Анализ методов разнесенного приема в сотовых системах связи с подвижными объектами. Разнесенный прием в MIMO технологии

Курсовой проект

На тему: «Анализ методов разнесенного приема в сотовых системах связи с подвижными объектами. Разнесенный прием в MIMO технологии»

Выполнил:

Проверил:

Санкт - Петербург

Введение

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию подвижный абонент. Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию планы местности, графики движения и т.п. медицинскую информацию и многое другое. Но при построении таких систем требуются знания об особенностях распространения радиоволн в окружающей среде.

Особенности распространения волн

Разнесенный прием

Замирание - одно из самых существенных искажений, вносимых радиоканалом. Замирание может быть в частотной (гладкое и селективные замирание) и во временной области (медленное и быстрое замирание). Существует несколько способов минимизации влияния замираний на производительность системы. Если существует возможность приема нескольких реплик переданного сигнала по разным каналам, то высока вероятность того, что хотя бы один из каналов обеспечит требуемое качество сигнала в приемнике. Прием сигналов по разным каналам и надлежащее их суммирование называется разнесенным приемом. Разнесение бывает явное и неявное.

Явное разнесение. Используется избыточная передача сигнала. Пример - передача одного и того же сигнала на двух различных соответствующим образом разнесенных несущих частотах. Это позволяет приемнику детектировать два отдельных сигнала, а затем их суммировать.

Неявное разнесение. Сигнал передается только один раз, но благодаря естественным свойствам среды распространения и специальным методикам приема становится возможным создать несколько каналов. Пример использования неявного разнесения - RAKE-приемник, который выделяет сигналы, пришедшие различными путями по каналу с многолучевым распространением, и суммирует их оптимальным способом.

Существует несколько типов разнесенного приема, используемых в некоторых системах радиосвязи:

пространственное разнесение;

частотное разнесение;

временное разнесение;

многолучевое разнесение;

поляризационное разнесение.

В подвижной связи разнесение может применяться как в передатчике, так и в приемнике. Поэтому вводятся термины разнесение при передаче и разнесение на приеме. Важно, чтобы расстояние должно быть не меньше, чем половина длины волны. Сложение сигналов ветвей разнесения должно производиться на векторной основе. Здесь возможно несколько технических решений. Управляющий блок проверяет отношение сигнал/шум в каждой ветви разнесенного приема и направляет на выход сигнал того канала отношение сигнал-шум которого наибольшее. При оптимальном весовом суммирования сигналы различных ветвей выравниваются по фазе, "взвешиваются" и усиливаются пропорционально их уровню. Таким образом, на выход сумматора подается сигнал с максимальным отношением сигнал/шум. Этот метод требует оценки амплитуды сигнала, принятого каждой из ветвей. Для упрощения реализации сигналы ветвей после выравнивания фаз могут суммироваться с равными весовыми коэффициентами. Этот метод называется равновесным суммированием.

Пространственное разнесение позволяет существенно повысить производительность систем подвижной связи ценой усложнения аппаратного обеспечения - по крайней мере, часть приемной цепи придется продублировать. Поэтому пространственное разнесение используется, как правило, в базовых станциях. Предварительное фазирование приводит к когерентному сложению, максимизирующему отношение сигнал/шум как при оптимальном весовом, так и при равновесном суммировании.

В основе частотного разнесения лежит передача одного и того же сигнала на двух достаточно далеко разнесенных частотах. Разнесение частот должно быть достаточным для того, чтобы процессы замирания в обоих каналах не коррелировали друг с другом. Такая схема разнесения требует привлечения дополнительных спектральных и аппаратных ресурсов.

Временное разнесение используется в каналах с относительно быстрым замиранием. Если посылать один и тот же сигнал несколько раз через достаточные промежутки времени, то замирания в каждом временном интервале не будут коррелировать друг с другом. При этом повторяемые сигналы можно будет соответствующим образом суммировать в приемнике при условии, что не все из них подверглись замираниям. Передачу одних и тех же символов несколько раз можно рассматривать как простейший код с повторением. Как нам известно, существуют намного более эффективные коды. По сравнению с простым повторением коррекция ошибок с достаточно глубоким перемещением дает лучшие результаты. Тем не менее, для успешной работы приемника с временным разнесением необходимо, чтобы период перемещения превышал длительность замирания. Если замирание медленное, то придется применять очень глубокое перемещение, что приведет к появлению неприемлемой задержки передачи данных. В качестве разновидности временного разнесения можно также рассматривать технологию ARQ. Разнесенный прием в ней реализуется в виде повтора блоков, запрашиваемого приемником при помощи сообщения NAK. Временным разнесением также можно считать прием сигналов, искаженных межсимвольной интерференцией, при котором приемник принимает решения о каждом информационном символе по фрагментам сигнала, собранным за достаточно большой промежуток времени.

Поляризационное разнесение является видом явного разнесения. Обычно используется в радиосистемах передачи информации по линии прямой видимости - сигнал передается и принимается в двух взаимно ортогональных поляризациях. Этот способ не представляет большой ценности для систем подвижной связи. Вместо этого в базовых станциях может применяться неявное поляризационное разнесение. Пользователь может ориентировать переносной терминал практически как угодно. Поэтому подвижная станция может передавать сигнал с изменяющимся углом поляризации. Как следствие, использование в базовых станциях антенн с ортогональной поляризацией позволяет существенно улучшить прием сигнала.

Описанные технологии в основном относятся к разнесенному приему сигнала. Только частотное разнесение требует дублирования некоторых блоков передатчика и одновременно требует разнесения и приема и передачи. Существует также другой способ реализации разнесенной передачи. Передатчик базовой станции передает задержанные копии одного и того же сигнала с набора антенн, разнесенных в пространстве. Таким образом, между каждой передающей антенной и приемником создается несколько ветвей разнесения. Если передающие антенны разнесены на достаточно большое расстояние, то каждая ветвь характеризуется независимым замиранием. Приемник подвижной станции, который может справиться с межсимвольной интерференцией, принимает комбинированный сигнал, состоящий из ослабленных и задержанных копий передаваемого сигнала. Существует большая вероятность, что не все сигналы независимых каналов были ослаблены замиранием и приемник способен выполнить детектирование сигнала, искаженного межсимвольной интерференцией; это позволяет повысить качество приема. Описанный метод дублирования сигнала в передатчике базовых станций системы GSM реализован на практике.

Для повышения качества и скорости передачи информации используют технологию MIMO.

Технология MIMO

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output - множественный вход множественный выход) - это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI, WI-MAX <#"800983.files/image001.gif">

Рис.1. Организации технологии MIMO

Рис.2. Принцип организации передачи сигнала

Пример системы: Количество пространственных потоков (H) <мин (M,N)- количество антенн на передающей стороне, M - количество антенн на приемной стороне

Рис.3. Матрица комплексных чисел

В матрице H каждый hij является комплексным числом: a+jb (амплитуды и фазы) (Рис.3)

Но в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается изменённым самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием <#"800983.files/image004.gif">

Рис.4. Принцип работы на приемной стороне

Так же антенны устанавливаются с пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием. На каждый из приемников сигналы поступают от всех антенн системы. Каждый сумматор берет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Он выделяет либо по предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо с помощью анализа задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или среды распространения. В зависимости от принципа работы системы передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

MIMO включает в себя пространственное временное разнесение передачи, пространственное мультиплексирование, совмещение линий MIMO.

·        Пространственное временное разнесение передачи (STTD) - одни и те же данные закодированные переданные разными антеннами которые удваивают энергию в канале. Это улучшает стабильность сигнала.

Пространственное мультиплексирование (Spatial Multiplexing) - параллельные потоки данных с помощью использования многоканальности. Позволит увеличить скорость в 2 раза (2x2 MIMO) и в 4раза (4x4 MIMO) и т.д.

MIMO увеличивает пропускную способность с помощью пространственного мультиплексирования - несколько передач в одном канале (Рис.5).

·        Совмещение линий - усиливает сигналы в устройстве. Два устройства могут совместно передавать на одном суб-канале, в котором удвоиться скорость передачи данных.

Основные цели MIMO

Принцип организации радиосвязи Single user MIMO (SU-MIMO). При этом принципе существует лишь один передатчик и приемник информации. Таким образом передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и к тому же нет фактора неожиданности, когда могут появиться в эфире новые пользователи. Эта схема подходит для небольших систем, например для организации связи в доме, в офисе или между двумя устройствами. В то же время системы WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи, являются многопользовательскими, т.е. в них существует базовая станция и несколько удаленных абонентских станций, с каждым из которых нужно организовать радио соединение. Поэтому, возникают две проблемы: первая - базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), второе - она должна принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC - Multiple Access Channels).

В направлении uplink - от абонентских станций к базовой станции, пользователи передают свою информацию на одной и той же частоте. В этом случае для базовой станции появляется сложность - нужно разделить сигналы от разных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку <#"800983.files/image006.gif">

Рис.6. Переотражение ("эхо") радиосигналов

На рисунках показана скорость передачи данных в офисе (Рис.7,8). Как видно из них скорость данных в MIMO превышает обычный радиоканал

Рис. 7. Производительность одиночной радио антенны передатчика

Рис. 8. MIMO канал

Сложности в реализации MIMO. В технологии MIMO может возникнуть необычное явление, заключается оно в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться при прямой видимости источника и приемника. Это вызвано уменьшением искажений окружающего пространства, которое изменяет каждый сигнал. Таким образом на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, так как они оказывают взаимное влияние. Поэтому, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Системы с несколькими входами и выходами (MIMO) обладают потенциалом увеличения скорости передачи для одного абонента за счет использования двух или четырех потоков данных, передаваемых несколькими антеннами. Например, для LTE предполагались пиковые скорости до 172,8 Мбит/с для нисходящего канала 2x2 и до 326,4 Мбит/с для нисходящего канала 4x4. Но на эти скорости передачи влияет повышенная сложность реализации 2-х или 4-х канальных систем MIMO, по сравнению с одно антенной конфигурацией. Взаимное влияние антенн и погрешность синхронизации могут снижать прирост производительности, полученный в результате перехода на много антенные технологии.

Так же трудности реализации много антенных технологий могут усложнить диагностику и отладку оборудования. Увеличение числа антенн с двух до четырех в 4x4 MIMO усложняет отладку, появляются влияния перекрестных помех между антеннами, фазовый шум и ошибки синхронизации на характеристики нисходящего канала MIMO.

Расчет

Описание линейной MIMO-модели в MATLAB

Системы с несколькими входами и выходами, т.е. MIMO-модели {Multy Input Multy Output Models). Для их описания можно использовать команды ss, tf и zpk. Если у системы r входов, то матрица В ss-модели состоит из r столбцов, а если у системы m выходов, то матрица С состоит из m строк.

Получение временных и частотных характеристик MIMO-систем формат выходных данных оказывается сложным.

Пример: системы пятого порядка с тремя входами и двумя выходами, полученной при помощи функции rss (сокращение от random space state system). Чтобы найти ее весовую функцию и частотные характеристики, набираем текст:

» s=rss(5,2,3); impulse(s), figure, bode(s), figure, nyquist(s).

В результате будут построены 18 графиков: 6 весовых функций (от каждого входа до каждого выхода), 6 диаграмм Боде и 6 диаграмм Найквиста.

Рис. 9. Диаграммы Боде

Рис. 10. Весовые функции

В общем случае модель системы с r входами и m выходами содержит r х m отображений ui→yJ, i = 1,...,r, j = l,...,m. Каждое отображение i-го входа на j- й выход можно описать скалярной передаточной функцией Qij(p). В совокупности они образуют матричную весовую функцию Q(p) размера m х r. Ее можно получить, используя команду tf(s). Для просмотра полученной передаточной функции воспользуемся функцией tfdata: [n,d]=tfdata(s). В ответ получаем информацию о структуре передаточной функции:

Массивы n и d содержат числители и знаменатели скалярных передаточных функций Qij{p). Имеется возможность посмотреть любую из скалярных передаточных функций Qij. Например, для просмотра передаточной функции от третьего входа до второго выхода нужно набрать:

»tf(n{2,3},d{2,3}).

При моделировании MIMO-систем с помощью команды Isim. управление U подается уже не виде вектора, а в виде матрицы, составленной из векторов ut, подаваемых на различные входы. Выход Y также является матрицей, составленной из сигналов, снимаемых с различных выходов.

Пример. Рассмотрим систему, заданную матричной передаточной функциейой

волна данные передача matlab

Чтобы ввести ее в MATLAB, надо отдельно сформировать массивы числителей и знаменателей:

» N={1,3; 1, [1,-1]}; % формирование числителей  » D={[1 1],[1 0 3]; poly([-1,"1]), [1,2]}; % формирование знаменателей » sys=tf(N,D) % формирование MIМО-системы с матричной передаточной функцией Q(s)

В ответ получаем сообщение:

Transfer function from input 1 to output... Transfer function from input 2 to output.

Теперь с этой системой можно проводить компьютерные эксперименты. Подаем на ее первый вход синусоиду, а на второй - косинусоиду и найдем реакцию системы на эти сигналы. » t=linspace(0,10); u1=sin(t); u2=cos(t); U=[u1;u2], Y=lsim(sys,[U],t); plot(t.Y) .grid.

Результатом будут графики двух выходных сигналов (рис.12):

Выходные сигналы MIMO системы (Рис.12)

Заключение

В данной теме я рассмотрел разнесенный прием и его типы в средствах с подвижными объектами, использование разнесенного приема в технологии MIMO в WiFi. Узнал, как работает эта технология, что в себя включает, и какие принципы лежат в её основе. Рассмотрел основные направления этой технологии. Как реализуется MIMO в технике. Преимущества и недостатки MIMO перед другими технологиями. Целью MIMO является увеличение скорости передачи данных при той же ограниченной полосе частот. Эта технология начинает широко использоваться на новых устройствах и имеет огромные перспективы развития.

Список использованных источников

1.      <http://www.ieee.li/pdf/viewgraphs/wireless_mimo.pdf> - МIMO и её возможности.

.        <http://lantorg.com/blog/chto_takoe_mimo_v_wifi> - Знакомство с MIMO

.        <http://ru.wikipedia.org/wiki/RFID> - Шахрам Морадпур «RFID-технологии на службе вашего бизнеса». 2007г.

.        <http://guap.ru/guap/kaf44/trud/mironovsky_petrova_matlab.pdf> - Мироновский Л.А., Петрова К. Ю. «Введение в matlab» Учебное пособие. 2005г.