Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Навчальна дисципліна |
“Перспективні досягнення теорії телекомунікацій” |
|
Змістовий модуль № 4 Тема № 6 |
Технології МІМО та цифрового діаграмоутворення Обробка сигналів в системах MIMO |
|
Лекція № 18 |
Цифрові антенні решітки з множинним входом – множинним виходом – перспективна технологія систем зв'язку |
ПЛАН ЛЕКЦІЇ
Навчальні питання:
Навчально-матеріальне забезпечення:
Навчальна література:
1. Переваги застосування ЦАР і просторово-часового кодування сигналів у системах зв'язку
В даний час в використовуваних протоколах бездротових систем зв'язку (наприклад, 802.11a/b/g) передбачені заходи по забезпеченню надійності прийому радіосигналу в умовах багатопроменевого розповсюдження радіохвиль: методи передачі по паралельних каналів, блочного кодування та ін.
Однак, передбачені заходи захисту не є абсолютними. В той же час, зміна прийнятих протоколів проводиться з збереженням спадкоємності. Одним з шляхів такого підходу є застосування просторово-тимчасового методу, заснованого на використанні цифрового диаграмообразования (ЦДО) на базі цифрових антенних решіток (ЦАР).
Переваги систем з ЦДО відомі досить добре. Але у зв'язних завданнях традиційні переваги цієї технології набувають певну специфіку. Так, в антенних решітках базових станцій стільникових мереж, ЦДО значно підвищує стійкість мобільних телекомунікацій. Адже відомо, що продуктивність цифрових систем зв'язку різко знижується з-за межсимвольных перешкод, помилкових біт, а також з-за фединга (завмирання) потужності збігаються по фазі сигналів, що прийшли від безлічі переотражателей. Завдяки ЦДО робота радіоканалів при многолучевом поширення радіохвиль стає надійним.
Слід зазначити, що основним фізичним явищем, на яку спирається тропосферний зв'язок, є часткове внутрішнє відображення електромагнітних хвиль неоднорідними пластами тропосфери внаслідок плавного або обуреного безперервної зміни діелектричної проникності з висотою. Також в реальному атмосфері на шляху розповсюдження хвилі зустрічаються випадкові, рухливі неоднорідності різних розмірів і інтенсивності – глобули. У формуванні розсіяного поля в місці прийому основну роль відіграють так звані “світяться” або “гарячі” плями, які займають відносно малу частину розсіювальної поверхні глобули. Тому прийняте поле може формуватися двома і великим числом рознесених в просторі областей розсіювання. Таким чином, розсіювання хвиль глобулами і відображення хвиль пластами тропосфери характеризується многолучевостью, що і є необхідною умовою застосування технології МІМО.
Приймальну антенну систему MIMO можна розглядати як цифрову антенну грати з багатопроменевий діаграмою спрямованості. Слід зазначити, що ідея застосування ЦАР в засобах тропосферного зв'язку вже була запропонована в. Проте процес перевідображення від тропосферних пластів і глобул моделювався випромінюванням сукупності точкових джерел сигналів, яке дозволяло спростити їх просторове розділення по напрямку приходу сигналів. Таке припущення накладає обмеження на подальше підвищення швидкості передачі даних в тропосферном каналі, оскільки реально зони переизлучения сигналів в тропосфері можуть бути протяжними в просторі. Саме технологія МІМО дозволяє врахувати цю специфіку і створює передумови для розширення діапазону функціональних можливостей тропосферних засобів зв'язку.
Поряд з многоантенными системами в даний час об'єктами досліджень в області бездротових систем зв'язку подвійного застосування часто стають механізми просторово-тимчасової обробки (Space-Time Processing – STP) сигналів. Під STP розуміється адаптивна обробка сигналів системою, що складається з декількох антенних елементів, з використанням особливостей як просторової, так і тимчасової областей радіоканалу.
Техніка STP може застосовуватися на передавальному, приймальному або на обох кінцях каналу. У перших двох випадках вона називається Multiple Input Single Output (MISO) і Single Input Multiple Output (SIMO), а також технологія інтелектуальних антен (smart antenna).
Найчастіше на базі інтелектуальних антен використовують формування діаграми спрямованості. Вузька діаграма спрямованості дозволяє сфокусувати енергію сигналу в певному напрямку (зазвичай назустріч приймального пристрою), що збільшує відношення сигнал/шум, або, навпаки, “занулити” діаграму в напрямку перешкоди, що особливо критично при придушенні радіоелектронних джерел супротивника. При вузькому антенном лучі зменшуються також перешкоди, поліпшується відношення сигнал/шум і, таким чином, підвищується ефективність використання спектра.
Інші схеми покращують якість каналу за рахунок коефіцієнта посилення при прийомі на рознесені антени. При многолучевом поширення сигналу рівень прийнятої потужності є випадковою функцією, залежить від місця розташування користувача, часу і поточного завмирання сигналу. При використанні антенного масиву ймовірність втрати сигналу усіма антенами зменшується експоненціально з збільшенням числа некорельованих сигналів (або антен). Схема рознесення з системами MISO і SIMO нерідко використовує просту комутацію, щоб вибрати (наприклад, з двох) антену з найвищим співвідношенням сигнал/шум.
У системах на базі інтелектуальних антен (MISO і SIMO) тільки поліпшується якість каналу, а швидкість передачі даних не збільшується. Для того щоб підвищити пропускну здатність каналу, необхідно застосовувати STP (антенні масиви) як на передавальному, так і на приймальному його кінцях. Саме такі системи і називаються MIMO.
Ефект багатопроменевого розповсюдження радіохвиль використовується в системах MIMO для збільшення пропускної здатності каналу. Система з M передають і M прийомними антенами здатна забезпечити пікову пропускну здатність, теоретично в M разів більшу, ніж звичайні системи Single Input Single Output (SISO). Передавач розбиває потік даних на незалежні послідовність бітів і пересилає їх одночасно, використовуючи масив антен (просторове мультиплексування).
При передачі в одному частотному діапазоні кожна приймальня антена приймає всі сигнали одночасно. Однак якщо багатопроменеве розсіювання досить велика, то підпотоки, що передаються різними антенами, розсіюються по-різному, оскільки останні рознесені в просторі. Приймач, розташовуючи після обробки настроечной послідовності необхідною інформацією про кожному підканалів, відновлює з окремих підпотоків вихідний потік даних.
Однією з технік реалізації MIMO є просторово-тимчасове блочне кодування (Space-Time Block Coding - STBC), для реалізації якого потрібно порівняно просте кодування і декодування при низьких обчислювальних витратах.
Багаточастотний бездротовий канал теоретично має велику ємність, якщо повністю використовується мультидоступ. Багатоелементні передавачі використовуються як метод боротьби з завмираннями сигналу в бездротових каналах зв'язку через їх відносну простоту виконання і здійсненності експлуатації багатоелементних антен на базової станції. Просторово-тимчасове блочне кодування, що розвивається на базі простої схеми передачі, що використовує дві передавальні антени, можна узагальнити на випадок передачі з допомогою довільного числа передавачів і приймачів, що повинно забезпечити повний захист від завмирань каналів зв'язку.
Просторово-тимчасове кодування сигналів у системах радіозв'язку дозволяє забезпечити придушення зосереджених по спектру перешкод. Одним з основних переваг цього кодування є те, що з його застосуванням не потрібно змінювати режим ведення зв'язку, структуру сигналів і параметри приймально-передавальних пристроїв. Крім того, кодування добре поєднується з іншими видами обробки.
Для вирішення завдань просторово-тимчасового кодування сигналів необхідно використовувати сучасну обчислювальну техніку, здатну в реальному масштабі часу і з високою точністю здійснити відповідні розрахунки векторів вагових коефіцієнтів. Основні існуючі на сьогодні і перспективні системи зв'язку можуть використовувати, а деякі вже використовують методи просторово-тимчасової обробки сигналів. Так в стільникових системах вже використовуються інтелектуальні антени, є дані про їх використання супутникових, радіорелейних і тропосферних системах.
Багатоантенну систему можна розглядати як систему зв'язку, що містить кілька просторових каналів. Причому всі канали працюють в одній і тій же смузі частот, в один і той же час і розділяються тільки за рахунок просторового рознесення випромінювальних і приймальних антен. Термін MIMO ставиться до того випадку, коли одночасно використовуються два або більше входів і виходів каналу (рис. 1).
Ціна перерахованих переваг систем MIMO забезпечується підвищенням складності розгортання, вимог по установці і харчуванню додаткових антен (особливо на невеликих переносних пристроях) і додатковим ускладненням обробки, необхідної для багатовимірної демодуляції сигналів.
Рис. 1. Визначення радіотехнології, засноване на типі каналу.
2. Класифікація методів обробки сигналів у системах МІМО
Реалізація методів обробки сигналів у системах зв'язку отримала потужний поштовх з використанням високошвидкісних мікропроцесорів і можливістю швидко, з більшою ефективністю обробляти значні масиви інформації в реальному масштабі часу. Цьому ж сприяє появі цифрових приймальних пристроїв, з перетворенням прийнятих реалізацій сигналів в цифровому вигляді вже на рівні 1-й проміжної частоти.
MIMO-напрямок обробки сигналів включає в себе різнорідне сімейство методів, які умовно можуть бути класифіковані до принципу розділення сигналів на приймальному пристрої. При цьому в MIMO-системах використовуються як відомі підходи до розділення сигналів, так і нові:
– ортогональний кодування (розширення спектру сигналу методом прямої послідовності DSSS, метод фазової модуляції з допомогою поліфазної комплементарної кодової послідовності CCK, кодове поділ CDMA, поділ на основі ортогональних частот – OFDM, частотно-кодове поділ каналів MC-CDMA і OFDM-CDMA;
– просторово-часове кодування (ортогональні просторово-тимчасове кодування OSTBC);
– просторова селекція;
– просторово-частотний кодування;
– просторово-поляризаційне кодування;
– надрозрізнення за напрямком приходу сигналу в приймач.
Ортогональний кодування (як правило, по фазі) застосовується в сімействі стандартів 802.11 і вже реалізується в пристроях і чіпсетах різних фірм-виробників. Один з підходів до реалізації ортогонального кодування полягає в розширенні спектру сигналу методом прямої послідовності – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), коли кожен біт (або група бітів) вихідного потоку даних замінюється якоїсь псевдовипадковою (шумоподобной) кодової послідовністю. Наприклад, в стандарті IEEE 802.11 кожен біт, рівний 1, замінюється 11-позиційним кодом Баркера (10110111000), а рівний 0 – його інверсією.
Метод фазової модуляції з допомогою багатофазною (полифазной) комплементарної кодової послідовності (метод CCK – Complementary Code Keying) став подальшим розвитком принципу DSSS в стандарті IEEE 802.11b. Фізична опис переваги комплементарного кодування полягає в тому, що при роботі в умовах багатопроменевого розповсюдження сигналів межсимвольная інтерференція, викликана накладенням сигналів із затримками розповсюдження, буде відсутній.
Технологія мультиплексування з кодовою поділом каналів CDMA (Code Division Multiple Access) дозволяє працювати на одній частоті сигналах з різними взаємно ортогональними базами (псевдовипадковими кодовими послідовностями). У цьому випадку при використанні технології MIMO кожному антенному каналу ставиться у відповідність певний CDMA-код, і сигнали в них виявляються ортогональними.
Метод з поділом на основі ортогональних частот (OFDM) полягає у використанні замість високошвидкісний модуляції однієї модуляції несучої набору поднесущих з набагато меншою швидкістю. Весь діапазон розбивається на кілька ортогональних частот виду sn(t)=A•sin•(2π[f0+nΔf]), де n=0,...,N; Δf0 - інтервал між поднесущими. Вхідний потік даних ділиться на групи (символи), які використовуються для одночасної модуляції кожної піднесучої. До символів додають захисні інтервали як ефективний засіб боротьби з міжсимвольною інтерференцією. Щоб метод був ефективний, число піднесучих повинно бути достатньо великим - від десятків до тисяч. Так, в стандарті IEEE 802.11 a і g використовують 52 піднесучі, в стандарті IEEE 802.16 – від 200 до 2048, в специфікації наземного цифрового телевізійного мовлення DVB-T – 6817 піднесучих частот. Кожна з них модулюється за допомогою багаторівневої квадратурної модуляції. Вихідний багаточастотний сигнал синтезують за допомогою зворотного швидкого перетворення Фур'є (ОБПФ). За своєю природою системи OFDM добре пристосовані для застосування технології MIMO.
Об'єднання технологій OFDM і CDMA дозволяє при одних і тих же номіналах частот поділити канали передачі MIMO-системи за рахунок додаткової ортогональної кодової модуляції. При цьому кожен подпоток, кодований своїм CDMA-кодом, використовується для формування OFDM-символів. На приймальні стороні з OFDM-символу послідовно відновлюються ортогональні несучі, а потім кожна з них декодується. В системі OFDM-CDMA можливий також варіант попереднього синтезу потоку OFDM-символів, а потім CDMA-кодування, для кожного підпотоку використовується свій CDMA-код.
Розглянута вище MISO-схема Аламоуті використовується в стандарті IEEE 802.16-2004 (WiMAX). Таке кодування, згідно з даними корпорації Intel, дозволяє отримати виграш відносно сигнал/шум близько 5 дБ для модуляції BPSK і до 10 дБ – для 64-QAM в умовах багаторазових відбиттів. Однак, слід зазначити, що просторово-тимчасове кодування Аламоуті для мобільних абонентів супроводжується падінням ефективності передачі, так як метод допускає незмінність характеристик каналу не тільки у двох послідовних тимчасових інтервалах, по яких розраховуються передавальні характеристики каналу, але й аж до моменту закінчення прийому корисної інформації.
Модуляція MIMO-OFDM забезпечує незалежну трасу для розповсюдження сигналу кожної частоти випромінювання, при цьому в приймачі сигнали ортогональних частот легко поділяються за допомогою цифрової фільтрації. Схему формування сигналу MIMO-OFDM можна отримати як просторово-частотну схему Аламоуті, коли пара сигналів випромінюється не в двох послідовних тимчасових інтервалах, а на двох ортогональних частотах. Таким чином, збільшується пропускна спроможність в порівнянні з просторово-тимчасовим методом.
Обробка сигналів за методом магічного квадрату може бути ефективнішою схеми Аламоуті при швидких завмираннях сигналів на трасі поширення, у повільних завмираннях ситуація змінюється на протилежну.
З вище сказаного, слід зробити висновок, що просторово-тимчасове кодування сигналів володіє тим незаперечною перевагою, що воно дозволяє долати широкий клас заважають сигналів і добре поєднується при цьому з іншими методами обробки, такими як частотні, тимчасові, кодові системи зв'язку та ін.
Контрольні запитання
.
.
.
Розробив:
доцент КІ
к.т.н., с.н.с. Волошко С.В.
приемные антенны
риемные антенны
передающие антенны
передающие антенны