Професійна кінознімальна апаратура та тенденції її розвитку в срср

Г.

Самара

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра МСИБ

Лекция №11

« Технология MIMO »

Ответственный: ст. гр. СК-03у Юров Евгений Вячеславович

Тонкости применения MIMO: просто о сложном

Как расшифровать MIMO?

Итак, что же такое MIMO (обычно читается как «Май-Мо»)? Это аббревиатура, которая идентифицирует один из 4 вариантов создания беспроводного канала с точки зрения его начала (input) и окончания (output). В случае радиоканала началом является передатчик, а окончанием – приемник радиосигнала. Встретив эту аббревиатуру, Вы должны понимать, что она означает лишь то, что для передачи информации в одном радиоканале используется несколько передатчиков и несколько приемников.

Часто MIMO применяется в сочетании с цифрами. Первая цифра обозначает число передатчиков, вторая – число приемников. Например, MIMO 2×2 означает, что есть 2 передатчика и 2 приемника. Кстати сказать, это минимум, требуемый стандартом 802.11n.

Движение битов в радиоканале – это почти как поездка на автомобиле

Чтобы понять преимущества MIMO, можно сравнить передачу радиосигнала в радиоканале с поездкой на автомобиле по дороге. Чем мощнее двигатель, лучше шины, подвеска, меньше сопротивление воздуха, тем быстрее можно передвигаться. Но неровности дороги и встречный ветер мешают развивать высокую скорость движения. В радиоканале уровень сигнала – это возможности автомобиля, а неотъемлемый шум и помехи – это качество дороги. Не знаю про автомобильную технику, но в радиотехнике есть вполне определенная характеристика превосходства качества сигнала над уровнем шума в канале. Это отношение «сигнал – шум», аббревиатура SNR (Signal-to-Noise Ratio). Чем больше превышение уровня сигнала над уровнем шума – тем лучше возможности для «движения» битов в радиоканале.

Более мощный двигатель и подвеска позволяют поддерживать хорошую скорость движения даже на плохих дорогах. Также более высокое отношение «сигнал-шум» позволит поддерживать заданную скорость передачи данных, несмотря на плохие условия распространения в радиоканале. После того, как в канале достигнуто минимально необходимое отношение «сигнал-шум», любой выигрыш, превышение над минимально необходимым пороговым значением, может принести дополнительные преимущества.

Если достигнуто превышение отношения SNR над пороговым, то дополнительные децибелы превышения могут быть израсходованы на:

- повышение скорости передачи данных;

- увеличение дистанции между приемником и передатчиком (дальности связи);

- и на увеличение скорости, и на увеличение дальности одновременно. Однако каждый «лишний» децибел может быть потрачен либо на скорость, либо на дальность.

Как MIMO помогает движению битов в радиоканале?

Наличие нескольких приемников и нескольких передатчиков позволяет одновременно передавать и принимать в одном радиоканале несколько сигналов. Сигналы могут нести одну и ту же информацию для увеличения надежности передачи или разную для увеличения скорости передачи, либо комбинировать эти методы.

Каждый сигнал передается со своего передатчика со своей антенной, при этом передающие антенны разнесены в пространстве. В применяемых диапазонах 2,4 и 5 ГГц даже несколько сантиметров составляют доли длины волны, и передаваемый сигнал испытывает относительно уникальные характеристики канала при распространении до приемной антенны. Каждая из нескольких разнесенных приемных антенн одновременно принимает свою относительно уникальную копию передаваемого сигнала.

При помощи достаточно сложных математических алгоритмов из ситуации «несколько передатчиков – несколько приемников» (а коротко – MIMO) можно извлечь следующие выгоды:

- использовать несколько передатчиков для повышения отношения сигнал-шум на приеме;

- использовать несколько приемников для повышения отношения сигнал-шум на приеме (MIMO-эквалайзер);

- возможность передавать больше информации в одном и том же радиоканале – (пространственное мультиплексирование). Несмотря на устрашающее название, это всего лишь техника одновременной передачи разных потоков информации данных по одному радиоканалу.

Формирование диаграммы направленности передатчика – метод координации сигналов, передаваемых передатчиками, направленный на повышение отношения сигнал-шум в точке приема. В идеале параметры сигналов на передаче подбираются таким образом, чтобы в точку приема они пришли синфазно и, сложившись, увеличили уровень приемного сигнала. Является достаточно эффективным способом, позволяет увеличить отношение сигнал-шум на 3-6 децибел при двух передатчиках и одном приемнике.

Пространственно-временные блоковые коды. Звучит также устрашающе, но очень просто по сути. Данные разбиваются на блоки и передаются сначала через один передатчик, потом через второй (третий). Поскольку одна порция данных передается несколько раз по разным каналам – вероятность их восстановления на приеме повышается. Радиоканал становится более надежным.

Субсимвольный временной сдвиг. Не самый эффективный метод, поскольку передает копию одного и того же сигнала через разные передатчики с искусственной временной задержкой для внесения искусственного эффекта многолучевого распространения в канал.

Выбор антенны. Обычно применяется в случаях с одним приемопередатчиком и двумя антеннами, то есть не совсем «честный MIMO». Базируясь на информации о канале, например уровень приемного сигнала, передатчик выбирает одну из антенн для передачи сигнала приемнику.

Использование информации от нескольких приемников

Эквалайзер MIMO – способ аналогичен формированию диаграммы направленности, но работает со стороны приемников. Эквализация принимаемых сигналов позволяет сложить их максимально эффективно и повысить отношение «сигнал-шум» на приемной стороне.

Одновременное использование и нескольких передатчиков, и нескольких приемников – пространственное мультиплексирование

Как уже упоминалось ранее, несколько передатчиков и несколько приемников создают несколько относительно уникальных каналов распространения внутри одного участка спектра. Эти каналы образуются не частотным разнесением, а пространственным разнесением антенн передатчиков и приемников, поэтому называются пространственными потоками. Вполне логично было бы использовать эти относительно уникальные каналы для передачи уникальной информации, чтобы увеличить пропускную способность канала. Этот вариант использования является одним из широко рекламируемых преимуществ MIMO и называется эта техника пространственным мультиплексированием. Но поскольку используется один участок спектра, применение пространственных потоков требует несколько серьезных условий:

- чем больше пространственных потоков мы хотим передать – тем более жесткие требования к каналу предъявляются. Извлечение уникальной информации из «условно уникальных» пространственных потоков – сложная операция, требующая значительного превышения уровня сигнала над уровнем шума и отсутствия помех.

- для передачи N потоков требуется как минимум N передатчиков и N приемников. Увеличение их количества упрощает извлечение информации и несколько ослабляет требования к качеству канала.

А теперь аналогии из повседневной жизни, чтобы упростить восприятие сложных терминов. В случае SISO (один передатчик, один приемник) мы используем однополосную дорогу для передвижения битов в радиоканале. MIMO превращает один радиоканал в несколько полос для движения битов. Нужно отметить, что эти полосы не совсем четко расчерчены, как в случае с использованием нескольких радиоканалов, поскольку используется один и тот же участок спектра.

Выбор антенны – это выбор наиболее свободной полосы для передвижения информации. Субсимвольный временной сдвиг – это случайный выбор одной из полос для каждого бита, чтобы движение ни по одной из полос не стало очень плотным.

Пространственно-временные блоковые коды – это движение одной порции битов сразу по двум полосам с возможностью лавирования в межполосье, если ситуация не позволяет свободно двигаться в одной полосе.

Формирование диаграммы направленности – это формирование свободной полосы для движения битов, но только во вполне определенном направлении.

MIMO эквалайзер – «расчистка» полосы движения, начинающая в точке прибытия информации.

И, наконец, пространственное мультиплексирование – это плотное использование образовавшихся полос для передвижения максимального количества битов. Для надежной работы этого способа требуется достаточно ровная дорога и мощные «двигатели битов».

В качестве заключения

Использование техники MIMO позволяет в разы поднять надежность и увеличить скорость передачи данных в радиоканале с той же шириной полосы частот. Это позволяет удовлетворить возрастающие потребности и ожидания пользователей беспроводных сетей. Однако не доверяйте слепо модным аббревиатурам, ведь применение MIMO очень многолико и варьируется от самых простых вариантов (выбор антенны), до наиболее продвинутых (пространственное мультиплексирование).

И внимательно следите за выражением лица представителя вендора, увлекательно расписывающего преимущества использования MIMO, когда Вы спросите его про поддержку «субсимвольного временного сдвига» в его решении!

Multiple Input Multiple Output

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI, WI-MAX, сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol), видеоконференции, VoD (Video on Demand) и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.

Пример многолучевого распространения сигнала

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием. Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

Принцип организации технологии MIMO

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование Smart Antena, либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг, хэндовер, голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы 4G, а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты. При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

Дата добавления: 2014-01-20