27. Телекомунікаційні мережі з технологією mimo і ортогональною полярізацією(16).

1. Общие сведения

Использование нескольких пространственных каналов приводит к повышению пропускной способности системы. В случае ухудшения условий приема сигналов система с несколькими пространственными каналами позволяет повысить качество передачи информации за счет перевода ее в режим «дублирования» – передачи одной и той же информации по нескольким пространственным каналам. При этом скорость передачи информации снижается.

Система MIMO , в общем виде, представлена на рис 1.

Рис. 1. Обобщенная схема системы радиодоступа MIMO

Модуляционные символы поступают на преобразователь потока данных ППД, который преобразует последовательный поток модуляционных символов в M параллельных потоков. Каждый из выходов ППД выходит на свой передатчик Пд_i. Затем сигналы излучаются в радиоканал.

Матрицу столбец сигналов передающего устройства из N канальных передатчиков и матрицу столбец приемного устройства из N канальных приемников можно записать в виде

, . (1)

Передаточная функция многолучевого канала описывается матрицей

, (2)

где – передаточная функция между i-й передающей и j-й приемной антенной.

Сигналы, принятые антеннами на приемном конце линии связи связаны с сигналами на передающем конце матричным соотношением

. (3)

Определить, какие сигналы были переданы можно с помощью устройства, установленного на приемной стороне системы связи и решающего систему из линейных уравнений с неизвестными. В матричной форме решение имеет вид

. (4)

Для решения задачи необходимо знать матрицу передачи . Значения элементов матрицы можно определить, например, посылая известный тестовый (пилотный) сигнал поочередно через каждую из передающих антенн при выключенных остальных и замеряя уровни сигнала на всех приемных антеннах в каждом случае.

Система уравнений существует, если ранг матрицы равен 2 или больше. При ранге равном 1 система вырождается в одноканальную. Ранг матрицы для системы MIMO не может превышать min{M,N}, где М – число передающих, а N – число приемных антенн. Число антенн на передаче и на приеме не обязательно равное. Существует следующая классификация:

1. MIMO (Multi Input Multi Output) M>1, N>1; а) M=N; б) M>N; в) M<N.

2. MISO (Multi Input Single Output) M>1, N=1.

3. SIMO (Single Input Multi Output) M=1, N>1

4. SISO (Single Input Single Output) M=1, N=1 (случай вырождения MIMO в одноканальную систему).

Ранг матрицы зависит не только от числа передающих и приемных антенн. Увеличение степени корреляции элементов в матрице канала MIMO приводит к уменьшению ранга матрицы, а корреляция в свою очередь зависит как от параметров антенн и их пространственного разнесения, так и от рассредоточения группировки объектов в пространстве между антенными структурами на передающей и приемной стороне системы. В данном случае рассматриваются только те объекты, которые могут вызывать явления отражения, рассеяния, преломления и дифракции волн и в результате суммарного действия этих объектов или их группировки в пространстве влиять на степень корреляции элементов матрицы.

Ортогональное поляризационное разделение каналов в системах радиодоступа MIMO

Простейшая антенная структура MIMO с ортогональной поляризацией это система из двух несимметричных вибраторов, ориентированных, например, под углом ±45° относительно вертикальной оси (рис. 5).

Разделение каналов в системах связи основывается на использовании свойств ортогональности функций. Естественным было предположить использование ортогональных пространственно-временных кодов для разделения каналов в системах MIMO. Совместное разнесение в пространстве и во времени может дать ряд положительных свойств системе MIMO. Кодовый выигрыш оценивается в уменьшении вероятности ошибки на бит по сравнению с такой же системой с пространственным разнесением, но без кодирования.

Были предложены критерии оценки пространственно-временных кодов и на их основе вначале были предложены пространственно-временные решетчатые коды (Space Time Trellis Codes) STTC. Эти коды имеют высокие качественные показатели в каналах с замираниями. Однако при увеличении числа передающих антенн и скорости передачи информации декодирование этих кодов становится очень сложным.

Работая над решением задачи по упрощению процесса декодирования STTC в 1998 году Аламоути (Alamouti) предложил новый подход к разделению MIMO-сигналов на приемной стороне. Схема, названная по имени автора, относится к классу ортогонального пространственно-временного блочного кодирования (OSTBC, Orthogonal Space-Time Block Codes).

Принцип кодирования по Аламоути состоит в том, что подлежащая передаче последовательность символов разбивается на пары (например, смежные четный и нечетный символы) x_i и x_i+1. Для передачи такого блока требуются два излучателя и два интервала передачи. В первом интервале передающая антенна 1 будет излучать сигнал символа x_i, тогда как антенна 2 - сигнал x_i+1. В следующем временном интервале антенна 1 передает сигнал

-x*_{i +1}, а антенна 2 - сигнал x*_i. Физическая сущность таких манипуляций с излучаемыми сигналами становится ясной, если воспользоваться их математическим представлением

Несложно заметить, что если в первом временном интервале сигналы синфазны, во втором они обязательно будут в противофазе, и наоборот. Если же фазы сигналов в первом интервале ортогональны (разность 90°), то они таковыми останутся и во втором, с той лишь разницей, что опережение фазы излучения поочередно будет возникать то на первой, то на второй антеннах.

Рис. 6. Изменение ориентации максимумов излучения системы из двух вибраторов в зависимости от разности фаз питающих сигналов: а) синфазное возбуждение излучателей, б) противофазное возбуждение

Когда передающая антенная система состоит из двух несимметричных вибраторов, результирующая диаграмма направленности (ДН) существенно зависит от соотношения фаз входных сигналов (рис. 6). В общем случае результирующая ДН отклоняется от нормали к линии, соединяющей вибраторы, в сторону элемента, на котором фаза сигнала запаздывает. Таким образом, максимум энергии сигнальной смеси MIMO, кодированной по Аламоути, излучается каждый раз в различных направлениях, причем различных для каждой новой передаваемой пары символов в зависимости от разности фаз сигналов. Это повышает вероятность их прохождения с учетом наличия множественных переотражателей.

Для приема кодированного по Аламоути двухсимвольного сигнала достаточно одной приемной антенны и пары временных отсчетов сигнальной смеси. Таким образом, фактически можно обойтись системой MISO. При оцифровке сигнальной смеси в двух последовательных временных интервалах получим совокупность напряжений y_i и y_i+1

где n_i, n_i+1 - отсчеты напряжений внутреннего шума приемника, а h₁ и h₂ - передаточные характеристики канала для сигналов, излученных первой и второй антеннами, соответственно. Два временных отсчета необходимы для того, чтобы число уравнений в системе равнялось числу неизвестных.

Для оценки характеристик канала передачи h₁ и h₂ при вхождении в связь транслируются заранее известные пилотные сигналы z_i и z_i+1.

В приемнике решается приведенная выше система уравнений, где в качестве неизвестных выступают передаточные характеристики канала h₁ и h₂

После установления связи по известным значениям передаточных характеристик декодируются пары переданных символов