Кооперативный МИМО
В радиосвязи кооперативный MIMO каналов , CO-MIMO ) — это технология, которая может эффективно использовать пространственную область мобильных с замиранием для значительного улучшения 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 как передатчик, так 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 платформах фиксированной радиосвязи зачастую недостаточно для существенного повышения производительности. Более того, по мере увеличения количества антенн фактическая производительность MIMO все больше отстает от теоретического выигрыша. [1]
Кооперативный MIMO использует распределенные антенны на различных радиоустройствах для достижения теоретического выигрыша, близкого к MIMO. Основная идея кооперативного MIMO заключается в группировке нескольких устройств в виртуальную антенную решетку для обеспечения связи MIMO. Совместная передача MIMO включает в себя несколько радиоканалов «точка-точка», включая каналы внутри виртуального массива и, возможно, каналы между различными виртуальными массивами.
Недостатки кооперативного MIMO связаны с повышенной сложностью системы и большими накладными расходами на передачу сигналов, необходимыми для поддержки взаимодействия устройств. С другой стороны, преимущества кооперативного MIMO заключаются в его способности экономично повысить емкость, 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 одноранговые сети, преимущества использования совместной технологии MIMO перевешивают недостатки. В последние годы, [ когда? ] Кооперативные технологии MIMO стали основными стандартами беспроводной связи.
Типы
[ редактировать ]Скоординированная многоточечная связь
[ редактировать ]


В скоординированной многоточечной связи (CoMP) данные и информация о состоянии канала (CSI) совместно используются соседними базовыми станциями сотовой связи (BS) для координации их передач в нисходящей линии связи и совместной обработки принятых сигналов в восходящей линии связи . Архитектура системы представлена на рис. 1а. Методы CoMP могут эффективно превращать вредные межсотовые помехи в полезные сигналы, позволяя использовать значительный выигрыш в мощности, преимущество в ранге канала и/или от разнесения выигрыш . CoMP требует высокоскоростной транзитной сети для обеспечения обмена информацией (например, данными, управляющей информацией и CSI) между BS. Обычно это достигается посредством прокладки оптического волокна. CoMP был введен в стандарты 4G. [7]
Фиксированные реле
[ редактировать ]Фиксированные ретрансляторы (показаны на рисунке 1b) представляют собой недорогие фиксированные радиоинфраструктуры без проводных транспортных соединений. Они сохраняют данные, полученные от БС, и пересылают их на мобильные станции (МС) и наоборот. Фиксированные ретрансляционные станции (РС) обычно имеют меньшую мощность передачи и зону покрытия, чем БС. Их можно стратегически и экономически эффективно развернуть в сотовых сетях для расширения покрытия, снижения общей мощности передачи, повышения 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 присущее ретрансляционному каналу разнесение. Недостатками фиксированных ретрансляторов являются дополнительные задержки, вносимые в процесс ретрансляции, а также потенциально повышенные уровни помех из-за повторного использования частот на RS. Будучи одной из наиболее зрелых совместных технологий MIMO, фиксированная ретрансляция получила значительную поддержку в основных стандартах сотовой связи. [8] [9]
Мобильные реле
[ редактировать ]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 адаптации 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 многоскачковое покрытие или увеличить скорость передачи данных путем ретрансляции информации на целевую MS. Более того, мобильные ретрансляторы позволяют быстрее и с меньшими затратами развертывать сеть. Подобно фиксированным ретрансляторам, мобильные ретрансляторы могут увеличивать зону покрытия, снижать общую мощность передачи и/или увеличивать пропускную способность на границах соты. С другой стороны, из-за своего оппортунистического характера мобильные ретрансляторы менее надежны, чем фиксированные, поскольку топология сети очень динамична и нестабильна.
Мобильные пользовательские ретрансляторы позволяют распределенным MS самоорганизоваться в беспроводную одноранговую сеть, которая дополняет инфраструктуру сотовой сети с помощью многоскачковой передачи. Исследования показали, что мобильные пользовательские ретрансляторы имеют фундаментальное преимущество, заключающееся в том, что общая пропускная способность сети, измеряемая как сумма пропускных способностей пользователей, может линейно масштабироваться в зависимости от количества пользователей при условии достаточной поддержки инфраструктуры. [10] [11] Поэтому мобильные пользовательские ретрансляторы являются желательным усовершенствованием будущих сотовых систем. Однако мобильные пользовательские ретрансляторы сталкиваются с проблемами маршрутизации, управления радиоресурсами и управления помехами.
Устройство к устройству (D2D) в LTE — это шаг к мобильным ретрансляторам. [12]
Кооперативное подпространственное кодирование
[ редактировать ]В Cooperative-MIMO процесс декодирования включает сбор N R линейных комбинаций N T исходных символов данных, где N R обычно представляет собой количество принимающих узлов, а NT — 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, чтобы потоки данных могли быть успешно декодированы, количество независимых линейных уравнений (NR ) должно, по крайней мере, равняться количеству потоков данных ( NT ) и помех.
При кооперативном подпространственном кодировании, также известном как линейное сетевое кодирование , узлы передают случайные линейные комбинации исходных пакетов с коэффициентами, которые могут быть выбраны на основе измерений среды естественного случайного рассеяния. Альтернативно, для кодирования передач используется среда рассеяния. [13] Если пространственные подканалы достаточно некоррелированы друг с другом, вероятность того, что получатели получат линейно независимые комбинации (и, следовательно, получат инновационную информацию), приближается к 1. Хотя случайное линейное сетевое кодирование имеет превосходные характеристики пропускной способности, если приемник получает недостаточное количество пакетов , крайне маловероятно, что он сможет восстановить какой-либо из исходных пакетов. Это можно решить путем отправки дополнительных случайных линейных комбинаций (например, путем увеличения ранга матрицы каналов MIMO или повторной передачи в более позднее время, которое превышает время когерентности канала ), пока получатель не получит достаточное количество закодированных пакетов, чтобы разрешить декодирование. . [14]
Кооперативное подпространственное кодирование сталкивается с высокой вычислительной сложностью декодирования. Однако в кооперативной радиосвязи MIMO декодирование MIMO уже использует аналогичные, если не идентичные, методы, как и случайное линейное сетевое декодирование. Случайные линейные сетевые коды имеют большие накладные расходы из-за больших векторов коэффициентов, прикрепленных к кодированным блокам. Но в радиосвязи Cooperative-MIMO векторы коэффициентов можно измерить на основе известных обучающих сигналов, что уже выполняется для оценки канала . Наконец, линейная зависимость между векторами кодирования уменьшает количество инновационных кодированных блоков. Однако линейная зависимость в радиоканалах является функцией корреляции каналов , что является проблемой, решаемой с помощью кооперативного MIMO.
История
[ редактировать ]До внедрения кооперативного MIMO предлагалась совместная обработка базовыми станциями сотовой связи для уменьшения межсотовых помех. [15] и кооперативное разнообразие [16] предлагал увеличенный выигрыш от разнесения с использованием реле, но за счет снижения спектральной эффективности. Однако ни один из этих методов не использует помехи для усиления пространственного мультиплексирования, что может значительно повысить спектральную эффективность.
В 2001 году кооперативный MIMO был представлен Стивом Шаттилом, ученым из Idris Communications, в предварительной заявке на патент. [17] в котором были раскрыты скоординированные многоточечные и фиксированные ретрансляции, за которым последовал документ, в котором С. Шамаи и Б. М. Зайдель предложили предварительное кодирование «грязной бумаги» при совместной обработке нисходящей линии связи для однопользовательских ячеек. [18] В 2002 году Шаттил представил аспекты мобильной ретрансляции и сетевого кодирования совместного MIMO в патенте США. № 7430257 [19] и американский паб. № 20080095121. [20] Реализации программно-определяемой радиосвязи (SDR) и распределенных вычислений в кооперативном MIMO были представлены в патенте США No. № 7430257 (2002 г.) и 8670390. [21] (2004), создав основу для сети облачного радиодоступа ( C-RAN ).
Реализация кооперативного MIMO на стороне сервера была первой, которая была принята в спецификациях сотовой связи 4G и имеет важное значение для 5G . CoMP и фиксированные реле объединяют ресурсы обработки основной полосы 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 потребностями сети, а распределенные антенны могут позволить каждому пользовательскому устройству обслуживаться всей спектральной полосой пропускания системы. Однако пропускная способность данных на пользователя по-прежнему ограничена объемом доступного спектра, что вызывает беспокойство, поскольку объем использования данных на пользователя продолжает расти.
Внедрение кооперативного MIMO на стороне клиента отстает от кооперативного MIMO на стороне сервера. Кооперативный MIMO на стороне клиента, такой как мобильные ретрансляторы, может распределять вычислительную нагрузку между клиентскими устройствами в кластере, что означает, что вычислительная нагрузка на процессор может масштабироваться более эффективно по мере роста кластера. Несмотря на дополнительные затраты на координацию клиентских устройств, устройства в кластере могут совместно использовать радиоканалы и пространственные подканалы через беспроводные каналы ближнего действия. Это означает, что по мере роста кластера доступная мгновенная пропускная способность данных на одного пользователя также растет. Таким образом, вместо того, чтобы пропускная способность данных на одного пользователя была жестко ограничена законами физики (т. е. теоремой Шеннона-Хартли ), пропускная способность данных ограничивается только вычислительной мощностью обработки, которая продолжает улучшаться в соответствии с законом Мура . Несмотря на большой потенциал кооперативного MIMO на стороне клиента, поставщикам услуг сложнее монетизировать инфраструктуру на основе пользователей, и существуют дополнительные технические проблемы.
Хотя мобильные ретрансляторы могут снизить общую энергию передачи, эта экономия может быть компенсирована за счет энергии цепи, необходимой для увеличения вычислительной обработки. Было показано, что при превышении определенного порога расстояния передачи совместный MIMO обеспечивает общую экономию энергии. [22] Были разработаны различные методы обработки смещений синхронизации и частоты, что является одной из наиболее важных и сложных проблем в кооперативном MIMO. [23] [24] В последнее время исследования были сосредоточены на разработке эффективных протоколов MAC. [25]
Математическое описание
[ редактировать ]В этом разделе мы описываем предварительное кодирование с использованием системной модели нисходящего канала Cooperative-MIMO для системы CoMP. Группа БС использует совокупность М передающих антенн для одновременной связи с К пользователями.
Пользователь k , ( k = 1,… , K ), имеет N k приемных антенн. Модель канала от БС до k й Пользователь представлен N k × M. матрицей каналов H k размером
через s k Обозначим й вектор символов передачи пользователя. Для пользователя k линейную матрицу предварительного кодирования передачи W k , которая преобразует вектор данных s k в M ×1 передаваемый вектор W k × s k BS использует . Полученный вектор сигнала в точке k й пользователю предоставляется ,
где n k = [ n k, 1 , …, n k,Nk ] Т обозначает вектор шума для k й пользователь и (.) Т обозначает транспонирование матрицы или вектора. Компоненты n k,i вектора шума n k являются iid с нулевым средним значением 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, полученные пользователем k .
Сетевой канал определяется как H = [ H 1 Т ,…, Ч К Т ] Т , а соответствующий набор сигналов, полученных всеми пользователями, выражается выражением
- у = HWs + n ,
где Н = [ Н 1 Т ,…, Ч К Т ] Т , y = [ y 1 Т ,…, й К Т ] Т , Вт = [ Вт 1 Т ,…, Вт К Т ] Т , с = [ с 1 Т ,…, с К Т ] Т , и n = [ n 1 Т ,… и К Т ] Т .
Матрица W предварительного кодирования разработана на основе информации о канале, чтобы улучшить производительность системы Cooperative-MIMO.
Альтернативно, обработка на стороне приемника, называемая пространственным демультиплексированием, разделяет передаваемые символы. Без предварительного кодирования набор сигналов, полученных всеми пользователями, выражается выражением
- у = Hs + n
Полученный сигнал обрабатывается с помощью матрицы пространственного демультиплексирования G для восстановления передаваемых символов: .
Общие типы предварительного кодирования включают предварительное кодирование с принуждением к нулю (ZF), предварительное кодирование с минимальной среднеквадратической ошибкой (MMSE), передачу с максимальным коэффициентом передачи (MRT) и диагонализацию блоков . Общие типы пространственного демультиплексирования включают ZF , объединение MMSE и последовательное подавление помех .
См. также
[ редактировать ]- Многопользовательский MIMO
- WiMax MIMO
- Умные антенны
- Множество антенн
- Разнообразие антенн
- Формирование луча
- Предварительное кодирование
- Пространственное мультиплексирование
- МИМО-OFDM
- Макроразнообразие
- Код пространственно-временного блока
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нордин Р.; Броня, С.; МакГихан, JP (01 сентября 2010 г.). «Стратегия минимизации пространственных помех для коррелированного нисходящего канала LTE» . 21-й ежегодный международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи . стр. 757–761. дои : 10.1109/PIMRC.2010.5671934 . HDL : 1983/1712 . ISBN 978-1-4244-8017-3 . S2CID 9927242 .
- ^ Арапоглу, ПД; Лиолис, К.; Бертинелли, М.; Панагопулос, А.; Коттис, П.; Де Гауденци, Р. (2011). «MIMO через спутник: обзор». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 13 (1): 27–51. дои : 10.1109/SURV.2011.033110.00072 . S2CID 17591210 .
- ^ Кирёляйнен, Ю.; Хулкконен, А.; Илитало, Дж.; Байман, А.; Шанкар, Б.; Арапоглу, ПД; Гротц, Дж. (2014). «Применимость MIMO для спутниковой связи». Международный журнал спутниковой связи и сетей . 32 (4): 343–357. дои : 10.1002/сб.1040 . hdl : 10993/24589 . S2CID 18467821 .
- ^ Цзан, Го-чжэнь; Хуан Бао-хуа; Му Цзин (2010). «Одна схема совместного разнесения с двумя спутниками на основе кода Аламути». 3-я Международная конференция IET по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010) . 3-я Международная конференция IET по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010). стр. 151–4. дои : 10.1049/cp.2010.0640 . ISBN 978-1-84919-240-8 .
- ^ Перес-Нейра, А.И. Ибарс, К.; Гринхаус, Дж.; Дель Косо, А.; Гомес-Вилардебо, Дж.; Каус, М.; Лиолис, КП (2011). «Моделирование каналов MIMO и методы передачи для многоспутниковых и гибридных спутниково-наземных мобильных сетей». Физическое общение . 4 (2): 127–139. дои : 10.1016/j.phycom.2011.04.001 . hdl : 2117/13225 .
- ^ Цзян, Х.; Шао, С.; Сан, Дж. (2013). «Виртуальная MIMO-связь на основе D2D Link». 2013 3-я Международная конференция по бытовой электронике, коммуникациям и сетям . 3-я Международная конференция по бытовой электронике, коммуникациям и сетям. стр. 718–722. дои : 10.1109/CECNet.2013.6703432 . ISBN 978-1-4799-2860-6 .
- ^ «Техническая спецификация 3GPP (выпуск 11)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 21 декабря 2015 г.
- ^ Обзор версии 11 3GPP
- ^ «Обзор 3GPP HetNet/малых сот» .
- ^ Заман, Н.И.; Канакис, Т.; Рапаич, П. (01 октября 2010 г.). «Ретрансляция MIMO для совместных мобильных сетей». 2010 г. 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC) . 2010 г. 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC). стр. 368–372. дои : 10.1109/APCC.2010.5679704 . ISBN 978-1-4244-8128-6 .
- ^ Чу, Шан; Ван, Синь; Ян, Юаньюань (01 апреля 2013 г.). «Использование кооперативной ретрансляции для высокопроизводительной связи в одноранговых сетях MIMO». Транзакции IEEE на компьютерах . 62 (4): 716–729. дои : 10.1109/TC.2012.23 . S2CID 18525890 .
- ^ Тан, Хуан; Чжу, Чэньси; Дин, Чжи (01 июня 2013 г.). «Совместное предварительное кодирование MIMO для подложки D2D в сотовых сетях». Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC) , 2013 г. стр. 5517–5521. дои : 10.1109/ICC.2013.6655469 . ISBN 978-1-4673-3122-7 . S2CID 24022140 .
- ^ Стефанов А.; Эркип, Э. (9 сентября 2002 г.). «Кооперативное кодирование для беспроводных сетей». 4-й международный семинар по сетям мобильной и беспроводной связи . стр. 273–277. дои : 10.1109/MWCN.2002.1045735 . ISBN 0-7803-7605-6 . S2CID 195861055 .
- ^ Чжан, Шуньвай; Ян, Фэнфан; Тан, Лей; Ло, Линь (01 октября 2013 г.). «Кооперативный MIMO с несколькими источниками и RA-кодированием на основе сетевого кодирования». Материалы 3-й Международной конференции по информатике и сетевым технологиям 2013 г. . стр. 737–741. дои : 10.1109/ICCSNT.2013.6967215 . ISBN 978-1-4799-0561-4 . S2CID 16702443 .
- ^ Байер, П.В.; Мёрер, М.; Вебер, Т.; Трогер, Х. (1 сентября 2000 г.). «Совместная передача (JT), альтернативное обоснование нисходящей линии связи CDMA с временным разделением с использованием многоэлементных передающих антенн». 2000 Шестой международный симпозиум IEEE по методам и приложениям расширения спектра. ISSTA 2000. Протоколы (Кат. № 00TH8536) . Том. 1. С. 1–5. дои : 10.1109/ISSSTA.2000.878069 . ISBN 0-7803-6560-7 . S2CID 62541739 .
- ^ Лейнеман, Дж. Н.; Уорнелл, Грегори В.; Це, Национальный комитет Демократической партии (29 июня 2001 г.). «Эффективный протокол для реализации кооперативного разнообразия в беспроводных сетях». Слушания. 2001 Международный симпозиум IEEE по теории информации (IEEE Cat. No.01CH37252) . стр. 294–. дои : 10.1109/ISIT.2001.936157 . ISBN 0-7803-7123-2 . S2CID 830571 .
- ^ Заявка на патент США № 60286850, Способ и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки сигналов с несколькими несущими.
- ^ Шамай, С.; Зайдель, Б.М. (6 мая 2001 г.). «Увеличение пропускной способности сотовой нисходящей линии связи за счет совместной обработки на передающей стороне». 53-я конференция IEEE VTS по автомобильным технологиям, весна 2001 г. Материалы (кат. № 01CH37202) . Том. 3. стр. 1745–9. дои : 10.1109/VETECS.2001.944993 . ISBN 0-7803-6728-6 . S2CID 62153715 .
- ^ US 7430257 , «Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом»
- ^ США 20080095121 , «Сети интерферометрии несущей»
- ^ US 8670390 , «Совместное формирование луча в беспроводных сетях»
- ^ Цуй, Шугуан; Голдсмит, Эй Джей; Бахай, А. (1 августа 2004 г.). «Энергоэффективность MIMO и совместных методов MIMO в сенсорных сетях». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 22 (6): 1089–98. дои : 10.1109/JSAC.2004.830916 . S2CID 8108193 .
- ^ Ли, Сяохуа (1 декабря 2004 г.). «Множественная передача с пространственно-временным кодированием между распределенными передатчиками без идеальной синхронизации». Письма об обработке сигналов IEEE . 11 (12): 948–951. Бибкод : 2004ISPL...11..948L . дои : 10.1109/ЛСП.2004.838213 .
- ^ Чжан, Яньян; Чжан, Цзяньхуа; Солнце, Фейфей; Фэн, Чонг; Чжан, Пин; Ся, Минхуа (1 мая 2008 г.). «Новый метод временной синхронизации для распределенных систем MIMO-OFDM в многопутевых каналах с релеевским замиранием». VTC Весна 2008 г. — Конференция IEEE по автомобильным технологиям . стр. 1443–7. дои : 10.1109/VETECS.2008.340 . ISBN 978-1-4244-1644-8 . S2CID 18119213 .
- ^ Гонг, Давэй; Чжао, Мяо; Ян, Юаньюань (01 ноября 2010 г.). «Многоканальный совместный протокол MIMO MAC для беспроводных сенсорных сетей». 7-я Международная конференция IEEE по мобильным специальным и сенсорным системам (IEEE MASS 2010) . стр. 11–20. дои : 10.1109/MASS.2010.5663975 . ISBN 978-1-4244-7488-2 . S2CID 16943728 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ю. Хуа, Ю. Мей и Ю. Чанг, «Беспроводные антенны – обеспечение беспроводной связи подобно проводной связи», Тематическая конференция IEEE по технологиям беспроводной связи, стр. 47–73, Гонолулу, Гавайи, 15–17 октября 2003 г.