Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 21 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Надёжность и энергопотребление встраиваемых беспроводных приложений

Типовое измерение энергопотребления компонентов беспроводной системы с целью оптимального выбора не даёт разработчику полного представления о том, насколько хорошо в том или ином решении минимизирован расход энергии. В статье обсуждается вопрос о том, как, повысив надёжность системы, снизить потребляемую мощность. Статья представляет собой перевод [1].

Выбор радиочастотного ключа — нелегкая задача

В статье описаны различные типы РЧ-ключей, приведены расчетные соотношения. Указаны достоинства и недостатки каждой технологии. Также рассмотрены основные электрические характеристики ключей.

О возможностях использования беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных аппаратно-программных систем для промышленной автоматики

Предлагаемая статья является продолжением целого цикла статей, посвященных применению беспроводных устройств для промышленной автоматики, в которой автор пытается дать обоснование применения беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных (СШП) аппаратно-программных систем универсального назначения в свете таких популярных концепций как «умный дом» и «полностью автоматизированное кибернетическое производство».

 

12 октября

Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMO

Для реализации преимуществ MIMO в беспроводной связи требуется весьма точное тестирование компонентов и систем MIMO в реальных условиях. Специально созданные с этой целью приборы обеспечивают идеальное инженерное решение, предоставляя быстрый, точный и масштабируемый способ воспроизведения реальных условий и каналов, и позволяют имитировать замирание сигналов MIMO в реальном времени.



Т

ехнологии множественного приема/передачи (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO), действительно, способствуют повышению скорости передачи данных и росту эффективности использования спектра. Поскольку коммерческие системы беспроводной связи работают в условиях ярко выраженного многолучевого распространения, они существенно выиграют от применения антенных систем MIMO с соответствующими характеристиками. Благодаря тому, что MIMO обладает возможностью существенно улучшить работу беспроводных систем, многие комитеты стандартизации уже приняли эту технологию или рассматривают возможность ее применения.
Несмотря на свою привлекательность, технология MIMO очень сложна, и ее использование в системах беспроводной связи вызывает специфические трудности при тестировании и измерениях. Одна из них связана с радиоканалом и эффектами корреляции в канале, например потерями в тракте передачи и замиранием при многолучевом распространении. В беспроводной связи ключевым фактором, определяющим характеристики системы, является радиоканал. Чтобы обеспечить многопотоковую передачу в одном частотно-временном пространстве, необходимо гарантировать существенные различия радиоканалов в каждом канале связи. Поэтому при оптимизации характеристик MIMO необходимо хорошо понимать эффект корреляции между каналами, для изучения которого требуются средства точного тестирования компонентов (например, приемников) и систем MIMO в реальных условиях и на реальных каналах. К сожалению, проведение таких испытаний в «реальной» беспроводной среде неэффективно и непрактично из-за высокой чувствительности канала и необходимости обеспечить достаточный уровень мобильности. Специализированное оборудование, способное решить эти задачи, позволяет разработчикам в полном объеме оценить и устранить негативные канальные эффекты, которые могут возникнуть при эксплуатации системы.

Немного теории

Чтобы лучше понять проблемы, порождаемые корреляционными эффектами, рассмотрим назначение систем MIMO и как они работают. В системах беспроводной связи многоантенные системы обладают преимуществами благодаря пространственным характеристикам радиоканала, которые обусловлены размещением отдельных антенн в среде с ярко выраженным эффектом многолучевого распространения. Для создания нескольких независимых путей распространения сигнала, которые можно восстановить в приемнике, MIMO использует несколько трактов приема и передачи, как на стороне передатчика, так и на стороне приемника.
В названии MIMO термины Input («вход») и Output («выход») относятся к радиоканалу между антеннами. Улучшение характеристик достигается за счет одновременной отправки сигнала в радиоканал одновременно несколькими передатчиками , а затем комбинация этих сигналов одновременно принимается несколькими приемниками.
На рисунке 1 показано несколько базовых конфигураций, используемых для связи передатчиков и приемников в беспроводных системах. Это системы SISO (один вход, один выход), SIMO (один вход, несколько выходов), MISO (несколько входов, один выход) и MIMO (несколько входов, несколько выходов). Цветные стрелки на рисунке 1 указывают различные пути распространения многолучевого сигнала между двумя антеннами (в т.ч. по линии прямой видимости LOS (Line of Sight), если таковая существует); в эти пути включены и траccы многолучевых сигналов, возникающих в результате отражения, рассеяния и дифракции на окружающих объектах. В системе MIMO 2×2 каждая передающая антенна имеет два выделенных канала передачи, а каждая приемная антенна — два объединенных канала приема. Возможны и другие конфигурации MIMO, использующие объединение антенных пар, например 3×3 или 4×4. Можно даже скомпоновать систему MIMO с неравным числом приемных и передающих антенн.

Рис. 1. Цветными стрелками показаны конфигурации каналов для систем SISO, SIMO, MISO и MIMO (2×2)

Применение систем MIMO

Системы MIMO могут использоваться либо для подавления эффектов замирания сигнала, либо для повышения пропускной способности. В общем случае различают три типа многоантенных систем: с пространственным разнесением, пространственным мультиплексированием и с формированием диаграммы направленности.
Пространственное разнесение — метод, повышающий эффективность по мощности за счет максимального сокращения повторных передач. При этом используются такие методы как разнесение задержки, пространственно-временное блочное кодирование (Space-Time Block Codes, STBC) и пространственно-временное решетчатое кодирование (Space-Time Trellis Codes, STTC).
В среде с ярко выраженными эффектами многолучевого распространения мощность сигнала в радиоканале изменяется очень быстро и по времени, и в зависимости от длины пути распространения. Сильное ослабление мощности сигнала на стороне приемника называют многолучевым замиранием. Для подавления этого эффекта часто используется разнесение антенн. Разнесение антенн позволяет компенсировать замирание за счет сложения нескольких копий одного и того же сигнала двух или более каналов, замирания в которых происходят независимо друг от друга. Например, в системе SIMO разнесение приемных антенн улучшает характеристики системы, если приемник оптимально объединяет сигналы от нескольких антенн так, чтобы амплитуда результирующего сигнала обладала меньшими колебаниями по сравнению с амплитудой сигнала любой отдельной антенны. Разнесение, называемое также кратностью разнесения и равное числу приемных антенн в системах SIMO, характеризуется числом каналов с независимым замиранием. Важно отметить, что если каналы с замиранием не являются независимыми, разнесение антенн не улучшит характеристик системы.
В последнее время областью активных исследований становится разнесение передающих антенн, применяемое в системах MISO. Если каналы между каждой передающей и единственной приемной антеннами имеют независящие друг от друга характеристики замирания, то кратность разнесения равна числу передающих антенн. Если передатчик предварительно не настроен на требуемые характеристики канала, то получить выигрыш при приеме можно, но только используя специально сформированные при передаче сигналы. Одной из популярных технологий многоантенной передачи, привлекшей в последнее время внимание, является пространственно-временное кодирование (Space Time Coding, STC). По этой технологии одни и те же данные передаются через обе антенны, но со сдвигом по времени, что повышает вероятность успешного восстановления данных при приеме. Эта технология использует эффективное кодирование данных — как пространственное, так и временное.
Упрощенная блок-схема системы STC с применением пространственно-временного кодирования Аламоути показана на рисунке 2. В этой системе за каждый символьный период одновременно через две антенны передаются два разных символа.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема пространственно-временного кодирования Аламоути, где h0 и h1 — канальные коэффициенты; S0, S1… — символы передаваемой последовательности и ( )* — комплексно-сопряженное число. В этой системе за каждый символьный период одновременно через две антенны передаются два разных символа

Следует заметить, что технология разнесения STC повышает не скорость передачи данных, а качество сигнала. Показанная на рисунке 2 последовательность использует кодирование в пространстве и по времени (пространственно-временное кодирование). Возможно также кодирование в пространственной и частотной областях. В этом случае вместо двух последовательных символов могут использоваться две несущие частоты (пространственно-частотное кодирование).
Разнесение каналов по технологии MIMO представляет собой комбинацию описанного выше разнесения передачи и разнесенного приема. Кратность разнесения в этом случае равна произведению числа приемных и передающих антенн (при условии наличия каналов с независимым замиранием между каждой парой приемных и передающих антенн).
Пространственное мультиплексирование — это метод одновременной передачи независимых потоков данных через разные антенны для повышения эффективной скорости передачи. Пространственное мультиплексирование позволяет повысить скорость передачи, используя при этом ту же полосу частот и мощность, что и традиционная система SISO. Теоретически, пропускная способность линейно зависит от числа используемых приемных и передающих антенных пар. В конфигурациях с неравным числом приемных и передающих антенн пропускная способность пропорциональна меньшему из них.
Кроме того, пространственное мультиплексирование может применяться в многопользовательском методе доступа, известном как SDMA (Space Division Multiple Access — множественный доступ с пространственным разделением каналов). Предположим, что два мобильных абонента передают сигналы по одному и тому же радиоканалу. Оба сигнала приходят на базовую станцию, оборудованную двумя антеннами, где они разделяются с помощью пространственного мультиплексирования. Пропускная способность такой системы растет пропорционально либо числу антенн базовой станции, либо количеству мобильных абонентов, в зависимости оттого, какое из значений окажется меньше. И хотя отдельные абоненты не ощущают прироста пропускной способности, провайдер оказывается в выигрыше за счет увеличения числа пользователей в той же зоне обслуживания. Эта технология доступа определена в профиле Wave 2 стандарта WiMAX и получила название UL-CSM (Uplink Collaborative Spatial Multiplexing — совместное пространственное мультиплексирование в восходящем канале).
Пространственное мультиплексирование может повысить скорость передачи лишь в том случае, если среда передачи обладает ярко выраженными условиями многолучевого распространения, т.к. при этом снижается корреляция между каналами и становится возможным восстановление данных в приемнике. При высокой корреляции каналов характеристики пространственного мультиплексирования быстро ухудшаются.
Формирование диаграммы направленности — метод, при котором передатчик использует предварительно заданную информацию о канале. В традиционных системах с формированием диаграммы направленности один и тот же сигнал или символ данных одновременно передается в каждый тракт каждым антенным элементом, причем со своим комплексно взвешенным коэффициентом (по амплитуде и/или фазе), настраивая тем самым антенную решетку на оптимальное отношение сигнал/шум в радиоканале.
Если формирование диаграммы направленности оптимизировано для пространственного разнесения или пространственного мультиплексирования, каждый антенный элемент одновременно передает взвешенную комбинацию двух символов данных. Эта технология формирования диаграммы направленности требует от передатчика предварительного «знания» характеристик канала, которую он использует для построения матриц диаграммы направленности (предискажений) в виде фильтров предварительной и последующей коррекции в приемнике и передатчике. Так достигается выигрыш в пропускной способности. Однако в этом случае может потребоваться измерение состояния канала приемником и отправка этой информации передатчику.

Оценка задачи

Поскольку радиоканал является неотъемлемой частью систем MIMO, полное понимание любых эффектов, способных отрицательно воздействовать на него, играет очень важную роль. Пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование могут существенно улучшить характеристики канала, но лишь в том случае, если пространственные соотношения выбраны так, чтобы выгодно использовать свойства ярко выраженного многолучевого распространения. В случае пространственного разнесения выигрыш при использовании STC зависит от кратности разнесения канала. Чтобы кратность разнесения равнялась произведению чисел приемных и передающих антенн, каждый канал между каждой парой антенн (приемная–передающая) должен обладать независимыми параметрами замирания. Напротив, высокая корреляция каналов между парами приемных/передающих антенн делает выигрыш от разнесения весьма незначительным.
Каналы со слабой корреляцией требуются и в системах MIMO с пространственным мультиплексированием. Хорошее разделение разных пространственных потоков возможно лишь в случае благоприятных характеристик каналов. Для этого зачастую требуется специальное расположение передающих и приемных антенн, обеспечивающее низкую корреляцию каналов между антенными парами.

Ослабление влияния канальных эффектов

Хотя такие технические методы как пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование открывают широкие возможности улучшения характеристик при наличии канальных эффектов, они не полностью решают эту проблему.
Для ее решения могут использоваться разные подходы. Например, в типовой конфигурации MIMO 2×2 для моделирования четырех независимых каналов, существующих между парами передающих и приемных антенн, можно использовать два отдельных эмулятора канала SIMO. Но эмуляторы каналов SIMO не обеспечивают требуемой корреляции между каналами MIMO. В то же время для проверки характеристик системы MIMO важна реальная степень корреляции. В этой ситуации инженеры могут предпринять попытку провести испытания в «реальной» беспроводной среде, однако такой канал слишком чувствителен, не обеспечивает управляемость и воспроизводимость тестов. Данный подход едва ли осуществим и в тех ситуациях, когда требуется провести испытания при разных условиях распространения или протестировать мобильность. Имеется возможность использовать программный эмулятор реалистичных каналов MIMO, но такой тест чрезвычайно длителен и не позволяет получать результаты в реальном времени, хотя и способен дать некоторую оценку корректности работы радиочастотного тракта и модулирующих функций.
Лучшее решение этих проблем — использовать специализированные приборы, способные эмулировать реалистичные каналы MIMO. Такие эмуляторы каналов как тестер приемников MIMO N5106A PXB, воспроизводящий реальные условия работы MIMO с помощью мощной цифровой обработки сигнала, позволяют быстро выявлять проблемы на ранних этапах проектирования, отладки и проверки оборудования (см. рис. 3). Кроме того, у эмулятора канала есть существенные преимущества: он может генерировать вполне жизненные сценарии замирания, включая корреляцию пути и канала, вдобавок он быстро калибруется, да и стоит сравнительно недорого.

Рис. 3. Тестер приемников MIMO Agilent N5106A обеспечивает до 4 генераторов модулирующего сигнала и 8 имитаторов замирания, что позволяет тестировать системы MIMO вплоть до схемы 4×2. С помощью исполняемой в нем программы создания сигналов Agilent Signal Studio формируются сигналы новейших стандартов

На рисунке 4 показана упрощенная схема тестирования приемника MIMO 2×2. Прибор подключен к двум генераторам РЧ-сигналов для повышающего преобразования частоты. Встроенные в него генераторы модулирующих сигналов формируют соответствующие стандартам сигналы, например WiMAX, LTE и WLAN. Эти генераторы легко подключить к имитаторам канального замирания с помощью графического программного интерфейса пользователя. Каждый имитатор замирания конфигурируется индивидуально, в соответствии со стандартной моделью замирания (например, для WiMAX ITU Pedestrian B — модель В для пешехода, пользующегося сетью WiMAX). Можно использовать и специальную модель с разными путями распространения и условиями замирания. Встроенная в прибор функция автоматической калибровки мощности существенно ускоряет построение схемы тестирования по сравнению с применением автономных имитаторов замирания.

Рис. 4. Упрощенная блок-схема тестирования приемника MIMO 2×2 с помощью тестера приемников MIMO Agilent N5106A PXB

Заключение

Таким образом, с помощью тестера приемников MIMO можно не только выявлять проблемы на ранних этапах проектирования, но и свести к минимуму погрешности проектирования, уменьшить время и стоимость настройки оборудования, сборку лабораторной измерительной системы, а также обеспечить максимальную производительность и масштабируемость в соответствии с будущими потребностями. В результате такое специализированное контрольно-измерительное оборудование быстро превращается в необходимый инструмент исследователя и разработчика, занятого проектированием и интеграцией компонентов и систем MIMO.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Ю Уилки, менеджер по обеспечению жизненного цикла платформы Agilent PXB, Agilent Technologies



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты