Технология MIMO

Необходимость повышения скорости передачи информации в системах связи существовала всегда. Однако, несмотря на растущий спрос на высоко­скоростное обслуживание, сделать это, особенно в беспроводных системах подвижной связи, очень сложно. Но даже увеличение скорости передачи до 50 Мбит/с оказывается недостаточным. Речь может идти о нескольких сотнях мегабит в секунду. При использовании традиционных технологий передачи и приема сигналов такое увеличение скорости передачи данных может потребовать чрезмерно высокой излучаемой мощности или слишком большой полосы частот, что не всегда выполнимо.

Кроме того, расширение спектра сигнала влечет за собой повышение несущей частоты, что в отсутствие прямой видимости может привести к существенному снижению дальности связи. Поэтому для достижения высоких скоростей передачи необходимо развитие новых телекоммуникационных технологий. Теоретические исследования и полученные практические результаты последних лет показали высокую эффективность использования в системах связи многоантенных приемных и передающих структур, когда между приемником и передатчиком устанавливают канал со многими входами и многими выходами (multiple-input multiple-output (MIMO)).

Рис.4.33. Модель канала с n_T передающими и n_R приемными антеннами

Канал образован n_T передающими и n_R приемными антеннами, и описывается n_T H n_R случайной матрицей H комплексных коэффициентов передачи:

(4.2)

Здесь h_ij – комплексный коэффициент передачи пути от i -й передающей до j -й приемной антенны. Статистические характеристики матрицы H определяются свойствами канала.

Спектральная эффективность характеризует степень использования выделенной полосы частот и определяется выражением:

,

где R – скорость передачи данных;

ΔF – ширина полосы частот.

Предел Шеннона для спектральной эффективности равен:

где P_c – мощность сигнала;

P_ш – мощность шума в канале.

История MIMO начинается с разнесенного приема. При разнесено приеме используют одну передающую антенну и несколько приемных, так что сигналы, поступающие на них, некоррелированы. Наиболее распространенный вариант при передаче вверх: одна передающая антенна на АС и две на базовой. Цель – увеличить результирующее отношение γ = сигнал/помеха (SNR – Signal to Noise Ratio). При этом используют 2 варианта обработки сигналов.

В первом при приеме каждого кадра выбирают сигнал с наилучшим SNR. Если - среднее SNR, то при наличии N приемных антенн получаем:

Во втором варианте результирующий сигнал определяют в виде взвешенной суммы сигналов, принятых разными антеннами. Если взвешивающий коэффициент определить в виде комплексного числа

а приходящий на антенну сигнал как x(t)×h_i, где

комплексное затухание на трассе, то суммарный сигнал

Если положить φ_i=-θ_i, то SNR для принятого сигнала y (t):

где ε_χ – энергия переданного сигнала, а σ² – средняя мощность помехи. Максимальное значение это выражение будет иметь при условии:

,

то-есть каждый сигнал при приеме умножается на свое SNR. Другими словами, мощность лучших каналов будет повышаться, худших – понижаться и

отношение сигнал/шум принятого сигнала можно записать как:

В многоантенных системах число передающих и приемных антенн может меняться. При этом можно реализовать две разные технологии: STC – Space Time Coding (пространственно-временное кодирование) и пространственное мультиплексирование (увеличение скорости передачи за счет передачи через разные антенны разных сигналов).

При STC должно быть несколько передающих антенн. В простейшем варианте приемная антенна будет одна (рис. 4.34).

Рис.4.34. Вариант схемы STC

Среди схем STC наибольшее распространение, включая WiMAX, получила схема Аламути (Alamouti). Через 2 передающие антенны передают следующую комбинацию двух символов:

Приемная антенна одна и в два последующих момента времени она принимает сигналы

где n – белый гауссовский шум. Тогда может быть использована следующая комбинационно-разнесенная схема, при условии что канал известен приемнику (по приему пилотных сигналов):

Далее можно выразить y₁ как:

а y₂ как:

Следовательно, мы получаем очень простой декодер, который складывает два полученных отсчета и при этом устраняет пространственную интерференцию. В итоге получаем результирующее SNR:

Пространственное мультиплексирование гораздо сложнее. Здесь число как передающих антенн, так и приемных должно быть не менее двух. В общем случае каждая из антенн передает свой независимый сигнал и связь между ветором передачаемых сигналов s и вектором принимаемых сигналов r отображается матрицей Н (4.1). Рассмотрим наиболее простой и частый вариант, когда на передающей и приемной сторонах установлено по две антенны (рис. 4.35). В этом случае связь между переданныи вектором s и принятым r устанавливается соотношением

(4.2)

где - помехи на входе приемников, а H – канальная матрица коэффициентов передач.

Рис.4.35. Вариант MIMO 2×2

При линейном детектировании для получения сигналов достаточно принятый вектор умножить на матрицу W, обратную H:

(4.3)

Однако из-за сильного влияния помех качество принимаемых сигналов оказывается низким. Для уменьшения влияния помех предложены разные методы приема сигналов при MIMO. В частности, при линейном детектировании при вычислении матрицы W = H^-1 ее отдельные элементы умножают на весовые коэффициенты в зависимости от отношения сигнал/помеха в каждом из 4-х соединений радиотракта. Более надежным и эффективным методом представляется реализация MIMO с обратной связью, где каждый из двух передатчиков передает взвешенную сумму сигналов s₁ и s₂ (рис.4.36).

Рис.4.36. Структура передачи при 2×2 MIMO с обратной связью

Используя при передаче предварительное мультиплексирование, получаем ортогональные сигналы при приеме. Матрица мультиплексирования V = H^-1, так что при приеме имеем

(4.4)

Так как , то

и (4.5)

Кроме рассмотренных методов линейного детектирования, для приема сигналов MIMO разработаны методы нелинейного детектирования, основанные на поиске сигналов s₁ и s₂ с использованием критерия максимального правдоподобия.

Поиск по сайту: