Вимоги до пропускної здатності мобільних мереж дуже високі і, при цьому, вони постійно зростають. Очевидні варіанти збільшення пропускної здатності - збільшення ширини каналу і використання модуляцій більш високого порядку, не дозволяють повністю вирішити задачу забезпечення високої пропускної здатності. Частотний діапазон все-таки обмежений. А використання модуляції вищого порядку має на увазі підвищення SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), що теж має свою межу. Ще одним способом збільшення пропускної здатності бездротових систем є використання декількох передавальних і приймальних антен (MIMO - Multiple Input Multiple Output) і спеціальна обробка сигналу в цьому випадку. Далі наводиться класифікація варіантів MIMO і їх короткий опис.
Класична система (SISO - Single Input Single Output)
Для початку розглянемо варіанти MIMO, які можуть бути використані для передачі даних одному користувачеві. Перший класичний і найпростіший варіант використання однієї передавальної і одному прийомної антени зображений на малюнку нижче. Така система з точки зору термінології MIMO називається SISO - Single Input Single Output.
Пропускну здатність такої системи можна розрахувати, використовуючи формулу Шеннона:
C - пропускна здатність каналу; B - ширина каналу; S / N - співвідношення сигнал / шум.
Рознесений прийом (Rx Diversity, SIMO - Single Input Multiple Output)
Рознесений прийом (Rx Diversity) - це випадок використання більшої кількості антен на приймальній стороні, ніж на передавальної. З точки зору MIMO така система називається SIMO - Single Input Multiple Output. Найпростіший випадок такої системи, коли передавальна антена одна, а прийомних дві, представлений на малюнку нижче і називається SIMO 1x2.
Представлений варіант не вимагає спеціальної підготовки сигналу при передачі, тому його досить просто реалізувати на практиці. При використанні разнесенного прийому збільшення пропускної спроможності не відбувається. Однак, підвищується надійність передачі. У випадку з зображеної вище системою на приймальній стороні буде два сигнали, і існують різні способи їх обробки. Наприклад, може вибиратися сигнал з найкращим співвідношенням сигнал / шум. Такий метод називається switched diversity. Або сигнали можуть складатися, що дозволяє підвищити співвідношення сигнал / шум. І такий метод називається MRC - Maximum Ratio Combining.
Рознесена передача (Tx Diversity, MISO - Multiple Input Single Output)
Рознесена передача (Tx Diversity) - це випадок використання більшої кількості антен на передавальній стороні, ніж на приймальні. З точки зору MIMO така система називається MISO - Multiple Input Single Output. Найпростіший випадок такої системи, коли передавальних антен дві, а приймальня одна, представлений на малюнку нижче і називається MISO 2x1.
Як і SIMO, MISO не дозволяє збільшити пропускну здатність каналу, але підвищує надійність передачі. У той же час, використання MISO дозволяє перенести необхідну додаткову обробку сигналу з приймальної сторони (мобільної станції) на передавальну (базову станцію). Для формування надійного сигналу використовується просторово-часове кодування. У цьому випадку копія сигналу передається не тільки з іншого антени, але і в інший час. Також може використовуватися просторово-частотне кодування.
Просторове ущільнення (Spatial Multiplexing, MIMO - Multiple Input Multiple Output)
Просторове ущільнення (Spatial Multiplexing) - це випадок використання декількох антен на передавальній стороні і декількох антен на приймальні. На відміну від попередніх варіантів - MISO і SIMO, описаних вище, даний варіант спрямований не на підвищення надійності передачі, а на збільшення швидкості передачі. Тому MIMO використовується для передачі даних мобільним станціям, які знаходяться в хороших радіоусловіях. У той час, як варіанти MISO і SIMO використовуються для передачі даних мобільним станціям, які знаходяться в більш поганих радіоусловіях. Для того, щоб підвищити швидкість передачі даних у випадку з MIMO вхідний потік даних розбивають на декілька потоків, кожен з яких незалежно передається з окремою антени. На малюнку нижче наводиться загальна схема системи MIMO з m передавальними антенами і з n приймальними антенами.
Через те, що використовується загальний канал, кожна антена на приймачі отримує сигнал не тільки призначений для неї (суцільні лінії на малюнку), а й всі сигнали призначені іншим антен (переривчасті лінії на малюнку). Якщо відома матриця передачі, то вплив сигналів, призначених для інших антен, можна обчислити і мінімізувати.
Кількість незалежних потоків даних, які можуть одночасно передаватися, залежить від кількості використовуваних антен. Якщо кількість передавальних і приймальних антен однаково, то кількість незалежних потоків даних одно або менше кількості антен. Наприклад, в разі MIMO 4x4 кількість незалежних потоків даних може бути 4 або менше. Якщо ж кількість передавальних і приймальних антен не однаково, то кількість незалежних потоків даних одно мінімальній кількості антен або менше. Наприклад в разі MIMO 4x2 кількість незалежних потоків даних може бути 2 або менше.
Для обчислення максимальної пропускної здатності в разі використання MIMO застосовується наступна формула:
C - пропускна здатність каналу; M - кількість незалежних потоків даних; B - ширина каналу; S / N - співвідношення сигнал / шум.
Якщо ви не знайшли цікаву для вас інформацію по LTE / LTE-A в цій статті, напишіть мені про це лист на [email protected]. Я постараюся її додати в найкоротші терміни.