Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Мультиплексирование с множеством входов и выходов с ортогональным частотным разделением каналов ( MIMO-OFDM ) является доминирующим радиоинтерфейсом для широкополосной беспроводной связи 4G и 5G . Он сочетает в себе технологию множественного входа и множественного выхода ( MIMO ), которая увеличивает пропускную способность за счет передачи различных сигналов по множеству антенн, и мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), которое делит радиоканал на большое количество близко расположенных подканалов для обеспечения более надежная связь на высоких скоростях. Исследования, проведенные в середине 1990-х годов, показали, что, хотя MIMO может использоваться с другими популярными радиоинтерфейсами, такими как множественный доступ с временным разделением(TDMA) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), комбинация MIMO и OFDM наиболее практична при более высоких скоростях передачи данных. [ необходима цитата ]

MIMO-OFDM является основой для самых передовых стандартов беспроводной локальной сети ( беспроводной LAN ) и мобильных широкополосных сетей, поскольку он обеспечивает максимальную спектральную эффективность.и, следовательно, обеспечивает максимальную пропускную способность и пропускную способность. Грег Рэли изобрел MIMO в 1996 году, когда он показал, что разные потоки данных могут передаваться одновременно на одной и той же частоте, используя тот факт, что сигналы, передаваемые в космосе, отражаются от объектов (например, от земли) и проходят по нескольким путям к приемник. То есть, используя несколько антенн и предварительное кодирование данных, разные потоки данных могут быть отправлены по разным путям. Рэли предположил и позже доказал, что обработка, требуемая MIMO на более высоких скоростях, будет наиболее управляема с использованием модуляции OFDM, поскольку OFDM преобразует высокоскоростной канал данных в ряд параллельных низкоскоростных каналов.

Операция [ править ]

В современном использовании термин «MIMO» означает больше, чем просто наличие нескольких передающих антенн (несколько входов) и нескольких приемных антенн (несколько выходов). Хотя для формирования диаграммы направленности можно использовать несколько передающих антенн , а для разнесения можно использовать несколько приемных антенн , слово «MIMO» относится к одновременной передаче нескольких сигналов ( пространственное мультиплексирование ) для увеличения спектральной эффективности (пропускной способности).

Традиционно радиоинженеры относились к естественному многолучевому распространению как к ослаблению, которое необходимо уменьшить. MIMO - это первая радиотехнология, которая рассматривает многолучевое распространение как явление, которое необходимо использовать. MIMO увеличивает пропускную способность радиолинии, передавая несколько сигналов через несколько совмещенных антенн. Это достигается без необходимости в дополнительной мощности или полосе пропускания. Пространственно-временные коды используются, чтобы гарантировать, что сигналы, передаваемые разными антеннами, ортогональны друг другу, что облегчает приемнику различение одного от другого. Даже если между двумя станциями существует прямая видимость, можно использовать поляризацию двойной антенны, чтобы обеспечить наличие более одного надежного пути.

OFDM обеспечивает надежную широкополосную связь за счет распределения пользовательских данных по ряду близко расположенных узкополосных подканалов. [1] Такое расположение позволяет устранить самое большое препятствие для надежной широкополосной связи - межсимвольные помехи (ISI). ISI возникает, когда перекрытие между последовательными символами велико по сравнению с длительностью символов. Обычно для высоких скоростей передачи данных требуются символы меньшей продолжительности, что увеличивает риск ISI. Разделив поток данных с высокой скоростью на множество потоков данных с низкой скоростью, OFDM позволяет использовать символы большей продолжительности. Циклический префикс(CP) может быть вставлен для создания (временного) защитного интервала, который полностью предотвращает ISI. Если защитный интервал больше, чем разброс задержки - разница в задержках, испытываемых символами, передаваемыми по каналу, - тогда не будет перекрытия между соседними символами и, следовательно, не будет межсимвольных помех. Хотя CP немного снижает спектральную емкость, потребляя небольшой процент доступной полосы пропускания, устранение ISI делает его чрезвычайно выгодным компромиссом.

Ключевым преимуществом OFDM является то, что можно использовать быстрое преобразование Фурье (БПФ) для упрощения реализации. Преобразование Фурье преобразует сигналы между временной и частотной областями. Следовательно, преобразования Фурье могут использовать тот факт, что любая сложная форма волны может быть разложена на серию простых синусоид. В приложениях обработки сигналов дискретные преобразования Фурье (ДПФ) используются для работы с отсчетами сигналов в реальном времени. DFT можно применять к составным сигналам OFDM, избегая необходимости в банках генераторов и демодуляторов, связанных с отдельными поднесущими. Быстрые преобразования Фурье - это численные алгоритмы, используемые компьютерами для выполнения вычислений ДПФ. [2]

БПФ также позволяет OFDM эффективно использовать полосу пропускания. Подканалы должны быть разнесены по частоте ровно настолько, чтобы гарантировать, что их сигналы во временной области ортогональны друг другу. На практике это означает, что подканалы могут частично перекрываться по частоте.

MIMO-OFDM - особенно мощная комбинация, потому что MIMO не пытается уменьшить многолучевое распространение, а OFDM устраняет необходимость в выравнивании сигнала . MIMO-OFDM может обеспечить очень высокую спектральную эффективность, даже если передатчик не обладает информацией о состоянии канала (CSI). Когда передатчик действительно обладает CSI (который может быть получен с помощью обучающих последовательностей), можно приблизиться к теоретической пропускной способности канала. CSI может использоваться, например, для распределения сигнальных созвездий разного размера отдельным поднесущим, обеспечивая оптимальное использование канала связи в любой данный момент времени.

Более поздние разработки MIMO-OFDM включают многопользовательский MIMO (MU-MIMO), реализации MIMO более высокого порядка (большее количество пространственных потоков), а также исследования, касающиеся массового MIMO и кооперативного MIMO (CO-MIMO) для включения в будущие стандарты 5G.

MU-MIMO является частью стандарта IEEE 802.11ac , первого стандарта Wi-Fi, предлагающего скорость в гигабитах в секунду. MU-MIMO позволяет точке доступа (AP) передавать до четырех клиентских устройств одновременно. Это устраняет конфликтные задержки, но требует частых измерений канала для правильного направления сигналов. Каждый пользователь может использовать до четырех из восьми доступных пространственных потоков. Например, AP с восемью антеннами может разговаривать с двумя клиентскими устройствами с четырьмя антеннами, обеспечивая четыре пространственных потока каждому. В качестве альтернативы одна и та же AP может разговаривать с четырьмя клиентскими устройствами с двумя антеннами каждое, предоставляя каждому по два пространственных потока. [3]

Многопользовательское формирование луча MIMO приносит пользу даже устройствам с одним пространственным потоком. До формирования диаграммы направленности MU-MIMO точка доступа, обменивающаяся данными с несколькими клиентскими устройствами, могла передавать данные только одному за раз. Благодаря формированию диаграммы направленности MU-MIMO точка доступа может передавать до четырех однопоточных устройств одновременно по одному и тому же каналу.

Стандарт 802.11ac также поддерживает скорость до 6,93 Гбит / с с использованием восьми пространственных потоков в однопользовательском режиме. Максимальная скорость передачи данных предполагает использование дополнительного канала 160 МГц в диапазоне 5 ГГц и 256 QAM (квадратурная амплитудная модуляция). Были представлены наборы микросхем, поддерживающие шесть пространственных потоков, и в стадии разработки находятся наборы микросхем, поддерживающие восемь пространственных потоков.

Massive MIMO состоит из большого количества антенн базовых станций, работающих в среде MU-MIMO. [4] Хотя сети LTE уже поддерживают мобильные телефоны, использующие два пространственных потока, и были протестированы конструкции антенн мобильных телефонов, способные поддерживать четыре пространственных потока, массивный MIMO может обеспечить значительный прирост емкости даже для мобильных телефонов с одним пространственным потоком. Опять же, формирование диаграммы направленности MU-MIMO используется, чтобы позволить базовой станции передавать независимые потоки данных на несколько мобильных телефонов по одному и тому же каналу в одно и то же время. Однако один вопрос, на который еще предстоит ответить в ходе исследований: когда лучше всего добавлять антенны к базовой станции и когда лучше всего добавлять небольшие соты?

Еще одним направлением исследований беспроводной связи 5G является CO-MIMO. В CO-MIMO кластеры базовых станций работают вместе для повышения производительности. Это может быть сделано с использованием макоразнесения для улучшенного приема сигналов от мобильных телефонов или мультиплексирования нескольких сот для достижения более высоких скоростей передачи данных по нисходящей линии связи. Однако CO-MIMO требует высокоскоростной связи между взаимодействующими базовыми станциями.

История [ править ]

Грегори Рэли был первым, кто выступил за использование MIMO в сочетании с OFDM. В теоретической статье он доказал, что при правильном типе системы MIMO - множестве совмещенных антенн, передающих и принимающих множественные информационные потоки с использованием многомерного кодирования и кодирования - многолучевое распространение может быть использовано для увеличения пропускной способности беспроводной линии связи. [5]До того времени радиоинженеры пытались заставить реальные каналы вести себя как идеальные каналы, уменьшая эффекты многолучевого распространения. Однако стратегии смягчения никогда не были полностью успешными. Чтобы использовать многолучевое распространение, было необходимо определить методы модуляции и кодирования, которые надежно работают в изменяющихся во времени, дисперсионных, многолучевых каналах. Роли опубликовал дополнительные исследования по MIMO-OFDM в условиях, изменяющихся во времени, оценке канала MIMO-OFDM, методам синхронизации MIMO-OFDM и производительности первой экспериментальной системы MIMO-OFDM. [6] [7] [8] [9]

Рэли укрепил аргументы в пользу OFDM, проанализировав производительность MIMO с тремя ведущими методами модуляции в своей докторской диссертации: квадратурная амплитудная модуляция (QAM), спектр с прямым расширением последовательности (DSSS) и дискретный многотональный сигнал (DMT). [10] QAM представляет узкополосные схемы, такие как TDMA, которые используют коррекцию для борьбы с ISI. DSSS использует рейк-приемникидля компенсации многолучевого распространения и используется системами CDMA. DMT использует перемежение и кодирование для устранения ISI и является представителем систем OFDM. Анализ был выполнен путем получения моделей матрицы каналов MIMO для трех схем модуляции, количественной оценки вычислительной сложности и оценки проблем оценки канала и синхронизации для каждой из них. Модели показали, что для системы MIMO, использующей QAM с эквалайзером или DSSS с передним приемником, вычислительная сложность возрастает квадратично по мере увеличения скорости передачи данных. Напротив, когда MIMO используется с DMT, вычислительная сложность растет логарифмически (т.е. n log n) по мере увеличения скорости передачи данных.

Впоследствии Роли основал Clarity Wireless в 1996 году и Airgo Networks в 2001 году с целью коммерциализации технологии. Компания Clarity разработала спецификации на форуме широкополосного беспроводного Интернета (BWIF), которые привели к появлению стандартов IEEE 802.16 (коммерциализированных как WiMAX ) и LTE , которые поддерживают MIMO. Airgo разработала и поставила первые наборы микросхем MIMO-OFDM для того, что стало стандартом IEEE 802.11n . MIMO-OFDM также используется в стандарте 802.11ac и, как ожидается, будет играть важную роль в мобильных телефонных системах 802.11ax и пятого поколения ( 5G ).

Автором нескольких ранних работ по многопользовательской MIMO была Росс Марч и др. в Гонконгском университете науки и технологий. [11] MU-MIMO был включен в стандарт 802.11ac (разработан с 2011 г. и утвержден в 2014 г.). Емкость MU-MIMO впервые появляется в продуктах, получивших название «Волны 2». Qualcomm анонсировала чипсеты с поддержкой MU-MIMO в апреле 2014 года. [12]

Broadcom представила первые наборы микросхем 802.11ac, поддерживающие шесть пространственных потоков для скоростей передачи данных до 3,2 Гбит / с в апреле 2014 года. Quantenna заявляет, что разрабатывает наборы микросхем для поддержки восьми пространственных потоков для скоростей передачи данных до 10 Гбит / с. [13]

Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) и HetNets (гетерогенные сети) в настоящее время являются предметом исследований, касающихся беспроводной связи 5G. Ожидается, что разработка стандартов 5G начнется в 2016 году. К числу известных на сегодняшний день исследователей относятся Якоб Хойдис (из Alcatel-Lucent), Роберт У. Хит (из Техасского университета в Остине), Хельмут Бёльчкей (из ETH Zurich) и Дэвид. Гесберт (в EURECOM). [14] [15] [16] [17]

Компания Samsung провела испытания технологии 5G. [18] Японский оператор NTT DoCoMo планирует опробовать технологию 5G в сотрудничестве с Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia и Samsung. [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ LaSorte, Ник; и другие. (2008). История мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (PDF) . Конференция IEEE GLOBECOM 2008. DOI : 10,1109 / GLOCOM.2008.ECP.690 .
  2. ^ Вайнштейн, Стивен Б. (ноябрь 2009 г.). «История мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов [История коммуникаций]». IEEE Communications . 47 (11): 26–35. DOI : 10.1109 / MCOM.2009.5307460 .
  3. ^ Гаст, Мэтью (июль 2013). 802.11ac: Руководство по выживанию . O'Reilly Media. ISBN 978-1-4493-4313-2. Архивировано из оригинального 3 -го июля 2017 года . Проверено 27 мая 2014 года .
  4. ^ Марцетта, Томас Л. (2010). «Некодействующая сотовая беспроводная связь с неограниченным количеством антенн базовых станций». Транзакции IEEE по беспроводной связи . 9 (11): 3590–3600. DOI : 10.1109 / TWC.2010.092810.091092 .
  5. ^ Роли, GG; Cioffi, JM (1996). Пространственно-временное кодирование для беспроводной связи . IEEE Global Telecommunications Conference, 1996. Лондон, 18–22 ноября 1996 г., стр. 1809–1814, т. 3. DOI : 10,1109 / GLOCOM.1996.591950 .
  6. ^ Роли, GG; Джонс, ВК (ноябрь 1999 г.). «Многомерная модуляция и кодирование для беспроводной связи». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 17 (5): 851–866. DOI : 10.1109 / 49.768200 .
  7. ^ Роли, GG; Cioffi, JM (март 1998 г.). «Пространственно-временное кодирование для беспроводной связи». Транзакции IEEE по коммуникациям . 46 (3): 357–366. DOI : 10.1109 / 26.662641 .
  8. ^ Джонс, ВК; Роли, GG (1998). Оценка канала для беспроводных систем OFDM . IEEE Global Telecommunications Conference, 1998. Сидней, Австралия, 8–12 ноября 1998 г., стр. 980–985, т. 2. дои : 10,1109 / GLOCOM.1998.776875 .
  9. ^ Роли, GG; Джонс, ВК (1998). Многомерная модуляция и кодирование для беспроводной связи . IEEE Global Telecommunications Conference, 1998. Сидней, Австралия, 8–12 ноября 1998 г., стр. 3261–3269, т. 6. DOI : 10,1109 / GLOCOM.1998.775808 .
  10. ^ Роли, Грегори (1998). О теории многомерной связи и методах умножения скорости передачи данных для многолучевых каналов (PDF) (Диссертация). Стэнфордский университет . Проверено 29 мая 2020 года .
  11. ^ Вонг, Кай-Кит; Murch, Ross D .; Бен Летаев, Халед (декабрь 2002 г.). «Повышение производительности многопользовательских систем беспроводной связи MIMO» (PDF) . Транзакции IEEE по коммуникациям . 50 (12): 1960–1970. DOI : 10.1109 / tcomm.2002.806503 .
  12. ↑ Паркер, Тэмми (2 апреля 2014 г.). «Qualcomm увеличивает пропускную способность Wi-Fi с помощью многопользовательской MIMO 802.11ac» . FierceWirelessTech . Questex Media Group LLC . Проверено 29 мая 2014 года .
  13. ↑ Берт, Джеффри (15 апреля 2014 г.). «Broadcom, квантенна стремится к более быстрому Wi-Fi» . eWeek . QuinStreet Inc . Проверено 29 мая 2014 года .
  14. ^ Хойдис, Якоб; Тен Бринк, Стефан; Дебба, Меруан (январь 2012 г.). «Массивный MIMO в UL / DL сотовых сетей: сколько антенн нам нужно?» (PDF) . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 31 (2): 160–171. CiteSeerX 10.1.1.352.4167 . DOI : 10,1109 / jsac.2013.130205 .  
  15. ^ Хит, Роберт В .; Полрадж, Арогьясвами Дж. (Июнь 2005 г.). «Переключение между разнесением и мультиплексированием в системах MIMO». Транзакции IEEE по коммуникациям . 53 (6): 962–968. DOI : 10.1109 / tcomm.2005.849774 .
  16. ^ Paulraj, Arogyaswami J .; Гор, Д.А.; Набар, RU; Больцкей, Х. (февраль 2004 г.). «Обзор MIMO-коммуникаций - ключ к гигабитной беспроводной связи» (PDF) . Труды IEEE . 92 (2): 198–218. DOI : 10.1109 / JPROC.2003.821915 .
  17. ^ Гесберт, Дэвид; и другие. (Декабрь 2010 г.). «Многосотовые кооперативные сети MIMO: новый взгляд на помехи» (PDF) . Журнал IEEE по коммуникациям . 28 (9): 1380–1408. CiteSeerX 10.1.1.711.7850 . DOI : 10,1109 / jsac.2010.101202 .  
  18. ↑ Латиф, Лоуренс (13 мая 2013 г.). «Samsung тестирует подключение 5G со скоростью 1 Гбит / с, прогнозируя развертывание в 2020 году» . Спрашивающий . Incisive Financial Publishing Limited . Проверено 29 мая 2014 года .
  19. Рианна Миддлтон, Джеймс (8 мая 2014 г.). «Docomo начинает испытания 5G в Японии» . Telecoms.com . Informa Telecoms & Media . Проверено 29 мая 2014 года .