CC BY
96
7 декабря 2011 г. 19:02
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Особенности функционирвоания сетей беспроводного широкополосного доступа WIMAX с использованием технологии М1МО
Бухаре! И А
Аспирант ФГУП ЦНИИС, bukharev@znii$.ni
Использование технологии М1МО позволяет уменьшить число ошибок при радиообмене данными (ВЕЯ) без снижения скорости передачи в условиях множественных переотражений сигналов При этом многоэлементные антенные устройства обеспечивают расширение зоны покрытия радиосигналами, использование нескольких путей распространения сигнала, увеличение пропускной способности линий связи. В М/МО-системах используются различные подходы к разделению сигналов, среди которых пространственно-временное, пространственно-частотное, пространственно-поляризационное кодирование, а также сверхразрешение по направлению прихода сигнала в приемник. Именно обилие подходов к разделению сигналов обусловило столь долгую разработку стандартов на использование систем М1МО в средствах связи.
ностей а и Ь, каждая из к элементов, с автокорреляционными функ-4*1Я"И АЧИ Я(/>-£л.Л,„*
где /- 0...Ы — возможный сдэиг, для которых А(|) + 6(1) = 0 при любом 1>0иА(0) + В(0) = 21с
Физическая интерпретация сдвига в данных формулах — прием прямо распространяющегося сигнала и сигнала с фазовой задержкой на / элементов (чипов). Инь**и словами, если система связи, использующая комплементарное кодирование, работает в условиях многопутевого распространения сигналов, го в идеале межсимволь-ная интерференция, вызванная наложением сигналов с задержками распространения, должна отсутствовать, так как сумма их автокорреляционных функций равна нулю.
Поскольку в стандарте 1ЕЕЕ 802.11 принята дифференциальная квадратурная фазовая модуляция (ООР$К), всего может быть четыре значения фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90°. Суть применения ССК состоит в том, что поток транслируемых данных разбивается на группы по 8 бит каждая. Группа заменяется сигналом С из 8 чипов С ■ (с, ...с8). Каждый чип — это сигнал, фаза которого определяется квартетом ф1# ф2, ф3, ф4 так что
Простейшая антенна MIMO — это система из двух несимметричных вибраторов (монополей), ориентированных, например, под углом ±450 относительно вертикальной оси.
Такой угол поляризации ставит оба канала в равные условия, поскольку при горизонтально-вертикальной ориентации излучателей сдна из поляризационных составляющих неизбежно получила бы большее затухание при распространении вдоль земной поверхности. Сигналы, излучаемые независимо каждым монополем поляризованы взаи^о ортогонально с достаточно высокой взаимной развязкой по кросс-поляризационной составляющей (не менее 20 дБ). Аналогичная антенна используется и на приемной стороне. Такой подход позволяет одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, модулированными различным образом. Принцип поляризационного разделения обеслечивоет удвоение пропускной способности линии радиосвязи по сравнению со случаем одиночного монополя (в идеальных условиях прямой ВИДИМОСТИ при идентичной ориентации приемных и передающих антенн). Таким образом по сути любую систему с двойной поляризацией можно считать системой MIMO.
Ортогональное кодирование
Другое направление реализации принципа MIMO — использование ортогонального кодирования (как правило, по фазе) сита-лов, независимо излучаемых разными антенньми элементами. Характерный пример — применение MIMO в устройствах стандарта IEEE802.il.
Один из возможных подходов к реализации ортогонального кодирования заключается в расширении спектра передаваемого сигнала методом прямой последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum).
Дальнейшим развитием принципа DSSS в семействе стандартов IEEE 802.11 стало использование в протоколе 802.11 b метода фазовой модуляции с помощью многофазной (палифазной) комплементарной кодовой последовательности (метод ССК — Complementary Code Keying). Первым изложил идею бинарных комплементарных кодов Марсель Голей (MJ.E. GoJay), более полувека назад описав их принцип и методы генерации [2]. Суть комплементарного кодирования состоит в использовании двух последователь-
С = (с 1 ...с-8) = [е,іф> * *******\
Применительно к квадратурной мсдуляции действительная и мнимая составляющие относятся к синфазному и квадратурному каналам соответственно.
В группе все 8 бит разбиваются на пары (дибиты), каждому дибиту ставится в соответствие определенньм элемент фазового квартета Ф, («/„</, —* ф, </></, —> ф:,</4</« —► фх.</„</? —> фЛ). В зависимости от значений дибитов, ф оказывается равным 0°, 90°, 180° или 270°. Причем ф, определяется фазой предыдущего символа и четностью текущего символа С в потоке, поэтому модуляция и называется дифференциальной. Можно показать, что при любых значениях дибитов последовательности С оказываются комплементарными.
На приемной стороне, при условии синхронного приема, декодирующее устройство восстанавливает значения ф,, ф2, ф3, ф4, а по ним — и значения информационных бит. В простейшем случае обработка сводится к следующим вычислениям: ф, = агв{і;г* +гу4‘+г5г‘ +г,г'}, ф, = аг£{ггі + г,гі + +/;/;'(.
Фз = м*{гл +г,г6* +г}г’ +>;,/;'(•
0, =а^{г,е_/* +/;е_л +г7е_м
T-Comm, #7-2010
195
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
гдег= [г,,...,г8] — принятая 8-битовая последовательность. Знак * означает комплексное сопряжение: если г * о + /Ь, то г = о - /Ъ. Функция агд(г) = ardg[bi(r)/Ke{r}] ■ ardg(b/a). Фактически в процессе такой обработки отношение сигнал-шум улучшается в среднем вдвое.
Поскольку ССК-последовательности комплементарны, при применении техники MIMO возможна их одновременная трансляция. Например, четные чипы (или символы) передаются по одному антенному каналу, нечетные — по другому, при этом они оказываются практически ортогональными.
Развитием принципа DSSS стала технология мультиплексирования с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access). При этом на одной частоте излучаются сигналы с различными взаимно ортогональными базами (псевдослучайными кодовыми последовательностями). Причем для коррелятора, настроенного на определенную базовую последовательность, все другие сигналы выглядят как белый шум Очевидно, что в этом случае при использовании технологии Ml МО каждому антенному каналу ставится в соответствие определенный CDMA-код и сигналы в них оказываются ортогональными.
Помимо кодового разделения каналов, все большее развитие получают системы с разделением на основе ортогональных частот (OFDM). Идея метода — вместо высокоскоростной модуляции одной несущей применять модуляцию набора паднесущих с гораздо меньшей скоростью. Весь диапазон разбивается на несколько ортогональных чостотвида ч..(/) = .*TsiiH2*|/0 +//Д/U гдеп = 0,...,ГЧ Af— интервал между поднесущими.
Входной поток данных делится на группы (символы), которые используются для одновременной модуляции каждой поднесущей. К символам добавляют защитные интервалы (паузы) как эффективное средство борьбы с межсимвольной интерференцией. Чтобы метод был эффективен, число поднесущих должно бьль достаточно большим — от десятков до тысяч. Так, в стандарте IEEE 802.11 а и g используют 52 поднесущие, в стандарте IEEE 802.16 — от 200 до 2048, в спецификации наземного цифрового телевизионного вещания DVB-Т — 6817 псднесущих частот. Каждая из них модулируется посредством многоуровневой квадратурной модуляции. Выходной многочостотный сигнал синтезируют посредством обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).
Очевидно, что системы OFDM по природе своей приспособлены для применения технологии MIMO, причем различными способами. Техника MIMO-OFDM предусмотрена стандартами IEEE 802.16, проектом IEEE 802.1 In (рис 1), рядом других перспективных разработок в области беспроводных сетей передачи информации.
Следующим шагом развития техники CDMA и ее интеграции с OFDM стало частотно-кодовое разделение каналов MC-CDMA
(multi carrier CDMA — многочостотный CDMA). Впервые эта технология была предложена в 1993 г. профессором Калифорнийского университета в Беркли Л иннарецэм (Jean-Paul Unnaitz) на традиционном Международном симпозиуме по персональным мобильным и внутриофисным коммуникациям (PIMRC — Personal Indoor and Mobile Radio Communications) в Йокогаме [3]. Изначально предлагалось передавать каждый бит исходною сообщения на нескольких ортогональных поднесуших. На каждой из частот бит должен заменяться CDMA-кодом длины N (рис 2). В результате на всех поднесуших сигнал оказывается защищенным от межеимвольной и межка-нальной интерференции дважды - частотным и кодовым разделением.
По прошествии времени, в первую очередь — в связи с поисти-не взрывным развитием OFDM-устройств (системы таких моссовых стандартов, как IEEE 802.11 a/g, DVB, системы цифрового радиовещания и т.п.), стали появляться различные варианты реализации технологии MC-CDMA. Сегодня ее можно рассматривать как дальнейшее развитие кодированной OFDM-модуляции (COFDM), тем более что как синоним термина MC-CDMA зачастую используется понятие OFDM-CDMA
В "классических" системах связи OFDM-CDMA используется один трансивер. В случое применения систем MIMO исходный поток данных разбивается на субпотоки по числу излучателей MIMO-передатчиков. В каждом субпотоке применяется свой CDMA-код и далее кодированная последовательность битов используется для формирования OFDM-символов, параллельно транслируемых каждым передатчиком (рис 3). Такой подход позволяет при одних и тех же номиналах частот разделять каналы передачи Ml МО-системы за счет дополнительной ортогональной кодовой модуляции. На приемной стороне из OFDM-сигнала сначала восстанавливаются ортогональные несушие (с помощью БПФ), а затем на каждой из них сигнал декодируется путем корреляционной обработки.
Для MIMO-cистем возможен и другой вариант реализа^ MC-CDMA когда сначала с помощью ОБПФ синтезируется поток OFDM-символов, а затем он подвергается дополнительному CDMA-кодированию. Причем исходный поток OFDM-символов распределяется на субпотоки для каждого излучателя. Для каждого субпотока используется свой CDMA-код кодеры располагаются перед входом ЦАП антенных излучателей. При этом сигналы разных антенн имеют одни и те же частоты, а разделение при приеме происходит с помощью CDMA-кода: в приемнике на первом этапе производится корреляционная обработка с восстановлением пакетов гармонических сигналов с непрерывной фазой (свой синусоидальный пакет для каждого излучателя MIMO), а затем восстанавливаются сигналы на каждой ортогональной поднесущей OFDM с помощью БПФ. Оба рассмотренных варианта MC-CDMA по качеству передачи информации, в принципе, равноценны.
Входной поток Ч данных
FEC-кооер
S 1
I I
II li 8 §■
Частотное пере меженне
Формирование О AM-символов
Распределение потоков по антеннам
Частотное
перемежение
Формирсвоте QAM-сим* опо»
у
ЦАП и
ВЧ-6ио«
П ростра нетвеные потоки
Антенные каналы
ОБПФ и
добовленм* ЦАП и
эощитньл ВЧ-бло*
••ареалов
f\ic. 1. Система передачи MIMO-OFDM
196
T-Comm, #7-2010
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
<04
c*JN-1] cos(2fffc* * 2жгЛІ)
UI
Входим»
донные
d, CDMA- •сяер х и—, Г)«реме*еми» чипов X 1—1 S/P
п
кодер ■ 1 г ГЦ _J
ОБПФ
о
P/S
Антенный передатчик I
ОБПФ
P/S
Антенный передатчик п
-
fto. 2. Система MGCDMA по Лтнсрецу
Пространственно-временное кодирование
Блочные методы пространственно-временного кодирования
В 1998 г. Апамоути (Siavash Alamoufi, сегодня — сотрудник компании Wato) предложил новый подход к разделению МІМО-сигна-лов на приемной стороне [4]. Новая схема, названная по имени автора, относится к классу ортогонального пространственно-временного блокового кодирования (OSTBC, orthogonal space-time block codes).
Принцип кодирования по Аламоути состоит в том, что подлежащая передаче последовательность символов разбивается на пары (например, смежные четный и нечетный символы) х и х ,. Для передачи такого блока требуются два излучателя и два интервала передачи. В первом интервале передающая антенна 1 будет излучать сигнал символа х, тогда как антенна 2 — сигнал х^,. В следующем
временном интервале антенна 1 передает сигнал х ^,, а антенна 2 — сигнал х.
Физическая сущность таких манипуляций с излучаемыми сигналами становится ясной, если воспользоваться их математическим представлением:
.г = а + jhr •*Wi =4.1 +jbM.
Несложно заметить, что если в первом временном интервале сигналы синфазны, во втором они обязательно будут в противофа-зе, и нооборот. Если же фазы сигналов в первом интервале ортогональны (разность 90°), то они таковыми останутся и во втором, стой лишь разницей, что опережение фазы излучения поочередно будет возникать то на первой, то на второй антеннах.
Когда передающая антенная система состоит из двух несимметричных вибраторов, результирующая диаграмма направленности (ДН) существенно зависит от соотношения фаз входных сигналов (рис. 6). В общем случае результирующая ДН отклоняется от нормали к линии, соединяющей вибраторы, в сторону элемента, на котором фаза сигнала запаздывает.
Таким образом, максимум энергум сигнальной смеси М1МО, кодированной по Аламоути, излучается каждый раз в различных направлениях, причем различных для каждой новой передаваемой поры символов в зависимости от разности фаз сигналов. Это повьаиа-ет вероятность их прохождения с учетом наличия множественных пе-реотражателей.
Рис 3. Система ОРОМ-СОМА
Для приема кодированного по Аламоути двухсимвольного сигнала достаточно одной приемной антенны и пары временных отсчетов сигнальной смеси. Таким образом, фактически можно обойтись системой М1БО. При оцифровке сигнальной смеси в двух последовательных временных интервалах получим совокупность напряже-нийу.иу*,:
V, = /;, V +//,.гм1 +
Ум |+/),л'+
где п, Пи — отсчеты напряжении внутреннего шума приемника, а Ь,, Ьг — передаточные характеристики канала для сигналов, излученных первой и второй антеннами, соответственно. Два временных отсчета необходимы для того, чтобы число уравнений в системе равнялось числу неизвестных.
Для оценки характеристик канала передачи Ь. и Ь2 при вхождении в связь транслируются заранее известные пилотные сигналы г и г.,. В приемнике решается приведенная выше система уравнений, где в качестве неизвестных выступают передаточные характеристики канала Ь, и /и:
I _ ) 1-/ ~
А, =-,-»'7+У-*'.
-Г + -і+і
После установления связи по известным значениям передаточных характеристик декодируются пары переданных символов [4]:
х,-Ь\уг\-ЬУм, =КУГи\Ум-
Данные соотношения являются оптимальными оценками максимального правдоподобия. Следует, однако, иметь в виду, что характер переотражений на трассе распространения сильно зависит от направления излучения, поэтому для систем МІМО известный в антенной теории принцип взаимности передающих и приемных антенн может не выполняться. Это вынуждает независимо рассчитывать характеристики каналов передачи в прямом и обратном направлениях связи. Однако на передающей стороне знать свойства трассы распространения сигналов не требуется.
T-Comm, #7-2010
197
16 9 6 3
5 4 15 10
11 14 1 8
2 7 12 13
Лк. 4» Преобразование элементов магического квадрата 4x4
МІБО-схема Аламоути используется в стандарте ІЕЕЕ 802.162004 (№ЧМАХ). Согласно данным корпорации Неї, такое кодирование в условиях многократных переотражений позволяет в конечном счете получить выигрыш в отношении сигнал-шум около 5 дБ для модуляции В РБК и до 10 дБ — для 64-ОАМ.
Главное ограничение в применении рассмотренного метода кодирования — допущение о неизменности характеристик канала не только в двух последовательных временных интервалах, по которым рассчитываются передаточные характеристики, но и вплоть до момента окончания приема полезной информации. По этой причине пространственно-временное кодирование Аламоутидля мобильных абонентов сопровождается падением эффективности передачи
Вместо излучения пары сигналов в двух последовательных временных интервалах их можно передавать одновременно на двух ортогональных чостотах. Такой метод кодирования называется пространственно-частотным и позволяет увеличить пропускную способность по сравнению с пространственно-временным методом. Принцип кодирования сигнала состоит в том, что пары символов х и х^., передаются соответственно антеннами 1 и 2 на первой частоте, а символы х^.,, х( — на второй частоте, при этом сигналы обеих чос-тот излучаются одновременно.
Альтернативный методу Аламоути подход к пространственновременному кодированию состоит в использовании мультиплексирования сигналов по принципу магического квадрата [6]. Этот механизм позволяет применять систему из 2М излучателей, работающих на приемную цифровую антенную решетку (ЦАР) из 2М элементов.
Магичесхий квадрат порядка п представляет собой квадратную таблицу чисел размером л х п, заполненную целыми числами от 1 до п2. Сумма чисел в каждой строке, в каждом столбце, а также в двух главных диагоналях должна быть одинакова.
Такая числовая схема положена и в основу рассматриваемого метода кодирования. Предложенный в публикации [61 ксщ предполагает преобразование элементов магического квадрата 4x4: вместо исходных чисел X используются а — их значения по модулю 4^Хтос1 л~еслиXкратно 4; Х^4 = Х еслиХ<4; приХ>4ХтосЫ равен остатку от деления X на 4). Для выбранной в роботе [6] версии магического квадрата имеем (рис 4).
В полученном числовом квадрате суммы элементов по всем строкам, столбцам и главным диагоналям равны 10. Числа соответствуют номерам четырех последовательных символов Б,, $2, Б3 и Бд, подлежащих передаче. Строки соответствуют антенным излучателям, а столбцы — временным интервалам передачи.
На приемном терминале с одной антенной получают четыре последовательных отсчета сигнальной смеси уг у^2, у^3 и решают систему.
г = Л, ,$4 + /і, .5, +А, + А А, + //,.
+лм„А + л,.,.Л+Ам.А +п,.г
г., = + Л,., ,5. + Л+ Л..4$4 +«,;,
г(., = Д., ,5, + Л., ,5, +// ., ,5, +//
где п, п^,, п^з — отсчеты напряжений внутреннего шума приемника, а К — известная передаточная характеристика канала для сигналов, излученных т-й антенной в 1-й момент времени. Данная система уравнений относительно неизвестных $і*$4 решается методом наименьших квадратов.
В четырехантенном приемнике оценка амплитуд может быть произведена по одному отсчету напряжений по выходам этих антенн. Причем вместо временных интервалов можно использовать четыре ортогон ал ьнью несущие, что позволяет повьюить пропускную способность линии связи. Для декодирования переданного таким способом четь рехча статного пакета данных потребуется решить систему 16 уравнений.
Метод магического квадрата [6] эффективнее схемы Аламоути при быстрых замираниях сигналов на трассе распространения [7]. Если отношение си гнал-шум составляет 18 дБ, метод магического квадрата обеспечивает вероятность ошибки, на два порядка меньшую, чем метод Алскюути- В то же время при медленных замираниях картина меняется на противоположную, хотя и с меньшим разрывом по значению вероятности ошибки.
Решетчатое пространственно-временное кодирование
Пропускная способность системы в целом и ее ВЕР также в немалой степени определяются выбранными алгоритмами декодирования. Все основные алгоритмы декодирования строятся на следующих возможных принципах: принцип максимального правдоподобия, принцип минимальной среднеквадратичной ошибки, принцип обнуления. Принцип решетчатого кодирования выражается в присвоении каждому переходу от одного символа к другому уникальной последовательности бит, формируемой на основе заранее известного полинома. Кодер 5ГГС представляет собой совокупность М-РБК либо М-ОАМ модулятора и решетчатого кодера с заданным полиномом (в частности, кодера Витерби).
Пространственная селекция
Разделить сигналы МІМО-систем можно и на основе пространственной их селекции, по углам прихода на приемную антенну. Если сигналы на приемник поступают с разных угловых направлений, различающихся более чем на ширину луча ДН приемной антенны, то их можно разделить обычной пространственной селекцией. На-прч-уиер, в случае двух сигналов, с помощью приемной утюП-антен-ны (ЦАР) можно сформировать два независимых луча ДН и сориентировать их в направлениях максимальной приходящей мощности. Для увеличения углового разноса трасс прохождения сигналов можно искусственно ориентировать ДН передающей антенны не в на-
Источмиш
сигналов
1111
Преобразование
V фур**
\/
^ Метод \ Кейпома
и
Ліс 5. Эффект сверхрэлеевского разрешения двух сигналов по методу Кейп ома (в сравнении с классической обработкой посредством преобразования Фурье)
198
Т-Сотт, #7-2010
правлении приемника, а в сторону мощного переотражателя (горы, высотного здания и т.п.).
Если же различия в направлениях приема сигналов не превьшэ-ют инрины главного луча результирующей приемной ДН, а остальные их параметры совпадают, сигналы передатчика М1МО могут быть разделены на основе методов углового "сверхразрешения". Поясним сущность одной из таких процедур на примере двухвибраторной антенны.
Если угловые координаты излучателей (Ьт) относительно нормали к приемной антенне известны, задача разделения сигналов, излученных парой вибраторов, свод ится к решению системы уравнений, составленных по одному отсчету АЦП:
.V, = МА )*,+*«<&)*-г, =//:<Д )х1+илр.)х:.
где у]г у2 — выходные напряжения приемных антенн; х1# х2 — неизвестные комплексные амплитуды излученных сигналов; Ь,(рД ^(Рщ) — известные ДН приемных антенных элементов в направлениях источников излучения.
Неизвестные угловые координаты источников излучения определяются на этапе вхождения в связь при цифровом формировании ДН, для этого можно применять нелинейные математунеские операции — например, процедуру Кейп она (рис 5). В результате ДН подобных приемных антенн (являющиеся виртуальными функциями) будут крайне узконаправленными и остроконечнь**и, что позволяет повысить пространственную избирательность антенной системы. Характерно, что передавать сигналы в данном случае может антенна с широкой ДН. Это особенно важно, поскольку при нелинейной обработке принцип взаимности не выполняется и воспроизвести столь же остроконечные ДН для передающей антенны невозможно.
Следует отметить, что в режиме М1МО цифровое диаграммообразован ие со сверхразрешением быстро теряет свою эффективность с увеличением расстояния передачи. Например, в базовой станции (БС) сверхразрешение сигналов двух излучателей терминалов можно реализовать на расстояниях в сотни метров, а при большем числе независимых элементов в передающей антенне — и того меньше.
Иное дело — прием сигналов БС самим терминалом. Как правило, в М1МО-системах на БС может быть создан сравнительно большой разнос антенных элементов — до 10 длин волн. Это обеспечивает лучшую декорреляцию сигналов в режиме передачи на терминал. Потенциально такое решение позволяет применять разные методы для разделения М1МО-каналов в отношении входящего и исходящего трафиков.
Литература
1 Goby, MJ.E Complementary series. — IRE Transactions, 1961, fT-7. — C 82-87.
2 N. Yee, J. P. Unnartz and G. Fefwofa. Mufc-Camer CDMA in Indoor Wireless Radio Networks. — Proceedings PIMRC93, Yokohama, Japan, 1993. — C109-113.
3 ^iamouti SM. Space-time block coding: A simple lransm*tor drversity technique for wireless communications. — IEEE Journal on Selected Areas in Communicalions, Oct 1998, vol. 16, G1451-1458.
4 B%ro Bade, Markus Rupp, Hans Waanridtar. Adaptive Channel Mcached Extended Abmooli Space-Time Code Exploling Parlid Feedback. -ETRI Journal, Volume 26, Number 5, 2004 (hltp://elr^e»ri.re.kr).
5. Yong )Gong, Zhiyong Bo. Magic Squares Iransmission scheme for MIMO OFDM systems under fas» fading channel — In: 1 st International MAGNET Workshop, Shanghai, 11-12 November 2004 (www.isl-magnet.org).
T-Comm, #7-2010
199
