Адаптивные антенные системы и технология MIMO в стандарте IEEE 802.16
Наибольшее распространение получила технология MIMO на основе пространственно- временного кодирования STC, которая вошла в стандарты 3GPP(WCDMA, FH-CDMA, TH-CADMA), а также 3GPP2 - локальных беспроводных информационных сетей (Wi-Fi) и сетей беспроводного широкополосного доступа (WiMAX стандарта IEEE 802.16).
В сетях широкополосного доступа, получивших широкое распространение, активно применяются методы, повышающие их эффективность и помехозащищенность. К ним относятся: применение адаптивных антенных систем (AAS) и технология MIMO.
Технология MIMO для стандарта IEEE 802.16. В стандарте IEEE 802.16 в БС и МС уже встроены средства поддержки адаптивных антенных систем AAS. Применение AAS существенно увеличивает потенциальную емкость сети широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16, поскольку в разных секторах БС возможна работа в одних и тех же каналах (частотных и OFDM). Применение направленных антенн позволяет уменьшить выходную мощность передатчиков, что одновременно снижает межканальную интерференцию.
Применение многоэлементных антенных систем или нескольких антенн для построения канала связи позволяет использовать методы пространственно-временного кодирования (разнесения), что улучшает прохождение сигналов в каналах с памятью. Цель применения STC - разнести в пространстве и времени сигнал от одного источника, т.е. изменить условия прохождения сигнала. Вероятность правильного приема сигнала после первичной обработки в приемнике существенно возрастает.
В отличие от систем подвижной связи, использующих МС ограниченных физических размеров, на БС в стандарте IEEE 802.16 обычно устанавливаются две передающие антенны на один сектор и две приемные антенны в МС. Допустимо использование конфигураций 2x2, 4x4, 4x2, 8x2, 8x4, 8x8 - (передающиех приемные антенны). Число антенн на БС при использовании технологии MIMO должно быть не менее двух, а на МС - одна, две или четыре передающие. Вводимый режим MU-MIMO расширяет возможности технологии MIMO обеспечивая, одновременную и на одних и тех же частотах, трансляцию информации различным пользователям. При этом при двух передающих антеннах на БС поддерживается до двух абонентов, а при четырех, восьми передающих антеннах - до четырех пользователей.
Известно несколько методов пространственно-временного разнесения. В стандарте IEEE 802.16 используется схема, предложенная Аламоути [12], когда выходной поток символов разбивается на два, формируемых параллельно, по некоторому алгоритму, например, содержащих только четные или нечетные символы (рис.4.14).
Архитектура базовой станции и абонентского устройства по отношению к радиоканалу реализуют структуру типа MIMO (несколько входов и несколько выходов). Приемник и передатчик обладают традиционной структурой радиотракта цифровой системы радиосвязи, использующей ортогональное частотное мультиплексирование и демультиплексирование.
На базовой станции создаются два антенных канала, действующих параллельно и обеспечивающих синхронность передаваемых радиосигналов (цифровой поток в каждом канале формируется из общей цифровой последовательности).
Рис.4.14
Применение мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) совместно с пространственно-временным кодированием (STC) требует включения набора пилотных частот, чтобы при формировании OFDM-символов учитывать четность и номер антенного канала. Кроме того, в OFDMA в дополнение к пространственно- временному разнесению применяется частотное разнесение FHDC (Frequency Hopping Diversity Coding) посредством скачков частоты. Формирование OFDM-символа при трансляции его антенной с номером 0 происходит при модуляции сигнальным вектором So несущих в субканале N, а в N+1 - сигнальным вектором S?. Антенна с номером 1 передает сигнал, в котором несущие подканала N модулируются вектором - S*l, а канала N+1 - вектором S*o. Восстановление сигнала на приемной стороне происходит как при использовании технологии STC, но вместо передаточных функций каналов ho и h?, используются характеристики, описанные наборов несущих подканалов N и N+1. По принятым в подканалах N и N+1 сигналам г о и r? восстанавливают переданные сигналы So и S?.
Технология OFDMA допускает применение STC/FHDC не только в нисходящем, но в восходящем канале. Возможно применение пространственно-временного кодирования при организации не только двух, но четырех антенных каналов. В этом случае в добавленных двух антеннах (O', Г) подаваемый сигнал смещен по фазе (S'o = So-e'^).
Стремительное развитие локальных вычислительных сетей и их активная конкуренция системам мобильной связи привели в настоящее время (рекомендации стандарта IEEE 802.16е) к практически обязательному внедрению технологии MIMO в режиме пространственно-временного кодирования (STC) и адаптивных антенных систем (AAS).
Технология MIMO для стандарта IEEE 802.11. Особенности построения локальных вычислительных сетей привели к появлению режима макродиверсифицированного хэн- довера MDHO (Macro Diversity Handover), обеспечивающего работу МС, находящегося в окружении нескольких БС, и передающих информацию данной МС.
Режим STC при использовании 2 -, 3- и 4-х антенн на передатчике может осуществлять распределение подканалов в соответствии с различными алгоритмами: PUSC, FUSC и АМС. Использование режима направленной сигнализации (Direct Signaling) при работе с адаптивными антенными системами не рекомендовано к использованию, так как в этом случае требуется точное знание луча БС, в котором находится МС, что практически невыполнимо для мобильных абонентов.
Для реализации технологии MIMO (с использованием алгоритма Аламоути) или адаптивного диаграммообразования в платформе 4 Motion предполагается использовать несколько вариантов антенн.
Для формирования независимых потоков в каждом антенном канале используются различные варианты конфигураций антенн (рис.7.5, 7.6): разнесенные антенны с различной поляризацией (наклон к горизонту ± 45° и разнесением на расстояние не менее ЮЛ); применение Х-образной антенны с двумя элементами с взаимно-ортогональной поляризацией. Такая поляризация обеспечивает разнесение каналов не менее, чем на 20 дБ. Эффективным вариантом разнесения антенных каналов является применение кросс-поляри- зованных антенн, поскольку при переотражениях луча поляризация на приемной стороне может измениться на противоположную по сравнению с переданной.
Для адаптивного формирования диаграммы направленности используют антенные массивы из 4-х близко расположенных элементов с вертикальной поляризацией.
Все перечисленные конфигурации антенн могут быть с большей или меньшей эффективностью применены как для формирования управляемой диаграммы направленности, так и для организации двух или 4-х М1МО-каналов.
Для подключения оконечного оборудования с платформой BreezeMAX 4Motion предлагаются различные варианты конечного оборудования CPE (Customer Premises Equipment) телекоммуникационного оборудования, расположенного на территории клиента. Это устройства с наружным и внутренним модулями, устанавливаемое вне помещений (BreezeMAX 4Motion PRO CPE) или аналогичное оборудование, инсталлированное самостоятельно внутри помещения (BreezeMAX 4Motion Si), а также модемы PC Card и USB Dangle.
Абонентское устройство BreezeMAX 4Motion PRO CPE состоит из наружного и внутреннего модулей. Наружный модуль содержит плоскую интегрированную антенну и систему управление диаграммой направленности. Внешний модуль подключен к внутреннему посредством Ethemet-кабеля, передающему сигналы управления внешним модулем, сигналы контроля состояния и напряжение питания. Внутренний модуль подключается к сети передачи данных абонента или ПК через стандартный IEEE 802.3 Ethernet интерфейс, а так же может включать два голосовых порта для передачи по VoIP (Voice over IP, передача голоса по IP-протоколу). Предусмотрен модуль Wi-Fi стандартов IEEE 802.1 lb/g для организации локальной точки доступа.
Абонентское устройство BreezeMAX 4Motion Si - это компактное устройство, выпускаемое на чипсете, устанавливаемое самостоятельно пользователем внутри помещения и, обладающее всеми возможностями BreezeMAX 4Motion PRO CPE Устройство, реализованное на чипсете Intel RD2 (рис.4.15а) обладает шестью встроенными антеннам, расположенными внутри корпуса, а на чипсете компании Весеет - двумя встроенными всенаправленными антеннами (рис.4.156).
Рис.4.15
Оно напрямую подключается к ПК и активируется через SIM-карту или с помощью специального приложения. Выпускается несколько вариантов устройства BreezeMAX 4Motion Si, рассчитанных на работу в диапазонах частот 2,3; 2,5 и 3,5 ГГц.
Примером реализации применения технологии MIMO для мобильных терминалов стандарта WiMAX (рис.7.10) является адаптер с USB разъемом, поддерживающим мобильное беспроводное соединение ПК на скорости до 130 км/ч.
Мобильный WiMAX продвигается с 2008 г. в Москве и Санкт-Петербурге компанией «Скартел» (торговая марка Yota), где введены в тестовую эксплуатацию базовые станции, которые должны обеспечить покрытие столиц и прилегающих основных автомагистралей сетью в диапазоне 2,5...2,7 ГГц. Используемое оборудование обеспечивает доступ в Интернет на скорости до 10 Мбит/с для каждого пользователя без разрыва сессии при переходе из зоны в зону различных базовых станций при скорости движения до 120 км/ч.
