Применение технологии MIMO в системах радиосвязи. Учебно-методическое пособие

Применение технологии MIMO в городских условиях

Особенностью технологии MIMO является использование нескольких антенн на передающей стороне и на приемной стороне системы радиосвязи. Для повышения пропускной способности данные передаются в одной полосе частот с помощью нескольких передающих антенн параллельно и одновременно. На приемной стороне для восстановления переданных данных на основании принятых сигналов используется алгоритм цифровой обработки сигналов.

Ключевой особенностью технологии MIMO является использование явления многолучевого распространения радиоволн. Многолучевость в радиоканале обусловлена тем, что сигнал поступает на приемную сторону по нескольким путям, имеющим различные задержки во времени (например, вследствие отражения радиосигналов от зданий в городских условиях). В условиях многолучевости количество ошибок при приеме переданных данных возрастает, и характеристики системы радиосвязи ухудшаются. Однако в системе MIMO в отличие от традиционных способов приема сигналов, с помощью которых разработчики оборудования пытаются противостоять многолучевости, явление многолучевости используется для увеличения пропускной способности системы радиосвязи. Передаваемые и принимаемые с помощью нескольких передающих антенн данные представляют собой пространственные потоки, число которых определяется числом антенн. Соответственно, чем больше антенн, тем больше таких потоков данных и тем больше пропускная способность системы радиосвязи.

Исследования показали, что системы MIMO хорошо работают в условиях плотной городской застройки, однако на открытых пространствах и местностях с низкой плотностью застройки эффективность их работы снижается. Это объясняется тем, что в указанных условиях многолучевость снижается и пространственные потоки становится сложнее обеспечить.

Технология MIMO в режиме пространственно-временного

кодирования (MIMO-STC)

Благодаря технологии MIMO-STC вероятность правильного приема (надежность передачи) и декодирования данных в системе радиосвязи повышается. Преимущества технологии MIMO-STC особенно проявляются в системах подвижной радиосвязи, когда качество радиоканала может сильно меняться в зависимости от перемещения абонента.

21

Достоверность приема данных в радиоканале между базовой станцией и абонентской станцией повышается за счет передачи одного и того же потока данных с помощью различных антенн. Благодаря использованию различных антенн для передачи тех же данных обеспечиваются более надежные пространственные пути для передачи радиосигналов, т.е. увеличивается надежность передачи данных (пропускная способность системы может быть также увеличена, для этого используется режим MIMO-SM).

При использовании в системе MIMO, например, двух передающих и двух приемных антенн (конфигурация MIMO 2x2) базовая станция передает абонентской станции тот же кодированный поток данных двумя частями с помощью двух антенн (см. раздел о пространственновременном кодировании). В результате энергия переданного по радиоканалу сигнала удваивается, что увеличивает отношение сигнал/шум (ОСШ, SNR, Signal-to-Noise Ratio). Повышение ОСШ особенно важно, например, на краю соты в системе сотовой подвижной радиосвязи, что позволяет увеличить зону покрытия.

Технология MIMO в режиме пространственного

мультиплексирования (MIMO-SM)

В системе MIMO в режиме пространственного мультиплексирования (MIMO-SM) в отличие от режима MIMO-STC, различные данные передаются с помощью различных антенн. Благодаря использованию нескольких антенн создается возможность использования более надежных пространственных путей для передачи радиосигналов, и пропускная способность системы может быть увеличена.

При использовании режима пространственного мультиплексирования (MIMO-SM) в конфигурации MIMO 2х2 пиковая скорость передачи данных может быть вдвое больше по сравнению с традиционной системой с одной передающей антенной и одной приемной антенной за счет параллельной передачи двух пространственных потоков различных данных с помощью различных антенн. Кроме того, режим MIMO-SM может использоваться для повышения емкости системы радиосвязи при передаче данных многим пользователям.

Было показано [7; 14-19], что теоретическая пропускная способность системы MIMO линейно растет с увеличением числа антенн, что открывает разработчикам оборудования систем радиосвязи перспективы для создания систем связи настоящих и будущих поколений (4G и 5G). Однако при том, что использование нескольких

22

антенн позволяет улучшить характеристики всей системы связи, появляются ограничения с точки зрения таких системных требований, как сложность обработки сигналов и энергетические характеристики системы. Из-за небольших размеров абонентских станций число передающих и приемных антенн, поддерживаемых одной абонентской станцией, ограничено, в то время как на базовой станции есть возможность использования большего числа антенн.

Следует отметить, что технология MIMO-SM эффективна при высоком уровне многолучевости, например, в условиях плотной городской застройки. В условиях прямой видимости (например, на открытых пространствах и в условиях неплотной застройки) почти нет преимуществ при использовании технологии MIMO-SM.

Для наилучшего применения и обеспечения наилучших характеристик системы MIMO, в современных системах радиосвязи используется динамическое переключение между режимами пространственно-временного кодирования (MIMO-STC) и пространственного мультиплексирования (MIMO-SM) в зависимости от условий распространения в радиоканале, поскольку эти технологии имеют различные преимущества и недостатки,

Объединенный режим MIMO (Collaborative MIMO)

Объединенный режим MIMO для линии "вниз"

Базовая станция передает данные по линии "вниз" одной или нескольким абонентским станциям (например, при использовании режимов MIMO-SM и MIMO-STC). В объединенном режиме MIMO возможно применение нескольких базовых станций для передачи данных одной или нескольким абонентским станциям с помощью планирования времени передачи данных базовыми станциями, работающими совместно.

Объединенный режим MIMO для линии "вверх"

Объединенный режим MIMO для линии "вверх" основан на технологии многостанционного доступа с пространственным разнесением (SDMA, Spatial Diversity Multiple Access) для линии "вверх".

Объединенный режим MIMO для линии "вверх" осуществляется в системах радиосвязи путем одновременной передачи данных отдельными абонентскими станциями с помощью технологии SDMA в одной полосе частот. Разделение сигналов этих абонентских станций на базовой станции системы MIMO возможно, поскольку пути передачи этих сигналов различные (например, сигналы приходят с разных

23

направлений). При использовании технологии SDMA в случае двух абонентских станций емкость системы MIMO может быть увеличена в два раза за счет того, что в два раза большее количество информации передается в той же полосе частот (но с помощью разных пространственных путей передачи).

Одной из основных проблем системы MIMO является размещение нескольких антенн в носимой абонентской станции. Очевидно, что для носимой абонентской станции и встроенной в компьютер абонентской станции ограничения на сложность обработки сигналов, а также на энергетические и массогабаритные характеристики неодинаковы. Таким образом, объединенный режим MIMO для линии "вверх" представляет собой перспективную технологию, особенно для носимых абонентских станций, поскольку этот режим позволяет использовать абонентские станции только с одной антенной, в результате чего снижается стоимость и сложность абонентского оборудования.

Технология формирования лучей диаграммы направленности антенной решетки (Beamforming)

Технология формирования лучей диаграммы направленности антенной решетки (Beamforming) позволяет излучать большую часть энергии сигнала в заданном направлении. Такое излучение в заданном направлении уменьшает помехи для других абонентских станций в соте, обслуживаемой данной базовой станцией. Принцип работы технологии Beamforming иллюстрируется на рисунках 8 и 9.

Рис. 8. Традиционная базовая станция

24

Рис. 9. Базовая станция с поддержкой технологии Beamforming

В отличие от технологии MIMO-SM, преимущества технологии Beamforming могут быть не так заметны в условиях плотной городской застройки. Это можно пояснить тем, что из-за многолучевости и отражений от зданий лучи становится шире, выигрыш от использования технологии Beamforming снижается.

Технология Beamforming с переключением конфигурации лучей

Рис. 10. Принцип работы технологии Switched Beamforming

25

Технология Beamforming с переключением конфигурации лучей позволяет формировать несколько лучей в заданных направлениях, а также менять (переключать) конфигурации этих лучей (например, направления), с помощью комплексных коэффициентов, на которые умножаются передаваемые сигналы. В результате значения амплитуд и фаз сигналов в антеннах изменяются и формируются лучи диаграммы направленности, что позволяет обеспечивать несколько секторов в пределах зоны покрытия одной базовой станции.

Технология формирования лучей диаграммы направленности антенной решетки с переключением конфигураций лучей (Switched Beamforming) иллюстрируется на рисунке 10.

Рассмотрим один из возможных способов работы технологии Beamforming. Базовая станция переключает конфигурацию лучей, чтобы обеспечить наилучшее переключение в зависимости от измеренного уровня сигнала, принятого от абонентской станции. В свою очередь, абонентская станция настраивается на такой луч базовой станции, которому соответствует максимальное отношение сигнал/шум.

Система AAS с применением технологии Beamforming

Как известно, адаптивная антенная решетка (AAS, Adaptive Array Antenna System) представляет собой набор из нескольких антенных элементов. В этом наборе сигналы, излучаемые каждой антенной, объединяются с различными весовыми коэффициентами. Адаптивные антенные решетки позволяют приспосабливаться к изменяющимся условиям передачи по радиоканалу.

На стороне базовой станции технология AAS позволяет непрерывно наблюдать сигналы в пределах зоны покрытия базовой станции и основывается на алгоритмах определения направления прихода сигналов (DOA, Direction-of-Arrival). Эти алгоритмы предназначены для оценивания условий передачи по радиоканалу с помощью сигналов, передаваемых абонентскими станциями (линия «вверх»), также возможно определение местоположения источников помех.

После того как определяется, что условия для передачи по радиоканалу благоприятные, с помощью технологии Beamforming и с помощью набора антенн для передачи сигналов по линии "вниз" формируется луч диаграммы направленности. Этот луч излучается в нужном направлении, которое задается на основании информации, полученной с помощью алгоритма DOA и сигналов линии "вверх". Таким образом, в результате совместного применения технологий Beamforming и AAS сигналы, передаваемые абонентским станциям,

26

излучаются в нужном направлении. Передача сигналов в определенном направлении повышает отношение сигнал/шум на приемной стороне и по сравнению со случаем ненаправленной антенны помогает существенно снизить воздействия помех при приеме сигналов.

Совместное использование технологий AAS и SDMA

Рис. 11. Пример совместного использования технологий SDMA и AAS в случае многих пользователей

Технология AAS с помощью технологии SDMA может использоваться для повышения пропускной способности системы радиосвязи в случае наличия многих активных абонентов в системе. Многие абонентские станции, распределенные в пространстве, с помощью технологии SDMA могут одновременно передавать и принимать сигналы в одной и той же полосе частот, а направления для передачи задаются базовой станцией с помощью технологии AAS и с помощью сигналов этих абонентских станций, поступающих на базовую станцию. Совместное использование технологий AAS и SDMA в случае многих пользователей показано на рисунке 11.

27

Преимущества технологий AAS и Beamforming

Теперь перечислим преимущества технологий AAS и Beamforming и кратко поясним, за счет чего эти преимущества обеспечиваются.

Расширение зоны покрытия и повышение емкости системы радиосвязи.

Снижение экономических затрат на развертывание системы радиосвязи.

Повышение спектральной эффективности.

Небольшие затраты на осуществление в базовой станции.

При использовании этих технологий дальность связи увеличивается, и емкость системы радиосвязи увеличивается за счет повышения надежности передачи данных. Снижение экономических затрат на развертывание системы радиосвязи обеспечивается за счет того, что в случае использования этих технологий требуется меньше базовых станций. Следует также отметить, что теоретически увеличение числа элементов антенной решетки приводит к улучшению характеристик системы AAS и Beamforming, а также и всей системы радиосвязи, где используются эти технологии. Спектральная эффективность повышается за счет того, что несколько абонентских станций могут работать в одной полосе частот с одной базовой станцией. Спектральная эффективность также повышается благодаря уменьшению влияния помех, поскольку базовая станция передает и принимает сигналы только в направлении заданных абонентских станций. Небольшие затраты на осуществление в базовой станции обеспечиваются тем, что в современных системах радиосвязи базовые станции уже используют наборы антенн. Для улучшения характеристик системы радиосвязи при использовании технологий AAS и Beamforming на стороне базовой станции в установке дополнительного оборудования как на базовых станциях, так и на абонентских станциях, часто нет необходимости, однако может потребоваться загрузка нового программного обеспечения для поддержки использования этих технологий.

Проблемы при использовании технологий AAS и Beamforming

Говоря о преимуществах этих технологий, перечислим и основные проблемы, которые возникают при их внедрении на практике.

Необходимость использования сложных алгоритмов DOA.

Большие вычислительные затраты на базовой станции.

Высокая сложность обработки для подвижных абонентов.

28

Алгоритмы DOA имеют основное значение в системах AAS. Поскольку технология AAS основана на использовании сведений о параметрах радиоканала, неправильное или неточное оценивание параметров радиоканала сильно ухудшает характеристики системы AAS. Поскольку обычно на практике совместная обработка сигналов для большого набора антенн требует высокой сложности и точности обработки, алгоритмы AAS требуют больших вычислительных затрат на обработку сигналов на стороне базовой станции. Подвижность абонентов увеличивает сложность обработки сигналов, поскольку в системах AAS необходимо непрерывно осуществлять оценивание параметров радиоканала и адаптацию конфигурации антенного оборудования. Обработку нужно осуществлять в реальном времени, поэтому при ограниченных вычислительных ресурсах как на базовых станциях, так и на абонентских станциях вероятность ошибок при обработке сигналов для подвижных абонентов может существенно возрастать.

Выводы

Как показывают сведения из многочисленных литературных источников и публикаций в сети Интернет (например, введите в

поисковую систему аббревиатуру MIMO), исследователи и разработчики оборудования в области систем радиосвязи пришли к выводу, что технологии MIMO и Beamforming являются основными для современных систем радиосвязи. Об этом также говорит широкое применение этих технологий в системах радиосвязи (3G и 4G) и планируемое их использование в будущих системах радиосвязи (5G) [17].

Однако следует отметить, что технологии MIMO и Beamforming обладают своими достоинствами и недостатками. Технология Beamforming хорошо работает в условиях прямой видимости, в то время как технология MIMO наиболее эффективна в условиях многолучевости, при плотной городской застройке. Технологии MIMO (режимы STC и SM) обеспечивают большую зону покрытия и емкость систем радиосвязи по сравнению с технологией использования одной передающей и одной приемной антенны (SISO), а также позволяют повысить пропускную способность систем радиосвязи для той же полосы частот. Технология Beamforming позволяет увеличить зону покрытия и емкость систем радиосвязи, а также позволяет избежать влияния помех и более эффективно использовать системные ресурсы (уменьшить число базовых станций). Таким образом, для более эффективной разработки и проектирования систем радиосвязи необходимо обеспечить поддержку технологий MIMO и Beamforming.

29

Контрольные вопросы

1.Что означает аббревиатура MIMO и где применяется эта технология?

2.Перечислите основные виды систем MIMO.

3.Перечислите основные режимы работы технологии MIMO.

4.Какой режим лучше использовать в городских условиях и почему?

5.Поясните принцип пространственно-временного кодирования.

6.Поясните принцип режима пространственно-временного кодирования на примере схемы Аламоути для двух передающих антенн.

7.Запишите модель системы MIMO для двух передающих антенн и одной приемной антенны.

8.Поясните принцип режима пространственно-временного кодирования на примере схемы Аламоути для двух передающих антенн и двух приемных антенн.

9.Поясните принцип декодирования по критерию МП.

10.Поясните принцип декодера для двух передающих антенн и одной приемной антенны для схемы Аламоути.

11. Поясните принцип декодера для двух передающих антенн и произвольного числа приемных антенн для схемы Аламоути.

12.Какие STC-коды называют ортогональными и в чем их преимущество?

13.Как определить спектральную эффективность STC-кода?

14.Определите спектральную эффективность STC-кодов схемы Аламоути для двух, четырех и восьми передающих антенн, сравните со случаем одной передающей антенны.

15.На что повлияет увеличение числа приемных антенн в системе

MIMO в режиме STC?

16.Как для схемы Аламоути с двумя передающими антеннами будет вычисляться метрика в декодере, оптимальном по критерию МП для случая одной приемной антенны и двух приемных антенн? Попробуйте упростить это выражение.

17.Предыдущий вопрос для случая четырех приемных антенн.

18.Какова структура матрицы кодирования для ортогонального STCкода с произвольным числом антенн? Поясните принцип построения такой матрицы.

19.Каков принцип работы технологии Beamforming.

20.Поясните совместное использование технологий MIMO и Beamforming.

21.Что представляет собой объединенный режим MIMO и в каких условиях он используется?

22.Чем отличается многостанционный доступ SDMA от других методов многостанционного доступа? Преимущества и недостатки.

30