Савельєв Костянтин Леонідович

Державний ВНЗ «Національний гірничий університет», Україна

МІМО системи та просторове мультиплексування

Однією з головних проблем в області бездротових систем зв'язку є значне збільшення швидкості передачі даних і підвищення якості обслуговування користувачів (зменшення ймовірності помилки передачі інформації). Ця проблема особливо актуальна в стільникових (мобільних) бездротових системах зв'язку, що працюють в складних умовах поширення сигналів. «Традиційні» шляхи її вирішення, пов'язані з розширенням частотної смуги або зі збільшенням випромінюваної потужності, вичерпали себе через високу вартість частотних діапазонів і вимоги біологічного захисту.

Поширення радіосигналу в міських умовах кардинально відрізняється від умов розповсюдження прямої видимості. Крім всіх перешкод і шумів з'являється безліч додаткових, небажаних ефектів. Наявність великої кількості забудов, висотних будівель, труб, структура вулиць, можливі перепади рівня земної поверхні і т. п. призводить до багаторазовому відбиттю сигналу. Навіть якщо приймальний пристрій знаходиться в стаціонарному стані, рівень прийнятого сигналу може змінюватися за рахунок віддзеркалень від рухомих транспортних засобів. В результаті на прийомну антену практично завжди приходить безліч копій сигналу (багато променів - звідси термін "багатопроменевого розповсюдження") з різними рівнями і різними затримками по часу, як це показано на рис.1.

Рис.1 Багатопроменеве розповсюдження радіосигналу.

Ідея рознесеного прийому (англійський термін diversity reception, або просто diversity - рознесення) як заходу боротьби з багатопроменевим розповсюдженням полягає в спільному використанні декількох сигналів, що розрізняються (рознесених) по якомусь параметру або координаті, причому рознесення повинно вибиратися таким чином, щоб ймовірність одночасних завмирань всіх використовуваних сигналів була набагато меншою, ніж якогось одного з них. Іншими словами, ефективність рознесеного прийому тим вище, чим менше корельовано завмирання в складових сигналах. Крім того, важлива технічна реалізація і простота використовуваного методу.

Найпоширенішим є метод рознесеного прийому із вибором антени з сильнішим сигналом (рис.2).

Рис.2 Ілюстрація методу рознесеного прийому.

Ще одним варіантом боротьби з багатопроменевим розповсюдженням є рознесена передача сигналу. Вона полягає у відправці сигналу у простір за допомогою окремих антен.

Проте, лише тільки розділенням потужності між антенами неможливо зменшити помилку передачі, тому використовують різні методи просторової обробки сигналів при передачі, наприклад, фазова рознесена передача.

При цьому виді передачі кожний імпульс розділяється на дві антени, але в одній з гілок проводиться поворот фази сигналу (рис.3).

Рис.3 Фазова рознесена передача.

На прийомі відбувається розпізнавання сигналу за допомогою оптимального фільтру. Також можливе використання декодеру Вітербі, який добре виправляє помилки у спотвореному сигналі.

При поєднанні методів рознесеного прийому та рознесеної передачі ми переходимо до MIMO систем.

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) – метод просторової обробки сигналу, що дозволяє збільшити смугу пропускання каналу, при якому передача даних здійснюється за допомогою N антен і їх прийому М антенами. Передавальні і приймальні антени рознесені настільки, щоб досягти слабкої кореляції між сусідніми антенами.

Рис.4 Ілюстрація МІМО каналу.

У МІМО системі зв’язку основною характеристикою системи є матриця коефіцієнтів зв’язку між антенами (рис.4).

Просторове мультиплексування - це метод одночасної передачі незалежних потоків даних через різні антени для підвищення ефективної швидкості передачі. Просторове мультиплексування дозволяє підвищити швидкість передачі, використовуючи при цьому ту ж смугу частот і потужність, що і традиційна система SISO. Теоретично, пропускна здатність лінійно залежить від числа використовуваних прийомних і передавальних антенних пар. У конфігураціях з нерівним числом прийомних і передавальних антен пропускна здатність пропорційна меншому з них.

Крім того, просторове мультиплексування може застосовуватися в багатокористувацькому методі доступу, відомому як SDMA (Space Division Multiple Access - множинний доступ з просторовим розділенням каналів). Припустимо, що два мобільних абонента передають сигнали по одному і тому ж радіоканалу (рис.5).

Рис.5 Ілюстрація просторового мультиплексування

Обидва сигнали приходять на базову станцію, обладнану двома антенами, де вони розділяються за допомогою просторового мультиплексування. Пропускна здатність такої системи зростає пропорційно або числа антен базової станції, або кількістю мобільних абонентів, залежно від того, який із значень виявиться менше. І хоча окремі абоненти не відчувають приросту пропускної здатності, провайдер виявляється у виграші за рахунок збільшення числа користувачів в тій же зоні обслуговування

Системи MIMO мають перед традиційними наступні переваги:

1. Збільшення пропускної здатності, так як інформація передається по декількох просторовим каналах.

2. Багатопроменевого поширення, що погіршує роботу класичних систем, є корисним ефектом для роботи MIMO систем, тому що призводить до появи додаткових незалежних шляхів поширення сигналу.

3. Підвищення завадостійкості системи завдяки надмірності інформації в просторових каналах

4. Істотне збільшення ємності мережі завдяки використанню просторового мультиплексування

Але у MIMO систем є і недоліки, пов'язані з самим принципом їх побудови:

1. Тільки при високому SNR можливі поділ потужності по різним просторовим каналах і паралельна передача інформації. Саме з цієї причини MIMO і SDMA-системи будуються для передачі інформації на порівняно малі відстані, коли рівень сигналу досить високий.

2. Якщо сигнал від передавача до приймача поширюється по одному шляху, канал однопроменевий, то побудова різних просторових каналів неможливо. Тільки в багатопроменевому радіоканалі можлива побудова різних просторових каналів і паралельна передача інформації по них.

3. При малих просторових розмірах системи стає складним рознесення антен і розділення різних просторових променів.

Джерела:

1. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Чечиль К.В. Сравнительный анализ эффективности методов пространственной разнесенной передачи информации в системах с кодовым разделением пользователей // Прикладная радиоэлектроника. 2003, Т. 2, № 1. С. 41-51.

2. А.В. Гармонов ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОБИЛЬНОЙ И БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ, учебное пособие, Воронеж, 2010

3. Сюваткин В. С., Есипенко В. И., Ковалев И. П. Сухоребров В. Г. WiМАХ — технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение. / Под ред. В. В. Крылова. —СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 368 с