Многоантенные технологии (MIMO) в LTE

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 N_t передающих антенн, а на приемной стороне N_r приемных. Эту структуру поясняет рис. 3.19.

Рис. 3.19. MIMO структура

Математическая модель, описывающая систему (рис.3.19), представляет собой векторное уравнение

y = H × x + n (3.6)

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

(3.7)

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 опорные сигналы. Эти опорные сигналы передающие антенны излучают по очереди по установленному алгоритму. На первом этапе применения стандарта LTE MIMO главным образом используют при передаче вниз, когда от eNB к UE следуют несколько потоков данных в одном физическом канале. Основная сложность в реализации подобных систем состоит в выборе оптимального алгоритма приема.

При пространственном временном/частотном кодировании группу символов передают либо последовательно во времени на одной поднесущей (пространственно-временное кодирование), либо одновременно на нескольких поднесущих (пространственно-частотное кодирование) параллельными потоками. В практике многоантенных систем широкое применение нашла схема Аламути пространственно-временного кодирования (Space Time Coding – STC). В ней в конфигурации антенн 2×1 (рис.3.20) через антенны 1 и 2 передают следующие друг за другом символы S₁ и S₂ и их комплексно-сопряженные значения S* одновременно в 2 последовательных момента времени:

	Антенна 1	Антенна 2
Время t = 0	s1	s2
t = 1	-s2*	s1*

Рис. 3.20. STC при конфигурации антенн 2×1

При приеме в моменты t = 0 и t = 1 получают следующие сигналы:

r(0) = h₁s₁ + h₂s₂ + n(0) (3.8)

r(1) = -h₁s₂^* + h₂s₁^* + n(1),

где n(0) и n(1) – соответствующие отсчеты помехи (шума).

Для выделения сигналов s₁ и s₂ выполняют две линейные операции:

y₁ = h₁^*r(0) + h₂r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₁ + h₁^*n(0) + h₂n^*(1) (3.9)

y₂ = h₂^*r(0) - h₁r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₂ + h₂^*n(0) – h₁n^*(1)

В результате устраняются пространственные взаимные помехи, а результирующее отношение сигнал/помеха

(3.10)

Скорость кодирования в рассмотренном варианте не меняется (R_код = 1).

В LTE пространственное мультиплексирование реализуют на основе многослойных структур, Передаваемый информационный поток разделяют на отдельные слои (layers). Далее потоки отдельных слоев с помощью специальных MIMO кодирующих матриц (precoding) преобразуют в потоки, передаваемые через отдельные антенны, число которых может достигать 4. Количество слоев определяет ранг (rank) структуры. Последовательность операций в передающем оборудовании при пространственном мультиплексировании поясняет рис. 3.21.

Рис. 3.21. Операции в передатчике при пространственном мультиплексировании

В LTE используют 2 варианта пространственного мультиплексирования: однокодовый (SCW – single codeword) и многокодовый (MCW – multiple codewords). В однокодовом варианте к информационному блоку добавляют проверочный код CRC (check redundancy code), далее осуществляют избыточное кодирование, скремблирование и формирование модулирующих символов. Поток символов разделяют на несколько слоев (layer mapping) и после MIMO предкодирования передают через разные антенны.

При многокодовом мультиплексировании информационный блок разделяют на несколько субблоков. К каждому субблоку добавляют свой проверочный код, далее следует избыточное кодирование и формирование модулирующих символов. При этом в субблоках могут быть использованы разные модуляционно-кодирующие схемы. Прием сигналов осуществляют, используя алгоритмы MMSE-SIC (Minimum Mean Square Error – Successive Interference Cancellation), где путем последовательного детектирования снижают уровень помех на каждом последующем этапе. Структура приемника MMSE-SIC показана на рис. 3.22. В нем производят поэтапное декодирование субблоков, последовательно вычитая из суммарного принятого сигнала сигналы декодированных субблоков. Однако применение многокодового мультиплексирования требует увеличения объема памяти в приемнике, а при использовании в MIMO обратных связей усложняется сигнализация.

Рис. 3.22. Приемник MMSE-SIC

Фемтосоты

Технология фемтосот в последние 2-3 года вызывает большой интерес у операторов и абонентов сетей UMTS, CDMA2000, LTE и WiMAX. Идея фемтосот состоит в установке в зданиях: квартирах, офисных помещениях, маломощных домашних базовых станций соответствующих стандартов (их так и называют Home NodeB) и для обслуживания абонентов, находящихся в зоне неуверенного приема или отсутствия сигнала сети сотового оператора.

В действующих сотовых структурах можно выделить следующие типы сот (рис. 10.1)

- Макросоты (Macrocell). Радиус обслуживаемой территории от 500 ‒ 1500м и более. Являются основой построения сети сотового оператора, используются для обеспечения сплошного покрытия большой территории.

- Микросоты (Microcell). Радиус обслуживаемой территории 300 ‒ 500м. Используются для обслуживания абонентов вне помещений путем покрытия отдельных улиц и обеспечивают дополнительную емкость сотовой сети. По структуре покрытия микросоты обслуживают локальные области (группы территориально объединенных зданий - бизнес-центры, выставочные центры, университеты, аэропорты и т. д.).

- Пикосоты (Picocell). Радиус обслуживаемой территории 100 ‒ 300м. Предназначены, прежде всего, для обеспечения покрытия внутри помещений и в тех зданиях, где отмечается повышенный спрос на услуги высокоскоростной передачи данных (видеоконференции, мультимедиа и т. д.).

- Фемтосоты (Femtocell). Радиус обслуживаемой территории порядка 20 ‒ 50м. Фактически это полноценные маломощные базовые станции, предназначенные для обслуживания небольшой территории (офиса, квартиры).

Рис. 10.1. Типы сот

Фемтосоты представляют собой альтернативу стандартным микро и пикосотам. Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Соединение с сетью сотового оператора, а точнее говоря, с подсистемой коммутации происходит посредством канала широкополосного доступа какого-либо оператора Интернета (рис. 10.2).

Рис.10.2. Схема сети сотового оператора с фемтосотами

На рис.10.2 показан вариант сети UMTS с фемтосотами. При этом абонента может обслуживать как обычная базовая станция NodeB, так и домашняя базовая станция Home NodeB (или HNB), если абонент оказался в зоне ее действия. Второй вариант предпочтителен. Так как абонент находится вблизи HNB, отношение сигнал/помеха весьма велико, что обеспечивает высокое качество приема сигналов. В частотности, при использовании технологии HSPA можно поддерживать высокие скорости передачи пакетного трафика [1].

Принципиальным отличием работы фемтосот от обычных сот является разделение сигнализации и трафика, идущих от HNB. Все сигнальные сообщения идут в ядро сети через специальный фемтошлюз, связанный с основными элементами ядра сети. Таким образом вся сигнализация, необходимая для обеспечения процедур безопасности (Mobility Management), организации услуг с коммутацией каналов и коммутацией пакетов, замыкается на ядро сети. В то же время пакетный трафик от HNB следует непосредственно в сеть Интернет, как от обычного персонального компьютера. Телефонный трафик через модем следует в телефонную сеть общего пользования. Рассматривают варианты совмещения в одном корпусе HNB и модема. Использование фемтосот позволяет значительно разгрузить беспроводный сегмент сети сотового оператора, поскольку основной объем высокоскоростного мобильного пакетного трафика (видеоконференции, мобильное телевидение, скоростной Интернет) принимают на себя фемтосоты. Улучшается и качество обслуживания телефонного трафика. Появляется возможность организации новых услуг, основанных на эффекте присутствия абонента. Например, возможен “перехват“ на фемтосоту трафика, идущего по кабельной линии. В зависимости от модели HNB фемтосота может обслуживать от 5 до 30 сотовых терминалов. Домашние базовые станции стандартов UMTS (Home NodeB) и LTE (Home eNodeB) специфицированы [25].

Один фемтошлюз может обслуживать до 20 тысяч HNB [26]. Для оптимизации конфигурации фемтосети предусмотрено специальное управляющее устройство фемтоточками доступа (Femtocell Access Point Management System).