3.3. Некоторые вопросы многоантенной техники

Из материалов главы и приведенных в ней графиков видно, что эффективность многоантенных систем растет с ростом числа передающих и приемных антенн. Можно сформулировать три условия, при выполнении которых применение многоантенной техники оказывается эффективным средством по строения высокоскоростных систем связи. Во-первых, SNR в системе должно быть достаточно высоким. Во-вторых, канал должен быть многолучевым. В-третьих, пространственные размеры системы не должны быть слишком малыми. Физическое, качественное обоснование этих трех требований понятно.

1.  Только при высоком SNR возможны разделение мощности по различным пространственным каналам и параллельная передача информации. Ранее при расчетах и построении графиков полагалось, что SNR в системе достаточно велико. Именно по этой причине MIMO- и SDMA-системы строятся для передачи информации на сравнительно малые расстояния, когда уровень сигнала достаточно высок.

2.  Если сигнал от передатчика к приемнику распространяется по одному пути, канал однолучевой, то построение различных пространственных каналов невозможно. Только в многолучевом радиоканале возможно построение различных пространственных каналов и параллельная передача информации по ним.

3.  При малых пространственных размерах системы становится невозможным разнесение антенн и разделение различных пространственных лучей.

В заключительном разделе затронуты некоторые пути преодоления упомянутых ограничений в многоантенных системах. Это вопросы кооперации пользователей, кооперации базовых станций и задача разработки специальных антенных систем для многоантенной техники.

Вопросы кооперации отдельных мобильных пользователей в системе связи рассмотрены в работах [14, 15]. В этих работах при передаче информации от двух подвижных пользователей к базовой станции пользователи кооперируются. То есть пользователь 1 часть времени тратит на передачу собственной информации, а часть — на передачу информации, которую он получает от пользователя 2. Аналогичную стратегию использует и пользователь 2. Показано [8], что при такой кооперации увеличивается пропускная способность системы и уменьшается вероятность срыва связи в ней. Во второй части [15] рассматривается реализация кооперации в CDMA-системе. Результаты расчетов и моделирования подтверждают, что кооперация пользователей действительно приводит к улучшению характеристик системы.

Конечно, объединение не только мобильных пользователей, но и стационарных базовых станций приводит к увеличению общего числа антенн и расширяет возможности многоантенной техники в построении систем связи с высокой спектральной эффективностью. Для такого объединения базовые станции необходимо соединить высокоскоростными, например, радиорелейными или оптическими, линиями связи. Такое объединение базовых станций можно рассматривать как единую передающую систему с очень большим количеством передающих антенн. Это, в свою очередь, дает возможность построить систему связи с большим числом пространственных каналов и достичь большой спектральной эффективности и высоких скоростей передачи информации.

Следует отметить еще одну важную выгоду от объединения базовых станций. MIMO-системы связи с одной базовой станцией эффективны только в многолучевом канале в среде с большим числом рассеивателей. Только в этом случае вторичные источники, отражающие объекты, оказываются разнесенными в пространстве и могут различаться антенными системами. При объединении базовых станций их антенны оказываются разнесенными в пространстве даже при отсутствии рассеивателей, т.е. при объединении базовых станций высокоскоростные MIMO- и SDMA-системы могут проектироваться и использоваться даже в том случае, когда их построение невозможно, если базовые станции работают независимо друг от друга.

Перейдем, наконец, к вопросу о пространственных размерах МIМО-систем связи. Этот вопрос особенно важен для подвижных пользователей, размеры аппаратов которых жестко ограничены. В [8] поставлена задача о возможности применения многоантенной техники в аппаратуре ограниченных пространственных размеров. Задача сформулирована следующим образом: какую максимальную скорость передачи информации можно получить в многолучевом радиоканале, если пространственные размеры области приема заданы? Какое число пространственных каналов при этом следует использовать? При решении этой задачи оказалось удобным ввести понятие "потенциальной" антенны. Так названа гипотетическая антенна, которая извлекает всю информацию, содержащуюся в электромагнитном поле в заданной области приема. Приближением к потенциальной антенне является система многочисленных датчиков поля, расположенных в дискретных точках области приема.

Приведем некоторые результаты исследования многолучевых радиоканалов с потенциальными антеннами. Показано, что в трехмерном многолучевом канале даже в том случае, когда пространственные размеры d области приема много меньше длины волны (d « λ), оптимальное число пространственных каналов равно шести. При многолучевом распространении все компоненты электрического и магнитного полей оказываются независимыми и раздельное их измерение дает 6 пространственных каналов. Заметим, что при больших SNR MIMO-система с шестью пространственными каналами примерно в 6 раз эффективнее одноканальной системы.

Установлено, что оптимальное число пространственных каналов быстро растет с увеличением размеров области приема. Так, при сферической области приема диаметром вдвое большем длины волны (d = 2λ), при SNR = 20 дБ оптимальное число пространственных каналов равно 60. Удельная пропускная способность при этом оказывается 70 бит/с·Гц. Эта величина более чем в 10 раз превышает пропускную способность одноканальной системы, равную при SNR 20 дБ 6,7 бит/с · Гц.

Приведенные результаты показывают, что многоантенная техника может существенно улучшить характеристики беспроводных систем связи. Применение МВМО-техники позволит значительно увеличить скорость передачи информации и эффективность использования спектра в следующем поколении систем WiMAX.

Основы теории мобильной и беспроводной связи


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.