15. Применение адаптивных антенных систем
15.1. 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 Nt передающих антенн, а на приемной стороне Nr 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 hij являются комплексными коэффициентами передачи между i приемной антенной и j передающей. Они должны быть между собой некоррелированными. Коэффициенты hij 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 (Rкод = 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