Кравчук С. А., Борисова М. Б. Науково-дослідний інститут телекомунікацій НТУУ «КПІ» Індустріальний пров., 2, 03056, Київ-056, Україна тел. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net

Анотація – представлена ​​нова технологія про-просторово-часового рознесення сигналів MIMO, яка завдяки своїм головним достоїнств – великий інформаційної ємкості і несхильності інтерференції від багатопроменевого розповсюдження – має великі перспективи для побудови мобільних систем широкосмугового радіодоступу.

I. Вступ

Найбільш перспективним напрямком подальшого вдосконалення мобільних телекомунікацій очікується в реалізації на їх основі систем високошвидкісного широкосмугового радіодоступу (голосовий зв’язок, передача відео і даних) [1]. Проте до цих пір залишається актуальною проблема отримання високих швидкостей передачі в радіосистемах рухомої служби. Якщо швидкості передачі фіксованих систем широкосмугового бездротового доступу досягають десятків Мбіт / с, то стільникові мережі 3-го і 4-го поколінь (3G, 4G), дозволяють досягати швидкостей передачі для мобільного користувача не більше 2 Мбіт / с. Основним фактором обмежують збільшення швидкості передачі інформації служить явище многолучевости в радіоканалі між мобільним користувачем і базовою станцією. Кардинально вирішити дану проблему покликана, так звана, многоантенная технологія MIMO (Multi Input Multi Output – безліч входів / виходів безліч) і ряд її сучасних модифікацій.

Ще в 1996 році на основі технології MIMO Bell Laboratories представила проект BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time) [2], метою якого було створення радіосистеми зі швидкостями передачі більш 2 Мбіт / с для мобільних користувачів. Тоді цей проект не привернув до себе належної уваги, так як мали місце суттєві труднощі в його реалізації для мініатюрних користувальницьких терміналів. Останнім час зростання обчислювальних потужностей і мікромініатюризація цифрових схем дозволила реалізувати программноелементную платформу, яка здатна виробляти операції, що забезпечують обробку інформації за запропонованим Bell Laboratories алгоритму. Однак розвитку піддалася не тільки апаратна платформа але й сама MIMO, що породило безліч алгоритмів її реалізації, а також неоднозначність її тлумачення.

У зв’язку з цим основним завданням цієї доповіді є подання з єдиних позицій основних принципів і алгоритмів реалізації MIMO, його достоїнств та останніх програм для створення мобільних систем широкосмугового радіодоступу.

II. Загальні положення

На відміну від телекомунікаційних техноло-гій, заснованих на тимчасове / частотному та / або кодовому розділенні сигналів, в MIMO застосовано простору ственно-тимчасове (Space-time). Для реалізації такого поділу безліч входів (випромінюючих антен) здійснюють передачу з кількох (у загальному випадку – безлічі) шляхах (променів), а приймається це безліч сигналів як безліч потоків на кілька прийомних антен. Однак на відміну від відомого в радіозв’язку методу прийому на рознесені антени (SIMO – single input multiple output), даний алгоритм дозволяє набагато ефективніше боротися із внутрішніми перешкода-ми від суміжних подканалов завдяки використанню про-просторово-часового алгоритму кодування / декодування.

Такий підхід, по-перше, оптимально дозволяє вирішити проблему завадостійкості і перешкодозахищеності, викликану, в загальному випадку, невизначеністю стану каналу в момент передачі інформації, тобто збільшити завадостійкість системи, а значить і швидкість передачі даних. По-друге, уникнути внутрішніх перешкод від «своїх» же сусідніх каналів. І, нарешті, по-третє, тут використовується багатопроменеве поширення сигналу, що дозволяє при мінімальному розносі передавальних і приймаючих антенних елементів відповідно передавати і приймати кілька подканалов. При цьому сумарна потужність випромінювана в такі підканалів не перевищує потужності сигналу при одноканальної передачі з використанням вузьконаправленої антени. Кожен з цих підканалів являє собою копію (репліку) вихідного потоку даних.

Як передавальних і приймальних антен використовуються адаптивні антенні решітки (АР) [3]. При цьому передавач формує комплексний вектор – масив просторово кодованих сигналів, що представляють собою рознесені в просторі потоки даних, що піддаються потім фазової або квадратурної амплітудної маніпуляції. Крім цього, на передавальному кінці формується виключає вектор обнулення суміжних подканалов. Адаптивні АР на приймальному кінці, дозволяють на основі аналізу отриманого обнуляє вектора (лінійного зважування даного вектора і отриманого сигналу) та попередньої оцінки елементів канальної матриці для виділення подканала з максимальним відношенням сигнал / шум, виключити перехресні перешкоди від сусідніх подканалов і виділити передану послідовність найкращим чином (максимум апостеріорної ймовірності), при цьому мається на увазі, що здійснюється безперервний моніторинг каналу та обробка службової інформації як на передавальному, так і на приймальному кінці.

В системах на основі даної технології можна додатково використовувати завадостійке кодування і ортогональное рознесення всередині подканала. При цьому теоретично досяжні швидкості передачі складають порядку 500-600 Мбіт / с. Реально на сьогоднішній день вдалося реалізувати швидкості близько 200 Мбіт / с при порівняно невеликих відстанях і в умовах релєєвськоє завмирань [4].

Важливою перевагою технології MIMO є її висока інформаційна ємність, що досягається за рахунок кодової декореляції подканалов. У найзагальнішому вигляді максимальну пропускну здатність можна записати у вигляді [5]:

C=X>M1+V^2)

де Pj – потужність в j-подканале така, що загальна передана потужність Р = Р-1 + … + Pl = const; ст2 – Потужність шуму; Xj – коефіцієнт передачі по потужності у-го подканала. Так як Р постійна, то виникає проблема розподілу потужності за індивідуальними підканалів, яка вирішується за допомогою різних стратегій:

1) Рівномірний розподіл потужності UPA (uniform power allocation) Pj = P / L.

2) Метод максимальної потужності MG (maximum gain).

3) Оптимальний розподіл потужності відповідно до «водоналивний» WF (“water-filling”) стратегією, яка дозволяє попередньо «зважувати» передаються сигнали для адаптації розподілу їх питомих потужностей в підканалів: Pj = A-a2 / Xj, де А = const, що обмежує умова сталості Р.

Тоді з наведеного вираження інформаційної ємності видно, що загальна пропускна здатність каналу являє собою суму пропускних здібностей ряду просторових подканалов. Отже, пропускна здатність технології MIMO може бути збільшена в L разів у порівнянні з пропускною здатністю звичайного радіоканалу типу «точка-точка». Тобто, зі збільшенням числа антенних елементів пропорційно збільшується і пропускна спроможність системи. Таким чином, визначається ще одна перевага MIMO, яке полягає в простоті її можливого масштабування: необхідна швидкість передачі (пропускна здатність) може бути легко отримана зміною кількості прийомних або передавальних елементів.

На сьогодні прогнозується використання технології MIMO практичних у всіх сферах мобільного зв’язку. Передбачається також, що з розвитком даної технології її будуть підтримувати антени більшості мобільних терміналів UMTS, апаратна реалізація множинного доступу в яких може бути в значній мірі спрощена завдяки застосуванню просторово-часової обробки потоків безлічі користувачів.

Зараз розробкою таких терміналів зайнялися компанії Ericsson, Vodafone, Nokia, Motorola під егідою проекту I-METRA [6], який в недалекому майбутньому обіцяє забезпечити мобільний доступ абонентам на швидкості руху понад 100 км / год.

III. Висновок

Таким чином, можна констатувати, що нова технологія просторово-часового розподілу сигналів на основі MIMO має великі перспективи для побудови мобільних систем широкосмугового радіодоступу зі швидкостями передачі в десятки і сотні Мбіт / с. Однак головною перешкодою на шляху якнайшвидшого впровадження даної технології є труднощі апаратної реалізації досить складного математичного алгоритму Ml МО з кодування і декодування сигналів. Але, не дивлячись на це, технологія MIMO завдяки своїм головним достоїнств – великий інформаційної ємкості і несхильності інтерференції від багатопроменевого розповсюдження – привертає до себе все більшу увагу розробників телекомунікаційного обладнання.

VI. Список літератури

[1] Мікрохвильові пристрої телекомунікаційних систем. В 2 т. Том 2: Пристрої приймального і передавального трактів. Проектування пристроїв та реалізація систем / М.З. Згуровський, М.Є. Ільченко, С.А. Кравчук и др. – К.: 1ВЦ “Полп” ехнка “, 2003, – 616 с.

[2]   V-BLAST: A High Capacity Space-Time Architecture for the Rich-Scattering Wireless Channel / F.D. Golden, F.J. Fo- schini, R.A. Valenzuela etc. // Report of Wireless Communications Research Department of Bell Laboratories, Homdel, N J, Sept. 9-11, 1998. – P. 325-332.

[3]   Smart Antennas for Broadband Wireless Access Networks / K. Sheih, D. Gesbert, D. Gore, A. Paulraj // IEEE Commu- nic. Magazine.- 1999,- Vol. 37, nr 11,- P. 100-105.

[4] Skoglund М., Joengren G. On the capacity of a multiple-antenna communication link with channel side information / / IEEE J-SAC. – 2004, – Nr. 4, – P. 137-141.

[5]   Maltsev A. A., Rubtsov A. E., Tiraspolsky S. A. The comparison of capacities of MIMO communication systems with different numbers of transmitting and receiving elements for random rayleigh channel / / Праці Наукової конференції з радіофізики, ННГУ, Нижній Новгород, червень 2001 р.-С. 199-200.

[6]   Perez-Neira A., Mestre X., Fonollosa J. R. Smart Antennas in Software Radio Base Stations// IEEE Communications Magazine.- 2001.- Nr 2,- P. 73-78.

IMPLEMENTATION OF MOBILE BROADBAND RADIOACCESS SYSTEMS ON THE BASE OF MIMO TECHNOLOGY

KravchukS. A., Borisova М. B.

Research institute of telecommunications NTUU «КР1» Industrial per., 2, 03056, Kyiv-056, Ukraine Ph. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net

Abstract – Presented in this paper is the new technology spatially-temporary diversities of signals MIMO, which has large perspectives for creation of mobile broadband radioaccess systems due to large information capacity and interference nonsusceptibility from multibeam propagation. The most perspective direction of further improvement of mobile telecommunications is implementation of high-speed broadband radioaccess systems (voice link, transmission of a video and data) on their basis [1]. However there is an actual problem of obtaining high transfer rates in radio systems of mobile service. Transfer rate of fixed wireless broadband access systems reaches tens Mbps, while using cellular networks of 3-rd and 4-th generations (3G, 4G) it is possible to reach transfer rates for the mobile user no more than 2 Mbps. The major factor, which impedes the increase of information transfer rate is multiray propagation in radio channel between the mobile user and base station. In order to decide this problem, the so-called multiantenna technology MIMO (Multi Input Multi Output) and a number of its modifications are used.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»