МИМО-OFDM
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( июнь 2014 г. ) |
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов с несколькими входами и несколькими выходами ( MIMO-OFDM ) является доминирующим радиоинтерфейсом для 4G и 5G широкополосной беспроводной связи множественных входов и множественных выходов ( MIMO . Он сочетает в себе технологию ), которая увеличивает пропускную способность за счет передачи различных сигналов по нескольким антеннам, 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 можно использовать с другими популярными радиоинтерфейсами, такими как множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), комбинация MIMO и OFDM наиболее практична при более высоких частотах. скорости передачи данных. [ нужна ссылка ]
MIMO-OFDM является основой для большинства современных стандартов беспроводной локальной сети ( беспроводная локальная сеть ) и мобильных широкополосных сетей, поскольку он обеспечивает наибольшую спектральную эффективность и, следовательно, обеспечивает высочайшую 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, воспользовавшись тем фактом, что сигналы, передаваемые через космос, отражаются от объектов (например, от земли) и проходят несколько путей к приемник. То есть, используя несколько антенн и предварительно кодируя данные, разные потоки данных можно отправлять по разным путям. Рэли предположил и позже доказал, что обработка, требуемая MIMO на более высоких скоростях, будет наиболее управляемой с использованием модуляции OFDM, поскольку OFDM преобразует высокоскоростной канал данных в ряд параллельных низкоскоростных каналов.
Операция
[ редактировать ]В современном использовании термин «MIMO» означает больше, чем просто наличие нескольких передающих антенн (несколько входов) и нескольких приемных антенн (несколько выходов). можно использовать несколько передающих антенн Хотя для формирования луча можно использовать несколько приемных антенн , а для разнесения , слово «MIMO» относится к одновременной передаче нескольких сигналов ( пространственное мультиплексирование ) для увеличения спектральной эффективности (емкости).
Традиционно радиоинженеры относились к естественному многолучевому распространению как к ухудшению, которое необходимо устранить. MIMO — это первая радиотехнология, которая рассматривает многолучевое распространение как явление, которое необходимо использовать. MIMO увеличивает пропускную способность радиоканала за счет передачи нескольких сигналов через несколько совмещенных антенн. Это достигается без необходимости дополнительной мощности или полосы пропускания. Пространственно-временные коды используются для того, чтобы гарантировать, что сигналы, передаваемые через разные антенны, ортогональны друг другу, что облегчает приемнику отличить один от другого. Даже если между двумя станциями существует прямая видимость, можно использовать двойную поляризацию антенны, чтобы гарантировать наличие более чем 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 — межсимвольную интерференцию (ISI). ISI возникает, когда перекрытие между последовательными символами велико по сравнению с продолжительностью символов. Обычно высокие скорости передачи данных требуют символов меньшей длительности, что увеличивает риск ISI. Разделяя поток данных с высокой скоростью на множество потоков данных с низкой скоростью, OFDM позволяет использовать символы большей длительности. Циклический префикс (CP) может быть вставлен для создания (временного) защитного интервала, который полностью предотвращает ISI. Если защитный интервал длиннее, чем разброс задержки — разница в задержках, испытываемых символами, передаваемыми по каналу, — тогда не будет перекрытия между соседними символами и, следовательно, межсимвольных помех. Хотя CP немного снижает спектральную емкость, занимая небольшой процент доступной полосы пропускания, исключение ISI делает его чрезвычайно выгодным компромиссом.
Ключевое преимущество OFDM заключается в том, что быстрые преобразования Фурье для упрощения реализации можно использовать (БПФ). Преобразования Фурье преобразуют сигналы туда и обратно между временной и частотной областью. Следовательно, преобразования Фурье могут использовать тот факт, что любую сложную форму сигнала можно разложить на серию простых синусоид. В приложениях обработки сигналов дискретные преобразования Фурье (ДПФ) используются для работы с выборками сигналов в реальном времени. DFT может применяться к составным сигналам OFDM, избегая необходимости в банках генераторов и демодуляторов, связанных с отдельными поднесущими. Быстрое преобразование Фурье — это численный алгоритм, используемый 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 формы сигналов во временной области ортогональны друг другу. На практике это означает, что подканалам разрешено частично перекрываться по частоте.
MIMO-OFDM является особенно мощной комбинацией, поскольку MIMO не пытается уменьшить многолучевое распространение, а OFDM позволяет избежать необходимости выравнивания сигнала . MIMO-OFDM может обеспечить очень высокую спектральную эффективность, даже если передатчик не обладает информацией о состоянии канала (CSI). Когда передатчик обладает CSI (который можно получить с помощью обучающих последовательностей), можно приблизиться к теоретической пропускной способности канала. CSI может использоваться, например, для распределения сигнальных созвездий различного размера по отдельным поднесущим, обеспечивая оптимальное использование канала связи в любой заданный 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 массивного MIMO и кооперативного MIMO (CO-MIMO) для включения в будущие стандарты 5G.
MU-MIMO является частью стандарта IEEE 802.11ac , первого стандарта Wi-Fi, обеспечивающего скорость в диапазоне гигабит в секунду. MU-MIMO позволяет точке доступа (AP) передавать данные на четыре клиентских устройства 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, точка доступа с восемью антеннами может взаимодействовать с двумя клиентскими устройствами с четырьмя антеннами, обеспечивая каждому по четыре пространственных потока. Альтернативно, одна и та же точка доступа может взаимодействовать с четырьмя клиентскими устройствами с двумя антеннами каждое, обеспечивая каждому два пространственных потока. [3]
Многопользовательское формирование луча MIMO приносит пользу даже устройствам с одним пространственным потоком. До формирования диаграммы направленности MU-MIMO точка доступа, взаимодействующая с несколькими клиентскими устройствами, могла передавать данные только по одному за раз. Благодаря формированию диаграммы направленности MU-MIMO точка доступа может одновременно передавать данные на четыре устройства с одним потоком 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, а наборы микросхем, поддерживающие восемь пространственных потоков, находятся в стадии разработки.
Массивный MIMO состоит из большого количества антенн базовых станций, работающих в среде MU-MIMO. [4] Хотя сети LTE уже поддерживают телефоны, использующие два пространственных потока, а конструкции антенн для мобильных телефонов, способные поддерживать четыре пространственных потока, были протестированы, массивный MIMO может обеспечить значительный прирост пропускной способности даже для 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 одновременно. Однако исследованиям еще предстоит ответить на один вопрос: когда лучше всего добавлять антенны к базовой станции, а когда лучше всего добавлять малые соты?
Еще одним направлением исследований беспроводной связи 5G является CO-MIMO. В CO-MIMO кластеры базовых станций работают вместе для повышения производительности. Это можно сделать с помощью макроразнесения для улучшения приема сигналов от мобильных телефонов или мультиплексирования нескольких ячеек для достижения более высоких скоростей передачи данных по нисходящей линии связи. Однако CO-MIMO требует высокоскоростной связи между взаимодействующими базовыми станциями.
История
[ редактировать ]Грегори Рэли был первым, кто выступил за использование MIMO в сочетании с OFDM. В теоретической статье он доказал, что при правильном типе системы MIMO — нескольких совмещенных антеннах, передающих и принимающих несколько информационных потоков с использованием многомерного кодирования и кодирования — многолучевое распространение можно использовать для увеличения пропускной способности беспроводной линии связи. [5] До этого времени радиоинженеры пытались заставить реальные каналы вести себя как идеальные каналы, смягчая эффекты многолучевого распространения. Однако стратегии смягчения последствий никогда не были полностью успешными. Чтобы использовать многолучевое распространение, необходимо было определить методы модуляции и кодирования, которые надежно работают в изменяющихся во времени дисперсионных многолучевых каналах. Рэли опубликовал дополнительные исследования MIMO-OFDM в изменяющихся во времени условиях, оценку канала MIMO-OFDM, методы синхронизации MIMO-OFDM и производительность первой экспериментальной системы MIMO-OFDM. [6] [7] [8] [9]
В своей докторской диссертации Рэли укрепил аргументы в пользу OFDM, проанализировав производительность MIMO с помощью трех ведущих методов модуляции: квадратурной амплитудной модуляции (QAM), расширения спектра прямой последовательности (DSSS) и дискретной многотональной модуляции (DMT). [10] QAM является представителем узкополосных схем, таких как TDMA, которые используют коррекцию для борьбы с ISI. DSSS использует рейковые приемники для компенсации многолучевого распространения и используется системами CDMA. DMT использует перемежение и кодирование для устранения ISI и является типичным для систем OFDM. Анализ был выполнен путем получения матричных моделей каналов MIMO для трех схем модуляции, количественной оценки вычислительной сложности и оценки проблем оценки канала и синхронизации для каждой. Модели показали, что для системы MIMO, использующей QAM с эквалайзером или DSSS с гребенчатым приемником, сложность вычислений возрастает квадратично по мере увеличения скорости передачи данных. Напротив, когда MIMO используется с DMT, вычислительная сложность возрастает логарифмически (т. е. n log n) по мере увеличения скорости передачи данных.
Впоследствии Рэли основал Clarity Wireless в 1996 году и Airgo Networks в 2001 году для коммерциализации этой технологии. Clarity разработала спецификации на Форуме широкополосного беспроводного Интернета (BWIF), что привело к появлению стандартов IEEE 802.16 (коммерциализированных как WiMAX ) и LTE , оба из которых поддерживают MIMO. Airgo разработала и поставила первые наборы микросхем MIMO-OFDM для стандарта IEEE 802.11n . MIMO-OFDM также используется в стандарте 802.11ac и, как ожидается, сыграет важную роль в системах мобильных телефонов 802.11ax и пятого поколения ( 5G ).
Несколько ранних статей по многопользовательскому MIMO были написаны Россом Марчем и др. в Гонконгском университете науки и технологий. [11] MU-MIMO был включен в стандарт 802.11ac (разработан с 2011 года и утвержден в 2014 году). Возможности MU-MIMO впервые появляются в продуктах, которые стали известны как продукты «Волны 2». Qualcomm анонсировала чипсеты с поддержкой MU-MIMO в апреле 2014 года. [12]
В апреле 2014 года Broadcom представила первые наборы микросхем 802.11ac, поддерживающие шесть пространственных потоков со скоростью передачи данных до 3,2 Гбит/с. Quantenna заявляет, что разрабатывает наборы микросхем для поддержки восьми пространственных потоков со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с. [13]
Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) и HetNets (гетерогенные сети) в настоящее время находятся в центре внимания исследований беспроводной связи 5G. Ожидается, что разработка стандартов 5G начнется в 2016 году. Среди выдающихся исследователей на сегодняшний день — Якоб Хойдис (из Alcatel-Lucent), Роберт В. Хит (из Техасского университета в Остине), Хельмут Бёльцкей (из ETH Цюриха) и Дэвид Гесберт (в ЕВРЕКОМ). [14] [15] [16] [17]
Испытания технологии 5G провела компания Samsung. [18] Японский оператор NTT DoCoMo планирует опробовать технологию 5G в сотрудничестве с Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia и Samsung. [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ЛаСорт, Ник; и др. (2008). История мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (PDF) . Конференция IEEE GLOBECOM 2008. дои : 10.1109/GLOCOM.2008.ECP.690 .
- ^ Вайнштейн, Стивен Б. (ноябрь 2009 г.). «История мультиплексирования с ортогональным частотным разделением [История связи]». IEEE-коммуникации . 47 (11): 26–35. дои : 10.1109/MCOM.2009.5307460 . S2CID 29001312 .
- ^ Гаст, Мэтью (июль 2013 г.). 802.11ac: руководство по выживанию . О'Рейли Медиа. ISBN 978-1-4493-4313-2 . Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Проверено 27 мая 2014 г.
- ^ Марцетта, Томас Л. (2010). «Некооперативная сотовая беспроводная связь с неограниченным количеством антенн базовых станций». Транзакции IEEE по беспроводной связи . 9 (11): 3590–3600. дои : 10.1109/TWC.2010.092810.091092 . S2CID 17201716 .
- ^ Рэли, Г.Г.; Чиоффи, Дж. М. (1996). Пространственно-временное кодирование для беспроводной связи . Глобальная телекоммуникационная конференция IEEE, 1996 г., Лондон, 18–22 ноября 1996 г., стр. 1809–1814, том. 3. дои : 10.1109/GLOCOM.1996.591950 .
- ^ Рэли, Г.Г.; Джонс, В.К. (ноябрь 1999 г.). «Многомерная модуляция и кодирование для беспроводной связи». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 17 (5): 851–866. дои : 10.1109/49.768200 .
- ^ Рэли, Г.Г.; Чиоффи, Дж. М. (март 1998 г.). «Пространственно-временное кодирование для беспроводной связи». Транзакции IEEE в области коммуникаций . 46 (3): 357–366. дои : 10.1109/26.662641 .
- ^ Джонс, В.К.; Роли, Г.Г. (1998). Оценка канала для беспроводных систем OFDM . Глобальная конференция по телекоммуникациям IEEE, 1998 г. Сидней, Австралия, 8–12 ноября 1998 г., стр. 980–985, том. 2. дои : 10.1109/GLOCOM.1998.776875 .
- ^ Рэли, Г.Г.; Джонс, В.К. (1998). Многомерная модуляция и кодирование для беспроводной связи . Глобальная конференция по телекоммуникациям IEEE, 1998 г. Сидней, Австралия, 8–12 ноября 1998 г., стр. 3261–3269, том. 6. дои : 10.1109/GLOCOM.1998.775808 .
- ^ Роли, Грегори (1998). О теории многомерной связи и методах увеличения скорости передачи данных для многолучевых каналов (PDF) (Диссертация). Стэнфордский университет . Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ Вонг, Кай-Кит; Марч, Росс Д.; Бен Летаиф, Халед (декабрь 2002 г.). «Повышение производительности многопользовательских систем беспроводной связи MIMO» (PDF) . Транзакции IEEE в области коммуникаций . 50 (12): 1960–1970. дои : 10.1109/tcomm.2002.806503 .
- ^ Паркер, Тэмми (2 апреля 2014 г.). «Qualcomm увеличивает пропускную способность Wi-Fi с помощью многопользовательского MIMO 802.11ac» . FierceWirelessTech . ООО «Квестекс Медиа Групп» . Проверено 29 мая 2014 г.
- ^ Берт, Джеффри (15 апреля 2014 г.). «Broadcom и Quantenna стремятся к более быстрому Wi-Fi» . электронная неделя . КвинСтрит Инк . Проверено 29 мая 2014 г.
- ^ Хойдис, Якоб; Тен Бринк, Стефан; Дебба, Меруан (январь 2012 г.). «Массивный MIMO в UL/DL сотовых сетях: сколько антенн нам нужно?» (PDF) . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 31 (2): 160–171. CiteSeerX 10.1.1.352.4167 . дои : 10.1109/jsac.2013.130205 . S2CID 1343383 .
- ^ Хит, Роберт В.; Паульрадж, Арогьясвами Дж. (июнь 2005 г.). «Переключение между разнесением и мультиплексированием в системах MIMO». Транзакции IEEE в области коммуникаций . 53 (6): 962–968. дои : 10.1109/tcomm.2005.849774 . S2CID 18543367 .
- ^ Паульраж, Health J.; Гор, Д.А.; Набар, RU; Больцкий, Х. (февраль 2004 г.). «Обзор связи MIMO — ключ к гигабитной беспроводной связи» (PDF) . Труды IEEE . 92 (2): 198–218. дои : 10.1109/jproc.2003.821915 . S2CID 11720829 .
- ^ Гесберт, Дэвид; и др. (декабрь 2010 г.). «Многосотовые кооперативные сети MIMO: новый взгляд на помехи» (PDF) . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 28 (9): 1380–1408. CiteSeerX 10.1.1.711.7850 . дои : 10.1109/jsac.2010.101202 . S2CID 706371 .
- ^ Латиф, Лоуренс (13 мая 2013 г.). «Samsung тестирует подключение 5G со скоростью 1 Гбит/с, прогнозируя развертывание в 2020 году» . Спрашивающий . Острый финансовый издательство Limited. Архивировано из оригинала 9 июня 2013 года . Проверено 29 мая 2014 г.
{{cite news}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Миддлтон, Джеймс (8 мая 2014 г.). «Docomo начнет испытания 5G в Японии» . Телекомс.com . Информа Телекоммуникации и Медиа . Проверено 29 мая 2014 г.