Применение технологии MIMO в системах радиосвязи. Учебно-методическое пособие

Кроме обработки данных процессором принятых данных на приемной стороне, также в процессоре периодически определяется матрица предварительного кодирования для использования на передающей стороне. Процессор данных передачи формирует сообщение, которое передается от приемной стороны на передающую сторону по линии обратной связи и содержит сведения о матрице предварительного кодирования (это может быть матрица пространственно-временного кодирования). Сообщение, после модуляции и кодирования передаваемое по линии обратной связи наряду с информацией о матрице предварительного кодирования, может также содержать различные сведения о радиоканале и принятых потоках данных. На передающей стороне сигналы, переданные по линии обратной связи, демодулируются, декодируются и обрабатываются процессором принятых данных, чтобы восстановить исходное сообщение, переданное от приемной стороны. С помощью этого сообщения в процессоре на передающей стороне определяется, какую матрицу предварительного кодирования использовать – например, для определения весовых коэффициентов для формирования лучей диаграммы направленности при использовании технологии Beamforming. Предварительное кодирование и пространственно-временное кодирование, о котором речь пойдет ниже, следует отличать от помехоустойчивого кодирования, которое упоминалось выше как «кодирование».

Пространственно-временное кодирование (STC)

Как было сказано выше, пропускная способность систем радиосвязи может быть существенно увеличена путем использования многих передающих и приемных антенн (технология MIMO). Технология MIMO также позволяет повысить надежность передачи информации в условиях замираний с помощью пространственно-временного кодирования.

Рассмотрим далее технологию пространственно-временного кодирования (STC, Space-Time Coding). Эта технология разработана для использования в системе MIMO. Такое кодирование осуществляется как в пространственной, так и во временной областях. Технология STC в условиях замираний в радиоканале MIMO позволяет уменьшить количество ошибок на приемной стороне, т.е. повысить надежность радиосвязи. Пространственно-временное кодирование обеспечивает пространственное разнесение на передающей стороне и усиление по мощности на приемной стороне, по сравнению с системами без использования технологии STC, без расширения полосы частот.

11

Существуют различные структуры пространственно-временного кодирования. Главной задачей во всех этих структурах является эффективное использование явления многолучевого распространения радиоволн (многолучевости) для достижения высокой спектральной эффективности и улучшения энергетических характеристик систем связи (например, надежности радиосвязи).

Мы далее рассмотрим пространственно-временные коды, начиная с первого STC-кода, предложенного С. Аламоути [21] для двух передающих антенн, а также рассмотрим другие STC-коды с большим числом передающих антенн, предложенные позже.

Рис. 5. Блок схема применения пространственно-временного кодера Аламоути в системе MIMO с двумя передающими антеннами

Основной особенностью схемы Аламоути является достижение полного выигрыша от пространственного разнесения на передаче с использованием простого алгоритма декодирования, оптимального по критерию максимального правдоподобия (МП).

На рисунке 5 показана блок-схема применения пространственновременного кодера Аламоути в системе MIMO с двумя передающими антеннами.

В пространственно-временном кодере Аламоути каждая группа m информационных битов сначала модулируется, т.е. m битов отображаются в один информационный символ. Затем блок из двух информационных символов s1 и s2 отображается на две передающие антенны в соответствии с матрицей пространственно-временного кодирования, которая определяется выражением

.

Выходные сигналы кодера передаются на двух последовательных временных интервалах передачи 1 и 2 с помощью двух передающих антенн 1 и 2. В течение первого интервала два информационных символа

12

s1 и s2 передаются одновременно с помощью двух антенн 1 и 2, соответственно. В течение второго интервала сигнал -s2’ передается с помощью антенны 1 и сигнал s1’ передается с помощью антенны 2, где «штрих» означает комплексное сопряжение. Поскольку кодирование осуществляется в пространственной и временной областях, схему Аламоути можно представить в виде следующей таблицы.

Таблица 1

Принцип передачи информационных символов в схеме Аламоути

Антенна 1

Антенна 2

Также для удобства обозначим передаваемые с помощью 1 и 2 антенн последовательности информационных символов следующими векторами:

Ключевой особенностью схемы Аламоути является то, что передаваемые с помощью двух антенн последовательности информационных символов ортогональны друг другу, т.е. их скалярное произведение равно нулю:

Для матрицы S характерно следующее свойство:

где - единичная матрица размерности 2 на 2.

13

Рис. 6. Приемник для схемы Аламоути

Рассмотрим приемник для схемы Аламоути, блок-схема которого показана на рисунке 6. Пусть на приемной стороне используется одна антенна (на рисунке она будет без обозначения, а передающие антенны будут обозначены как антенна 1 и антенна 2). Коэффициенты передачи канала с замираниями от первой передающей антенны к приемной антенне и от второй передающей антенны к приемной антенне в момент

времени t1 обозначаются символами h1 t1 и h2 t1 , соответственно. Будем полагать, что эти коэффициенты постоянны в течение двух

соседних интервалов передачи t1 и t2 , тогда они могут быть записаны в следующем виде:

где и , и – амплитуды и фазовые сдвиги для коэффициентов передачи от передающих антенн к приемной антенне.

14

На приемной стороне сигналы и , принятые за 1 и 2 соседние

интервалы передачи, соответственно, могут быть представлены в следующем виде:

нулевым средним и дисперсией , представляющие собой отсчеты

аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) в моменты времени t1

и t2 , соответственно.

Будем полагать, что для пространственного декодирования используются коэффициенты передачи и , которые могут быть

идеально оценены на приемной стороне. В декодере, оптимальном по критерию максимального правдоподобия (МП), выбираются

информационные символы и из сигнального созвездия для

данного вида модуляции, при этом предполагается, что все информационные символы в этом сигнальном созвездии равновероятны. Оптимальный по критерию МП декодер минимизирует следующую

метрику по всему множеству значений вектора этих информационных символов:

Алгоритм декодера, оптимального по критерию максимального правдоподобия, может быть записан в следующем виде:

.

Схема Аламоути может также быть распространена на случай многих приемных антенн. Схема пространственно-временного кодирования и передачи при этом остается такой же, как и для одной приемной антенны. Сигналы на входе приемных антенн с номерами i = 1,…,N

в два соседних момента времени t1 и t2 , соответственно, имеют вид:

15

Коэффициенты передачи по радиоканалу, которые присутствуют в этих формулах, характеризуют пути передачи от передающих антенн с номерами 1 и 2 к приемным антеннам с номерами i=1,…,N. Отсчеты шума представляют собой отсчеты шума для приемных антенн с номерами i=1,…,N для 1 и 2 соседних интервалов времени передачи.

Алгоритм декодера, оптимального по критерию максимального правдоподобия, для случая N приемных антенн может быть записан в следующем виде:

В этой формуле выражение в скобках можно записать в более простом виде, что предлагается в качестве упражнения (в предположении использования сигналов с модуляцией ФМ-М).

Рассмотренная схема Аламоути позволяет достигнуть полного пространственного разнесения на передаче с использованием алгоритма декодирования, оптимального по критерию МП. Основной особенностью схемы Аламоути является то, что последовательности информационных символов, передаваемые с помощью двух антенн, являются ортогональными, как было показано выше.

На основе схемы Аламоути были получены коды для произвольного числа антенн путем применения теории проектирования пространственно-временных кодов. Коды STC позволяют обеспечить полное пространственное разнесение на передаче. При этом для декодирования таких кодов возможно использовать простой алгоритм декодирования, оптимальный по критерию МП, в котором для случая ортогональных кодов осуществляется только линейная обработка принятых сигналов.

16

Структура кодера для STC-кода показана на рисунке 7. Код STC определяется матрицей S кодирования, которая имеет размерность M на L, где L – число временных интервалов для передачи одного блока кодированных информационных символов, М – число передающих антенн.

Рис. 7. Блок-схема STC-кодера

Рассмотрим принцип STC-кодирования с помощью матрицы S. Пусть от источника информации поступает блок m информационных бит, эти биты преобразуются в информационные символы. Сигнальное созвездие, из которого берутся информационные символы, состоит из 2m точек, представляющих множество всех возможных для данного вида модуляции информационных символов. Сначала блок m информационных бит отображается в совокупность M информационных символов, которые берутся из сигнального созвездия, при этом каждая группа из m информационных бит преобразуется в определенный информационный символ в соответствии с видом модуляции. Далее модулированные сигналы (информационные символы) кодируются в STC-кодере, на выходе которого в соответствии с матрицей S генерируются параллельные последовательности символов длины L. Полученные последовательности одновременно передаются с помощью M антенн за L временных интервалов.

Таким образом, матрица S кодирования определяет структуру передачи информационных символов в зависимости от номера антенны и номера временного интервала передачи. На вход STC-кодера поступает M информационных символов, число которых в нашем случае равно числу M передающих антенн, а число временных интервалов, требуемых для передачи этих символов посредством M антенн, равно L.

Скорость STC-кода определяется отношением числа M информационных символов на входе STC-кодера к числу временных интервалов, за которые эти символы передаются посредством каждой антенны:

.

17

Спектральная эффективность STC-кода имеет размерность бит/с/Гц и определяется следующим выражением:

где Rb – битовая скорость и Rs – символьная скорость,

соответственно, а B – полоса частот для передачи. Таким образом, спектральная эффективность растет с увеличением числа M передающих антенн и уменьшается с увеличением числа L временных интервалов, требуемых для передачи M информационных символов (мы полагаем, что число информационных символов равно числу передающих антенн).

Рассмотрим теперь структуру матрицы S кодирования. Элементы матрицы S представляют собой линейные комбинации информационных

символов s1; sM и комплексно сопряженных с ними символов

sM . Для достижения полного разнесения на передаче порядка M, равного числу передающих антенн, матрица кодирования строится на основании ортогонального проектирования, такого, чтобы выполнялось следующее условие:

где Const – константа, штрихом обозначено эрмитово сопряжение матрицы S кодирования, и последняя матрица в формуле – единичная матрица размерности M на M. Каждая строка матрицы кодирования S представляет информационные символы, которые передаются последовательно за L временных интервалов с помощью передающей антенны, номер которой соответствует номеру этой строки матрицы S кодирования. Каждый столбец матрицы S кодирования представляет символы, которые одновременно передаются с помощью всех M передающих антенн за один временной интервал, номер которого соответствует номеру этого столбца матрицы S кодирования. Элемент

s j1 матрицы S кодирования, находящийся на пересечении j-й строки

и l-го столбца, представляет сигнал (информационный символ), передаваемый с помощью антенны с номером j = 1,…,M в интервал времени с номером l = 1,…,L.

Было показано, что скорость R кода STC с полным разнесением на передаче меньше или равна одному, т.е. R≤1. Код STC со скоростью R=1 (полной скоростью) не требует увеличения полосы частот для передачи,

18

а STC-код со скоростью R<1 (не полной скоростью) требует расширения в 1/R раз полосы частот для передачи.

Как уже было сказано выше, для построения кодов STC применяется ортогональное проектирование. Принцип ортогонального проектирования состоит в том, чтобы строки матрицы передачи S были ортогональны друг другу. Это означает, что в каждом блоке последовательности сигналов, передаваемых посредством двух антенн, являются ортогональными, т.е. их скалярное произведение равно нулю. Запишем скалярное произведение для двух таких последовательностей, передаваемых с помощью двух различных антенн (с помощью j-й

антенны передается последовательность sj , а с помощью k-й антенны передается последовательность sk ):

Ортогональность позволяет получить полное разнесение на передаче для данного числа M передающих антенн. На приемной стороне ортогональность позволяет различать сигналы, передаваемые с помощью различных антенн. Для декодирования при этом можно использовать простой алгоритм, оптимальный по критерию МП, поскольку в случае ортогональности этот алгоритм будет основан только на линейной обработке принимаемых сигналов, т.е ортогональность позволяет упростить STC-декодер.

Применение технологий MIMO и Beamforming в системах радиосвязи. Режимы технологии MIMO

Технология использования многих передающих и многих приемных антенн (MIMO) и технология формирования лучей диаграммы направленности (Beamforming) для систем радиосвязи весьма перспективны, поскольку позволяют увеличить пропускную способность, повысить надежность передачи и расширить зону покрытия систем радиосвязи благодаря использованию многих антенн [7; 14-19]. Для современных и будущих систем радиосвязи (4G и 5G) технология MIMO является одной из основных.

19

Хотя принципы технологий MIMO и Beamforming известны давно, они не использовались до недавнего времени в коммерческих системах радиосвязи в основном из-за высоких вычислительных затрат на обработку сигналов для этих технологий, недостаточной производительности процессоров и высокой стоимости оборудования, обеспечивающего работу этих технологий. В настоящее время производительность процессоров существенно увеличивается, и их стоимость уменьшается, что стимулирует внедрение технологий MIMO и Beamforming в системах радиосвязи.

Впоследнее время требования к скоростям передачи и объемам передаваемых данных в системах радиосвязи увеличиваются. Для широкополосных систем подвижной радиосвязи требуются новые решения по предоставлению услуг абонентам с минимальными финансовыми затратами и затратами ресурсов, особенно использования частотного ресурса. Технологии MIMO и Beamforming широко используются для решения указанных выше задач, а также разработчики оборудования систем радиосвязи предлагают решения совместного использования этих технологий.

Всистемах радиосвязи технология MIMO может использоваться как при передаче по линии "вниз" (от базовой станции к абонентской стации), так и при передаче по линии "вверх" (от абонентской станции или нескольких станций к базовой станции). Технология MIMO может работать в следующих режимах:

пространственное мультиплексирование (MIMO-SM, Spatial Multiplexing),

пространственно-временное кодирование (MIMO-STC, Space-Time Coding), также известное как режим пространственного разнесения на передаче (STTD, Space Time Transmit Diversity),

объединенный режим (Collaborative MIMO),

применение технологии MIMO для случая многих абонентов

(Multiuser MIMO, MU-MIMO) .

Технология MIMO с режимами пространственно-временного кодирования (MIMO-STC) и пространственного мультиплексирования (MIMO-SM) поддерживаются современными системами радиосвязи. Поскольку эти технологии имеют различные преимущества и недостатки в зависимости от условий распространения в радиоканале, для наилучшего их применения возможно использование динамического переключения между этими двумя режимами для обеспечения наилучших характеристик системы MIMO.

20