3. Тестування mimo в мобільному профілі технології WiMax ieee 802.16e
В кінці 2006 року була завершена робота над створенням мобільного профілю технології WiMAX IEEE 802.16e. На сьогоднішній день існує безліч різних інтерфейсів радіодоступу, однак, саме при розробці стандарту IEEE 802.16e спочатку закладалася можливість щодо застосування таких алгоритмів і пристроїв, як адаптивні антенні системи і незалежна обробка безлічі перевідбитих сигналів в умовах щільної забудови (MIMO). Мета цієї роботи - познайомитися з принципами роботи зазначених технологій, методами їх використання, а також привести деякі кількісні характеристики.
Далі буде показано, що адаптивне формування діаграми спрямованості забезпечує збільшення дальності дії, зниження рівня інтерференції і збільшення пропускної здатності системи. Це призводить до значного розширення зони обслуговування в умовах побудови мережі за принципом макростільниці. З іншого боку, технології MIMO забезпечують збільшення пропускної здатності в мікро - піко - і навіть наноструктурах, хорошим прикладом яких є внутрішньоофісні системи. Використання MIMO, і адаптивних антен в якості доповнюючих одна одну технологій дозволить отримати переваги, надані і тією, і іншою технологією.
3.1. Формування діаграми спрямованості
При використанні технології формування адаптивної діаграми спрямованості, електромагнітне поле антени базової станції в дальній зоні формується у вигляді вузькоспрямованої головної пелюстки, орієнтованої в бік абонентського пристрою, з можливістю зміни спрямованих властивостей при зміні положення цього обладнання. На практиці, при наявності великої кількості абонентів в межах дії одного стільника здійснюється формування багатопелюсткової діаграми (пелюстки направляються до кожного абонента або до групи абонентів). Це можливо завдяки поділу клієнтів за часом і по OFDM-піднесучих. Для формування такої багатопроменевої діаграми, окремі приймачі в складі базової станції передають і приймають сигнал через багатоелементні антенні решітки (як правило, це чотирьохелементна антенні решітки), причому кожен елемент такої решітки в кожен момент часу має певний фазовий зсув щодо інших. В результаті, завдяки комбінуванню діаграм спрямованості кожного випромінювача в складі решітки, формується сумарна діаграма, що має поліпшені спрямовані властивості (більш вузький головний пелюсток з більш високим коефіцієнтом посилення). У напрямку джерел перешкод в діаграмі спрямованості формуються нульові складові, що дозволяє практично повністю придушити інтерференцію з небажаних напрямів. Дана концепція працює в обох напрямках: від базової станції до абонента (низхідна лінія зв'язку) і від абонента до базової станції (висхідна лінія зв'язку). При цьому сигнали, що приймаються від абонентів, можуть використовуватися для визначення їх місця розташування, і ця інформація застосовується при формуванні діаграми спрямованості в низхідному напрямі. Ідея формування діаграми спрямованості не є новою, і концепції адаптивних антенних систем або «інтелектуальних» антен вже багато років використовуються в стандартах інших радіосистем.
Дана технологія реалізується, в основному, на базовій станції і не вимагає значної зміни обладнання кінцевого користувача. Відповідно до цього, було прийнято рішення, що все сертифіковане для WiMAX обладнання CPE обов'язково має підтримувати технологію адаптації діаграми спрямованості, щоб не обмежувати можливості операторського обладнання. Для базових станцій дана можливість є додатковою, але не обов'язковою. Позитивні моменти використання даної технології полягають в наступному:
• Оскільки енергія різних передавачів і чутливість різних приймачів концентрується в більш вузькому промені, то зона дії базової станції розширюється. Це відноситься як до низхідній лінії зв'язку (DL, від базової станції до абонента), так і до висхідної лінії зв'язку (UL, від абонента до базової станції).
Рис.15 Вплив формування діаграми спрямованості на кількість необхідних станцій
На рис.15 ілюструється вплив формування діаграми спрямованості на кількість необхідних станцій. На діаграмі можна бачити, що при використанні базової станції WiMAX з одиночної антеною при використанні MIMO або при його відсутності (використовується тільки просторове рознесення приймачів) для забезпечення однакової зони покриття потрібно в 2,13 рази (1,39 рази) більше станцій.
У порівнянні зі звичайною системою, що використовує рознесення приймачів або тільки MIMO, технологія "beamforming" забезпечує зменшення необхідної кількості станції, як мінімум, на 40%.
• Оскільки енергія спрямовується тільки до індивідуальних абонентів, то меншу кількість енергії, що приймається або направляється до інших абонентам в сусідніх секторах даної мережі зменшується, завдяки чому значно поліпшується сигнально-завадова обстановка. Дана концепція також працює як відносно висхідній лінії зв'язку, так і щодо низхідній лінії зв'язку. Тепер розглянемо другий аспект і оцінимо його важливість. Радіомережі WiMAX є мережами зв'язку з секторною архітектурою. В аналогічних зонах дії сусідніх базових станцій використовуються одні й ті ж частотні ресурси. Для WiMAX найбільш часто застосовується схема повторного використання частот 1:3, це значить, що при використанні трисекторної конфігурацій базової станції, в секторах усіх сусідніх базових станцій повторно використовуються ті ж самі частоти.
Рис. 16 схема повторного використання частот 1:3
У зв'язку з тим, що радіохвилі поширюються далеко за межі умовних кордонів сектора, то вони створюють перешкоди для передач сусідніх станцій. Це є особливо критичним у випадках, коли антена базової станції розташовується вище рівня дахів будівель та (або) при наявності відкритих просторів між базовими станціями і абонентами (як це має місце у багатьох містах - наприклад, в Києві, де є широкі вулиці, парки , площі і вільний простір ...).
Який же вплив в цьому випадку надає інтерференція? WiMAX забезпечує адаптивну зміну модуляції і схем кодування. Перешкодостійкі схеми кодування (QPSK ½) показують прекрасні результати, але при цьому доводиться жертвувати величиною пропускної здатності. Такі схеми дозволяють забезпечувати надійний зв'язок при поганих умовах радіозв'язку, але не забезпечують робочі характеристики, які можна було б очікувати від WiMAX.
З іншого боку, найбільш високопродуктивної схемою є 64QAM ¾ - вона забезпечує рівень пропускної спроможності близький до максимального, але вона ж є і найбільш чутливою до перешкод. Без застосування адаптивної антени ця схема може бути реалізовувала в безпосередній близькості до базової станції або в умовах сигнально - завадових обстановках, близьких до ідеальних. Не має позитивного ефекту і збільшення потужності передавача базової станції, так як в цьому випадку підвищується рівень інтерференції в сусідніх секторах.
На рис.17 представлена система з адаптивною діаграмою спрямованості в порівнянні з аналогічними рішенням, що забезпечує тільки просторове рознесення антен з застосуванням технології MIMO і без неї. Графік містить залежності відсотка покриття території при різних типах модуляції і різних схемах кодування. Стає очевидним виграш технології «beamforming»: навіть сама надійна схема (QPSK ½) здатна забезпечити стійку працездатність тільки на 80% площі, що забезпечується системою з формуванням діаграми! Установка додаткової кількості базових станцій докорінно виправити ситуацію не зможе, оскільки вони будуть вносити додаткові перешкоди. Є також й інші схеми більш високого рівня, які можуть використовуватися в разі макростільникової архітектури, побудованої із застосуванням технології «beamforming»; вони забезпечують істотне збільшення ефективності використання спектра (збільшення швидкості передачі даних для кожного абонента або збільшення кількості абонентів при тій же пропускної спроможності) .
Рис.17 Залежності відсотка покриття території при різних типах модуляції і різних схемах кодування
Таким чином, використання в складі базової станції інтелектуальної антенної системи, призводить до збільшення пропускної здатності на 40%. В макростільниковій системі, що реалізує формування діаграми спрямованості, ефективність використання спектра для кожного каналу становить 2,1 б / с / Гц / сектор.
Ще одна перевага застосування пристрою формування адаптивної діаграми спрямованості полягає в тому, що при комбінуванні з алгоритмами придушення перешкод коефіцієнт повторного використання частоти може досягати значення 1. Це означає, що на всіх станціях може використовуватися вся смуга частот. Це дозволяє додатково збільшити ефективність використання спектру, а також реалізувати систему WiMAX навіть при наявності вузьких частотних смуг.
Для визначення ступеня впливу адаптації діаграми спрямованості на робочі характеристики системи зв'язку з мобільними абонентами, оцінки виконувалися з використанням типових моделей багатопроменевих каналів при різних швидкостях переміщення абонентів.
В результаті було встановлено, що для абонентів з низькою мобільністю та абонентів, що переміщаються зі швидкістю до 30 км / год, робочі характеристики зв'язку не змінюються. Тільки при високих швидкостях виграш від формування діаграми спрямованості трохи зменшується, але навіть в цьому випадку робочі характеристики набагато краще, ніж в системах без використання адаптаційних алгоритмів.
3.2.MIMO в WiMAX
Система незалежної обробки перевідбитих декоррельованих сигналів абонента (MIMO) є багатообіцяючою технологією, що забезпечує збільшення пікової швидкості передачі трафіку, середньої швидкості передачі даних та пропускної здатності стільника в широкосмугових бездротових мережах. У концепції MIMO мається на увазі використання декількох приймально-передавальних антен. Представлений далі аналіз орієнтується на схеми MIMO, визначені для профілю WiMAX Forum MTG. Реально в WiMAX використовуються різні схеми, але для спрощення ми обмежимося лише одним випадком.
Основна ідея MIMO полягає в розбитті потоку трансльованих даних на незалежні приймачі, що забезпечують зв'язок для одного і того ж абонента на одній і тій же частоті. В цьому випадку у порівнянні зі звичайною системою сукупний потік даних може бути збільшений.
Оскільки для обох потоків даних використовується однакова частота в одному і тому ж географічному регіоні, то для реалізації потенційних переваг систем такого типу ці потоки необхідно декорелювати. У щільних міських умовах (так звані «мікро-стільника», «піко-стільника» або «внутрішня простір»), де радіохвилі на шляху між базовою станцією та обладнанням абонента багаторазово перевідбивається і флуктуюють, схема дає певний виграш. Для максимізації виграшу, необхідно забезпечити хорошу незалежність антен, що передають інформацію в канал одночасно. Це може досягатися або просторовим рознесенням антен на деяку відстань, або використанням різних поляризацій антени для різних трактів. Стає очевидним, що в складі абонентського обладнання (CPE) для MIMO необхідна наявність двох приймально-передавальних трактів. Декодування MIMO є непростим завданням, пов'язаної зі значним збільшенням складності CPE (збільшення вартості обладнання). Тому підтримка в CPE технології MIMO є додатковою функцією. Перші CPE з функціями MIMO з'явилися на ринку в першому кварталі 2008. Використання MIMO забезпечує дві основні переваги:
• Збільшення надійності низхідних ліній зв'язку При порівнянні MIMO і пристрої з одного антеною, спостерігається суттєве поліпшення роботи низхідних ліній зв'язку, що виявляється у вигляді більш стабільною і більш надійної передачі даних в умовах сильного розсіювання радіохвиль. Для висхідних ліній зв'язку ніякого поліпшення немає.
• Збільшення пропускної здатності MIMO
Завдяки можливості використання схем модуляції вищого рівня або одночасної передачі декількох незалежних потоків, MIMO, порівняно з одного антеною забезпечує на низхідних лініях зв'язку збільшення пропускної здатності приблизно на 30% по відношенню до систем звичайної стільникового зв'язку, і на 100% по відношенню до мікро-стільників. Ефективність для кожного каналу може складати від 1,7 б / с / Гц / сектор, в типовій системі, і в деяких випадках теоретично може досягати 2,8 б / с / Гц / сектор (піко- стільника). Як переваги необхідно відзначити стабільність робочих характеристик MIMO в порівнянні з характеристиками систем з використанням традиційного антенного обладнання. Тобто, при швидкостях переміщення абонента від 3 км / год до 120 км / год ніякого погіршення характеристик мобільності або передачі не спостерігається.
Серйозним мінусом таких систем є погіршення якісних характеристик в разі відсутності перевідбиттів. Така ситуація має місце на відкритих просторах з нещільної забудовою (наприклад, в Києві - вздовж широких вулиць, поруч з річкою, ...) і в разі, якщо антена базової станції розташовується вище рівня дахів. У таких ситуаціях для досягнення прийнятних робочих характеристик мережі очевидна необхідність формування діаграми спрямованості.
Наведений аналіз наводить на думку про можливість об'єднання двох технологій, з метою отримання переваг. Але, на жаль, не все так просто. Виникає суперечливе вимога по розташуванню радіовипромінювальних елементів: для випадку застосування технології "beamforming" антени повинні розташовуватися досить близько один до одного (як правило, це половина довжини випромінюваної хвилі). З іншого боку, для реалізації схеми MIMO елементи повинні бути декорельованими, тобто повинні розташовуватися на відстані один від одного або повинні мати різну поляризацію.
Для оцінки можливості суміщення двох технологій був проведений аналіз, з метою встановити:
• Який буде результат застосування технології MIMO в разі адаптивної антенної системи? Якщо елементи розташовуються один до одного ближче оптимального відстані, ефективність роботи MIMO знизиться.
• Чи можливо застосування пари двоелементний антенних панелей, з досить малою відстанню між елементами кожної панелі, але значним просторовим розносом між панелями? Схема MIMO буде працювати досить добре, хоча виграш від формування діаграми спрямованості стане трохи гірше.
Як показують результати імітаційного моделювання, у першому варіанті виграш в енергетичному потенціалі лінії зв'язку порівняний з характеристиками системи з формуванням діаграми спрямованості, але з урахуванням коефіцієнтів підсилення при рознесеному прийомі, що даються додатково MIMO. Для досягнення найбільш економічного результату переоснащення станцій може бути виконано вже сьогодні, при цьому будуть використовуватися вже існуючі стандартні 4-елементні антенні панелі, які в подальшому не потрібно замінювати. Об'єднання технологій «beamforming + MIMO» може бути здійснено простою інсталяцією програмного забезпечення на базовій станції (базові станції повинні підтримувати відповідні схеми). Другий варіант обіцяє навіть кращі робочі характеристики. В залежності від конкретних умов, можна очікувати, що понад виграшу, що дається формуванням діаграми спрямованості, збільшення пропускної здатності може досягати до 30%. Даний варіант може бути реалізований вже сьогодні.