РЕАЛИЗАЦИЯ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ MIMO

April 28, 2012 by admin Комментировать »

Кравчук С. А., Борисова М. Б. Научно-исследовательский институт телекоммуникаций НТУУ «КПИ» Индустриальный пер., 2, 03056, Киев-056, Украина тел. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net

Аннотация – представлена новая технология про- странственно-временного разнесения сигналов MIMO, которая благодаря своим главным достоинствам – большой информационной емкости и неподверженности интерференции от многолучевого распространения – имеет большие перспективы для построения мобильных систем широкополосного радиодоступа.

I.  Введение

Наиболее перспективным направлением дальнейшего совершенствования мобильных телекоммуникаций ожидается в реализации на их основе систем высокоскоростного широкополосного радиодоступа (голосовая связь, передача видео и данных) [1]. Однако до сих пор остаётся актуальной проблема получения высоких скоростей передачи в радиосистемах подвижной службы. Если скорости передачи фиксированных систем широкополосного беспроводного доступа достигают десятков Мбит/с, то сотовые сети 3-го и 4-го поколений (3G, 4G), позволяют достигать скоростей передачи для мобильного пользователя не более 2 Мбит/с. Основным фактором ограничивающим увеличение скорости передачи информации служит явление многолучёвости в радиоканале между мобильным пользователем и базовой станцией. Кардинально решить данную проблему призвана, так называемая, многоантенная технология MIMO (Multi Input Multi Output – множество входов/множество выходов) и ряд её современных модификаций.

Ещё в 1996 году на основе технологии MIMO Bell Laboratories представила проект BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time) [2], целью которого было создание радиосистемы со скоростями передачи более 2 Мбит/с для мобильных пользователей. Тогда этот проект не привлёк к себе должного внимания, так как имели место существенные трудности в его реализации для миниатюрных пользовательских терминалов. В последнее время рост вычислительных мощностей и микроминиатюризация цифровых схем позволила реализовать программноэлементную платформу, которая способна производить операции, обеспечивающие обработку информации по предложенному Bell Laboratories алгоритму. Однако развитию подверглась не только аппаратная платформа но и сама MIMO, что породило множество алгоритмов ее реализации, а также неоднозначность ее толкования.

В этой связи основной задачей настоящего доклада являются представление с единых позиций основных принципов и алгоритмов реализации MIMO, его достоинств и последних приложений для создания мобильных систем широкополосного радиодоступа.

II.  Общие положения

В отличие от телекоммуникационных техноло-гий, основанных на временном/частотном и/или кодовом разделении сигналов, в MIMO применено простран- ственно-временное (Space-time). Для реализации такого разделения множество входов (излучающих антенн) осуществляют передачу по нескольким (в общем случае – множеству) путям (лучам), а принимается это множество сигналов как множество потоков на несколько приёмных антенн. Однако в отличие от известного в радиосвязи метода приёма на разнесённые антенны (SIMO – single input multiple output), данный алгоритм позволяет гораздо более эффективно бороться с внутренними помеха-ми от смежных подканалов благодаря использованию про- странственно-временного алгоритма кодирования/декодирования.

Такой подход, во-первых, оптимально позволяет решить проблему помехоустойчивости и помехозащищённости, вызванную, в общем случае, неопределенностью состояния канала в момент передачи информации, т.е. увеличить помехоустойчивость системы, а значит и скорость передачи данных. Во-вторых, избежать внутренних помех от «своих» же соседних каналов. И, наконец, в-третьих, здесь используется многолучёвое распространение сигнала, которое позволяет при минимальном разносе передающих и принимающих антенных элементов соответственно передавать и принимать несколько подканалов. При этом суммарная мощность излучаемая в такие подканалы не превышает мощности сигнала при одноканальной передаче с использованием узконаправленной антенны. Каждый из этих подканалов представляет собой копию (реплику) исходного потока данных.

В качестве передающих и приёмных антенн используются адаптивные антенные решетки (АР) [3]. При этом передатчик формирует комплексный вектор – массив пространственно кодированных сигналов, представляющих собой разнесённые в пространстве потоки данных, подвергаемые затем фазовой или квадратурной амплитудной манипуляции. Помимо этого, на передающем конце формируется исключающий вектор обнуления смежных подканалов. Адаптивные АР на приёмном конце, позволяют на основе анализа полученного обнуляющего вектора (линейного взвешивания данного вектора и полученного сигнала) и предварительной оценки элементов канальной матрицы для выделения подканала с максимальным отношением сигнал/шум, исключить перекрёстные помехи от соседних подканалов и выделить передаваемую последовательность наилучшим образом (максимум апостериорной вероятности), при этом подразумевается, что осуществляется непрерывный мониторинг канала и обработка служебной информации как на передающем, так и на приёмном конце.

В системах на основе данной технологии можно дополнительно использовать помехоустойчивое кодирование и ортогональное разнесение внутри подканала. При этом теоретически достижимые скорости передачи составляют порядка 500-600 Мбит/с. Реально на сегодняшний день удалось реализовать скорости порядка 200 Мбит/с при сравнительно небольших расстояниях и в условиях рэлеевских замираний [4].

Важным преимуществом технологии MIMO является ее высокая информационная ёмкость, достигаемая за счёт кодовой декорреляции подканалов. В самом общем виде максимальную пропускную способность можно записать в виде [5]:

C=X>M1+V^2)

где Pj – мощность в у’-подканале такая, что общая передаваемая мощность Р = Р-1+…+ Pl = const; ст2 – мощность шума; Xj – коэффициент передачи по мощности у-го подканала. Так как Р постоянна, то возникает проблема распределения мощности по индивидуальным подканалам, которая решается при помощи различных стратегий:

1)     Равномерное распределение мощности UPA (uniform power allocation) Pj = P/L.

2)     Метод максимальной мощности MG (maximum gain).

3)     Оптимальное распределение мощности в соответствии с «водоналивной» WF (“water-filling”) стратегией, которая позволяет предварительно «взвешивать» передаваемые сигналы для адаптации распределения их удельных мощностей в подканалы: Pj = A- a2 /Xj, где А = const, ограничивающая условие постоянства Р.

Тогда из приведенного выражения информационной емкости видно, что общая пропускная способность канала представляет собой сумму пропускных способностей ряда пространственных подканалов. Следовательно, пропускная способность технологии MIMO может быть увеличена в L раз по сравнению с пропускной способностью обычного радиоканала типа «точка-точка». То есть, с увеличением числа антенных элементов пропорционально увеличивается и пропускная способность системы. Таким образом, определяется ещё одно достоинство MIMO, которое состоит в простоте её возможного масштабирования: требуемая скорость передачи (пропускная способность) может быть легко получена изменением количества приёмных или передающих элементов.

На сегодня прогнозируется использование технологии MIMO практических во всех сферах мобильной связи. Предполагается также, что с развитием данной технологии её будут поддерживать антенны большинства мобильных терминалов UMTS, аппаратная реализация множественного доступа в которых может быть в значительной степени упрощена благодаря применению пространственно-временной обработки потоков множества пользователей.

Сейчас разработкой таких терминалов занялись компании Ericsson, Vodafone, Nokia, Motorola под эгидой проекта I-METRA [6], который в скором будущем обещает обеспечить мобильный доступ абонентам на скорости движения свыше 100 км/час.

III.  Заключение

Таким образом, можно констатировать, что новая технология пространственно-временного разделения сигналов на основе MIMO имеет большие перспективы для построения мобильных систем широкополосного радиодоступа со скоростями передачи в десятки и сотни Мбит/с. Однако главным препятствием на пути скорейшего внедрения данной технологии является трудность аппаратной реализации достаточно сложного математического алгоритма Ml МО по кодированию и декодированию сигналов. Но, не смотря на это, технология MIMO благодаря своим главным достоинствам – большой информационной емкости и неподверженности интерференции от многолучевого распространения – привлекает к себе все большее внимание разработчиков телекоммуникационного оборудования.

VI.   Список литературы

[1 ] Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. В 2 т. Том 2: Устройства приемного и передающего трактов. Проектирование устройств и реализация систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др. – К.: 1ВЦ “Полп"ехнка”, 2003,- 616 с.

[2]   V-BLAST: A High Capacity Space-Time Architecture for the Rich-Scattering Wireless Channel / F.D. Golden, F.J. Fo- schini, R.A. Valenzuela etc. // Report of Wireless Communications Research Department of Bell Laboratories, Homdel, N J, Sept. 9-11, 1998. – P. 325-332.

[3]   Smart Antennas for Broadband Wireless Access Networks / K. Sheih, D. Gesbert, D. Gore, A. Paulraj // IEEE Commu- nic. Magazine.- 1999,- Vol. 37, nr 11,- P. 100-105.

[4]   Skoglund М., Joengren G. On the capacity of a multiple- antenna communication link with channel side information // IEEE J-SAC.- 2004,- Nr. 4,- P. 137-141.

[5]   Maltsev A. A., Rubtsov A. E., Tiraspolsky S. A. The comparison of capacities of MIMO communication systems with different numbers of transmitting and receiving elements for random rayleigh channel //Труды Научной конференции по радиофизике, ННГУ, Нижний Новгород, июнь 2001 г. -С. 199-200.

[6]   Perez-Neira A., Mestre X., Fonollosa J. R. Smart Antennas in Software Radio Base Stations// IEEE Communications Magazine.- 2001.- Nr 2,- P. 73-78.

IMPLEMENTATION OF MOBILE BROADBAND RADIOACCESS SYSTEMS ON THE BASE OF MIMO TECHNOLOGY

KravchukS. A., Borisova М. B.

Research institute of telecommunications NTUU «КР1» Industrial per., 2, 03056, Kyiv-056, Ukraine Ph. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net

Abstract – Presented in this paper is the new technology spatially-temporary diversities of signals MIMO, which has large perspectives for creation of mobile broadband radioaccess systems due to large information capacity and interference nonsusceptibility from multibeam propagation. The most perspective direction of further improvement of mobile telecommunications is implementation of high-speed broadband radioaccess systems (voice link, transmission of a video and data) on their basis [1]. However there is an actual problem of obtaining high transfer rates in radio systems of mobile service. Transfer rate of fixed wireless broadband access systems reaches tens Mbps, while using cellular networks of 3-rd and 4-th generations (3G, 4G) it is possible to reach transfer rates for the mobile user no more than 2 Mbps. The major factor, which impedes the increase of information transfer rate is multiray propagation in radio channel between the mobile user and base station. In order to decide this problem, the so-called multiantenna technology MIMO (Multi Input Multi Output) and a number of its modifications are used.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты