CC BY
170
STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS
His
Технологии MIMO в мобильных сетях нового поколения
Приведены современные беспроводные сети, стандарты связи, история их появления на рынке, роль в коммуникациях Описаны принципы работы технологии MIMO в мобильных сетях нового поколения, основные положения, проблемы и перспективы технологии.
Ключевые слова: LTE, MRC, MIMO, мобильные сети, беспроводные цифровые коммуникации.
Федоренко И.В., Нерсесянц А.А., Мясникова А.И.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Technology mimo in mobile networks of new generation
Fedorenko I.V., Nersesyanc A.A., Myasnikova A.I.,
North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics
Abstract
Modern wireless networks, communication standards, history of their occurrence in the market, a role in communications are resulted. Principles of work of technology MIMO in mobile networks of new generation, substantive provisions, problems and technology prospects are described.
Keywords: LTE, MRC, MIMO, mobile networks, wireless digital communications.
High technologies in Earth space research № 1-2011
Беспроводные цифровые коммуникации, бурно стартовав, продолжают развиваться чрезвычайно быстро. Этому способствует неуклонный прогресс в микроэлектронике, позволяющий выпускать все более сложные (и при этом все более дешевые) средства беспроводной связи. Бум сотовой связи, сравнимый лишь с ростом производства персональных компьютеров и развитием Интернета, не замедляется уже четверть века. Мобильньх телефонов во всем мире уже значительно больше, чем обычных проводных телефонных аппаратов. Быстрыми темпами развиваются персональные и локальные сети, широко внедряются беспроводные сети регионального масштаба. Низкая стоимость, быстрота развертывания, широкие функциональные возможности по передаче данных, телефонии, видеопотоков делают беспроводные сети одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии.
Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, в основе которых лежат стандарты сотовой связи GSM и CDMA, а также стандарты систем передачи данных IEEE 802. Исторически технологии беспроводной связи развивались по двум независимым направлениям — системы телефонной связи (сотовая связь) и системы передачи данных (Wi-Fi, WiMAX). Но в последнее время наблюдается явная тенденция к слиянию этих функций. Более того, объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика, что связано с внедрением технологий HSPA В свою очередь, современные сети передачи информации обязательно обеспечивают заданный уровень качества услуг (QoS) для различных видов трафика. Реализуется поддержка при-оритезации отдельных потоков информации, причем как на сетевом/транспортном уровнях (на уровне TCP/IP), так и на МАС-уровне (стандарты IEEE 802.16). Это позволяет использовать их для оказания услуг голосовой связи,
передачи мультимедийной информации и т.п.
В связи с этим само понятие сетей следующего, четвертого, поколения (4G) неразрывно связано (если не синонимично) с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей передачи информации. Сегодня две группы технологий явно нацелены на оказание универсальных услуг связи. Это WiMAX (как развитие линии IEEE 802) и технологии сотовой связи поколений "супер 3G". Причем каждая из них занимает свою нишу на обширном рынке беспроводной связи.
Технология фиксированного WiMAX (IEEE 802.16-2004) не оправдала возлагавшихся на нее надежд по быстродействию, объему зоны покрытия и ценовым характеристикам. Но операторы справедливо ожидают качественного прорыва от мобильного WiMAX (IEEE 802.16e), который уже начал активно внедряться во всех странах мира, включая Россию.
Разработка технологии LTE как стандарта официально началась в конце 2004 г. Основной целью исследований на начальном этапе был выбор технологии физического уровня, которая смогла бы обеспечить высокую скорость передачи данных В качестве основных были предложены два варианта: развитие существующего радиоинтерфейса W-CDMA (используемого в HSPA) и создание нового на основе технологии OFDM. В результате проведенных исследований единственной подходящей технологией оказалась OFDM, и в мае 2006 г. в 3GPP была создана первая спецификация на радиоинтерфейс Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Первые, предварительные спецификации LTE создавались в рамках так называемого 3GPP Release 7. А в декабре 2008 г. утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE. В середине 2009 г. ожидается выход в свет первых опыггных систем на основе LTE, а в 2010 — первых коммерческих сетей.
ш
СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГОШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2011
STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS
His
Основной же метод, который используется для увеличения системной скорости данных, -это MIMO. Для его реализации в конструкцию терминала следует добавить, по крайней мере, еще один трансивер и антенну.
В процессоре основной полосы (baseband) вводится компенсация для каждого из принимаемых сигналов, прежде чем они будут просуммированы для получения одного композитного принимаемого сигнала.
При суммировании по данному методу принимаемые сигналы складываются в процессоре основной полосы когерентно. Тепловые же шумы для каждого из трансиверов являются некоррелированными. Таким образом, линейное суммирование компенсированных по фазе и амплитуде сигналов в процессоре основной полосы приводит в двухканаль-ном приемнике MRC в условиях ограниченного шума к увеличению SNR не менее чем на 3 дБ.
Кроме улучшения SNR за счет суммирования, приемники, работающие по методу MRC, более устойчивы к частотно-селективным федингам. Еще раз подчеркнем тот факт, что физическая раздельность приемных антенн приводит к различию импульсных характеристик их каналов приема. В присутствии частотно-избирательных замираний статистически маловероятно, что данная поднесущая будет испытывать глубокие замирания сразу в обоих каналах приема. Таким образом, вероятность глубоких частотно-избирательных федингов в суммарном сигнале существенно уменьшается.
Метод MRC улучшает степень надежности (готовности) линии связи, но не позволяет увеличить номинальную скорость данных. При использовании метода MRC данные передаются одной антенной, а принимаются двумя или большим числом приемников, поэтому MRC -это скорее метод разделенного приема, т. е. обычный метод Antenna Diversity. И наоборот, технология MIMO позволяет увеличить системную скорость данных. Такое увеличение достигается за счет использования нескольких антенн, как на стороне приема, так и на стороне передачи.
Для успешного приема сигналов по технологии MIMO, приемник должен определить импульсную характеристику
канала для каждой из передающих антенн. В системе LTE импульсная характеристика канала определяется путем последовательной передачи каждой из передающих антенн известных опорных сигналов.
Для системы 2x2 MIMO определяются одна общая или четыре отдельных канальных импульсных характеристики (Ci, С2, СЗ и С4). Заметим, что пока одна передающая антенна передает опорный сигнал, другая не используется. Как только импульсная характеристика канала будет определена, начнется независимая передача данных обеими антеннами. Линейная комбинация двух потоков данных на двух приемных антеннах приводит к системе из двух уравнений с двумя неизвестными, решить которую невозможно для отдельных оригинальных потоков данных.
Пусть антенные решетки в схеме ССС - MIMO, представленной на рис. 3, состоят из N передающих и M приемных элементов, связанных некоторым числом радиоканалов. На вход n-го элемента передающей АР, изолированного от остальных, подается сигнал с нормированной амплитудой напряжения jj^ . Электромагнитные волны, распространяясь в условиях неоднородного пространства по нескольким направлениям (радиоканалам), вызовут появление на m входе изолированного элемента приемной АР отраженного (по отношению к этому входу) сигнала с нормированной амплитудой напряжения . Полная канальная Н{В,А) 0бра3уется из элемен_
Ц"(1>т) U¡'(a„)
матрица
то в
щий вид:
Н(В,А) =
MV
и имеет следую-
■■■ К{ь\>аы)
(К
где А = [а\...а»), В = (\..А) - некоторые сечения (входы) в фидерных линиях элементов передающей и приемной АР.
С использованием детерминистического подхода к модели распространения радиоволн и в предположении, что элементы приемной АР идеально согласованы с приемным устройством, показано, что канальная матрица н(В,А) с
учетом взаимодействия элементов АР может быть выражена через аналогичную матрицу нт(В,А) без учета взаимодействия:
где: $"РД(А) ~ матрица рассеяния передающей АР относительно ее входов А, связывающая между собой комплексные амплитуды напряжений падающих ип(А)) и отраженных ио(А)) волн:
(з)
5"™ (5) ~~ матрица рассеяния приемной АР; Е - единичная матрица.
A=(ab...,a„,...,aN)
Рис. 3. Структурная схема ССС с многоканальными антенными системами
Рис. 4. Зависимость выигрыша от числа
м' г
каналов 1У1 при разных значениях 1 1 : 1 ОдБ (1 );0дБ (2); 1 ОдБ (3);20дБ (4);30дБ (5)
Из полученного выражения (2) следует, что учет эффектов взаимодействия элементов передающей и приемной АР приводит к изменению канальной матрицы н(В,А).
High technologies in Earth space research № 1-2011
His
СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГОШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Для определения мощности принимаемого сигнала, предполагая, что он является гармоническим, с учетом взаимодействия элементов приемной и передающей АР можно перейти к выражению для энергетической матрицы вида 1¥(В,А) = Н'1(В,А)Н{В,А), элементы которой и определяют мощность сигнала РС(В) в сечениях Ьт фидерных линий элементов приемной АР:
рс(в) = (и;(в)и0(в))= (4)
= {и'п(А)1Г{В,А)ип{А)) Спектральное разложение энергетической матрицы по собственным векторам позволяет определить собственные значения каналов:
к = = (5)
где: Т - матрица ортонормированных собственных векторов матрицы V/; ||/у|2| ~~ диагональная матрица собственных значений ...|1«и|2, определяемых из системы уравнений: |сЦж(Я,Л)-Н2£) = 0, (6)
\ш=(н2!г.
/-il _ pSISO _ i
max max
где:
и
Рс(В) Рс(А)
' Р =
Рс(А) . Рш(В)
(7)
^--тМ _ (J,
'=Xl0S2
II- I I- ^
К ^ i к
-/ -~ + Р—-
м Щик Г м
(8)
Данное выражение получено путем спектрального разложения энергетической матрицы w{B,Á] и поиска максимального значения спектральной эффективности ССС - MIMO при неизменной мощности излучения (Pc(A)=const). Отметим, что в случае единственного канала выражение (8) переходит в выражение (7), а в случае М' каналов с равными значениями |,m = l,...,M' ~~ в известное
выражение.
max(C;) = C„=M'log2
1 + р
N.
М'
(П)
Тогда выигрыш в спектральной эффективности ССС - MIMO при организации М' каналов с равными значениями |2 по сравнению с ССС - SISO будет
равен:
M'log2
1 + р
N_
M'
Взаимодействие элементов приемной и передающей АР приводит к изменению собственных векторов и собственных значений энергетической матрицы
W(B,A)-
На основе теоремы Шеннона для канала с «белым» шумом максимальное значение с1 спектральной эффективности ССС - SISO с одноканальной схемой построения может быть представлено в виде (7). В случае же организации М' независимых радиоканалов спектральная эффективность ССС - MIMO определяется выражением: = log2(l + p|//j[
Уmax
С
log2\\ + Р U
Анализ результатов моделирования многолучевой радиотрассы позволяет сформулировать следующие основные особенности использования технологии MIMO в перспективных ССС:
- максимум спектральной эффективности ССС - MIMO достигается при равенстве собственных значений независимых каналов;
- в случае существенно неравнозначных каналов оптимальная система MIMO (по критерию максимизации СЭ) трансформируется в ФАР с адаптацией к сосредоточенным по направлению прихода помехам;
- взаимодействие элементов АР изменяет величину канального усиления и структуру собственного вектора канала;
- существует взаимное расположение элементов в приемной и передающей АР, при котором СЭ канала может быть значительно увеличена, особенно для малых значений Рс/(Рш+Рпом);
- значительное повышение СЭ по сравнению с одноканальным способом передачи информации возможно только при существенном превышении Рс/(Рш+Рпом) »1;
- существенная неравнозначность каналов и наличие сосредоточенных по направлениям прихода помех приводит к резкому падению спектральной эффективности ССС;
- собственные значения каналов существенно и по-разному зависят от взаимного расположения базовой станции и абонентского терминала, что ограничивает возможности повышения спектральной эффективности ССС - MIMO, особенно при работе в движении и на значительные расстояния.
Литература
1. Тихвинский В.О., Терентьев C.B., Юрчук А. Б. Сети мобильной связи LTE, технологии и архитектура. - М., 2010.
2. Легкое К.Е. Методы повышения канальной скорости в каналах сетей беспроводного широкополосного доступа // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 201 1. - №6. -С.39-41.
3. Легкое К.Е. Беспроводные локальные сети IEEE 802.11: механизм распределения скоростей // Телекоммуникации и транспорт, 2010. - №4. - С. 1 7-19.
4. Легкое К.Е. Методы повышения производительности беспроводных mesh-сетей специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2010. - №6. -С. 1 7-19.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2011
