Классификация многоантенных систем

В WiMAX используют следующие технологии AAS (Adaptive Antenna System):

- разнесенный прием (одна передающая антенна и несколько приемных);

- пространственно-временное/частотное кодирование (несколько передающих антенн и одна или несколько приемных);

- пространственное мультиплексирование (несколько передающих и несколько приемных антенн),

- направленное излучение (beamforming).

Последние 3 технологии реализованы в MIMO (multiple input – multiple output) структурах. Использование технологий MIMO (multiple input – multiple output) направлено на решение двух задач:

- повышения качества связи за счет пространственного временного/ частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования.

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких независимых сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется N_t передающих антенн, а на приемной стороне N_r приемных. Эту структуру поясняет рис. 15.1.

 

 

 

Рис. 15.1. MIMO структура

 

Математическая модель, описывающая систему (рис.15.1), представляет собой векторное уравнение

 

y = H × x + n (15.1)

где n – вектор помех на входе приемников. Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

 

(15.2)

 

элементы которой h_ij являются комплексными коэффициентами передачи между i приемной антенной и j передающей. Они должны быть между собой некоррелированными. Коэффициенты h_ij приемник рассчитывает, принимая пилотные сигналы. Эти пилотные сигналы передающие антенны передают по очереди по установленному алгоритму. Основная сложность в реализации подобных систем состоит в выборе оптимального алгоритма приема.

При пространственном временном/частотном кодировании группу символов передают либо последовательно во времени на одной поднесущей (пространственно-временное кодирование) или одновременно на нескольких поднесущих (пространственно-частотное кодирование) параллельными потоками. В практике многоантенных систем широкое применение нашла схема Аламути пространственно-временного кодирования (Space Time Coding – STC). В ней в конфигурации антенн 2×1 (рис.15.2) через антенны 1 и 2 передают следующие друг за другом символы S₁ и S₂ и их комплексно-сопряженные значения S* одновременно в 2 последовательных момента времени:

 

	Антенна 1	Антенна 2
Время t = 0	s1	s2
t = 1	-s2*	s1*

 

Рис. 15.2. STC при конфигурации антенн 2×1

 

При приеме в моменты t = 0 и t = 1 получают следующие сигналы:

r(0) = h₁s₁ + h₂s₂ + n(0) (15.3)

r(1) = -h₁s₂^* + h₂s₁^* + n(1),

где n(0) и n(1) – соответствующие отсчеты помехи (шума).

Для выделения сигналов s₁ и s₂ выполняют две линейные операции:

y₁ = h₁^*r(0) + h₂r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₁ + h₁^*n(0) + h₂n^*(1) (15.4)

y₂ = h₂^*r(0) - h₁r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₂ + h₂^*n(0) – h₁n^*(1)

В результате устраняются пространственные взаимные помехи, а результирующее отношение сигнал/помеха

(15.5)

Скорость кодирования в рассмотренном варианте не меняется (R_код = 1).

В LTE пространственное мультиплексирование реализуют на основе многослойных структур, Передаваемый информационный поток разделяют на отдельные слои (layers). Далее потоки отдельных слоев с помощью специальных MIMO кодирующих матриц (precoding) преобразуют в потоки, передаваемые через отдельные антенны, число которых может достигать 8. Количество слоев определяет ранг (rank) структуры.

Приемник при использовании пространственного мультиплексирования строят по алгоритму MMSE-SIC (Minimum Mean Square Error – Successive Interference Cancellation), где путем последовательного детектирования снижают уровень помех на каждом последующем этапе. Структура приемника MMSE-SIC показана на рис. 15.3. В нем осуществляют поэтапное декодирование потоков (субблоков), последовательно вычитая из суммарного принятого сигнала сигналы декодированных потоков.

 

Рис. 15.3. Приемник MMSE-SIC

 

На практике используют однопользовательское MIMO и многопользовательское MIMO (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Структура MU-MIMO вниз с 4 АС