Пространственное мультиплексирование: просто о сложном. Часть 1


    Прорыв последних лет в области беспроводных стандартов и технологий связи обязан, по сути, одной технологии — MIMO.Предложенная теория очень удачно подошла под активно осваиваемую технологию OFDM и именно эта связка позволила получить сегодняшние 802.11n/ac, LTE и т.д. В статье я попытаюсь объяснить за счет чего происходит увеличение скорости при использовании многоантенных систем и постараюсь описать без сложных формул и схем принцип работы систем MIMO-OFDM.

    В качестве вступления хочу порекомендовать вам ознакомиться с работой товарища tgx, где очень красиво объясняется что такое OFDM, дается немного понятий из теории связи.
    Не влезая в специфические термины коротко свойства системы связи можно описать 2 пунктами: помехоустойчивость(ПУ) и пропускная способность(ПП). Несмотря на то, что сегодня мы все меряем скоростями передачами(пропускная способность — максимальная скорость обеспечиваемая системой связи) во главу угла поставлена именно достоверность передачи (показатель: вероятность ошибки). В любой системе всегда существует механизм обмена ПП на ПУ. Именно поэтому при резком ухудшении условий передачи (вы ушли с ноутбуком из кабинета на кухню) вы получаете в своем браузере не кракозябры(хотя скорее всего и их вы не увидите), а замечаете снижение скорости.
    Еще не так давно главным способом выжимания заветных децибел было усовершенствование сигнально-кодовых конструкций и методов помехоустойчивого кодирования. MIMO сделало казалось невозможное: не меняя полосу частот, энергетику сигналов, только за счет физического увеличения количества антенн и усложнения методов обработки удалось увеличить теоретическую ПП и ПУ систем связи в разы. Так уж сложилось, что нормальной литературы на русском языке практически нет, автору приходилось заниматься обработкой литературы англоязычной.

    Классификация систем MIMO


    Логически правильно было бы разделить системы MIMO, как системы с многими входами и многими выходами по типу использования этой пространственной избыточности.

    Тему ПВК я постарался раскрыть здесь.
    BF(Beamforming-формирование луча) — перспектива развития систем MIMO. Смысл заключается в использовании ЦАР (Цифровая Антенная Решетка), которые позволяют динамически изменять диаграмму направленности. Как это можно применить? Формирование нескольких лучей — имитация многоантенной системы, т.е. нет необходимости городить огород из классических антенн. Автоматическая подстройка под местоположение приемника позволяет давать большую энергетику на приемнике и следовательно увеличить ПУ и как следствие ПП.

    Пространственное мультиплексирование


    Математически, сигнал на приемнике после прохождения через радиоканал представляет собой сумму произведения исходного сигнала и некоторой комплексной передаточной функции(КПФ) и шума.Пресловутые замирания возникающие в радиоканале как раз и составляют КПФ. Закон распределения КПФ, как случайной величины, определяет наличие прямой видимости между передатчиком и приемником и факторы влияющие на многолучевое распространение сигнала (стены в квартире, дома в городе и т.д.) В нашем случае наиболее универсальным будет случай отсутствия прямой видимости — Релеевские замирания.
    Так как в системе присутствуют несколько антенн, то пути проходимые сигналами с разных антенн тоже разные, следовательно разными будут и их КПФ для каждой пары передатчик-приемник. Это принципиально важный момент. Исходя из структуры системы КПФ всех её подканалов можно свести в матрицу.
    А теперь самое интересное. Получается что каждый канал имеет свои характеристики отличающиеся от соседних, следовательно сигнал переданный по нему можно однозначно отделить от сигналов переданных по другим каналам переданных в этой же полосе частот.
    Математика MIMO, а именно алгоритмы принятия решения довольно непростые, но все они построены на знании КПФ на приемной стороне. Но как это реализовать, если на определенной частоте мы передаем информацию, а это случайная величина? Самое эффективное решение — введение в структуру сигнала пилотов — сигналов с заранее известными параметрами с помощью которых можно проводить оценку канала.

    Оценка канала


    OFDM технология уникальная, помимо отличных показателей ЧЭЭ (частотно-энергетической эффективности), беспрецедентной помехозащищенности(не путать с помехоустойчивостью) и гибкости она как нельзя кстати подходит под концепцию MIMO. Структура OFDM представляет собой набор промодулированных поднесущих, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга в частотном спектре.
    В силу того, что реальные каналы частотно-селективны (КПФ даже соседних поднесущих могут иметь большую разницу), некоторые из подканалов используются в целях оценки канала. Для этого пилотные поднесущие модулируются ФМ-2 (Фазовая модуляция с позиционностью 2, позволяет передавать 1 бит) псевдослучайной последовательностью известной на приеме. Выбор расположения этих поднесущих также не случаен: учитывается равномерность их распределения в частной и временной области (причины в различных видах помех).

    На приемной стороне шаблон пилот-несущей делят на принятый вариант, и как итог, мы получаем КПФ канала для пилот-несущей. Дальше производится аппроксимация полученных значений для информационных подканалов.
    Цель достигнута: КПФ канала найдены для всех поднесущих и можно возвращаться к MIMO.

    Обработка сигнала


    Существует большое количество методов обработки полученного сигнала, но самый простой по сути и самый ресурсоемкий это ML (Maximum Likehood — максимального правдоподобия).
    Решение о принятом сигнале принимается по минимальной разнице между вычисленным значением сигнала и принятой реализацией прямым перебором по всем подканалам и возможным сигналам.

    Представленный алгоритм довольно сильно упрощен, однако, позволяет наглядно объяснить «откуда взялась скорость» и как «приемник понимает какой сигнал от какой антенны пришел».

    Заключение


    На самом деле представленные материалы в этой статье это верхушка айсберга. Алгоритм ML на практике не используется, так как требует очень много ресурсов. Значительным усовершенствованием его стал алгоритм сферического декодирования.Современные системы связи уверенно движутся в сторону адаптивности скорости помехоустойчивых кодов, позиционности модуляции, beamforming и скорости пространственного кодирования. Все эти методы выжимают радиоканал по-максимуму. По теме пространственной обработки очень перспективной мне кажется идея сингулярной обработки(предкодинга) сигнала вместе с использованием «водонаполняемого» решения на основе известной оценки канала на передаче.

    Литература


    1. Alain Sibille, Claude Oestges, Alberto Zanella «MIMO: From Theory to Implementation»
    2. Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung G. Kang «MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB»
    • +21
    • 37.1k
    • 8
    Support the author
    Share post
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 8

      +1
      Как-то очень поверхностно вы затронули эту тему. Вроде обещали раскрыть тайну MIMO, а в итоге так и не понятно откуда тут чудесная скорость и отношение скорость/качество связи…

      ML (Maximum Likehood — максимального правдоподобия)
      ПМ на картинке — правдоподобный максимум?
        0
        ПМ — пространственное мультиплексирование (см. схему классификации). По поводу скорости я думал все понятно из последнего изображения: входной поток 4 бита(по 2 одновременно передается через 2 антенны. В классическом случае это было бы 2 бита. Прирост скорости 2 раза для антенной конфигурации 2x2.
          0
          Окей, с этим то понятно. А почему тогда при ухудшении сигнала данные все же получается принять, но на меньшей скорости?
        0
        За счет гибкости системы: увеличение количества проверочных символов помехоустойчивого кода, уменьшение позиционности модуляции (к примеру помехоустойчивость КАМ-4 выше, чем КАМ-16), увеличение длительности защитного интервала символа OFDM (борьба с межсимвольной интерференцией) и т.д.
          0
          Т.е. все очень сложно и регуляция скорости основана на десятке математических методов анализа принимаемых сигналов?

          Еще один вопрос, возможно он волнует не только меня:
          Первые радиотрубки были нереальных размеров. В современном мире: gsm, 3g, lte, wi-fi являются цифровыми стандартами передачи, основанными на временных «окнах», в вашей терминологии — КПФ (если я правильно понял про замирания) и имеют размер в сантиметр площади. Получается что держать несущую частоту постоянно не обязательно, достаточно накачивать конденсаторы и «пулять» ей в эфир в отведенные временные окна для передачи?

          А вот с MIMO технологией, получается, можно используя две антенны, развернуть передачу аж на плоскости как в последнем графике?

          Что в итоге сыграло роль в таком уменьшении приемопередатчиков относительно раций двадцатилетней давности? Вроде не совсем в нанометрах дело, однако и не без процессоров обошлось…
          0
          Может это страшно так звучит… Это не так уж и сложно.
          Я не совсем понял про временные окна и что это в вашем понимании. КПФ и замирания это терминология не моя — это классика теории связи. В сантиметрах это не измеряется. Конденсаторы тут наверное совсем не в тему — сигнал формируется в цифровом виде.
          Почему стала меньше аппаратура? Во-первых, элементная база. Во-вторых, системы связи ушли на более высокие частоты, а длина антенны имеет обратную зависимость от частоты(точнее ее четверть).
          Не совсем понял вопрос про плоскости антенн.
            0
            ru.wikipedia.org/wiki/TDMA тут это называется слотами, я по ошибке назвал их окнами. Wi-fi так же работает для разделения абонентов?

            В сантиметрах это не измеряется.

            Это я про размеры модулей wifi )

            В целом, не буду больше морочить вам голову. Тема для меня сложная и я даже не знаю какими словами выразить свой вопрос )
              0
              Я понял теперь о чем речь. Существуют несколько видов предоставления множественного доступа TDMA — разделение по времени, FDMA — по частоте, CDMA — кодовое (на основе ортогональных функций). С OFDM совсем другая песня: есть OFDMA, когда каждому пользователю назначается несколько поднесущих.
              Почему же морочить голову? Мне наоборот интересно в чем разбирается среднестатистический пользователь Хабра, а в чем нет. Я как раз думал о том, чтобы написать цикл статей по теории связи.

            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.