Бузина М.В., Бузина Е.Е., Исаев М.Д.
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНОГО УПЛОТНЕНИЯ КАНАЛОВ
Аннотация
С момента изобретения радио до настоящего времени повышение пропускной способности беспроводной системы связи можно отнести, в порядке убывания воздействия, к трем основным факторам: увеличение количества узлов беспроводного доступа, использование дополнительного радиочастотного спектра и повышение спектральной эффективности системы. Перечисленные выше факторы, способствующие росту пропускной способности беспроводной сети, можно рассматривать в рамках общего зонтичного термина уплотнения сети.
Ключевые слова: спектр, частотное уплотнение, данные, антенна, терминал.
Keywords: spectrum, frequency seal, data, antenna, terminal.
В технологиях сотовой связи очень важную роль играет распределение частотного спектра между различными структурами. Поэтому, для увеличения доступного спектра часто прибегают к уплотнению частотных каналов связи. Однако на практике спектр, выделяемый для коммерческих сотовых систем, ограничен.
В связи с ограниченным спектром, доступным для коммерческих сотовых систем, в течение последних десятилетий проводилось огромное количество исследований, направленных на повышение спектральной эффективности беспроводных систем, для удовлетворения растущих потребностей клиентов в объеме передаваемых данных. Для этого были разработаны технологии MIMO – multiple-in multiple-out.
Методы MIMO являются наиболее важным достижением в современных беспроводных системах. Эта технология в настоящее время является важной частью важных стандартов, таких как LTE (и LTEAdvanced), WiMax и различных разновидностей IEEE 802.11.
Point-to-point MIMO (однопользовательская): как ключ в конструкции высокопроизводительных систем сотовой связи, MIMO используется для нескольких целей, в том числе для увеличения пропускной способности (с несколькими потоками), для увеличения диапазона связи и снижения помех (с формированием луча), а также для улучшения целостности данных (с кодированием, предварительной подготовкой, разнесением). В идеальной системе MIMO пропускная способность данных увеличивается линейно с минимальным количеством передающих и принимаемых антенн, что может привести к значительному увеличению производительности. Однако это ограничивает преимущества MIMO для сотовых телефонов низкой сложности с одним или небольшим количеством принимаемых антенн.
Многопользовательская MIMO: чтобы преодолеть ограничение однопользовательского MIMO, многопользовательская MIMO (MU-MIMO) позволяет нескольким пользователям, каждый с одной или несколькими антеннами, общаться друг с другом. Проще говоря, в системе MU-MIMO базовая станция взаимодействует с несколькими пользователями. В результате, даже если каждый терминал имеет одну антенну, суммарная емкость MU-MIMO на нисходящей линии связи может линейно масштабироваться по количеству пользователе.
Следовательно, MU-MIMO может достичь увеличения емкости MIMO только с помощью базовой станции с несколькими антеннами и некоторого количества терминалов с одной антенной. Последнее представляет особый интерес, поскольку наличие нескольких антенн ограничено на портативных устройствах. Более того, MU-MIMO не требует богатой среды для покрытия сети и, по сравнению с двухточечным MIMO, ему требуется более простое распределение ресурсов, поскольку каждый активный терминал использует все частотно-временные ячейки. Его производительность, однако, зависит от возможностей предварительного кодирования, и без предварительного кодирования нет никакого преимущества в MU-MIMO.
Massive MIMO — это технология, которая использует очень большое количество антенн (например, сотни), которые работают согласованно и адаптивно. Это полностью противоположная система традиционным системам MIMO, которые могут иметь две, четыре, а в некоторых случаях даже восемь антенн. Массивное MIMO имеет большой потенциал для увеличения емкости беспроводных сетей. Это увеличение является результатом агрессивного пространственного мультиплексирования, используемого в массивном MIMO. На самом деле, обильное количество антенн помогает сосредоточить энергию в еще меньших областях пространства, чтобы принести беспрецедентные улучшения в пропускной способности и энергоэффективности. Другие преимущества массивного MIMO включают его потенциал, чтобы значительно уменьшить задержку до терминала и упростить уровень множественного доступа.
Неортогональный многостанционный доступ (NOMA) — это метод, который позволяет нескольким пользователям совместно использовать тот же времени и частоты, в отличие от традиционных методов, таких как множественный доступ с частотным разделением (FDMA) и временным разделением (TDMA), в которых пользователи имеют свои собственные ресурсы. NOMA может быть реализован в области данных или в кодовой области. Код домена NOMA использует расширяющие последовательности для совместного использования ресурсов. С другой стороны, домен мощности NOMA использует различия в коэффициенте усиления канала между пользователями для мультиплексирования, через распределение мощности. NOMA в основном рассматривается как средство для увеличения числа пользователей, обслуживаемых в сетях 5G, как в uplink, так и в downlink.
Таким образом, он может быть адаптирован к типичным приложениям Интернета вещей (IoT), в которых огромное количество устройств пытаются передавать небольшие пакеты. Однако NOMA может также увеличить спектральную эффективность и уменьшить задержку. Стоит отметить, что основная теория NOMA в области радиосвязи существует уже много лет. Новая волна исследований по NOMA мотивирована продвижением процессоров, которые делают ее практически реализуемой.
Уменьшение помех.
Производительность беспроводных сетей по своей сути ограничена их собственными помехами. Таким образом, помехи были предметом многих исследований, посвященных беспроводной связи. К сожалению, несмотря на годы интенсивных исследований, оптимальные стратегии передачи/приема uplink и downlink для многоячеистых сетей неизвестны даже для простого случая двухпользовательской сети. Известно, что методы, основанные на NOMA, приводят к более высокой области скорости в многоядерных сетях, когда используется ортогональное время/частотное распределение. Методы на основе NOMA являются оптимальными для одноячеистых сетей, как в uplink, так и в downlink. Тем не менее, ортогональное распределение ресурсов было использовано в сотовых сетях от 1G до 4G, чтобы избежать внутриклеточных помех, что делает передатчики и приемники проще. Кроме того, поскольку оптимальные стратегии для многоячеистых сетей не вполне понятны, межсекторные помехи просто рассматриваются как шум.
Однако помехи могут быть устранены или смягчены путем изменения диаграммы направленности антенны требуемым образом. Такие системы, известные как адаптивные антенные решетки или интеллектуальные антенны, используются для определения местоположения главного лепестка на конкретном пользователе или для создания нуля в направлении источника помех; теперь они заменены системами MIMO. Другие методы уменьшения помех включают выравнивание помех, многосеточную обработку или многопользовательский MIMO. Хотя эти методы могут значительно улучшить спектральную эффективность, чтобы справиться с экспоненциально растущим беспроводным трафиком данных, уплотнение сети в сроки увеличения количества антенн на единицу площади кажутся неизбежными. Сокращение размера ячеек, или разделение ячеек, является давним подходом для этой цели, а также развертывание небольших ячеек и HetNets в целом. Однако сокращение ячеек происходит за счет дополнительного оборудования и повышенных помех. Казалось бы, более простой альтернативой является использование очень больших антенных решеток в базовых станциях.
Сотовые Системы На Миллиметровых волнах.
Технология миллиметровых волн (mmW) (частоты между 10–300GHz ) другая граница для будущих сотовых сетей. Кроме того, благодаря очень малым длинам волн сигналов mmW и достижениям в маломощных радиочастотных цепях можно размещать большее число антенн (≥32) в небольших размерах и, таким образом, извлекать выгоду из усиления MIMO.
Однако целесообразность использования сотовой связи ММВ требует тщательной оценки, поскольку существует ряд технических проблем. Неизбежно будет ухудшение характеристик распространения сигнала в высокочастотных диапазонах, где потери, по мощности сигнала, намного выше, а рассеяние менее значительно. Затенение может быть гораздо более серьезным в сигналах mmW, а потребление мощности устройства для поддержки большого количества антенн является высоким и затруднительным.
Литература:
- ITU-R M.2083, “IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond,” October 2015.
- S. Jaeckel, L. Raschkowski, K. Borner, and L. Thiele, “QuaDRiGa: A 3-D multi-cell channel model with time evolution for enabling virtual field trials,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 6, pp. 3242–3256, June 2014.
- T. Rappaport et al., “38 GHz and 60 GHz angle-dependent propagation for cellular and peer-to-peer wireless communications,” in IEEE International Conference on Communications, Ottawa, June 2012, pp. 4568–4573.