CC BY
71УДК 62
Север Денис Сергеевич Щербаха Никита Константинович Sever Denis Sergeevich Shcherbakha Nikita Konstantinovich
Студенты Students
Дальневосточный федеральный университет Far Eastern Federal University
ТЕХНОЛОГИЯ МАССИВНОГО MIMO ДЛЯ БУДУЩИХ СТАНДАРТОВ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
MASSIVE MIMO TECHNOLOGY FOR FUTURE WIRELESS STANDARDS
Аннотация, в работе рассматривается технология массивного MIMO, приводится математическая модель. Выявляются достоинства технологии по сравнению с предшествующими. Оцениваются перспективы развития массивного MIMO.
Abstract: the paper considers the technology of massive MIMO, provides a mathematical model. The advantages of the technology in comparison with the previous ones are revealed. The prospects for the development of massive MIMO are evaluated.
Ключевые слова, MIMO, формирование луча, пространственное мультипоексирование, спектральная эффективность, двоичная фазовая манипуляция (BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), квадратурная амплитудная модуляция (QAM).
Key: MIMO, beamforming, spatial multiplexing, spectral efficiency, binary phase-shift keying (BPSK), quadrature phase shift keying (QPSK), quadrature amplitude modulation (QAM).
История создания
Развитие беспроводных сетей, постоянный рост числа абонентов, стремление улучшения энергетической эффективности, а также естественные ограничения в области расширения используемых частотных диапазонов приводят к поиску альтернативных путей оптимизации структуры связи.
Современные и перспективные стандарты связи требуют высокий показатель скорости передаваемой информации, высокую спектральную эффективность, что в системах SISO (англ. Single Input Single Output) при нынешнем технологическом развитии не достижимо. Именно поэтому была предложена технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output), позволяющая повысить в значительной степени требуемые характеристики. Концепция системы состоит в одновременной передаче данных несколькими антенными устройствами по одному информационному каналу, что существенно влияет на достигаемую скорость передачи информации и в значительной степени увеличивает эффективность использования спектра.
MIMO претерпевало несколько этапов развития. Начиная от SU MIMO (англ. Single User), в которой пакеты данных передавались последовательно каждому конечному устройству, поддерживающему стандарт, до MU MIMO (англ. Multi User), в котором данная передача происходит уже одновременно для всех устройств сети, без какой-либо задержки в канале. MU MIMO используется
в современных Wi-Fi роутерах, обеспечивая сравнительно высокую пропускную способность беспроводного соединения.
Сама по себе технология MIMO используется в сетях четвёртого поколения. С приходом 5G NR (англ. New Radio) произошло преобразование данной системы в массивное MIMO, сущность которого будет рассматриваться в дальнейшем.
Сущность технологии. Математическая модель
Принципиальная и определяющая технологию особенность MIMO заключается в использовании на передающей и принимающей сторонах нескольких антенн. Количество используемых на обеих сторонах антенных элементов непосредственно влияет на качественную составляющую передачи. Сигнал при этом формируется узконаправленно (beamforming), фактически представляя собой луч (рис.1).
Рис.1. Пример канала MIMO
Антенные решётки, используемые в MIMO, состоят из множества антенных элементов, имеющих слабую степень корреляции. Излучатели расположены друг к другу под прямым углом, что позволяет добиться эффективного дублирования сигнала под разными углами [1].
Отличительной чертой технологии массивного MIMO является применение не двух или четырёх антенн для передачи и приёма, а значительного большего количества элементов. Так, стандартом является использование 128, 256 и более антенных ячеек.
Распространение сигнала происходит в диапазоне миллиметровых волн (mmWaves) [2]. Это приводит к значительному увеличению скорости в данном частотном спектре, изменениям в конструкции элементов и уменьшению взаимных помех, поскольку миллиметровый диапазон частот подразумевает большую генерируемую мощность в сравнении со сверхвысокими частотами.
Для того, чтобы математически описать принцип действия рассматриваемой технологии, необходимо шаг за шагом воссоздать механизм передачи информации в ней. На примере MU MIMO, как более простой и примитивной структуры, мы рассмотрим связь в массивном MIMO, в котором эта структура усложняется количественно, но концепция работоспособности принципиально не меняется.
При использовании технологии beamforming, позволяющей адаптивно формировать диаграмму направленности луча, передатчик имеет возможность
отправлять одинаковый поток данных одновременно на все устройства, находящиеся в сети [3]. Поэтому для начала источник посылает зондирующий кадр, в ответ на который все устройства отправляют матрицу с данными о его реакции на данный сигнал. На точке доступа происходит объединение устройств в группы и вычисление их относительного расположения. Вычислив необходимое фазовое смещение для каждого устройства, происходит передача пакета, впоследствии - запрос на успешность передачи. Устанавливается соединение.
Таким образом, взяв в пример систему MIMO 4х4, элементарную модель формирования данных можно представить матричным образом:
R2
R4.
11
LU41
J14
G-
G441
Ti T2 T3 T4.
(1)
Здесь матрица элементов R - совокупность принимаемых конечным устройством данных. Матрица элементов T - совокупность исходных пакетов данных, матрица G - рассчитанные точкой доступа геометрические особенности каждого устройства, заданное фазовое смещение. Таким образом, приходящие на устройство данные на основе математических операций преобразуются в индивидуальные пакеты информации.
Необходимо указать на особенности формирования матрицы из G-элементов. Предположив, что мы рассматриваем систему массивного MIMO из S ячеек, каждая из которых содержит U абонентов, а также N базовых станций с количеством антенн Q, то элемент gs,u,n,q матрицы можно записать при помощи двух коэффициентов затухания следующим образом:
9s,u,n,q ls,u,n,q^ Ís,u,n
(2)
Множители второй формулы являются комплексными коэффициентами, характеризующими затухание. В то время как 15,и,пд отличен для разных пользователей или разных антенн БС, 15,и,п одинаков для всех антенн определённой БС, но является зависимым от абонента.
Исходя из вышеизложенного, можно записать следующее уравнение:
Gs,n
9s,1,n,1
9s,1,n,Q
9s,U,n,1
9s,U,n,Q
G =L I 1/2
^s,n us,nls,n
(3)
Представим LStU n q и Is u n в матричном виде.
Ls,n
1 я -п
ls,n
Is,l,n,q h,1,n,Q Is,l,n Is,l,n
h.U.n.l
I
s,U,n,Q Is,1,n Is,U,n
(6)
Так как мы рассматриваем систему массивного MIMO, коэффициенты s и n играют значительную роль в вычислительном процессе. В случае, к примеру, MU MIMO, в котором S = N = 1, данными коэффициентами можно пренебречь, зависимость будет проявляться лишь при выборе антенн передатчика и приёмника.
Технология массивного MIMO одновременно использует адаптивное формирование диаграммы направленности, а также принцип пространственного мультиплексирования, что в совокупности позволяет увеличить зону покрытия, уменьшить мощность передатчика, повысить скорость передачи и снизить воздействие помех.
Преимущества массивного MIMO
Концепция массивного MIMO - это способ достижения теоретических успехов MU-MIMO в практических условиях [4]. Проводится сравнение MU-MIMO и массивного MIMO (табл.1).
Таблица 1. Сравнение MU-MIMO и Massive MIMO
Функция MU-MIMO Массивный MIMO
Соотношение между количеством антенн (К) и пользователями (К) N«K, оба имеют небольшое число N»K, оба могут иметь огромное число
Дуплексный режим Предназначен для дуплексной работы как с временным разделением, так и с частотным разделением Предназначен для дуплексной работы с временным разделением для использования взаимности каналов
Канал приобретения Основан на кодовых книгах с набором предопределенных угловых лучей Основан на отправке пилотных сигналов Uplink и использовании взаимности каналов
Качество связи после кодирования/объединения Зависит от времени и частоты из-за частотно-избирательного и мелкомасштабного замирания Не зависит от времени и частоты из-за прочности канала
Распределение ресурсов Распределение должно быстро меняться, чтобы учесть изменение качества канала Распределение может быть запланировано заранее, так как качество канала изменяется медленно
Производительность сотовой связи
Хорошая, когда базовые станции объединены
Отношение сигнал/шум увеличивается пропорционально количеству антенн, не вызывая больше интерференционных помех
Достоинства массивного MIMO:
Массивный MIMO обладает превосходной спектральной эффективностью, которая достигается путем пространственного мультиплексирования множества устройств в одном частотно-временном ресурсе. Эффективное мультиплексирование требует, чтобы каналы к различным устройствам были достаточно разными, что теоретически и экспериментально поддерживается в различных условиях распространения. Массивный MIMO хорошо работает как на расстоянии прямой видимости, так и в режиме интенсивного рассеяния [5];
Он обладает превосходной эффективностью благодаря усилению матрицы, что позволяет снизить излучаемую мощность. Кроме того, значительное преимущество дает способность достигать превосходной производительности при работе с сигналами низкой точности;
Увеличивает емкость сети в 10 и более раз. За счет использования большого числа антенн разные независимые потоки данных могут отправляться одновременно [6];
Повышает надежность системы, поскольку в массивном MIMO имеется несколько антенн, поэтому для радиосигнала доступно несколько путей;
Система с массивным MIMO может быть построена с недорогими, маломощными компонентами. С помощью MIMO дорогие линейные усилители мощностью 50 Вт, используемые в обычных системах, заменяются сотнями недорогих усилителей с выходной мощностью в диапазоне милливатт;
Обеспечивает значительное снижение задержки системы. Производительность систем беспроводной связи ухудшается из-за затухания. Затухание вызвано помехами между волнами многолучевого распространения, которые достигают приемника в разное время. Из-за затухания трудно создать беспроводные каналы с низкой задержкой. В массивном MIMO используется технология формирования остронаправленного луча, чтобы избежать затухания, поэтому задержки минимальны;
Массивный MIMO устраняет необходимость в частотном планировании, так как каждому пользователю может быть предоставлена вся полоса пропускаемых частот [7];
Автономная работа базовых станций без обмена данными полезной нагрузки или информацией о состоянии канала с другими сотами и без требований точной синхронизации времени.
Перспективы развития массивного MIMO
В настоящее время растет интерес к беспроводным системам передачи информации. С развитием технологий и ростом числа потребителей остро возникает вопрос об увеличении пропускной способности, что не снижает качество предоставляемых услуг связи. Эта проблема может быть решена с
помощью технологии MIMO. Однако, для перспективных систем связи 5G, 6G этого недостаточно.
Поэтому сейчас наступает время массивного MIMO по двум причинам: во-первых, предшествующие технологии оказались неспособны обеспечить требуемую спектральную эффективность; во-вторых, экспериментально была подтверждена надежная работа с радиочастотными и низкочастотными схемами низкой сложности.
По оценкам исследователей, около 5 % провайдеров услуг начнут предлагать услуги беспроводной связи 5G в недалеком будущем, что представляет собой значительный прогресс в испытаниях концепций 5G. Технология массивного MIMO наиболее эффективны для 5G в долгосрочной перспективе [8].
В технологии 5G, по сравнению с 4G, число антенн увеличивается. Использование большого числа дополнительных антенн позволяет сформировать остронаправленные лучи энергии на более мелкие области пространства, что положительно сказывается на увеличении пропускной способности и эффективности использования излучаемой мощности (энергии).
Существуют также и другие преимущества использования массивного MIMO в будущих системах связи - это более дешевое производство отдельных компонентов антенной системы, низкие задержки в сети; простота работы на физическом уровне MAC.
Использование массивного MIMO в сетях 5G позволит использовать мобильные устройства, как и когда мы решим. То есть не будет существовать областей пространства, в одних из которых связь лучше, в других хуже. Где бы не находился абонент, скорость для загрузки или передачи больших файлов будет максимально хорошей. Кроме того, трехмерное формирование луча будет обеспечивать динамическое покрытие, необходимое для перемещения пользователей, и регулировать покрытие в соответствии с местоположением пользователя, даже в местах с относительно слабым покрытием сети.
Несмотря на широкий спектр возможностей, открываемых массивным MIMO, данная технология имеет проблему вычислительной сложности реализации приемника системы связи. Для того, чтобы оптимальным образом выделить в приемнике все переданные сигналы, необходимо на интервале длительности одного символа провести перебор всех возможных комбинаций символов, передаваемых всеми антеннами [9], [10]. Производится расчет (табл.2).
Таблица 2. Комбинации символов в зависимости от числа антенн __и типа модуляции_
Число антенн, N Число комбинаций символов при разных методах модуляции
BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM
2 4 16 256 4096
4 16 256 65536 16 772 216
6 64 4096 16 772 216 2262 144
Из таблицы 2 видно, что при числе антенн N > 4 и при использовании модуляции относительно высокого порядка (16-QAM, 64-QAM) число комбинаций символов оказывается очень большим, что делает невозможной практическую реализацию оптимального приемника системы MIMO на существующей элементной базе.
В настоящее время известен ряд квазиоптимальных алгоритмов приема сигналов MIMO, которые имеют меньшую сложность, чем оптимальный алгоритм. Однако эти алгоритмы обладают значительными энергетическими потерями [11].
Выводы:
Для повышения спектральной эффективности и скорости передачи информации в перспективных системах связи требуется развивать технологию массивного MIMO.
Проблема, возникающая при реализации технологии - вычислительная сложность приемника.
Основное направление исследований - поиск алгоритмов приема с низкой вычислительной сложностью и поиск соответствующих сигналов, прием которых возможен с минимальными потерями.
Заключение
Использование технологии Massive MIMO в ходе дальнейшего совершенствования сетей 4G позволит значительно улучшить эффективность использования спектра, особенно в сценариях большого трафика и улучшения покрытия, что даст стандарту 4G возможность удовлетворить растущий спрос на услуги передачи данных в эпоху 4.5G. Эта технология предусмотрена и требуется для развертывания сетей 5G.
Революционные возможности данной технологии уже сегодня закладывают прочную основу для развития 4G и будущего развертывания сетей 5G и способствуют развитию телекоммуникационной индустрии в целом.
Библиографический список:
1. Бакулин М. Г., Варукина Л. А., Крейнделин В. Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. — М.: Горячая линия - Телеком, 2014. — 242 с. — ISBN 978-5-9912-0457-6.
2. И.А. Перьков, Т.И. Картамышева - Новые технологии в сетях 5G
3. Tombaz S. Impact of densification on energy efficiency in wireless access networks [Текст] / S. Tombaz, K.W. Sung, J. Zander. - The 8th Broadband Wireless Access Workshop, 2012. — 57-62 с.
4. Bjornson Emil. Six differences between MU-MIMO and Massive MIMO. -2017. - P. 1 - 29.
5. Larsson E.G. Massive MIMO for 5G // IEEE 5G Tech Focus. - March 2017. - Vol. 1, Number 1.
6. Larsson E., Edfors O., Tufvesson F. and Marzetta T. Massive MIMO for next generation wireless systems // IEEE Communications Magazine. - February 2014. -Vol. 52, No. 2. - P. 186-195
7. К.Т. Акопян, Л.Г. Киракосян, А.М. Момджин - Анализ эффективности и прогноз эксплуатации массивной системы MIMO
8. Л.К. Хаджиева, Х.Э. Таймасханова, М.Ш. Элиханова - Технология MIMO как предпосылка развития сетей 5G
9. М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин - Проблема повышения спектральной эффективности и емкости в перспективных системах связи 6G
10. Jerry R. Hampton. (2014). Introduction to MIMO Communications, UK, Cambridge University Press. 288p.
11. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 797с.
УДК 62-622
Телекова Линара Растямовна Дияковская Анастасия Владимировна Telekova Linara Rastyamovna Diyakovskaya Anastasia Vladimirovna
Магистранты Master students
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
National University of Oil and Gas «Gubkin University»
ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО БУДУЩЕГО
HYDROGEN AS FUEL OF THE FUTURE
Аннотация. Поиск альтернативных источников энергии, в том числе топлив, на сегодняшний день является очень актуальной задачей. Альтернативное традиционным видам топливо должно быть экологичным (не связанным напрямую со значительными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, серосодержащих соединений и других вредных газов как при применении этого вида топлива, так и при его получении в промышленности), универсальным (применимым к различным видам двигателей), экономичным (как во время использования, так и при генерации), недефицитным и простым в получении, обеспечивающим высокий КПД и быструю заправку. Всем этим критериям удовлетворяет водородное топливо. Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. В статье рассматривается история применения водородного топлива, его достоинства и недостатки, а также дальнейшие перспективы по использованию водорода в топливных элементах.
Abstract: The search for alternative energy sources, including fuels, is a very urgent task today. An alternative to traditional types of fuel should be environmentally friendly (not directly related to significant emissions of carbon dioxide, sulfur-containing compounds and other harmful gases into the atmosphere, both when using this type of fuel and when it is obtained in industry), universal (applicable to various types of engines), economical (both during use and during generation), non-scarce and easy to obtain, providing high efficiency and quick refueling. Hydrogen fuel meets all these criteria. Hydrogen energy is our "reserve for the future", when fossil fuels will
