Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из совместной беспроводной связи )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В радиосвязи кооперативный множественный вход и множественный выход ( кооперативный MIMO , CO-MIMO ) - это технология, которая может эффективно использовать пространственную область мобильных каналов с замираниями для значительного повышения производительности систем беспроводной связи. Его также называют сетевым MIMO , распределенным MIMO , виртуальным MIMO и виртуальными антенными решетками .

Обычные системы MIMO , известные как двухточечный MIMO или совмещенный MIMO, требуют, чтобы и передатчик, и приемник канала связи были оснащены несколькими антеннами. Хотя MIMO стал важным элементом стандартов беспроводной связи, включая IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G) и Long Term Evolution(4G) многие беспроводные устройства не могут поддерживать несколько антенн из-за размера, стоимости и / или аппаратных ограничений. Что еще более важно, расстояние между антеннами на мобильном устройстве и даже на стационарных радиоплатформах часто недостаточно для значительного увеличения производительности. Кроме того, по мере увеличения количества антенн фактическая производительность MIMO все больше отстает от теоретического выигрыша. [1]

Кооперативная MIMO использует распределенные антенны на различных радиоустройствах, чтобы достичь почти теоретической выгоды MIMO. Основная идея кооперативного MIMO состоит в том, чтобы сгруппировать несколько устройств в виртуальную антенную решетку для обеспечения связи MIMO. Совместная передача MIMO включает в себя несколько двухточечных радиоканалов, включая ссылки внутри виртуального массива и, возможно, ссылки между различными виртуальными массивами.

Недостатки кооперативного MIMO проистекают из повышенной сложности системы и больших накладных расходов на сигнализацию, необходимых для поддержки взаимодействия устройств. С другой стороны, преимущества кооперативного MIMO заключаются в том, что он позволяет рентабельно улучшить пропускную способность, пропускную способность на границе соты, покрытие и групповую мобильность беспроводной сети. Эти преимущества достигаются за счет использования распределенных антенн, которые могут увеличить пропускную способность системы за счет декорреляции подканалов MIMO и позволяют системе использовать преимущества макроразнесения в дополнение к микроразнесению. Во многих практических приложениях, таких как сотовые мобильные и беспроводные специальные сети, преимущества развертывания совместной технологии MIMO перевешивают недостатки. В последние годы [ когда? ] Совместные технологии MIMO стали основным направлением стандартов беспроводной связи.

Типы [ править ]

Скоординированный многоточечный [ править ]

3 типа кооперативного MIMO
Типы кооперативного MIMO
Системная модель для кооперативного случая MIMO ( Аламоути ) по спутниковой связи. [2] [3] [4] Кроме того, следует упомянуть гибридную спутниково-наземную технологию. [5]
Краткая иллюстрация идеи виртуального MIMO (кооперативного D2D ), [6] где обозначает определенный путь канала, а и обозначает определенное устройство.

В координированной многоточечной связи (CoMP) данные и информация о состоянии канала (CSI) совместно используются соседними сотовыми базовыми станциями (BS) для координации их передач по нисходящей линии связи и совместной обработки принятых сигналов по восходящей линии связи . Архитектура системы проиллюстрирована на рис. 1а. Методы CoMP могут эффективно превращать вредные межсотовые помехи в полезные сигналы, позволяя использовать значительный выигрыш в мощности, преимущество ранга канала и / или выигрыш от разнесения . CoMP требует высокой скорости транзитноесеть для обеспечения обмена информацией (например, данными, управляющей информацией и CSI) между BS. Обычно это достигается с помощью проложения оптического волокна. CoMP был введен в стандарты 4G. [7]

Фиксированные реле [ править ]

Фиксированные реле (проиллюстрированные на рисунке 1b) - это недорогие фиксированные радио-инфраструктуры без проводных транспортных соединений. Они хранят данные, полученные от BS, и пересылают их на мобильные станции.(MS), и наоборот. Фиксированные ретрансляционные станции (RS) обычно имеют меньшие мощности передачи и зоны покрытия, чем BS. Их можно стратегически и экономически эффективно развернуть в сотовых сетях для расширения зоны покрытия, снижения общей мощности передачи, увеличения пропускной способности конкретного региона с высокими требованиями к трафику и / или улучшения приема сигнала. Комбинируя сигналы от ретрансляторов и, возможно, исходный сигнал от BS, мобильная станция (MS) может использовать внутреннее разнесение ретрансляционного канала. Недостатками фиксированных реле являются дополнительные задержки, вносимые в процесс ретрансляции, и потенциально повышенные уровни помех из-за повторного использования частоты на RS. Как одна из наиболее зрелых совместных технологий MIMO, фиксированная ретрансляция получила значительную поддержку в основных стандартах сотовой связи.[8] [9]

Мобильные реле [ править ]

Мобильные ретрансляторы отличаются от фиксированных ретрансляторов в том смысле, что RS являются мобильными и не используются в качестве инфраструктуры сети. Таким образом, мобильные ретрансляторы более гибки в приспособлении к различным схемам трафика и адаптации к различным средам распространения. Например, когда целевая MS временно страдает от плохих условий канала или требует относительно высокоскоростного обслуживания, ее соседние MS могут помочь обеспечить многозвенное покрытие или увеличить скорость передачи данных путем ретрансляции информации в целевую MS. Более того, мобильные ретрансляторы позволяют быстрее и дешевле развертывать сеть. Подобно фиксированным ретрансляторам, мобильные ретрансляторы могут увеличивать зону покрытия, уменьшать общую мощность передачи и / или увеличивать пропускную способность на краях соты. С другой стороны, в силу своей оппортунистической природы,мобильные реле менее надежны, чем стационарные реле, поскольку топология сети очень динамична и нестабильна.

Мобильные пользовательские ретрансляторы позволяют распределенным MS самоорганизовываться в специальную беспроводную сеть, которая дополняет инфраструктуру сотовой сети с использованием многозвенных передач. Исследования показали, что мобильные пользовательские ретрансляторы имеют фундаментальное преимущество в том, что общая пропускная способность сети, измеренная как сумма пропускной способности пользователей, может линейно масштабироваться с количеством пользователей при условии достаточной поддержки инфраструктуры. [10] [11] Таким образом, мобильные пользовательские ретрансляторы являются желательным усовершенствованием будущих сотовых систем. Однако передвижные пользовательские ретрансляторы сталкиваются с проблемами при маршрутизации, управлении радиоресурсами и управлении помехами.

От устройства к устройству (D2D) в LTE - шаг к мобильным ретрансляторам. [12]

Совместное кодирование подпространства [ править ]

В Cooperative-MIMO процесс декодирования включает в себя сбор N R линейных комбинаций N T исходных символов данных, где N R обычно - количество принимающих узлов, а N T - количество передающих узлов. Процесс декодирования можно интерпретировать как решение системы линейных уравнений N R , где количество неизвестных равно количеству символов данных (N T ) и сигналов помех. Таким образом, для успешного декодирования потоков данных количество независимых линейных уравнений (N R ) должно по крайней мере равняться количеству потоков данных (N T ) и помех.

При совместном кодировании подпространства, также известном как линейное сетевое кодирование , узлы передают случайные линейные комбинации исходных пакетов с коэффициентами, которые могут быть выбраны из измерений среды естественного случайного рассеяния. В качестве альтернативы, среда рассеяния используется для кодирования передач. [13]Если пространственные подканалы в достаточной степени некоррелированы друг с другом, вероятность того, что приемники получат линейно независимые комбинации (и, следовательно, получат инновационную информацию), приближается к 1. Хотя случайное линейное сетевое кодирование имеет отличную пропускную способность, если приемник получает недостаточное количество пакетов , крайне маловероятно, что он сможет восстановить какой-либо из исходных пакетов. Это может быть решено путем отправки дополнительных случайных линейных комбинаций (например, путем увеличения ранга матрицы канала MIMO или повторной передачи в более позднее время, превышающее время когерентности канала ), пока приемник не получит достаточное количество кодированных пакетов, чтобы разрешить декодирование. . [14]

Кооперативное кодирование подпространства сталкивается с высокой вычислительной сложностью декодирования. Однако в совместной радиосвязи MIMO для декодирования MIMO уже используются аналогичные, если не идентичные методы, как при случайном линейном сетевом декодировании. Случайные линейные сетевые коды имеют высокие накладные расходы из-за больших векторов коэффициентов, прикрепленных к кодированным блокам. Но в радиостанции Cooperative-MIMO векторы коэффициентов могут быть измерены по известным обучающим сигналам, что уже выполняется для оценки канала . Наконец, линейная зависимость между векторами кодирования уменьшает количество новаторских кодированных блоков. Однако линейная зависимость в радиоканалах является функцией корреляции каналов , что является проблемой, решаемой совместным MIMO.

История [ править ]

До введения кооперативного MIMO была предложена совместная обработка между сотовыми базовыми станциями для уменьшения межсотовых помех [15], а совместное разнесение [16] предлагало увеличенный выигрыш от разнесения с использованием реле, но за счет более низкой спектральной эффективности. Однако ни один из этих методов не использует помехи для усиления пространственного мультиплексирования, что может значительно повысить спектральную эффективность.

В 2001 году совместный MIMO был представлен Стивом Шаттилом, ученым из Idris Communications, в предварительной заявке на патент [17], в которой раскрыты координированные многоточечные и фиксированные реле, за которой последовала статья, в которой С. Шамай и Б. М. Зайдель предложили «грязную бумагу». »Предварительное кодирование при совместной обработке нисходящей линии связи для однопользовательских сот. [18] В 2002 году Шаттил представил аспекты мобильного ретрансляции и сетевого кодирования совместной MIMO в патенте США No. № 7430257 [19] и US Pub. № 20080095121. [20] Реализации программно-определяемого радио (SDR) и распределенных вычислений в кооперативном MIMO были представлены в патенте США No. № 7430257 (2002) и 8670390 [21](2004), обеспечивая основу для облачной сети радиодоступа ( C-RAN ).

Реализации кооперативного MIMO на стороне сервера были первыми, которые были приняты в спецификации сотовой связи 4G и необходимы для 5G . CoMP и фиксированные ретрансляторы объединяют ресурсы обработки основной полосы частот в центрах обработки данных, обеспечивая плотное развертывание простых и недорогих радиотерминалов (например, удаленных радиоголовок ) вместо базовых станций сотовой связи. Это позволяет легко масштабировать ресурсы обработки в соответствии с требованиями сети, а распределенные антенны могут позволить каждому пользовательскому устройству обслуживаться всей спектральной полосой пропускания системы. Однако полоса пропускания данных на пользователя по-прежнему ограничена объемом доступного спектра, что вызывает беспокойство, поскольку использование данных на пользователя продолжает расти.

Принятие кооперативного MIMO на стороне клиента отстает от кооперативного MIMO на стороне сервера. Совместная MIMO на стороне клиента, такая как мобильные ретрансляторы, может распределять нагрузку обработки между клиентскими устройствами в кластере, что означает, что вычислительная нагрузка на процессор может более эффективно масштабироваться по мере роста кластера. Хотя существуют дополнительные накладные расходы на координацию клиентских устройств, устройства в кластере могут совместно использовать радиоканалы и пространственные подканалы через беспроводные линии связи малого радиуса действия. Это означает, что по мере роста кластера доступная мгновенная пропускная способность данных на пользователя также увеличивается. Таким образом, вместо того, чтобы пропускная способность данных на пользователя была жестко ограничена законами физики (то есть теоремой Шеннона-Хартли ), пропускная способность данных ограничивается только вычислительной мощностью, которая продолжает улучшаться в соответствии сЗакон Мура . Несмотря на большой потенциал совместной MIMO на стороне клиента, поставщикам услуг сложнее монетизировать пользовательскую инфраструктуру, и возникают дополнительные технические проблемы.

Хотя мобильные реле могут снизить общую энергию передачи, эта экономия может быть компенсирована за счет энергии схемы, необходимой для увеличения вычислительной обработки. При превышении определенного порога дальности передачи совместная MIMO-технология обеспечивает общую экономию энергии. [22] Различные методы были разработаны для обработки временных и частотных сдвигов, что является одним из наиболее важных и сложных вопросов в кооперативном MIMO. [23] [24] В последнее время исследования были сосредоточены на разработке эффективных протоколов MAC. [25]

Математическое описание [ править ]

В этом разделе мы описываем предварительное кодирование с использованием системной модели нисходящего канала Cooperative-MIMO для системы CoMP. Группа BS использует совокупность M передающих антенн для одновременной связи с K пользователями.

Пользователь k ( k = 1,…, K ) имеет N k приемных антенн. Модель канала от базовых станций к к - я пользователя представлена в N K × M матрицу канала H к .

Пусть s k обозначает вектор символов передачи k- го пользователя. Для пользователя k линейная матрица предварительного кодирования W k , которая преобразует вектор данных s k в переданный вектор W k × s k размером M × 1 , используется BS. Принятый вектор сигнала на K - й пользователь задается ,

где n k = [ n k, 1 ,…, n k, Nk ] T обозначает вектор шума для k- го пользователя, а (.) T обозначает транспонирование матрицы или вектора. Компоненты n k, i вектора шума n k являются iid с нулевым средним и дисперсией σ 2 для k = 1,…, K и i = 1,…, N k . Первый член, H k W k s k, представляет полезный сигнал, а второй член представляет помехи, принимаемые пользователем k .

Сетевой канал определяется как H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , а соответствующий набор сигналов, принимаемых всеми пользователями, выражается как

у = HWs + n ,

где H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , y = [ y 1 T ,…, y K T ] T , W = [ W 1 T ,…, W K T ] T , s = [ s 1 Т , ..., ев K T ] T , и п = [ п 1 Т , ..., п К Т ] Т .

Матрица W предварительного кодирования разработана на основе информации о канале, чтобы улучшить производительность системы Cooperative-MIMO.

В качестве альтернативы обработка на стороне приемника, называемая пространственным демультиплексированием, разделяет передаваемые символы. Без предварительного кодирования набор сигналов, полученных всеми пользователями, выражается как

у = Hs + n

Принятый сигнал обрабатываются с пространственным демультиплексированием матрицей G , чтобы восстановить передаваемые символы: .

Общие типы предварительного кодирования включают в себя принудительное установление нуля (ZF), предварительное кодирование с минимальной среднеквадратической ошибкой (MMSE), передачу с максимальным коэффициентом передачи (MRT) и блочную диагонализацию . Общие типы пространственного демультиплексирования включают ZF , объединение MMSE и последовательное подавление помех .

См. Также [ править ]

  • Многопользовательский MIMO
  • WiMax MIMO
  • Умные антенны
  • Много антенн
  • Разнообразие антенн
  • Формирование луча
  • Предварительное кодирование
  • Пространственное мультиплексирование
  • MIMO-OFDM
  • Макроразнообразие
  • Пространственно-временной блочный код

Ссылки [ править ]

  1. ^ Nordin, R .; Доспех, С .; Макгиэн, JP (01.09.2010). «Стратегия минимизации пространственных помех для коррелированного канала нисходящей линии связи LTE» . 21-й ежегодный международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи . С. 757–761. DOI : 10.1109 / PIMRC.2010.5671934 . hdl : 1983/1712 . ISBN 978-1-4244-8017-3.
  2. ^ Arapoglou, PD; Liolis, K .; Bertinelli, M .; Panagopoulos, A .; Cottis, P .; Де Гауденци, Р. (2011). «MIMO через спутник: обзор». Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE . 13 (1): 27–51. DOI : 10,1109 / SURV.2011.033110.00072 .
  3. ^ Kyröläinen, J .; Hulkkonen, A .; Ylitalo, J .; Byman, A .; Шанкар, Б .; Арапоглов П.Д .; Гроц, Дж. (2014). «Применимость MIMO к спутниковой связи». Международный журнал спутниковой связи и сетей . 32 (4): 343–357. DOI : 10.1002 / sat.1040 . hdl : 10993/24589 .
  4. ^ Цзан, Го-чжэнь; Хуан Бао-хуа; Му Цзин (2010). Одна схема кооперативного разнесения с двумя спутниками на основе кода Аламоути . 3-я Международная конференция IET по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010). С. 151–4. DOI : 10,1049 / cp.2010.0640 . ISBN 978-1-84919-240-8.
  5. ^ Перес-Нейра, AI; Ибарс, С .; Serra, J .; Del Coso, A .; Gómez-Vilardebó, J .; Caus, M .; Лиолис, КП (2011). «Моделирование каналов MIMO и методы передачи для многоспутниковых и гибридных спутниково-наземных мобильных сетей». Физическая коммуникация . 4 (2): 127–139. DOI : 10.1016 / j.phycom.2011.04.001 . hdl : 2117/13225 .
  6. ^ Цзян, H .; Shao, S .; Солнце, Дж. (2013). Виртуальная связь MIMO на основе D2D Link . 3-я Международная конференция по бытовой электронике, коммуникациям и сетям. С. 718–722. DOI : 10.1109 / CECNet.2013.6703432 . ISBN 978-1-4799-2860-6.
  7. ^ «Техническая спецификация 3GPP (Выпуск 11)» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 21 декабря 2015 .
  8. ^ Обзор 3GPP Release 11
  9. ^ «Обзор 3GPP HetNet / малых сот» .
  10. ^ Заман, штат Нью-Йорк; Канакис, Т .; Рапажич, П. (01.10.2010). Ретрансляция MIMO для совместных мобильных сетей . 2010 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC). С. 368–372. DOI : 10,1109 / APCC.2010.5679704 . ISBN 978-1-4244-8128-6.
  11. ^ Чу, Шан; Ван, Синь; Ян Юаньюань (1 апреля 2013 г.). «Использование кооперативного реле для высокопроизводительной связи в сетях MIMO Ad Hoc». Транзакции IEEE на компьютерах . 62 (4): 716–729. DOI : 10.1109 / TC.2012.23 .
  12. ^ Тан, Хуан; Чжу, Чэньси; Дин, Чжи (01.06.2013). «Совместное предварительное кодирование MIMO для D2D-основы в сотовых сетях». 2013 IEEE Международная конференция по связи (МУС) . С. 5517–5521. DOI : 10.1109 / ICC.2013.6655469 . ISBN 978-1-4673-3122-7.
  13. ^ Стефанов, А .; Эркип, Э. (9 сентября 2002 г.). «Кооперативное кодирование для беспроводных сетей». 4-й Международный семинар по сети мобильной и беспроводной связи, 2002 : 273–277. DOI : 10.1109 / MWCN.2002.1045735 . ISBN 0-7803-7605-6.
  14. ^ Чжан, Шунвай; Ян, Фэнфань; Тан, Лэй; Ло, Линь (01.10.2013). «Кооперативный MIMO с RA-кодированием с несколькими источниками на основе сетевого кодирования». 2013 3-я Международная конференция по компьютерным наукам и сетевым технологиям (ICCSNT) : 737–741. DOI : 10.1109 / ICCSNT.2013.6967215 . ISBN 978-1-4799-0561-4.
  15. ^ Baier, PW; Meurer, M .; Вебер, Т .; Трогер, Х. (1 сентября 2000 г.). «Совместная передача (JT), альтернативное обоснование нисходящей линии связи CDMA с временным разделением каналов с использованием многоэлементных передающих антенн». 2000 Шестой международный симпозиум IEEE по методам и приложениям с расширенным спектром. ISSTA 2000. Протоколы (Кат. № 00TH8536) . 1 . С. 1–5. DOI : 10.1109 / ISSSTA.2000.878069 . ISBN 0-7803-6560-7.
  16. ^ Laneman, JN; Уорнелл, Грегори У .; Це, DNC (2001-06-29). «Эффективный протокол для реализации совместного разнообразия в беспроводных сетях». Ход работы. 2001 Международный симпозиум IEEE по теории информации (IEEE Cat. No. 01CH37252) . С. 294–. DOI : 10.1109 / ISIT.2001.936157 . ISBN 0-7803-7123-2.
  17. ^ Заявка на патент США № 60286850, Способ и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки сигналов с несколькими несущими.
  18. ^ Shamai, S .; Зайдель, БМ (06.05.2001). «Повышение пропускной способности нисходящей линии связи посредством совместной обработки на передающей стороне». IEEE VTS 53-я конференция по автомобильным технологиям, весна 2001 г. Труды (№ по каталогу 01CH37202) . 3 . С. 1745–9. DOI : 10,1109 / VETECS.2001.944993 . ISBN 0-7803-6728-6.
  19. ^ US 7430257 , " Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом"
  20. ^ US 20080095121 , "Сети интерферометрии несущей"
  21. ^ США 8670390 , «Cooperative формирования луча в беспроводных сетях»
  22. ^ Цуй, Шугуан; Голдсмит, AJ; Бахаи, А. (2004-08-01). «Энергоэффективность MIMO и совместных методов MIMO в сенсорных сетях». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 22 (6): 1089–98. DOI : 10.1109 / JSAC.2004.830916 .
  23. ^ Ли, Сяохуа (2004-12-01). «Многопередача с пространственно-временным кодированием между распределенными передатчиками без идеальной синхронизации». Письма об обработке сигналов IEEE . 11 (12): 948–951. Bibcode : 2004ISPL ... 11..948L . DOI : 10,1109 / LSP.2004.838213 .
  24. ^ Чжан, Яньян; Чжан, Цзяньхуа; Солнце, Фейфей; Фэн, Чонг; Чжан, Пин; Ся Минхуа (01.05.2008). «Новый метод синхронизации времени для распределенных систем MIMO-OFDM в многолучевых каналах с рэлеевскими замираниями». VTC Spring 2008 - Конференция по автомобильным технологиям IEEE . С. 1443–7. DOI : 10,1109 / VETECS.2008.340 . ISBN 978-1-4244-1644-8.
  25. ^ Гонг, Давэй; Чжао, Мяо; Ян Юаньюань (01.11.2010). «Многоканальный совместный протокол MIMO MAC для беспроводных сенсорных сетей». 7-я Международная конференция IEEE по мобильным специализированным и сенсорным системам (IEEE MASS 2010) . С. 11–20. DOI : 10,1109 / MASS.2010.5663975 . ISBN 978-1-4244-7488-2.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Ю. Хуа, Ю. Мэй и Ю. Чанг, «Беспроводные антенны - делают беспроводную связь похожей на проводную», Тематическая конференция IEEE по технологиям беспроводной связи, стр. 47-73, Гонолулу, Гавайи, 15-17 октября 2003 г.