XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Аннотация

В данной работе рассмотрены ключевые вопросы, касающиеся архитектуры сетей MIMO, общие принципы в сети LTE, способы увеличения пропускной способности MIMO и построена модель системы. Продемонстрирована аналоговая система распределенных внутренних антенн (DAS) для мобильной связи 5G, которая поддерживает конфигурацию MIMO с несколькими входами и несколькими выходами.

Ключевые слова

LTE, MIMО, анализ производительности, пропускная способность, DAS на основе IFoF.

Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием систем беспроводной связи (мобильная радиосвязь, системы беспроводного доступа к сети Интернет, компьютерные радиосети внутри зданий и др.). В каналах радиосвязи таких систем действует комплекс помех и искажений.

Последнее время проявляется тенденция роста интереса к беспроводным системам передачи информации. Поэтому встает вопрос о повышении пропускной способности, не снижающем качества предоставляемых услуг связи. Данную проблему можно решить при помощи технологии Multiple Input Multiple Output (MIMO), то есть антенных систем с «многоканальным входом многоканальным выходом». В данном случае общий поток данных делится на несколько подпотоков, а затем передается в общем канале связи. Тем самым растет скорость передачи данных при неизменной полосе частот. Для обеспечения независимости подпотоков в MIMO-системах используют пространственное и поляризационное разнесение. При этом системы MIMO хорошо работают вне зоны прямой видимости и при наличии хорошо рассеивающей среды, каждый из передаваемых сигналов оказывается «промаркированным» самой средой передачи (межканальной и межсимвольной интерференцией, затуханием, задержкой во времени, и другими искажениями).

Наступает эра мобильной связи пятого поколения (сокращенно 5G). Предполагается, что сетевая технология 5G обеспечит пиковую скорость 20 Гбит / с на ячейку и 1000-кратный трафик данных по сравнению с текущим 4G LTE, что обеспечит более быструю связь не только со смартфонами, но и со многими другими устройствами, такими как датчики, роботы, автомобили и т. д. Одной из наиболее важных частей внутреннего DAS является эффективная аналоговая оптическая линия с соотношением цена / пропускная способность. В традиционном DAS, основанном на схеме цифровой передачи, хост-узел DAS оцифровывает аналоговый мобильный сигнал и передает оцифрованный сигнал в ROU, где цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый сигнал . Однако процедура оцифровки требует огромной ширины полосы сигнала (например, трафика данных в формате eCPRI ~ 118 Гбит / с для передачи с 8 частотами (FA), полосой пропускания 100 МГц, 5G мобильным сигналом с конфигурацией 4 × 4 с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), высокая сложность и увеличение задержки.

Таким образом, разработка и анализ алгоритмов приема дискретных сообщений, основанных на принципе «приема «в целом» при использовании технологии MIMO в каналах с памятью, является весьма актуальной темой.

Технология MIMO

MIMO – Multi Input, Multi Output - метод пространственного кодирования сигнала, при котором передача данных осуществляется с помощью N антенн и их приѐма М антеннами, позволяющий увеличить полосу пропускания канала. MIMO позволяет бороться с многолучевым распространением сигнала 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, на практике же ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Различаются в этих системах схемы канального кодирования, предшествующего обработке MIMO. В WiMAX – последовательное кодирование, а в LTE – параллельное, что показано на рисунке 1.2. При параллельной схеме, входные данные демультиплексируются на два потока, каждый из которых в отдельности подвергается помехоустойчивому кодированию. Закодированные потоки подаются в схему MIMO. На приемной стороне осуществляются обратные опе- 14 рации, после снятия помехоустойчивого кода в обеих ветвях декодированные данные подаются обратно в приемник – обработчик MIMO: реализуется итерационный алгоритм совместной демодуляции MIMO и канального декодирования, позволяющий заметно улучшить работу приемника и снизить требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника. Этот алгоритм называется алгоритмом последовательного исключения демодулированнных компонент. При последовательном канальном кодировании, как в WiMAX, этот алгоритм нереализуем.

MIMO позволяет значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. MIMO обеспечивает лучшую работу антенн, позволяя сочетать потоки данных, приходящие разными путями и в разное время. При этом увеличивается эффективность приема сигналов.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. 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.

При организации технологии MIMO на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от 15 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 среды распространения. В зависимости от принципа работы системы передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

Системы 4G, а именно LTE, 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 16 скорости передачи данных. В релизе WiMAX 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4.

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.

Общие принципы технологии MIMO в сетях LTE

Существенно снизить ошибки при передаче данных позволяет разнесенный прием, а также это становится возможным за счет передачи несколькими антеннами, при этом расстояние между ними подбирается такое, чтобы наблюдалась слабая корреляция замираний сигналов в этих антеннах.

Однако, в современных высокоскоростных системах передачи дискретных сообщений значительно улучшить емкость сети, спектральную эффективность и скорость передачи информации можно при использовании технологии с многоканальным входом и многоканальным выходом (Multiple Input Multiple Output, MIMO) [6, 7], то есть использовать антенные решетки на обоих концах линии связи. При этом, каждой паре, передающей и приемной антенн, соотнесен отдельный канал передачи информации.

Можно утверждать, что канальная скорость передачи данных повышается пропорционально числу используемых антенн. Чаще всего имеется равное число антенн на передающей и приемной стороне, что позволяет достигнуть высокой скорости передачи данных. В передатчике устанавливается делитель потоков. Он разбивает данные для передачи на 18 несколько низкоскоростных подпотоков в соответствии с числом антенн. Затем на приемной стороне каждый приемник получает сигнал от каждой передающей антенны. Пространственное разнесение обеспечивает слабую корреляцию сигналов. Также для идентификации сигнала на приеме, можно передавать его от каждой антенны с разной поляризацией. Главное, что каждый из передаваемых сигналов оказывается «помеченным» самой средой передачи (межканальной и межсимвольной интерференцией, затуханием, задержкой во времени, и другими искажениями).

На приемной стороне также устанавливается несколько антенн с некоторым пространственным разнесением. Полученные потоки данных поступают на приемные устройства, их число соответствует количеству антенн и каналов связи. Поскольку на каждое приемное устройство поступают информационные потоки от всех антенн системы, каждый приемник снабжен сумматором. С его помощью из общего потока может быть выделена энергия сигнала подканала, за который он отвечает. Данное выделение происходит по определенному признаку, которое заранее было определено. Среда распространения также «маркирует» полезные сигналы задержкой, затуханием, или сдвигом фаз, что также способствует разделению данных при помощи анализа искажений.

Вероятность ошибки в подобных системах снижается, так как прибегают к совместному разнесению как на передаче, так и на приеме. Адаптивная пространственная обработка сигналов позволяет существенно увеличить скорость передачи информации (пространственное кодирование), позволяющая формировать нескольких параллельных информационных подпотоков. Если увеличить число потоков данных, скорость передачи возрастет, но вероятность битовой ошибки при фиксированной излучаемой мощности тоже начнет расти. Встает задача оптимизации вероятности ошибки и скорости передачи данных. Необходимо искать компромисс между двумя этими параметрами.

Между каждой парой на передающей и приемной стороне необходимо произвести оценку многоканальной импульсной характеристики (МИХ) для обеспечения оптимальной пространственной обработки сигналов. Для решения данной проблемы используют псевдошумовые обучающие последовательности. При этом для оценки МИХ применяются квазиортогональные обучающие вектора, которые обеспечивают качественную оценку.

Если среда распространения обладает безусловным эффектом многолучевого распространения, то MIMO-системы будут иметь явное преимущество среди систем беспроводной связи. На стороне передатчика и на стороне приемника в подобных системах используется несколько трактов приемо-передачи для создания нескольких независимых путей распространения сигнала, которые можно восстановить в приемнике. В названии Multiple Input Multiple Output – MIMO слова Input («вход») и Output («выход») относятся к радиоканалу между антеннами. Одновременная отправка сигнала в радиоканал сразу несколькими передающими антеннами и комбинация этих сигналов на одновременном приеме позволяет улучшить 20 характеристики. Существует несколько базовых конфигураций систем беспроводной связи: Single Input Single Output – SISO (один вход, один выход), Single Input Multiple Output – SIMO (один вход, несколько выходов), Multiple Input Single Output – MISO (несколько входов, один выход) и MIMO (несколько входов, несколько выходов). Они изображены на рисунке 1.3, где между двумя антеннами стрелками показаны отличные пути распространения многолучевого сигнала. Также возможен вариант и линии прямой видимости LOS (Line of Sight). При этом в эти пути включены и трассы многолучевых сигналов, возникающих в результате отражения, рассеяния и дифракции на окружающих объектах. Если рассматривать систему-MIMO с конфигурацией, то каждая передающая антенна имеет два выделенных канала передачи, а каждая приемная антенна — два объединенных канала приема. Количество антенн на приеме и передаче может быть не только, сегодня разрабатываются системы и с конфигурацией 2х2, 64х64. Также применяются варианты с неравным количеством приемных и передающих антенн.

Основных два преимущества систем MIMO позволяют бороться либо с эффектом замирания сигнала, либо используются для повышения пропускной способности. Как было показано в, cуществуют следующие 21 виды многоантенных систем: формирующие диаграммы направленности, с пространственным разнесением и пространственным мультиплексированием. Далее рассмотрим все три типа.

Первый метод – это пространственное разнесение. Данный способ позволяет повысить эффективность по мощности при помощи минимизации повторной передачи данных. Это осуществляется за счет применения пространственно- временное блочное кодирование (Space-Time Block Codes, STBC) разнесение задержки и пространственно-временное решетчатое кодирование (Space-Time Trellis Codes, STTC). В зависимости от длины пути распространения и времени мощность сигнала в радиоканале изменяется очень быстро в среде со свойствами многолучевости. На приемной стороне возникает многолучевое замирание, то есть мощность сигнала сильно ослабевает. Разнесенный прием может решить данную проблему, поскольку копии одного и того же сигнала проходят по различным каналам, где замирания неидентичные, а затем складываются.

Еще один способ организации многоантенных систем это пространственное мультиплексирование. В данном случае через различные антенны предаются различные данные, что увеличивает скорость передачи информации. Следует отметить, что данная технология обеспечивает повышение скорости, используя при этом ту же полосу частот и мощность, что и привычная система с одной антенной на передаче и приеме SISO. Теоретически, пропускная способность линейно зависит от числа используемых приемных и передающих антенных пар. В случаях, когда число приемных и передающих антенн не равно, пропускная способность определяется меньшим из этих двух чисел. Пространственное мультиплексирование используется в технологии множественного доступа с пространственным разделением каналов SDMA (Space Division Multiple Access).

Третий метод организации многоантенных систем – это формирование диаграммы направленности. В данном случае на передающей стороне используется предварительно заданная информация о канале связи. В каждый тракт каждой антенной передаются одинаковые символы вместе с комплексным коэффициентом по амплитуде и/или по фазе. При этом антенная решетка подстраивается под определенное отношение сигнал/шум канала. Если формирование диаграммы направленности оптимизировано для пространственного разнесения или пространственного мультиплексирования, каждый антенный элемент одновременно передает взвешенную комбинацию двух символов данных. В приемнике и передатчике находятся фильтры предварительной и последующей коррекции, которые нужны для формирования матрицы предискажений. Построение такой матрицы диаграммы направленности возможно, если на передающей стороне есть информация о свойствах канала радиосвязи. Тем самым возможен выигрыш пропускной способности. Конечно же в этом случае при изменении характеристик канала, матрицу предискажений придется изменять. На приемной стороне могут быть получены данные о канале, а затем отправлены передатчику для дальнейшей коррекции его работы.

MIMO технология также используется в стандарте WiMAX, который также имеет несколько версий. Один из релизов это 802.16e. В нем описывается способ обеспечения услугами мобильного широкополосного доступа, позволяющий передавать данные со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. При этом в 802.16e технология MIMO не является основополагающей, а существует лишь как дополнение с конфигурацией 2х2. Технология MIMO становится неотъемлемой частью следующей версии стандарта 802.16m, в которой конфигурация может быть и 4х4. При этом WiMAX выступает в качестве разновидности сотовой системы связи четвертого поколения, поскольку имеет список характерных свойств: хэндовер, роуминг, голосовые соединения.

Однако самое интересное применение технология MIMO нашла в системе сотовой связи начиная с третьего поколения. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA (технология беспроводной широкополосной радиосвязи, использующая пакетную 26 передачу данных и являющаяся надстройкой к мобильным сетям WCDMA/UMTS) с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. При этом в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Видно, что технология MIMO находит широкое практическое применение почти во всех системах беспроводной передачи данных. Однако возможности ее использования не до конца изучены. На сегодняшний день идут разработки новых конфигураций системы, вплоть до MIMO 64х64. Все это приведет к повышению скорости передачи информации, емкости сети и спектральной эффективности.

Пропускная способность сетей MIMO и способы ее увеличения

Пропускная способность системы связи – максимальная скорость передачи информации, при которой обеспечивается сколь угодно малая вероятность ошибки.

Физический смысл возможности увеличения скорости передачи данных можно пояснить с помощью формулы Шеннона.

Например, емкость системы SISO определяется теоремой Шеннона-Хартли:

где λi – это собственное значение , det( ) – определитель матрицы.

Собственные и сингулярные значения связаны выражением σi 2 = λi . Таким образом, MIMO лучше всего работает при высоких SNR, которые наиболее часто доступны при наличии LoS. Следует также отметить, что, если на передаче канал известен (CSIT), он может усилить сигнал в «лучшем» подканале, тем самым увеличить пропускную способность.

Пропускная способность канала MIMO равна n пропускных способностей каналов SISO, т.е. канал MIMO может быть представлен в виде совокупности параллельных каналов SISO. Скорость передачи данных при технологии MIMO линейно увеличивается с увеличением числа антенн.

На рисунке покажем представление каналов связи MIMO в виде нескольких каналов SISO.

Очень часто, особенно в условиях города, в канале связи имеют место замирания сигнала. При наличии замираний матрица канала связи H, а, следовательно, и пропускная способность канала связи будут случайными. Распределение пропускной способности канала связи определяется распределением элементов матрицы канала H [5].

В реальных системах беспроводной связи, как правило, имеет место пространственная корреляция замираний между сигналами в различных антеннах.

Пространственная корреляция замираний обычно вызывается близким расположением между собой антенн (ближе, чем несколько десятков длин волн). Пространственная корреляция приводит к уменьшению пропускной способности канала. Возникает задача анализа коэффициентов корреляции канала в зависимости от взаимного расположения передающей и приемной решёток по вертикали.

Интервал корреляции по задержкам и коэффициенты корреляции определяются разностью хода лучей от передатчика до элементов решётки приемника.

Лучи, приходящие на приемную решетку под углом θ (угол отсчитывается от нормали к оси решетки), запаздывают по фазе между соседними элементами на величину δ:

Корреляционные матрицы Rt и Rr могут быть определены на основе модели, позволяющей вычислить эти матрицы исходя из расстояния между элементами передающих и приёмных антенн.

При этом, приближенная оценка коэффициента корреляции дается формулой:

Если антенны расположены на одной оси главных максимумов излучения-приема (θ = 0), например, на одной высоте, то в этом случае задержки на элементах приемной решетки отсутствуют и ρ = 1. Реализация режима MIMO проблематична, однако в этом случае помехи минимальны и отношение сигнал/шум высокий. На практике решётки должны быть на разной высоте, антенны БС должны быть не ниже 40 м.

Расчет коэффициента корреляции на основании формулы (2.6) приведен в таблице 2.1 при двух значениях d / λ. Необходимо заметить, что при ρ <0,4 корреляция слабо влияет на пропускную способность канала, а при ρ <0,2 сигналы на соседних элементах приемной антенны можно считать некоррелированными.

Из таблицы следует, что коэффициент корреляции тем меньше, чем больше наклон передающей решетки к земной поверхности. При наиболее используемых на практике (d / λ = 0,5) антеннах угол наклона должен быть не меньше 25 градусов, чтобы реализовать преимущества технологии MIMO. Наклон уменьшает радиус зоны обслуживания, поэтому наиболее предпочтительными являются решетки с увеличенным расстоянием между соседними элементами до значения d / λ = 2/3.

Рассмотренная выше формула Шеннона при равном числе передающих N и приемных M антенн реализуется только при независимых сигналах, поступающих на элементы антенной решётки. При корреляции сигналов имеют место потери ∆С, тем больше, чем больше коэффициент корреляции. Величину потерь в пропускной способности можно приближённо оценить:

Из таблицы видно, что при |ρ|≤ 0,4 потери в пропускной способности не превышает 0,5 бит/с/Гц. При |ρ|≥ 0,4 потери резко возрастают. Если коэффициент корреляции по модулю приближается к единице, то канал связи MIMO превращается в канал связи SISO.

Рисунок 2.2 иллюстрирует быстрое увеличение абсолютных потерь пропускной способности с ростом корреляции, причём при увеличении числа антенн потери быстро возрастают. При увеличении числа антенн пропускная способность также сильно возрастает, поэтому для практики более важное значение имеют относительные потери.

Зависимости иллюстрируют, что при допустимом уменьшении пропускной способности на 20% (что соответствует Ccor/Cuncor = 0,8) допустимый уровень корреляции в канале |ρ| составляет 0,6 при числе антенн M = N = 8 и 0,8 при M = N = 2 соответственно.

Имитационная модель системы MIMO

Исследование помехоустойчивости и эффективности алгоритмов приема дискретных сообщений при использовании технологии MIMO в каналах связи была проверена на ЭВМ, основываясь на методе статистических испытаний, при котором моделировались реализации отсчетов информационного сигнала для четырех видов алгоритмов обработки сигналов:

 сведения к нулю (ZF);

 наименьших квадратов (MMSE);

 максимального правдоподобия (ML);

 приема «в целом» с поэлементным решением (ПЦППР).

Моделирование данных алгоритмов производилось для системы MIMO с конфигурацией 2х2, как в канале с памятью, так и в канале без памяти, но с релеевскими замираниями. При этом сигнал в приемнике модулировался различными способами:

 двоичной фазовой манипуляцией (BPSK);

 квадратурно-амплитудной манипуляцией (QAM-16);

 мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).

Для реализации была выбрана конфигурация MIMO системы с двумя передающими и приемными антеннами, при этом компьютерное моделирование проводилось как для канала с памятью, так и без памяти. Будем рассматривать передачу пакета из четного числа K m -ичных символов.

Общая структурная схема для всех экспериментов, описанных далее, приведена на рисунке 3.1.

Вначале генерируется случайная последовательность, состоящая из 0 и 1 (a1, a2, a3…ai ., i=1,2,3…К). Затем этот поток данных поступает в модулятор, где в зависимости от выбранного вида манипуляции происходит процесс изменения параметров сигнала. Делитель разделяет общий поток отсчетов сигнала на два подпотока. Данная операция зависит от числа передающих антенн. Поскольку была выбрана конфигурация 2х2, то образуется вектор четных s1 и нечетных s2 сигналов. Подпотоки данных перемешиваются в канале MIMO. Затем к каждому подпотоку сигналов добавляется независимая реализация аддитивного белого гауссовского шума (n1, n2). После этого сигнал поступает в приемник, где происходит процесс обработки сигнала и демодуляции. В итоге, получаются оценки переданного сигнала, которые должны быть очень похожи на исходные данные.

Для сравнения эффективности работы алгоритмов обработки принятого сигнала требуется некоторая измеряемая величина, которая может быть использована для оценки. Величиной, определяющей помехоустойчивость, является битовый коэффициент ошибок (bit-error-rate, BER). Он равен соотношению количества ошибочно принятых бит (символов) к общему числу бит, то есть:

Поскольку отношения сигнал/шум (ОСШ) Eb /N0 – это безразмерная величина, которая является стандартной качественной мерой производительности систем связи, необходимое значение Eb /N0 можно рассматривать как метрику сравнения качества. Следовательно, чем меньше требуемое значение Eb /N0 , тем эффективнее процесс детектирования при данной вероятности ошибки. В результате моделирования по каждому эксперименту строится график зависимости вероятности появления ошибочного бита (BER) от отношения сигнал/шум Eb /N0.

Моделирование рассматриваемой системы MIMO происходило следующим образом:

1. Создается случайная двоичная последовательность.

2. Два символа группируются в пару, которая передается в один отсчет времени.

3. Сигнал умножается на канальную матрицу.

4. Добавляется БГШ.

5. Процесс обработки принятого сигнала соответствующим алгоритмом.

6. Процесс демодуляции.

7. Подсчет битовых ошибок (BER).

Данные действия повторяются для нескольких значений ОСШ.

Внутренний аналоговый DAS на основе IFoF с поддержкой 4 × 4 MIMO

Рис.5.1 показывает внутренний DAS, который поддерживает 4 × 4 MIMO (т.е. 8 антенн) с использованием пары аналоговых оптических линий на основе IFoF. Блок основной полосы частот 5G (BBU) генерирует мобильный сигнал 5G на сигналах несущих ПЧ, тактовой частоты и TDD. Мобильный сигнал 5G на основе ПЧ от BBU подвергается полосовой фильтрации и регулируется по мощности в MIFU и доставляется в MAT для волоконно-оптической передачи.

Рис.5.1 Система аналоговых распределенных антенн (DAS) на основе IFoF, поддерживающая конфигурацию MIMO 4 × 4. (Inset-i: временные формы сигнала синхронизации TDD, сигнала нисходящей линии связи и сигнала восходящей линии связи, прототип Inset-ii: 5G BBU, Inset-iii: MHU, Inset-iv: ROU, Inset-v: антенны и терминал 5G)

Как упоминалось ранее, мы используем пару аналоговых оптических линий на основе IFoF (то есть, используя две MAT и две RAT) для построения системы MIMO 4 × 4. Подробные конфигурации MAT и RAT, которые являются ключевыми компонентами канала IFoF, показаны на рис.2 (a) и рис.2 (b) соответственно. Каждый модуль TRx включает в себя пару передатчиков и пару приемников, образующих четыре пути. Для четырех путей назначены четыре разные длины волны: 1510 нм. для UL # 0, 1530 нм. для UL # 1, 1550 нм. для DL # 0 и 1570 нм. для DL # 1 соответственно с защитной полосой 20 нм., см. рис.3(а), Все Rxs идентичны по своей конфигурации, имеют положительный собственный отрицательный фотодиод (PIN-PD), два каскадных РЧ-усилителя, которые дают усиление ~ 40 дБ (при комнатной температуре), и блок управления выходной РЧ-мощностью (блок из пунктирной линии на рис.2, который имеет переменный РЧ-аттенюатор вместе с РЧ-усилителем, способным обеспечивать усиление -18,5 ~ + 13 дБ), что помогает автоматической регулировке усиления линии связи, включаемой MCPU и RCPU.

Блоки управления выходной РЧ-мощностью необходимы по двум основным причинам: 1) для предотвращения повреждения системы из-за высокой падающей РЧ-мощности и для поддержания постоянного коэффициента усиления линии (РЧ) (например, 0 дБ в нашей системе), независимо от любых изменений в окружающей среде, которые могут вызвать изменение усиления канала. MAT-Tx содержит только непосредственно модулированный неохлаждаемый лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB LD). С другой стороны, RAT-Tx имеет входной РЧ-блок управления мощностью (состоящий из РЧ-усилителя с переменным РЧ-аттенюатором, способный обеспечивать усиление -18,5 ~ + 13 дБ) до неохлаждаемого LD DFB. Все Tx имеют функцию автоматического управления выходной мощностью, поэтому неохлаждаемые DFB-LD поддерживают постоянную выходную мощность: + 6 дБм для нашей системы, при которой передаваемый сигнал имеет оптимальные характеристики шума и нелинейности, которые будут обсуждаться позже. Четыре аналоговых оптических сигнала (UL # 1, UL # 2, DL # 1 и DL # 2) объединяются с цифровыми сигналами (см. Оптические спектры на рис. 3 (а) от MDU и RDU с помощью CWDM

Рис.5. 2 Модули аналогового оптического приемопередатчика (TRx) для применения в системе распределенных антенн (DAS) на основе IFoF: (a) MHU Analog TRx (MAT), (b) ROU Analog TRx (RAT).

Рис. 5.3 (a) Измеренные оптические спектры аналоговых и цифровых сигналов аналогового внутреннего ЦАП на основе IFoF и (b) измеренный спектр электрического сигнала и величина вектора ошибок (EVM) каждой FA входного мобильного сигнала 5G.

Чтобы охарактеризовать аналоговую оптическую связь, мы устанавливаем связь между MAT и RAT с использованием переменного оптического аттенюатора (VOA). В эксперименте мы используем генератор сигналов произвольной формы (AWG, M8190A Keysight) для генерации мобильного сигнала 8 FA 5G, занимающего от 1,7 до 2,7 ГГц, см. Черную линию на рис. 3 (b), где каждая FA составляет 125 МГц 64- QAM OFDM сигнал. Мы намеренно используем этот диапазон частот, чтобы избежать любых воздействий нелинейных искажений 2-го порядка (например, гармонического искажения 2-го порядка (HD2) и интермодуляционного искажения 2-го порядка (IMD2), поскольку они значительно ухудшают качество сигнала в соответствии с нашими предыдущими исследованиями.

Общая ВЧ-мощность мобильного сигнала 8FA 5G для каждого Tx составляет -10 дБм, что, опять же, является требованием к ВЧ-мощности для прототипа 5G на основе мм-волн. По той же причине выходная РЧ-мощность Rx также должна быть -10 дБм, для чего требуется усиление РЧ-линии 0 дБ, которое поддерживается функциональным блоком выходной РЧ-мощности (блоки из черных пунктирных линий на рис. 2 ) в Rxs во время операция. Измерена величина вектора ошибок (EVM) каждого FA входного мобильного сигнала 5G от AWG до Tx, составляющая <2%, см. Красные кружки на рис. 3 (b).

Заключение

Основной задачей теории связи является восстановление сообщения, сформированного передатчиком в некоторый момент времени в некоторой точке пространства, в некоторой другой точке пространства спустя некоторый интервал времени. С точки зрения обработки сигналов, канал может привносить шум и другие посторонние сигналы, такие как межсимвольная интерференция (ISI) и замирания в принимаемый сигнал.

Наиболее важной проблемой в современной высокоскоростной системе передачи дискретных сообщений является повышение качества обслуживания пользователя при увеличении скорости передачи информации, за счет уменьшения вероятности ошибки передачи данных. Значительно улучшить емкость сети, спектральную эффективность и скорость передачи информации можно при использовании технологии с многоканальным входом и многоканальным выходом (Multiple Input Multiple Output, MIMO), то есть использовать антенные решетки на обоих концах линии связи. При этом преимущества систем MIMO позволяют бороться либо с эффектом замирания сигнала, либо используются для повышения пропускной способности.

В настоящее время рост общего объёма передачи информации продолжается, поэтому при проектировании перспективных систем связи одной из основных задач является значительное повышение их пропускной способности и производительности.

Существует несколько базовых конфигураций систем беспроводной связи: Single Input Single Output – SISO (один вход, один выход), Single Input Multiple Output – SIMO (один вход, несколько выходов), Multiple Input Single Output – MISO (несколько входов, один выход) и MIMO (несколько входов, несколько выходов).

Библиографический список

Прокис, Д. Цифровая связь. / Дж. Прокис; пер. с англ. под ред. Д.Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800с.

Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. / Бернард Скляр пер. с англ. – М: Вильямс, 2003. – 1104с.

Летов, И. Multiple Input Multiple Output [Электронный ресурс] / Игорь Летов – Режим доступа : http://celnet.ru/mimo.php Multiple Input Multiple Output

Уилки, Ю. Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMO / Ю. Уилки // Электронные компоненты – 2009. – № 10. – С. 27–30.

Карташевский, В.Г. Разрабтка принципа построения модели системы LOS MIMO / В.Г Карташевский., О.С. Коняева // IV-ая Региональная научно-практическая конференция «Проблемы передачи информации в телекоммуникационных системах» – Волгоград, 2012.– С.30-34

http://1234g.ru/4g/lte/fizicheskij-uroven-standarta-lte/mnogoantennye-tekhnologii-mimo-v-lte

https://bitconnect.ru/tehnologii/tehnologija-mimo-html.html

https://wireless-e.ru/standarty/pyat-proryvnyh-tehnologij-5g-1/

Р. Уотерхаус и Д. Новак, «Реализация 5G», IEEE Microw. Магнето 16 (8), 84–92 (2015). [ CrossRef ]

F. Boccardi, RW Heath, A. Lozano, TL Marzetta и P. Popovski, «Пять прорывных технологических направлений для 5G», IEEE Commun. Магнето 52 (2), 74–80 (2014). [ CrossRef ]

Д. Пляциос, П. Сариджаннидис, С. Гудос и Г. К. Карагининидис, «Реализация видения 5G через Cloud RAN: технологии, проблемы и тенденции», EURASIP J. Wirel. Commun. Netw. 2018 (1), 136 (2018). [ CrossRef ]

М. Крисп, Р. В. Пенти и И. Х. Уайт, «Широкополосная радиосвязь по волоконно-оптическим распределенным антенным системам для энергоэффективных беспроводных коммуникаций внутри зданий», в материалах 71-й IEEE конференции по автомобильным технологиям, 11389883 (2010).

Код для цитирования: Скопировать