Многоантенные технологии (MIMO) в UMTS

Использование технологий MIMO (multiple input – multiple output) направлено на решение двух задач:

- повышения качества связи за счет пространственного временного/ частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования.

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 10.8..

Рис. 10.8. MIMO структура

Математическая модель, описывающая систему (рис.10.8), представляет собой векторное уравнение

r = H × s + n (10.1)

где n– вектор помех на входе приемников. Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

(10.2)

элементы которой h_ij являются комплексными коэффициентами передачи между i приемной антенной и j передающей. Они должны быть между собой некоррелированными. Коэффициенты h_ij приемник рассчитывает, принимая пилотные сигналы с разных антенн Эти пилотные сигналы различны и взаимно ортогональны.

Рассмотрим простую задачу пространственного мультиплексирования, когда на передающей стороне (NodeB) 2 антенны и на приемной (UE) – тоже 2 приемные антенны (рис. 10.9). Сигнал s₁ идет через передающую антенну Аt1, сигнал s₂ ‒ через передающую антенну At2. Каждая приемная антенна (Ar1 и Ar2) принимает взвешенную сумму сигналов s₁ и s₂.

Рис. 10.9. Реализация MIMO 2×2

Векторное уравнение (10.1) будет следующим:

r₁ = h₁₁ s₁ + h₁₂ s₂ + n₁

r₂ = h₂₁ s₁ + h₂₂ s₂ + n₂ (10.3)

где

– номер приемной антенны

– номер передающей антенны

Задача приемника абонентского терминала состоит в том, чтобы получить из принятых сигналов s₁ и s₂. Сигналы r₁ и r₂ принимает приемник мобильного терминала. Для решения системы линейных уравнений (10.3) необходимо знать коэффициенты передач h_ij. Для этого каждая передающая антенна транслирует свой пилотный сигнал, принимая которые приемник определяет массив коэффициентов передачи h_ij. В результате получаем:

где

Вычислив обратную матрицу H^-1, получаем

(10.4)

Достаточно разнести антенны на , чтобы обеспечить нормальный прием.

Число приемных антенн должно быть не меньше числа передающих, но может быть и больше.

Возможны варианты 2:2, 2:4, 4:4

Система (10.4) представляет собой алгоритм работы ZF-приемника. Разделение приемником сигналов s₁ и s₂ возможно, если существует обратная матрица H^-1, то-есть, коэффициенты передачи h_ij между собой некоррелированы.

При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха.