума на входе приемника размерности N 1 с нулевым

средним ( n2 – суммарная дисперсия действительной и мнимой частей компоненты вектора шума в одной приемной антенне). Мощность,

Можно полагать, что элементы вектора s являются независимыми дискретными случайными величинами с единичными дисперсиями – их независимость основана на предположении, что комплексные информационные символы получаются в результате модуляции независимыми двоичными символами от источника информации.

Дисперсии элементов вектора s предполагаются одинаковыми, поскольку предполагается, что в рассматриваемой системе MIMO для всех передающих антенн используются сигналы с одинаковым способом

6

модуляции (одинаковыми сигнальными созвездиями). Дисперсии

элементов вектора s нормированы к единице для упрощения применения рассматриваемой модели для моделирования.

Предполагается, что в радиоканале MIMO имеются релеевские замирания. Это означает, что каждый элемент матрицы H является комплексной гауссовской случайной величиной с нулевым средним. Модуль этой случайной величины распределен по релеевскому закону, а

аргумент имеет равномерное распределение внутри интервала ; .

Элементы матрицы H могут быть некоррелированными или коррелированными между собой. Соответственно, радиоканал MIMO с такой матрицей может быть некоррелированным или коррелированным релеевским радиоканалом MIMO.

Определим среднее отношение сигнал/шум в одной приемной антенне следующим образом. Текущее отношение сигнал/шум в i-й приемной антенне описывается соотношением:

соотношение по распределению вектора s (учитывая сделанное выше допущение о независимости его элементов) и по распределению вектора

h(i) (при этом не используется требование некоррелированности его элементов). В результате получим соотношение [7]:

усреднение проводится по распределению матрицы H – и не зависит от конкретной реализации матрицы H .

Пропускная способность радиоканала системы MIMO

Пропускная способность радиоканала системы MIMO с заданной

где «штрих» означает операцию комплексного сопряжения и транспонирования. Пропускная способность в этом соотношении нормирована к ширине полосы частот радиоканала.

Соотношение пропускной способности является обобщением известной формулы К. Шеннона на случай радиоканала системы MIMO.

Если матрица H является детерминированной матрицей, то пропускная способность будет детерминированной величиной. Однако в реальных радиоканалах из-за наличия замираний элементы матрицы H являются случайными величинами – тогда пропускная способность будет случайной величиной. Распределение пропускной способности в этом случае будет определяться совместным распределением элементов

матрицы H , которое, в свою очередь, определяется свойствами радиоканала системы MIMO и, как правило, является многомерным гауссовским распределением (с нулевым средним – при отсутствии прямой видимости) [7].

Структурная схема системы MIMO

Рассмотрим подробнее систему MIMO [7; 14-19]. В системе MIMO для передачи информации используется M передающих антенн и N приемных антенн.

Радиоканал системы MIMO формируется как передающими, так и приемными антеннами и может быть записан с помощью матрицы H размера N на M (N строк и M столбцов) радиоканала системы MIMO, состоящей из коэффициентов передачи между каждой парой антенн (приемная и передающая). При условии независимых замираний для каждой пары антенн (передающая и приемная) радиоканал системы MIMO может быть разложен на rank ≤ min(M,N) независимых пространственных каналов. Чем больше ранг матрицы H, тем больше пространственных каналов и тем более высокую пропускную способность или помехоустойчивость (в зависимости от режима технологии MIMO) можно обеспечить с помощью технологии MIMO. Как показывают исследования, повышение пропускной способности за счет использования технологии MIMO достигается в городских условиях, когда замирания для разных пространственных каналов независимые, т.е. имеют место релеевские замирания уровней сигналов. Теоретически пропускная способность системы MIMO линейно растет с увеличением числа антенн [7; 16].

8

Рис. 3. Передающая сторона системы MIMO

На рисунках 3 и 4 приведены схемы оборудования базовой станции и абонентской станции системы MIMO. Данные поступают на процессор передачи, затем они разделяются на потоки в процессоре MIMO, и каждый поток данных передается с помощью соответствующей антенны. На основе набора соответствующих алгоритмов процессор данных передачи осуществляет кодирование и перемежение передаваемых данных. Кроме того, осуществляется мультиплексирование с пилотными данными, которые известны на приемной стороне и используются для оценивания коэффициентов передачи радиоканала (матрицы H радиоканала). Затем осуществляется преобразование данных в информационные символы согласно выбранному для каждого потока данных метода модуляции (например, ФМ-2, ФМ-4, ФМ-M или КАМ-M), т.е. для каждого потока может быть выбран свой вид модуляции и алгоритм кодирования. Таким образом, скорость передачи данных, алгоритм кодирования и вид модуляции для каждого потока данных определяются с помощью инструкций, выполняемых процессором.

После модуляции информационные символы для всех потоков данных поступают в процессор MIMO, который осуществляет дальнейшую их обработку. Если в системе MIMO для дальнейшей передачи используется технология OFDM, то информационные символы распределяются по поднесущим и осуществляется быстрое преобразование Фурье. Потоки модулированных символов направляются

9

на передатчики (Пд). При использовании технологии Beamforming процессор MIMO может также использовать весовые коэффициенты формирования лучей диаграммы направленности для различных потоков модулированных символов и различных антенн, с помощью которых эти символы передаются. В передатчиках (Пд) с помощью потоков символов формируются аналоговые модулированные сигналы, осуществляется их дальнейшее преобразование – например, усиление, фильтрация, перенос на более высокую частоту – для обеспечения их передачи по радиоканалу MIMO. Аналоговые модулированные сигналы M передатчиков излучаются с помощью M антенн и передаются по радиоканалу MIMO.

Рис. 4. Приемная сторона системы MIMO

На приемной стороне переданные модулированные сигналы принимаются с помощью антенн. Далее сигналы от каждой приемной антенны поступают в соответствующий приемник (Пм). В приемниках (Пм) осуществляется преобразование принятых сигналов – например, фильтрация, усиление, перенос на более низкую частоту. В результате цифровой обработки преобразованных принятых сигналов формируются дискретные отсчеты. Эти отсчеты обрабатываются, и получается поток информационных символов, принятых от приемников. Затем процессор принятых данных обрабатывает этот поток – осуществляется демодуляция, обратное перемежение и декодирование потока информационных символов для восстановления переданного (исходного) потока данных.

10