Для тех у кого MIMO прошло мимо…
Немножко истории
У большого числа технологий, которые имеют место в сегодняшней телекоммуникационной среде «ноги растут» из военных наработок. Технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), например, была предложена ещё в 80-х годах нашими американскими друзьями, но реализовать её удалось совсем недавно лишь потому, что она чрезвычайно требовательна к вычислительной мощности системы (всему виной пресловутое БПФ).
MIMO раньше представлялась только лишь как технология разнесенного приема (имеем одну передающую и N приемных антенн). Реализуя эту идею было выпущено несколько серий военных тропосферных станций (может кому и довелось послужить на таких) и в принципе на том этапе, расходы на разворачивание дополнительных антенн себя оправдывали.
Принцип обработки был прост как лопата: в двух приемных ветках сравнивалось отношение сигнал/шум и в соответствии с оценкой этого значения каждой ветке обработки назначались весовые коэффициенты, играющие роль при принятии решения, грубо говоря, что было передано: 0 или 1. Эта нехитрая система так и была названа критерием оптимального весового сложения (MRC).
Дальше-больше. В 1997 году ирано-американец Аламоути предлагает новинку основанную на уже известных тезисах, назвав её пространственно-временным блоковым кодом (STBC). После этого год от года увеличивается вал публикаций на тему MIMO и тема стает очень актуальной на фоне того, что частотно-энергетическую эффективность систем связи повышать стало все сложнее и сложнее (уже продуманы максимально эффективные сигнально-кодовые конструкции). А дальше пошло-поехало: пространственно-временное решетчатое кодирование, пространственное мультиплексирование, а также большое количество алгоритмов декодирования от простейшего «максимального правдоподобия (ML- max likehood)» до сферического турбодекодирования на GPU и т.д.
Как это работает
Радиоканалы
Вообще эта классификация огромна и её обзор достоен отдельной статьи, но мы остановимся лишь на нескольких моментах.
Проходя путь от передатчика (T) к приемника ( R) наша радиоволна затухает (теряет в энергетике), причем то насколько она потеряет зависит то, есть ли между нашими T и R прямая видимость. Если она есть, то основная вина за потери ложится на потери среды распространения (path loss), если прямой видимости нет, то начинается самое интересное. Сталкиваясь с различными препятствиями волна идет к пункту назначения несколькими путями (многолучевое распространение) и соответственно каждый луч проходит разное расстояние. На приеме все эти лучи могут складывать с противофазе, что дополнительно снижает интенсивность сигнала, что заставляет уровень сигнала постоянно «плавать». Поэтому в зоне неуверенного приема ваши мобильники никак не могут определиться сколько «палочек сигнала» показывать.
Все это безобразие назвали замираниями. Бывают они разными и могут описывать разными законами. При наличии постоянной компоненты (наличии прямой видимости) подойдет распределение Райса, а при её отсутствии — Релеевское (частный вариант). Формул не буду приводить умышленно, они большие и страшные.
MIMO вот ОНО
Разбор того, как ЭТО работает проведем на самом простом примере. У нас есть 2 антенны на передаче и одна на приеме.
k — так называемая комплексная передаточная функция канала (определяющая его ФЧХ и АЧХ), причем различная для каждого момента времени для каждого из принятых сигналов. Главная изюминка как раз и заключается в том, что сигналы для каждой из приемных антенн проходят разные пути.
В соответствии с методом ПВБК, входной поток данных разбивается на пары [с1, с2], причем, на первом полутактовом интервале символ c1 передается через антенну Т1 и символ c2 передается через антенну Т2. На втором полутактовом интервале порядок передачи изменяется: через антенну Т1 передается инверсия символа c2 (на рисунке обозначен как (–c*2), а символ c1 передается через антенну Т2 (на рисунке обозначен как (c*1). Данный алгоритм удобно представить в виде матрицы, где номер строки будет соответствовать номеру передатчика, а номер столбца – номер полутакта (в общем случае – шаг такта) передачи. Символ «*» как уже многие догадались-комплексное сопряжение.
В итоге на входе мы получаем 2 сигнала (мультипликативные отклики за первый и второй такт), проведя ряд занимательных математических преобразований мы получаем исходный сигнал, а точнее пару этих сигналов. Собственно вся фишка и заключается в том, что каждый из этих сигналов передавался 2 раза.
Почему это возможно? Потому что k разный для каждого луча, а матрица Аламоути (рисунок выше) является ортогональной.
Практика
А теперь проведем моделирование и посмотрим выигрыш MIMO перед SISO(single in single out).
Все свои расчеты и моделирование я провожу в Matlab‘e потому, что это самая лучшая в мире очень удобная для таких экспериментов среда.
Вот собственно кусок для расчета кривой Аламоути:
Эта часть для классической схемы:
Из графика видно что выигрыш для вероятности ошибки Pош=10^(-3) примерно 12 [дБ]. И это просто огромная величина.
Massive MIMO
Massive MIMO
Massive Multiple-Input-Multiple-Output, система мультиканальной независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов абонента
Технология, призванная увеличить пиковую скорость передачи трафика, среднюю скорость передачи данных и пропускную способность сот в широкополосных беспроводных сетях, прежде всего в условиях работы там, где не обеспечиваются условия прямой видимости.
Переход к использованию mMIMO позволяет добиться еще более высоких скоростей без необходимости использования множества полос.
4х4 MIMO нельзя считать технологией mMIMO.
Пример антенн 64 massive MIMO. Это прототип, коммерческие образцы имеют немного другие размеры.
Есть «тонкости» поддержки mMIMO абонентскими терминалами. В частности, различается поддержка mMIMO для терминалов TDD и FDD. В TDD используется один и тот же частотный канал для downlink и uplink. Поэтому для формирования диаграммы направленности базовая станция может непосредственно измерять качество сигнала от абонентских устройств. В FDD такое невозможно. Терминал должен оценить качество канала от БС и отправить специальный отчёт. Эта функциональность и реализована в ТМ9, ее поддержка станет массовой в 2019 году. А вот работать с базовой станцией с антенной mMIMO в режиме TDD могут современные терминалы, поддерживающие TDD. Этим воспользовалась, в частности, МТС, запуская mMIMO в сети band38 в июне 2018 года.
На конец 2017 года тестами mMIMO занимались все крупнейшие операторы США, а также China Mobile, Китай. На май 2018 года т ема mMIMO постепенно становится трендом. О планах или тестах mMIMO сообщали сингапурский Singtel, австралийский Optus, американские Verizon и Sprint, российский МегаФон (32 mMIMO в Самаре) и другие компнании.
mMIMO в России
2018.06.08 МТС и Ericsson объявляют о запуске на действующей сети МТС в семи из 11 российских городов поддержки технологии Massive MIMO – решения, которое до пяти раз увеличит емкость сети LTE, обеспечив десяткам тысяч болельщиков качественный доступ к скоростному мобильному интернету на большинстве современных моделей смартфонов. МТС развернула сеть Massive MIMO в стандарте LTE-TDD 2600 b38 в семи из 11 городов турнира: в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Ростове-на-Дону, Нижнем Новгороде, Екатеринбурге и Самаре. Оператор умощнил емкость сети в местах массового скопления болельщиков и активного потребления трафика: вокруг стадионов, на вокзалах, в аэропортах, парках, фан-зонах, вдоль пешеходных зон и возле туристических достопримечательностей. Для обеспечения устойчивого покрытия базовые станции AIR 6468 Ericsson установлены на более чем 40 площадках. В радиусе действия базовых станций Massive MIMO работает большинство современных моделей смартфонов с поддержкой диапазона LTE-TDD 2600. На сегодня доля таких смартфонов в сети МТС в крупных российских городах составляет в среднем около 70% от общего количества 4G-устройств.
2017.06.20 Huawei и МегаФон показали решение Massive MIMO (на самом деле только поддержку MIMO 4×4)
Новости mMIMO
2018.10.03 Хотя мир озабочен темой запусков сетей 5G, развитие технологий сетей 4G/LTE также не стоит на месте. В частности, Samsung Electronics в сентябре похвастался, что решение mMIMO 64T64R внедрено на сети 2.5 ГГц TD-LTE американского оператора Sprint. Sprint выбрал Samsung, как поставщика решения mMIMO в феврале 2018 года и сейчас занимается активным внедрением этой технологии на своей сети. Тем более, что антенны mMIMO совместимы и с технологией 5G, по сути являясь одним из ее ключевых компонентов. В частности решение mMIMO Samsung может использоваться в конфигурации, когда один радиомодуль поддерживает одновременно 4G и 5G без каких-либо доработок. В состав решения входит также цифровой модуль Samsung CDU 30, обеспечивающий поддержку гигабитных скоростей и поддержку технологий eMTC и NB-IoT.
2018.07.09 МТС и Ericsson напомнили о сооружении сети Massive MIMO LTE-TDD 2600 в 7 городах. Заявляется о росте скорости передачи данных в аплинке до 5 раз. Средние скорости не названы.
2018.05.22 Massive MIMO 64 испытывают в 2018 году Ростелеком в Эрмитаже с Ericsson и Huawei в Иннополисе.
2018.05.22 Vodafone приступил к испытаниям FDD mMIMO в Австралии. Vodafone Australia запустил первый из пяти тестовых сайтов в рамках испытаний сети FDD Massive MIMO в Новом Южном Уэлсе. Вскоре будут запущены и остальные. Тестируется система 32х32 MIMO, позволяющая формировать многолучевую диаграмму направленности, что дает существенный выигрыша в емкости системы. В ходе демонстрации было показано, как одна базовая станция одновременно сопровождала 8 различных устройств, каждое отдельным лучом. Источник.
2017.10.26 Verizon и Ericsson завершили первое внедрение FDD mMIMO на сети Verizon в Ирвине, Калифония. Ожидается расширение внедрения данной технологии. В решении mMIMO было задействовано 16 трансиверов, работающих с антенным массивом из 96 элементов, поставленных Ericsson. Использовалась полоса 20 МГц в диапазоне AWS. / FierceWireless.com
2017.09 Sprint и Ericsson представили результаты полевого тестирования mMIMO в диапазоне 2.5 ГГц в Сиэтле и в Плано, Техас. Использовались лицензионные частоты оператора и решение Ericsson. В феврале 2017 года Blue Danub Systems объявили о завершении коммерческих тестов с использованием технологии mMIMO в лицензируемых частотных диапазонах FDD с участием AT&T и Shentel.
2017.09 В начале сентября 2017 года Ericsson заявил, что испытания mMIMO были частью тестов, которые проводились на сети LTE FDD T-Mobile US на трех сайтах в Балтиморе, Мэриленд.
2017.06.20 Huawei и МегаФон показали решение Massive MIMO (на самом деле только поддержку MIMO 4×4)
2017.02.19 Blue Danube System объявила о завершении первых коммерческих тестов своей системы Massive MIMO в частотной полосе FDD LTE. В тестах проверялась активная антенна Blue Danube BeamCraft 500, способная формировать многолучевую диаграмму направленности, используя 160 Вт подведенной передающей мощности. Это 96-элементная антенна, способная аккуратно и плавно фокусировать излучение в заданных направлениях. Тесты проводила компания Shentel и AT&T, США. В рамках тестирования за трехмесячный период было передано 10 ТБ данных. Был зафиксирован выигрыш в пропускной способности для абонента в 2-5 раз в условиях зоны с высокой плотностью трафика. Кроме того, отмечался выигрыш до 20-кратного при просмотре потокового видео. Это позволило доставлять абоненту видео с качеством HD 1080p там, где существующие системы с этим не справлялись, поддерживая не более 144p. Тесты продолжатся с целью проверки различных сценариев эксплуатации. Кроме того, в компании Blue Danube System идет разработка аналогичных систем HDAAS для TDD LTE. В первой половине 2017 года намечен ряд испытаний в Европе, Австралии и Северной Америке. / businesswireindia.com
2016.06 Huawei сообщает. Гибкая системная интеграция нескольких новаторских технологий эфирного интерфейса 5G, а именно мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов с фильтрацией внеполосных излучений (F-OFDM), многостанционного доступа на основе разреженных кодов (SCMA) и многомерных антенных систем (massive MIMO) была проверена в ходе первой фазы тестирования ключевых технологий 5G.
В рамках тестирования технология многопользовательской передачи данных MIMO (MU-MIMO) поддерживала 24 пользовательских устройства и передачу на 24 параллельных слоях на базе одних и тех же временных и частотных ресурсов. Тестирование показало, что технология MU-MIMO может обеспечить среднюю пропускную способность 3,6 Гбит/с с использованием сверхширокой полосы пропускания 100 МГц. Данные показатели в 10 раз превышают скорости в системе LTE.
Тестирование показало оптимальную интеграцию новых эфирных технологий и возможности гибких технологий радио интерфейса 5G. Оно также послужило в качестве перепроверки технических рисков для поддержки текущей работы по стандартизации 3GPP.
Радиоинтерфейс систем 5G
Рассмотрена одна из важнейших черт перспективных сетей 5-го поколения: использование миллиметрового диапазона частот.
Статья основана на личном опыте автора в изучении облика будущих сетей 5G в одном из ведущих европейских университетов и общении с людьми, непосредственно занятыми в этой области. Ввиду скудного количества публикаций технического свойства на тему радиоинтерфейса 5G на русском языке (что весьма печально), автор надеется, что статья будет полезна всем интересующимся.
Беспроводные технологии 5-го поколения (5G) предположительно начнут входить в нашу жизнь в 2020 году. Они должны будут вывести качество предоставляемых сервисов на совершенно новый уровень, и все это в условиях экспоненциального роста трафика в сетях мобильной связи и увеличивающегося количества устройств, подключенных к таким сетям.
Важно отметить, что разработчики 5G думают о дальней перспективе, о том чтобы 5G в будущем были настолько гибкими и «мощными», чтобы могли создавать инфраструктуру для таких приложений, о которых мы только начинаем думать сегодня. Например, ведутся исследования на тему того как 5G станут в будущем важной компонентой для инфраструктуры беспилотного автотранспорта.
Кстати, уже в начале июля стартовал второй этап проекта — METIS-II, по результатам которого будут определен более-менее окончательный облик сети радиодоступа 5G.
1. Переход в миллиметровый диапазон — полнонаправленная связь
В настоящее время в среде разработчиков и исследователей достигнут консенсус, что будущие сети 5G уйдут (впрочем только частично) в диапазоны частот СВЧ (3-30 ГГц, 10-1 см) и возможно даже КВЧ (30-300 ГГц, 10-1 мм), [2]. Использование таких экзотических для мобильной радиосвязи диапазонов частот требует пересмотра принципов радиодоступа как на физическом так и на MAC уровнях.
Для общего понимания ситуации в этом диапазоне, ниже приведены графики, опубликованные в [3]. На первом графике видно, что при различных условиях дальность связи на частоте, скажем 28 ГГц, измеряется сотнями метров, хотя при использовании антенных систем с высоким коэффициентом усиления и при условии прямой видимости дальность может существенно вырасти (по некоторым данным до 1-2 км в СВЧ диапазоне).
Вдобавок ко всему, миллиметровые волны (mmWaves) характеризуются заметным затуханием в атмосфере, что показано на следующем графике. Что уж тут говорить о затуханиях в препятствиях.
Таким образом, надежная связь в миллиметровом диапазоне требует применения узконаправленных лучей при условии прямой видимости. Или, как минимум, использования лучей, отраженных от объектов в непосредственной от передатчика близости. Рис. из [4]:
Очевидно, что это в свою очередь влечет широкое применение «сверхплотных» архитектурных решений (ultra-dense network solutions): фемто- и пикосот (для снижения требуемой дальности) вкупе с остронаправленными антеннами как на передатчике, так и на приемнике, если последнее возможно (для повышения достижимой дальности и даже перекрытия требования по этому параметру в малых сотах).
В таком сценарии «полнонаправленной радиосвязи» (fully-directional communication) поддержанной еще и новыми протоколами MAC уровня (т.к. при работе на прямой видимости и на узком радиолуче меняются протоколы доступа к среде, однако это тема отдельного разговора) разработчики приходят к новой концепции ограниченной по шуму сетевой архитектуры (noise-limited network architecture) вместо принятой сегодня архитектуры, ограниченной по интерференции (interference-limited), а так же абонент-ориентированного дизайна (user-centric design) вместо сегодняшего дизайна, ориентированного на соту (или сектор) (cell-centric design). [4]. И наконец из-за высокой направленности и динамического характера будущих сетей 5G, само понятие «сота» так же будет пересмотрено (об этом будет сказано ниже).
2. Многоэлементные MIMO — другая ключевая технология
Ввиду малых длин волн в миллиметровом диапазоне, в системах 5G могут быть использованы меньшие по размерам антенные системы. В частности, особый интерес и усилия на сегодня прикованы к технологиям многоэлементных MIMO антенн (Massive-MIMO). Применение таких антенных технологий позволяет эффективно решать проблемы полнонаправленной радиосвязи и интерференции. С другой стороны, необходимость работы в таких высоких диапазонах влечет удорожание и усложнение конкретных схемотехнических решений. На рис. показан первый опытный образец многоэлементной MIMO системы с числом элементов более 100 (по видимому, простых патч-антенн), (взято отсюда www.designworldonline.com/a-new-way-to-accelerate-5g-research):
3. Проблемы полнонаправленной мобильной связи и их возможные решения
4. Пересмотр принципов планирования
Более того, предполагается, что решение о том какая системная функция должна быть оптимизирована будет приниматься на основании того каким именно сервисом абонент пользуется в данный момент времени. Таким образом, конфигурирование сети, отвечающее требованиям того или иного сервиса, возможно будет производиться не оператором связи, а непосредственно провайдером услуги через API в рамках концепции Software Defined Wireless Networking (SDWN).
5. Заключение
По всей видимости, оптимальным выглядит подход при котором в сетях 5G будут адаптивно использоваться преимущества как «нового» так и «старого» диапазонов. Это отвечает и другому принципу 5G — гетерогенности. С другой стороны, такой подход обеспечит сопряжение с уже существующими системами беспроводного доступа.
Нужно больше антенн! Или Massive MIMO в беспроводных сетях
На текущий момент 5G все еще находится на стадии планирования, многие частные компании и отраслевые группы производят совместные исследования, чтобы понять, что же будет происходить с этим поколением сетей в ближайшие несколько лет. Все они сходятся во мнении, что по мере роста числа пользователей, их спрос на мобильный Интернет должен обеспечивать гораздо большие объемы трафика на более высоких скоростях. Для этого нужны соответствующие базовые станции, составляющие сотовые сети.
У современной базовой станции четвертого поколения 4G имеется с десяток портов для антенн, обрабатывающих весь трафик: восемь работают на передачу и четыре на прием. Но разработчики решили на этом не останавливаться и пришли к выводу, что базовые станции 5G должны поддерживать около сотни портов и целый массив антенн. Это означает, что базовая станция сможет отправлять и принимать сигналы от колоссального количества пользователей одновременно, увеличивая пропускную способность мобильной сети в десятки и сотни раз. Буквально в прошлом году исследователи Бристольcкого университета создали лабораторный стенд, состоящий из 128-элементной антенной решетки. Вид экспериментального оборудования представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Massive MIMO, или 128-элементная антенная решетка
Эта технология получила название Massive MIMO. Когда-то идея применить технологию MIMO, использующую несколько радиомодулей для приема и передачи множества потоков данных одновременно, стала прорывным решением. M-MIMO выводит эту концепцию на радикально новый уровень, предлагая использовать десятки и сотни MIMO антенн в одном массиве, рисунок 2.
Рисунок 2 – Наглядное сравнительное представление технологий MIMO и Massive MIMO
В эксперименте, изображенном на рисунке 1, была достигнута скорость передачи данных в 145,6 (бит/сек)/Гц для одновременного подключения 22-х пользователей. Для каждого пользователя обеспечивалась модуляция 256-QAM. Ширина радиоканала стандартная – 20 МГц, как и в обычном Wi-Fi, даже без дополнительного объединения каналов. Частота работы антенн 3.51 ГГц. При демонстрации эксперимента использовалась гибкая платформа прототипирования от National Instruments с программным обеспечением LabVIEW и аппаратным обеспечением PXI.
В сравнении с существующими сетями 4G эффективность использования имеющего спектра достигла 22-х кратного увеличения. Massive MIMO пока что был протестирован лишь в лабораторных условиях и некоторых полевых испытаниях, и коммерческой реализации еще не получил, но уже сейчас он позволил зафиксировать новый мировой рекорд по эффективному использованию доступного спектра частот.
Тонкости Massive MIMO
Конечно, для полноты приводимой информации нельзя умолчать о том, что указанные результаты являются все же экспериментальными и будут очень далеки от того, что получится при коммерческой реализации системы. Представленные экспериментальные измерения были получены в среде без помех и отсутствия сигналов от других сотовых устройств. Кроме того, пользователи оставались неподвижными, в то время как реальные абоненты все-время находятся в движении, а антенны их беспроводных устройств могут находиться под совершенно разными углами в пространстве относительно базовой станции. И, как вы можете себе представить, развертывание системы с сотнями и тысячами антенн и терминалов нельзя назвать «плавным» переходом к сетям следующего поколения. Это требует сложной обработки получаемых данных в узлах, и каждый узел должен иметь возможность определять данные передаваемые от N-й антенны и уметь отличать их от данных, передаваемые антенной M. В противном случае эффективная работа массива MIMO будет невозможна, поэтому требуется доработка методов обработки информации.
Также, нельзя не отметить, что установка большого количества антенн для обработки сотового трафика вызывает большие помехи в случае наложения этих сигналов, рисунок 3.
Рисунок 3 – Взаимные помехи от множества антенн Massive MIMO
Massive MIMO будет очень перспективным решением с точки зрения масштабируемости 5G. Несмотря на то, что приведенные выше результаты получены в лаборатории, эффективность спектра была увеличена более чем в два десятка раз! Это напрямую говорит об исключительном потенциале технологии.
Практическая реализация Massive MIMO
Концепция реализации Massive MIMO предполагает использование многоэлементных фазированных антенных решеток (ФАР). При этом, отдельные элементы решетки могут обслуживать одновременно совершенно разных абонентов, находящихся в пределах углов обзора ФАР, рисунок 4:
Рисунок 4 – Реализация Massive MIMO
А ниже, на рисунках 5 и 6 приведен пример реальных лабораторных систем M-MIMO:
Рисунок 6 – Практическая реализация M-MIMO в Университете Lund в Швеции на основе оборудования USRP RIO (слева) и кросс-поляризованной антенной решетки (справа)
В ближайшем будущем конструктивные сооружения мегаполисов превратятся в единую распределенную антенную систему. На рисунке 7 изображены прототипы планарной (1) и цилиндрической (2) антенных решеток M-MIMO, объединенных в единую распределенную антенную систему (3). Подобные антенные решетки могут устанавливаться на крышах и фасадах зданий, и объединяться в общую сеть с помощью оптоволоконного кабеля:
Рисунок 7 – Вид реализуемых геометрий M-MIMO (справа) и их возможное расположение в мегаполисе (слева)
Заключение
Именно благодаря Massive MIMO инженеры, работающие над 5G, планируют построить беспроводную сеть для всех пользователей смартфонов, автономных дорожных систем и даже пользователей виртуальной реальности, обеспечивая сверхнизкую задержку в сети и рекордные скорости передачи данных для конечного потребителя. И, пожалуй, самое оптимистичное заключается в том, что все технология Massive MIMO уже существует и реально работает, осталось лишь оптимизировать ее работу.
