Привет, хабровчане! Продолжаем серию статей, посвящённых методам множественного доступа в беспроводной связи. В первой части мы рассмотрели методы частотно-временного разделения, во второй части – неортогональные методы разделения по мощности и в третьей части – методы кодового разделения пользователей.
Сегодня представлю вашему вниманию как ортогональные, так и неортогональные методы пространственного разделения пользователей, в том числе основанные на технологии MIMO. Как всегда, мы обсудим их основные преимущества и недостатки.
Многопользовательские технологии MIMO
Темой этой статьи будут методы разделения пользователей в физическом пространстве. Все эти методы основаны на использовании направленных свойств антенн, которые могут раздельно принимать сигналы в общей полосе частот в одно и то же время при приходе с разных направлений. В методах пространственного разделения каналов приём и декодирование сигналов основаны на адаптивной пространственно-временной обработке. Суммарная пропускная способность системы связи увеличивается пропорционально числу элементов антенной системы.
Пространственное разделение пользователей – важнейшая составная часть многопользовательской технологии MIMO (multi-user MIMO, MU-MIMO). Сигнал разделяется на параллельные потоки, что приводит к увеличению ёмкости системы. Многоантенные технологии в системах MIMO можно разделить на 4 вида:
пространственное мультиплексирование;
пространственно-временное кодирование;
пространственная модуляция;
технология выбора передающих антенн.
На рис. 1 эти технологии проиллюстрированы с использованием двух антенн и двух информационных символов S1 и S2.
Один из вариантов технологии MIMO использует множественный доступ с пространственным разделением (spatial division multiple access, SDMA). В этом методе применяется принцип пространственной модуляции (spatial modulation, SM). Два символа одновременно излучаются в одном временном слоте. В общем случае поток входящих данных преобразуется из последовательного в параллельный для передачи. Параллельные потоки информации, полученные после этого преобразования, передаются одновременно с нескольких антенн, доступных на передатчике, что обеспечивает высокую спектральную эффективность системы, поскольку скорость передачи данных становится пропорциональной числу передающих антенн.
Частным случаем пространственной модуляции является пространственная манипуляция (space shift-keying, SSK), в которой входной поток данных передаётся только отображением на выбор передающей антенны. Хотя SM/SKK является спектрально эффективной технологией, её многопользовательские разновидности приводят к росту сложности системы из-за канального прекодирования и необходимости полной информации о состоянии канала на передающей стороне.
Применительно к двум антеннам пространственная манипуляция работает следующим образом: бит 1 – излучает первая антенна, бит 0 – излучает вторая антенна. При двух антеннах выигрыш в производительности мал, не более 3 дБ, но, чем больше число передающих антенн, тем больше выигрыш в производительности и в помехоустойчивости. Пусть из n передающих антенн в решётке m различных антенн являются активными, причём каждая активная антенна имеет свой кодовый набор нулей и единиц. Число комбинаций из n по m равно числу сочетаний: . Число комбинаций быстро растёт с ростом числа передающих антенн, часть из которых является активными. Этот фактор приводит к выигрышу основных характеристик системы MIMO, в том числе экономической эффективности системы. Этот важный параметр имеет тенденцию уменьшаться с ростом спектральной эффективности при традиционных технологиях MIMO. Пространственная модуляция особенно эффективна в миллиметровом диапазоне при антеннах из многих десятков излучателей, с поддержкой 4–5 активных.
В случае пространственно-временного кодирования (space-time coding, STC), например, схемы Аламоути, два ортогональных символа одновременно излучаются в два временных слота. В этой схеме используется простой алгоритм декодирования, оптимальный по критерию максимального правдоподобия. Недостаток схемы состоит в том, что она реализуется только при двух передающих антеннах и спектральная эффективность этой системы недостаточно велика. Обобщением схемы Аламоути на случай числа передающих антенн, большего двух являются различные методы пространственно-временного блочного кодирования.
Метод выбора передающих антенн (transmit antenna selection, TAS) заключается в том, что антенная система представляется в виде выбранной последовательности одиночных излучателей информационных сигналов. Выбор излучателя осуществляется на основе параметров канала, например, “хорошего канала”, который определяется приёмной антенной решеткой и по обратному каналу передаётся передатчику для выбора активной антенны. С увеличением числа антенн увеличивается сложность, потребление энергии и стоимость системы. Использование метода TAS упрощает структуру передатчика, уменьшает потребление энергии и стоимость системы за счёт некоторой потери производительности. В методе TAS на приёмной стороне для декодирования информационного сигнала используется технология последовательной компенсации помех (SIC).
Неортогональным вариантом метода TAS является NOMA с выбором передающей антенны (transmitting antenna selection NOMA или TAS-NOMA).
Пространственная модуляция
Давайте поподробнее поговорим о пространственной модуляции и её разновидностях.
Пространственная модуляция (SM) требует активации только одной антенны в каждом временном слоте. Активация одной антенны позволяет исключить межканальные помехи и обойтись без синхронизации между антеннами.
Модулированные сигналы принадлежат к трёхмерному сигнальному созвездию, в котором комбинируются сигнальная и пространственная информация. Посмотрим на рис. 2. На нём приведён пример трёхмерного сигнального созвездия для линейной антенной решётки с числом антенн N = 4 и модуляцией QPSK (порядок модуляции M = 4). Здесь каждая точка пространственного созвездия (т.е. индекс антенны) определяет независимую комплексную плоскость точек сигнального созвездия. На рисунке изображены только две такие плоскости.
В схеме пространственной манипуляции (SSK) включается более одной передающей антенны, а передаваемая информация содержится в разнице в форме сигналов. Пространственная модуляция представляет собой схему, в которой передаваемые символы извлекаются как из пространственного, так и из сигнального созвездия, в то время как в пространственной манипуляции – только из пространственного созвездия. Поэтому технология SSK может рассматриваться как разновидность SM. Несмотря на некоторое уменьшение спектральной эффективности, исключение сигнального созвездия из модуляции SSK обеспечивает значительные преимущества перед пространственной модуляцией, например, более простую реализацию приёмопередатчика, низкую сложность детектирования и лёгкость интеграции в системы связи.
Улучшенной версией SSK является обобщённая пространственная манипуляция (generalized space shift keying, GSSK), в ней используется комбинация антенных индексов. Аналогично, активируя многие антенны, можно получить обобщённую пространственную модуляцию (generalized spatial modulation, GSM).
В квадратурной пространственной модуляции (quadrature spatial modulation, QSM)
символы пространственного созвездия разделяются на синфазную и квадратурную
составляющие, как показано на рис. 3. В QSM требуется только одна частота для
генерации комплексного модулированного символа, чья действительная и мнимая
части передаются двумя активными антеннами, выбранными согласно двум
независимым потокам битов. Это вдвое увеличивает спектральную эффективность.
Первая антенна передаёт действительную часть символа сигнального созвездия, а
другая передаёт мнимую часть символа созвездия. Заметим, что в обычной
пространственной модуляции эти две части передаются через единственную
передающую антенну для устранения межканальной интерференции на входе
приёмника. Однако в системе QSM межканальная интерференция полностью
устраняется, т.к. два потока передаваемых данных ортогональны и модулируются на
действительной и мнимой частях сигнала. Другими словами, одна часть передаётся
на косинусной несущей, а другая часть – на синусной несущей. В QSM может
передаваться дополнительное число бит, равное логарифму по основанию два от
числа передающих антенн, по сравнению с обычной системой пространственной
модуляции.
Ещё одна разновидность пространственной модуляции – расширенная пространственная модуляция (enhanced spatial modulation, ESM). В ESM активируются одна или две антенны для передачи в каждом временном слоте. В случае одной активной антенны используется первичное сигнальное созвездие, а в случае двух активных антенн используются другие вторичные созвездия, которые получаются из первичного путём геометрической интерполяции в сигнальном пространстве.
Рассмотрим теперь группу технологий пространственно-временной индексной модуляции. Эти технологии совместно используют пространственные и временные ресурсы. К этому виду модуляции относятся пространственно-временная манипуляция (space-time shift keying, STSK), пространственная модуляция с решётчатым кодированием (trellis coded spatial modulation, TCSM), пространственная модуляция с пространственно-временным блочным кодированием (space-time block coded spatial modulation, STBC-SM) и дифференциальная пространственная модуляция (differential spatial modulation, DSM).
В STSK для передачи выбирается одна из Q пространственно-временных матриц в течение каждого периода связи. Таким образом передаются дополнительные log2Q бит путём выбора матрицы, помимо информационных битов, переносимых модулированными символами. В обобщённой STSK (GSTSK) для передачи активируются P матриц из Q матриц. Однако эти методы сталкиваются с проблемой высокой вычислительной сложности, особенно для модуляции высокого порядка или в случае большого числа передающих антенн.
Метод TCSM основан на идеях решётчатой кодовой модуляции (trellis coded modulation, TCM) и пространственной модуляции. В этой схеме передающие антенны разбиваются на несколько подмножеств, в которых расстояния между антеннами максимизированы.
Другая схема пространственно-временной индексной модуляции, STBC-SM, использует преимущества как SM, так и пространственно-временного блочного кодирования.
В дифференциальной пространственной модуляции (DSM) информационные биты состоят из двух частей: первая часть выбирает пространственно-временную матрицу, показывающую порядок активации антенн, а вторая часть определяет модулированные символы.
И, наконец, ещё одна группа методов пространственной модуляции – это пространственно-частотная индексная модуляция.
К этому виду модуляции относится в первую очередь технология MIMO-OFDM. Она широко применяется как одна из фундаментальных технологий в современных системах беспроводной связи. Чтобы встроить индексную модуляцию в MIMO-OFDM, можно выполнять обычную модуляцию в одном ресурсном пространстве (в физическом или в частотном) и поверх накладывать индексную модуляцию в другом ресурсном пространстве. Например, использование всех поднесущих с применением независимой пространственной модуляции на каждой поднесущей приводит к методу SM-OFDM, а использование всех антенн с применением независимой активации поднесущих для каждой антенны приводит к MIMO-OFDM-IM. Недостаток этих схем – высокая сложность демодуляции.
В обобщённой пространственно-частотной индексной модуляции (generalized space-frequency index modulation, GSFIM), вместо независимого рассмотрения пространственного и частотного ресурсов, активные элементы выбираются совместно. В GSFIM группа передающих антенн активируется определённой группой информационных битов, а активные пространственно-частотные элементы затем совместно выбираются в соответствии с остальными информационными битами. Этот метод является обобщением SM-OFDM и MIMO-OFDM-IM. На рис. 4 показано, как индексы отображаются на передающие
антенны и активные поднесущие в трёх методах SM-OFDM, MIMO-OFDM-IM и GSFIM.
Множественный доступ с разделением лучей (BDMA)
Двигаемся дальше. Другой важной разновидностью множественного доступа с пространственным разделением является множественный доступ с разделением лучей (beam division multiple access, BDMA). Этот метод – один из перспективных кандидатов для применения в сотовых системах связи следующего поколения. Суть метода заключается в том, что базовая станция связывается с мобильными абонентами и передаёт каждому из них узконаправленный луч в соответствии с положениями мобильных станций. Таким образом, обеспечивается множественный доступ и значительно увеличивается информационная ёмкость системы. Мобильные станции и базовая станция находятся в пределах прямой видимости, что позволяет им знать положение друг друга и передавать лучи, направленные именно в те позиции, в которых они находятся. Это позволяет избежать интерференции между сигналами различных мобильных станций. Технология BDMA схематично изображена на рис. 5.
Базовая станция может легко и адаптивно изменять число, направление и ширину лучей в соответствии с окружающей обстановкой. Лучи можно разделить в трёхмерном пространстве таким образом, чтобы максимально эффективно повторно использовать частотно-временной ресурс.
Мобильные станции определяют своё положение и скорость движения и затем передают эти данные на базовую станцию. После этого базовая станция вычисляет направления и ширину нисходящих лучей на основе полученной информации о положениях и скоростях движения мобильных станций. Мобильная станция удерживает в поле зрения направление исходящего луча для корректировки направления восходящего луча и передаёт восходящий луч в скорректированном направлении. Луч между мобильной станцией и базовой станцией периодически обновляется после того, как мобильная станция скорректирует направление восходящего луча.
Для разделения сигналов мобильных станций, находящихся в границах одного луча, может использоваться как временное (TDD-BDMA), таки частотное (FDD-BDMA) разделение. Это же относится и к разделению служебной информации о положениях и скоростях движения
мобильных станций.
Кластерный множественный доступ с разделением по ортогональным сигнатурам
При применении технологии Massive MIMO (многоантенной технологии, в которой число пользователей намного меньше, чем число антенн базовой станции) число лучей становится очень большим, поэтому возникает высокая вероятность потери ортогональности между сигналами пользователей, разделёнными в пространстве. В связи с этим концепция множественного доступа с пространственным разделением (SDMA) должна быть адаптирована для будущих систем Massive MIMO.
Для решения этой проблемы был предложен кластерный множественный доступ с разделением по ортогональным сигнатурам в дополнение к существующей схеме SDMA. Его основная идея – сгруппировать пользователей, расположенных внутри кластера или луча, и обеспечить эти группы ортогональными кодами. Применение ортогонального кодирования поверх обычной системы SDMA может значительно увеличить число пользователей, которое может поддерживать система в заданном частотном диапазоне в пределах определённого кластера или луча. Эта схема должна справиться с проблемой потери ортогональности, которая может возникать во многих существующих системах на основе SDMA из-за изменяющегося во времени характера канала связи.
Одно из возможных решений для предложенной схемы – это совместное антенное кодирование. Применяя ортогональное кодирование в сочетании с трёхмерным динамическим формированием луча, можно разделить пользователей на различные группы в зависимости от имеющихся в наличии ресурсов. В будущих сетях высокой плотности обычный метод SDMA может не гарантировать ортогональность между лучами, когда один луч соответствует одной сигнатуре. Предложенная идея заключается в том, чтобы увеличить ортогональность SDMA лучей с помощью подходящей ортогональной схемы совместного антенного кодирования. Для создания ортогональных кодов существует несколько возможностей: коды Адамара, Голда, полифазные ортогональные коды и др.
Эту схему можно реализовать на двух уровнях: на первом уровне применяется одна схема
множественного доступа, а на втором уровне – другая схема. Например, в гетерогенной сети, состоящей из макросот и малых сот, связь в направлении от базовых станций малых сот к базовым станциям макросот может применять одну схему множественного доступа, а связь в направлении от конечных пользователей к базовым станциям малых сот может использовать другую схему. Предложено два основных решения:
Множественный доступ с кодовым разделением после применения SDMA: на первом уровне используется кодовое разделение, а на втором уровне используется SDMA;
SDMA после применения множественного доступа с кодовым разделением: на первом уровне используется SDMA, а на втором уровне кодовое разделение.
При разработке хорошей схемы множественного доступа главная цель – максимизация общей ортогональности. Если ширина луча не может обеспечить достаточной ортогональности, то можно применить подходящее ортогональное кодирование.
Применение данной схемы имеет ряд преимуществ:
повышенная гибкость;
лучшая производительность при наличии изменяющихся во времени каналов;
размещение имеющихся ресурсов оптимальным способом.
Множественный доступ с угловым разделением на основе разреженных кодов (ASCMA)
Если в предыдущем методе совместно использовались пространственное и кодовое разделение, то в следующем методе совместно используется разделение абонентов в физическом пространстве, по коду и по мощности. Это множественный доступ с угловым разделением на основе разреженных кодов (angle domain sparse code multiple access, ASCMA). Метод основан на пространственной разреженности каналов и схеме SCMA в физическом пространстве и может применяться в сетях Massive MIMO.
Как показано на рис. 6, односотовая многопользовательская система Massive MIMO содержит одну базовую станцию с M антеннами в форме однородной линейной антенной
решётки и K одноантенными пользователями. Все пользователи разбиты на J кластеров, в каждом кластере пользователи расположены достаточно близко друг к другу. Пусть кластер
с номером j расположен на расстоянии Dk от базовой станции и окружён кольцом из P локальных рассеивателей с радиусом Rk. Тогда угловой разброс Δθj для кластера j равен:
Все пользователи в соте разбиты на J кластеров, и в кластере j расположены Kj пользователей. Все пользователи в кластере j могут одновременно обслуживаться базовой станцией. Это означает, что все Kj пользователей совместно используют Dj лучей в физическим пространстве неортогональным образом. Сигнал каждого пользователя может быть идентифицирован с помощью его собственного отличительного кодового слова sjk для пользователя Ujk.
Структура фактор-графа для кластера j показана на рис. 7. Здесь функциональные вершины (function nodes, FNs) соответствуют лучам в физическом пространстве, а переменные вершины (variable nodes, VNs) – номерам пользователей. Число FNs равно Dj, число VNs равно Kj. В качестве примера на рис. 7 взяты Dj = 4 и Kj = 6, и каждому пользователю назначено по два луча. При этом каждый луч обслуживает трёх пользователей.
Тогда фактор-граф для кластера j можно описать следующей матрицей:
Приведём две стратегии разработки кодовых книг, которые могут снизить их сложность и повысить производительность системы:
1. В сетях Massive MIMO базовая станция может размещать одну и ту же кодовую книгу для пользователей, находящихся в различных кластерах.
2. С учётом разреженности матрицы фактор-графа F несколько пар столбцов матрицы взаимно ортогональны, что позволяет использовать одну и ту же кодовую книгу для этих ортогональных пользователей. Это приводит к уменьшению сложности разработки кодовых книг.
Заключение
В четвёртой части мы рассмотрели как ортогональные, так и неортогональные методы множественного доступа с пространственным разделением пользователей, обсудили их основные преимущества и недостатки.
В пятой части статьи из серии “Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи” вас ждут методы множественного доступа с поляризационным разделением и с разделением по орбитальному угловому моменту.
Литература
1. Jankiraman Mohinder. Space-time codes and MIMO systems. – Artech House, 2004.
2. Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: Принципы и алгоритмы // М.: Горячая линия–Телеком. – 2014. – 244 с.
3. Петров В.П, Якушев И.Ю. Современные технологии в системе MIMO // Вестник СибГУТИ. – 2019. – № 2. – С. 94-108.
4. Kara Ferdi, Kaya Hakan. Spatial multiple access (SMA): Enhancing performances of MIMO-NOMA systems // 2019 42nd International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP). – 2019. – P. 466-471.
5. Spatial modulation – A new low complexity spectral efficiency enhancing technique / Read Mesleh, Harald Haas, Chang Wook Ahn, Sangboh Yun // 2006 First International Conference on Communications and Networking in China. – 2006. – P. 1-5.
6. Multi-user spatial modulation MIMO / Sandeep Narayanan, Marium Jalal Chaudhry, Athanasios Stavridis et al. // 2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. –2014. – P. 671-676.
7. Multiple access spatial modulation / Nikola Serafimovski, Sinan Sinanovic, Marco Di Renzo, Harald Haas // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. – 2012. – Vol. 2012, no. 1. – P. 299.
8. Space shift keying modulation for MIMO channels / Jeyadeepan Jeganathan, Ali Ghrayeb, Leszek Szczecinski, Andres Ceron // IEEE transactions on wireless communications. – 2009. – Vol. 8, no. 7. – P. 3692-3703.
9. Alamouti S.M. A simple transmit diversity technique for wireless communications // IEEE Journal on Selected Areas of Communications. – 1998. – Vol. 16, no. 8. – P. 1451-1458.
10. Usunbas Seda, Aygolu Umit. Transmit antenna selection based on sum rate and fairness for downlink NOMA // 2017 25th Telecommunication Forum. – 2017. – P. 1-4.
11. Di Renzo Marco, Haas Harald, Grant Peter M. Spatial modulation for multiple-antenna wireless systems: a survey // IEEE Communications Magazine. – 2011. – Vol. 49, no. 12. – P. 182-191.
12. Mesleh Raed, Ikki Salama S, Aggoune Hadi M. Quadrature spatial modulation // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2014. – Vol. 64, no. 6. – P. 2738-2742.
13. Cheng Chien-Chun, Sari Hikmet, Sezginer Serdar, Su Yu T. Enhanced spatial modulation with multiple signal constellations / // IEEE Transactions on Communications. – 2015. – Vol. 63, no. 6. – P. 2237-2248.
14. Index modulation for 5G: Striving to do more with less / Cheng Xiang, Zhang Meng, Wen Miaowen, Yang Liuqing // IEEE Wireless Communications. – 2018. – Vol. 25, no. 2. – P. 126-132.
15. A Study on 5th Generation Mobile Technology – Future Network Service / D. Hema Latha, D. Rama Krishna Reddy, K. Sudha et al. // International Journal of Computer Science and Information Technologies. – 2014. – Vol. 5, no. 6. – P. 8309-8313.
16. Beam division multiple access transmission for massive MIMO communications / Chen Sun, Xiqi Gao, Shi Jin et al. // IEEE Transactions on Communications. – 2015. – Vol. 63, no. 6. – P. 2170-2184.
17. Sharma Shree Krishna, Patwary Mohammad, Chatzinotas Symeon. Multiple access techniques for next generation wireless: Recent advances and future perspectives // EAI Endorsed Transactions on Wireless Spectrum. – 2016. – Vol. 2, no. 7. – P. 1-12.
18. Angle domain sparse code multiplexing for the massive MIMO networks / Weidong Shao, Shun Zhang, Hongyan Li, Jianpeng Ma // 2017 9th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing. – 2017. – P. 1-5.
19. Spatially Sparse Code Multiplexing for the Massive MIMO Networks / Weidong Shao, Shun Zhang, Hongyan Li et al. // 2018 IEEE Global Communications Conference. – 2018. – P. 1-6.
