Почему и как 5g изменит все: технологии, поэтапное внедрение и элементная база для абонентского оборудования

Наличие обратной связи

MIMO-системы можно классифицировать по наличию или отсутствию обратной связи
:

1. MIMO с «открытой петлей» (англ. open-loop). В данном случае оценки канала на приёмном конце используются для коррекции искажений, вносимых каналом.
2. MIMO с «замкнутой петлей» (англ. closed-loop). Здесь, помимо оценки канала, на приёме и компенсации помех производится передача этих оценок на передающую сторону по т. н. обратному (англ. feedback) каналу. Основываясь на принятой информации, передатчик производит перераспределение мощностей в своих передающих трактах с тем, чтобы увеличить мощность трактов, передающих по каналам с высокой интенсивностью замираний, а также внести коррекцию по амплитуде и фазе при формировании диаграммы направленности антенны.

Примечания

1. Флаксман А. Г. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах. Дис. д-ра физ.-мат. наук . — М., 2005. — С. 5.
2. ↑
   Слюсар, Вадим . Электроника: наука, технология, бизнес. – 2005. — № 8. С. 52—58. (2005).
3. ↑ Флаксман А. Г. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах/ Флаксман А. Г.//Дис. Д-ра физ.-мат. наук . — М.: РГБ 2005 (Из фондов Российской Государственной библиотеки), стр. 29-30
4. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации/В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. — М.: Техносфера, 2005—592 с.
5. Какая максимальная скорость передачи данных у 3g интернета

   Слюсар, Вадим . В книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. – М.: Техносфера. – 2005. C. 498–569 (2005).

6. Li Q., Lin X. E. Closed Loop Feedback in MIMO Systems // Patent No US 7,236,748 B2 Assignee — Intel Corporation, Date of patent — June 26, 2007.
7. ↑
8. Степанец И., Фокин Г. Особенности реализации Massive MIMO в сетях 5G.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — № 1. — 2018. — C. 46—52.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.

Пример многолучевого распространения сигнала

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Часть 2 — Что ещё не так с клиентскими устройствами

• Многообразие;
• Непредсказуeмость;
• Уязвимость.

Непредсказуемость

Раз.Два.три.

1. Устройство пытается подключиться к сети. Скорее всего, это будем именно 2,4 ГГц: драйверу устройства кажется, что так будет лучше — смотри, какой сильный сигнал!
2. AP проверяет, поддерживает ли устройство 5 ГГц. Умная система постоянно ведёт учёт всех MAC-адресов, с которых рассылались запросы или производилось подключение к «пятёрке» ранее;
3. DualBand-клиенты (поддерживающие оба диапазона) просто не получают ответа на свой запрос в диапазоне 2,4 ГГц;
4. Так происходит несколько раз подряд, и в итоге разочарованный драйвер решает искать лучшей доли в другом диапазоне;
5. Вуаля!

• Неожиданный и очень крепкий сон (особенности реализации PowerSave);
• Работа на модуляциях, явно не соответствующих условиям эфира;
• Самовольная раскраска трафика (QoS);
• Специфическая отработка сценариев на порталах авторизации (были проблемы при подключении к Wi-Fi в общественных местах?).

Уязвимость

• Отсутствуют либо ограничены ресурсы для контроля и противодействия подозрительной активности;
• Обновления политик безопасности недоступны, либо появляются с опозданием;
• Производители выполняют требования стандарта избирательно, отсутствует универсальность;
• Legacy-устройства не соответствуют современным требованиям безопасности;
• У администраторов нет контроля за клиентскими устройствами;
• Люди — пользователи устройств — уязвимы для социальной инженерии.

• Запрет BYOD. Сотрудникам выдаются устройства с предустановленным ПО, политиками безопасности управляет администратор;
• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) и прочие решения, позволяющие, с разной степенью эффективности, контролировать устройства клиентов. Можно, например, удалённо запретить использование камеры на смартфоне.

Самый простой канал с замираниями

Возможно, вы где-то уже встречали подобный способ моделирования плоского канала с замираниями:

Что подразумевается:

• отсутствие прямой видимости (вполне оправданный для наземной связи случай)
• узкополосный канал (narrowband channel) — вписались в когерентную полосу
• частотной селективности тоже нет — вписались в когерентное время
• отсутствие затенений и Допплеровских сдвигов частоты

То есть вот он собственной персоной: плоский канал с замираниями. Для случая без прямой видимости канал ещё называют к тому же рэлеевским.

Лорд Рэлей

Из чего проистекает такая модель?

11 будет соответствовать координата равная примерно 0,7+0,7i.

где и — это нормально распределенные случайные величины.

Чаще всего используется модель с нормированной средней мощностью:

А значит .

Если мы предполагаем независимые искажения составляющих огибающей сигнала: как синфазной (I — In-phase), так и квадратурной (Q — Quadrature), — то положение числа, на которое будет перемножен изначальный символ (отсюда мультипликативность помехи), в полярных координатах может быть вычислено буквально по теореме Пифагора:

где и — это тоже нормально распределенные случайные величины. Для нормированной мощности , .

Рис. 10. Гауссовские генераторы в квадратуре для моделирования замираний Рэлея и Райса . О райсовском канале мы поговорим чуть позже.

Если мы рассматриваем самый простой случай без какой-либо пространственной корреляции между каналами (допустим, что у нас есть несколько пространственных каналов — MIMO), то говорят, что канал пространственно белый — spatially white. А так как все каналы независимы, то, следовательно, и «генерить» можно не только случайные величины, распределенные по Рэлею, но и вектора, и матрицы, и тензоры :

где и — это матрицы, состоящие из нормально распределенных значений.

Подытожим:
Помеховая компонента при отсутствии прямой видимости может быть описана как n-мерный вектор (в зависимости от размерности канала) независимых идентично распределенных (IID — independent identically distributed) по комплексному гауссовскому закону с круговой симметрией и нулевым мат. ожиданием (ZMCSCG — zero-mean circularly symmetric complex Gaussian) чисел.

Целая скороговорка!

Ergodic capacity

Как видно из примеров выше, работаем мы со случайными процессами. И, честно говоря, ошибочно делать какие-либо выводы о случайных процессах по одной реализации. Даже при условии постоянного в статистическом смысле канала нужно некоторое усреднение по достаточно большому множеству.

Здесь нам и пригодится понятие (ergodic capacity):

где обозначает мат. ожидание (expected value).

Моделируем.

Рис.3. Кривые пропускной способности для разных схем передачи. Сравните с .

Итак, мы видим, что

• случай MIMO ожидаемо превосходит остальные, а с увеличением SNR необходимость в знании канальной матрицы уменьшается (см. пример с бесконечностями).
• SIMO превосходит MISO при условии незнания передатчиком канала (мощность в MISO разделяется по всем антеннам, а не оптимально) и совпадает с MISO в случае известного канала.
• SISO ожидаемо плетется в хвосте.

И царит над всем его величество ранг канальной матрицы, не позволяющий однозначно сопоставлять увеличение количества антенн с увеличением скорости передачи.

Такие дела.

IoT дружит с MU-MIMO?

Да. Роутер с беспроводным Wi-Fi с внедренной технологией позволит подключать и взаимодействовать с множеством IoT-устройствами одновременно. В свою очередь, это помогает избежать задержек, когда устройствам нужно быстро «пообщаться» между собой. Такими устройствами могут выступать:

1. Компьютеризированная техника (ноутбуки, смартфоны, планшеты).
2. Бытовая техника (кондиционеры, мультиварки, холодильники).
3. Системы автоматизации.

Поддержка последних достижений в технологии MIMO есть не во всех устройствах прошлых лет. Но это не значит, что новые роутеры не смогут с ними взаимодействовать. Смогут, но только с использованием стандартных вариаций подключения Wi-Fi в другой частотном диапазоне.

Прием и отправка информации в линиях беспроводной связи

Радиоволны при перемещении в пространстве наталкиваются на разные препятствия в виде домов, деревьев и других сооружений. Препятствия на пути могут отражать или поглощать волну, а также делать это частично. Иногда сигнал разбивается на несколько составных частей. На характер взаимодействий волны и преград на пути оказывают влияние материал поверхности, частота сигнала и множество других факторов. Отражение в процессе передачи приводит к тому, что появляются временные задержки. Кроме того, из-за всех этих взаимодействий до конечного потребителя доходит только часть отправленных от приемника волн. Поэтому одной из главных проблем беспроводных сетей является многолучевое распространение сигнала.

Проблемы передачи и приема сигнала мобильного интернета

Для ее решения используются следующие технологии:

• Разнесенный прием (Receive Diversity) позволяет принимать сигнал сразу несколькими, а не одним устройством. Таким образом, непринятые одной антенной волны принимаются другой. Используется принцип одного выхода и нескольких входов, или SIMO (Single Input Multiple Output);
• Разнесенная передача (Tx Diversity) основана на том, что сигнал отправляется с нескольких антенн, а принимается одной, то есть множественный выход и одни вход, или MISO (Multiple Input Single Output), как панельная антенна 3G;
• Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) – разбивание выходного потока на несколько составляющих и прием через несколько устройств, или MIMO. Антенна получает сигнал, предназначенный и для других приемных устройств тоже. Используя матрицу передачи и всю полученную информацию, сигнал максимально восстанавливается.

Чтобы определить максимальную пропускную способность – С, используется формула:

С= M B log2(1 + S/N), где:

• C – пропускная способность канала;
• M – количество независимых потоков данных;
• B – ширина канала;
• S/N – соотношение сигнал/шум.

Для сотовой связи 4G, а именно LTE MIMO, возможно использование 8Х8, что позволяет добиться скорости до 300 Мбит/сек. Даже на значительном удалении от станции сигнал будет устойчивым. Сегодня больше распространены MIMO 2Х2. Всегда для 4G количество каналов должно быть четным.

Как работают антенны на передаче и приеме сигнала

Антенны могут располагаться в одной поверхности или быть вертикально разнесены

Во втором случае важно точно выдерживать расхождения по градусам, указанные в схеме

Математическая модель MIMO

Рассмотрим MIMO-систему с N передающими и M приемными антеннами (антенными элементами). Свойства MIMO-канала, соединяющего m-й передающий элемент с n-м приёмным элементом, описываются комплексными канальными коэффициентами hnm{\displaystyle h_{nm}}, образующими канальную матрицу H{\displaystyle \mathbf {H} } размера N × M. Их значения случайно изменяются со временем из-за наличия многолучевого распространения сигнала. Если

s→{\displaystyle {\vec {s}}} — вектор передаваемых сигналов;

z→{\displaystyle {\vec {z}}} — вектор собственных шумов приёмных элементов антенны;

x→{\displaystyle {\vec {x}}} — вектор принятого сообщения,

то сигнал на приёмной стороне записывается следующим образом:

x→=H⋅ s→+z→.{\displaystyle {\vec {x}}={\mathbf {H} }\cdot \ {\vec {s}}+{\vec {z}}.}

Матрица H{\displaystyle {\mathbf {H} }} считается нормированной.

Два предельных случая

А теперь давайте немного отвлечемся и порешаем задачки на понимание.

Найдём, к примеру, чему будут равны коэффициенты при SNR стремящемся к и (в логарифмическом, конечно же, масштабе, ибо отрицательных мощностей не бывает).

Вспоминаем формулу соответствия между децибелами и разами:

где — мощность передаваемого сигнала (для наших задач она эквивалентна энергии символа ), а — мощность шума (в нашей задаче равна спектральной плотности шума ).

Значит в линейном масштабе будет:

Смотрим на основные формулы алгоритма:

где — это итератор, начинающийся с 1, — ранг канальной матрицы, — i-ое собственное значение «квадрата» канальной матрицы. Гаммы считаем по следующей формуле:

Начинаем рассуждать:

Если , то и . Следовательно, . Для первой итерации остаётся:

Подставляем к гаммам:

Резюмируем:

При бесконечно большой энергии передачи или бесконечно малых шумах ничего особого выдумывать, скажем так, не нужно — равномерно распределяем мощность между передающими антеннами (с оглядкой на ранг канальной матрицы).

Рассуждаем дальше:

А чему соответствует случай SNR стремящийся к ? Здесь даже не будем лезть в математику, рассудим логически: случай этот соответствует либо бесконечно большим шумам, либо нулевой мощности передачи. Значит, так и так, система наша, считайте, не функционирует. Поэтому и вопрос с гаммами отпадает автоматически…

Вот такие иногда вопросы попадаются на экзамене у профессора.

Часть 2 — Что ещё не так с клиентскими устройствами

• Многообразие;
• Непредсказуeмость;
• Уязвимость.

Непредсказуемость

Раз.Два.три.

1. Устройство пытается подключиться к сети. Скорее всего, это будем именно 2,4 ГГц: драйверу устройства кажется, что так будет лучше — смотри, какой сильный сигнал!
2. AP проверяет, поддерживает ли устройство 5 ГГц. Умная система постоянно ведёт учёт всех MAC-адресов, с которых рассылались запросы или производилось подключение к «пятёрке» ранее;
3. DualBand-клиенты (поддерживающие оба диапазона) просто не получают ответа на свой запрос в диапазоне 2,4 ГГц;
4. Так происходит несколько раз подряд, и в итоге разочарованный драйвер решает искать лучшей доли в другом диапазоне;
5. Вуаля!

• Неожиданный и очень крепкий сон (особенности реализации PowerSave);
• Работа на модуляциях, явно не соответствующих условиям эфира;
• Самовольная раскраска трафика (QoS);
• Специфическая отработка сценариев на порталах авторизации (были проблемы при подключении к Wi-Fi в общественных местах?).

Уязвимость

• Отсутствуют либо ограничены ресурсы для контроля и противодействия подозрительной активности;
• Обновления политик безопасности недоступны, либо появляются с опозданием;
• Производители выполняют требования стандарта избирательно, отсутствует универсальность;
• Legacy-устройства не соответствуют современным требованиям безопасности;
• У администраторов нет контроля за клиентскими устройствами;
• Люди — пользователи устройств — уязвимы для социальной инженерии.

• Запрет BYOD. Сотрудникам выдаются устройства с предустановленным ПО, политиками безопасности управляет администратор;
• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) и прочие решения, позволяющие, с разной степенью эффективности, контролировать устройства клиентов. Можно, например, удалённо запретить использование камеры на смартфоне.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг, хэндовер, голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы 4G, а именно LTE, также 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 скорости передачи данных.

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.

Больше MIMO — лучше сигнал

Проведенные испытания показали, что переход от MIMO 2 × 2 к MIMO 4 × 4 также может повысить уровень беспроводного сигнала. Компания Cellular Insights провела несколько тестов, сравнивая iPhone XR с iPhone XS. IPhone XR и iPhone XS имеют одинаковый беспроводной модем, поэтому основным отличием должно быть просто меньшее количество антенн на iPhone XR по сравнению с iPhone XS — MIMO 2 × 2 на XR против 4 × 4 на XS.

Когда оба телефона были подключены к сети MIMO LTE 4 × 4, iPhone XS 4 × 4 достиг максимума со скоростью загрузки чуть менее 400 Мбит/с. MIMO iPhone XR 2 × 2 достиг уровня 200 Мбит/с при той же мощности сигнала.

Это ожидаемо и демонстрирует преимущества MIMO 4 × 4 по сравнению с MIMO 2 × 2 — он может передавать данные в два раза быстрее.

Однако тесты также показали, что уровень сигнала iPhone XS выше, чем у iPhone XR в сети MIMO 4 × 4. Что еще более удивительно, iPhone XS имел лучшую мощность сигнала, чем iPhone XR, даже когда он был подключен к сотовой сети, которая поддерживала только MIMO2 × 2.

Это не имеет значения, если у Вас надежное соединение, и скорость загрузки устройства достаточен для Вас. Но когда у Вас слабый сотовый сигнал, похоже, что дополнительные антенны в MIMO 4 × 4 могут привести к улучшению беспроводного сигнала. MIMO 4 × 4 — это не только скорость — он также улучшает Ваш уровень сигнала.

Дальнейшая эволюция MIMO

К тому моменту, когда технология MIMO была специфицирована в релизе 7, шло активное распространение по миру стандарта 3G. Были попытки совместить сети третьего поколения с технологией MIMO, но широкого распространения не получили. По данным Глобальной Ассоциации Поставщиков Мобильного Оборудования (Global mobile Suppliers Association, GSA) от 04.11.2010 на тот момент из 2776 типов устройств с поддержкой HSPA, представленных на рынке, только 28 моделей поддерживают MIMO. К тому же внедрение MIMO сети с низким проникновением MIMO-терминалов приводит к снижению пропускной способности сети. Компания Nokia разработала технологию для минимизации потерь пропускной способности, но она показала бы свою эффективность только в том случае, когда проникновение MIMO-терминалов составило бы не менее 40% абонентских устройств. Добавляя к выше сказанному, стоит напомнить, что 14 декабря 2009 года состоялся запуск первой в мире мобильной сети на базе технологии LTE, которая позволяла достичь гораздо более высоких скоростей. Исходя из этого видно, что операторы были нацелены на скорейшее развертывание сетей LTE, нежели на модернизацию сетей третьего поколения.

На сегодняшний день можно отметить бурный рост объема трафика в сетях подвижной связи 4 поколения, и чтобы обеспечить необходимую скорость всем своим абонентам, операторам приходится искать различные методы по повышению скорости передачи данных или по повышению эффективности использования частотного ресурса. MIMO же позволяет в имеющейся полосе частот передавать почти в 2 раза больше данных за тот же временной промежуток при варианте 2х2. Если же использовать антенную реализацию 4х4, то, к  сожалению, максимальная скорость загрузки информации составит 326 Мбит/с, а не 400 Мбит/с, как предполагает теоретический расчет. Это связано с особенностью передачи через 4 антенны. Каждой антенне выделены определенные ресурсные элементы (РЭ) для передачи опорных символов. Они необходимы для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. Расположение этих РЭ изображено на рис. 3. Передающим антеннам присваивают номера логических антенных портов. Символы, помеченные R0 передает порт 0, символы R1 – порт 1 и т.д. В итоге 14,3% от всех РЭ выделено на передачу опорных символов, чем и обусловлено различие теоретической и практических скоростей.

Рис. 3 Расположение РЭ для передачи опорных символов в субкадре при MIMO 4×4

В заключение можно сделать вывод, что MIMO оправдала себя как перспективная технология для построения мобильных систем широкополосного радиодоступа со скоростями в сотни Мб/с.

Подробно ознакомиться с функционированием технологии MIMO, конфигурацией антенн MIMO на сетях операторов мобильной связи, а также перспективах применения многоантенных систем (Massive MIMO) в сетях новых поколений можно в новой книге «Мобильная связь на пути к 6G».

1. Степутин А.Н. Мобильная связь на пути к 6G = Mobile communication on the road to 6G : / А. Н. Степутин, А. Д. Николаев. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2017.
2. http://3gclub.ict-online.ru/analytics/a76468 
3. http://www.osp.ru/telecom/2011/02/13007425/
4. Рыжков А.Е., Сиверс М.А., Воробьев В.О., Гусаров А.С., Слышков А.С., Шуньков Р.В. Системы и сети радиодоступа 4G: LTE, WiMax. – СПб: Линк, 2012. – 226 с.
5. http://www.connect.ru/article.asp?id=9885

{jcomments on}

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. 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. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от 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 или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

Принцип организации технологии MIMO

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

О чем вообще идет речь?

Начнем с того, что в природе существуют, так называемые, мультипликативные помехи, влияющие на принимаемую мощность сигнала — замирания (fading).

Замирания бывают быстрыми и медленными (fast and slow fading).

Рис. 1. Колебания мощности сигнала в беспроводных каналах в зависимости от расстояния. Средний уровень потерь распространения монотонно увеличивается с увеличением дальности. Локальные отклонения могут возникать из-за макроскопических (медленных) и микроскопических (быстрых) замираний .

Сознаюсь сразу, сегодня с медленными замираниями мы работать не будем, а вот про быстрые поговорим достаточно подробно.

Быстрые замирания

Быстрые замирания возникают, как правило, по двум основным причинам:

• из-за уже упомянутого нами многолучевого распространения (multipath propagation) и/или
• из-за Допплеровских сдвигов частоты.

Но и это ещё далеко не всё.

Selective fading vs. Flat fading

Выше мы разделили наши помехи по характеру возникновения. Однако, помехи можно разделить ещё и по характеру воздействия на передаваемый сигнал. И здесь нам понадобится понятие избирательности канала.

Приведем небольшую классификацию по . Итак, быстрые замирания могут быть:

1. Избирательными (selective)
   а. Частотно избирательными (frequency selective)
   б. Избирательными во временной области (time selective)
   в. Пространственно избирательными (это относится к вопросу об углах прихода и отправки ЭМ волн — сегодня мы этот вопрос разбирать не будем)
2. Плоскими (flat) — тяготеющими больше к характеру медленных замираний (да, вот такой вот парадокс)

Что подразумевает последний термин, объясним от обратного.

Обратите внимание на переменную Delay spread — разброс задержек. Именно этот разброс в задержках между приходом разных копий одного сигнала и измеряют, когда определяют характеристики того или иного реального канала

Рис. 5. Типичный профиль задержки (мощности) — средняя мощность как функция задержки .

Рис. 7. Иллюстрация времени когерентности

Обратите внимание, здесь максимальная допплеровская частота отражает движение самого мобильного терминала

Ну, и соответственно, если нам удастся каким-то чудом избежать вышеперечисленного, то мы придем к самомому простому и удобному случаю — к плоским замираниям .

Massive MIMO

Мassive MIMO — это технология, в которой количество пользовательских терминалов намного меньше, чем количество антенн базовой станции (мобильной станции).

Особенностью Massive MIMO является использование многоэлементных цифровых антенных решеток, с количеством антенных элементов 128, 256 и более. В целях упрощения аппаратной реализации и снижения стоимости таких многоканальных цифровых антенных решёток использование в них многомодовых оптоволоконных интерфейсов как разновидности радиофотоники является единственным разумным выбором не только при работе на прием сигналов, но и для передачи данных.

Снижению стоимости систем Massive MIMO в пересчете на один канал способствует применение комбинированных методов децимации отсчетов АЦП, сочетающих снижение темпа поступления данных с их предварительной (anti aliasing) фильтрацией, смещением по частоте и квадратурной (I/Q) демодуляцией. Кроме того, упрощение обработки сигналов может достигаться адаптивным изменением количества каналов в системе Massive MIMO сообразно помеховой ситуации в эфире. Для этого следует использовать динамическую кластеризацию отдельных групп антенных элементов цифровой антенной решётки в подрешётки.

Схемотехническая база систем Massive MIMO базируется на использовании модулей обработки сигналов стандартов CompactPCI, PCI Express, OpenVPX и др. Технология Massive MIMO является одной из ключевых для реализации систем сотовой связи 5G и будет совершенствоваться по мере перехода к системам связи 6G.