Tecniki diversity i systemy wieloantenowe Paweł Kułakowski
Tecniki diversity Robocza definicja: Tecnika jednoczesnego odbioru kilku sygnałów lub wyboru najlepszego z nic stosowana w celu uniknięcia zaników wielodrogowyc Przykład :
Tecniki diversity Warunki stosowania tecnik diversity : podobne, porównywalne średnie wartości SNR wszystkic sygnałów mała korelacja między sygnałami : E X Y EX EY X, Y 0.5 X Y Tecniki diversity : spatial diversity time diversity frequency diversity angular (pattern) diversity polarisation diversity Kompromis : Multiplexing Diversity 3
Spatial diversity Spatial diversity : d Kanał radiowy Rayleiga : d > 0.5 Warunki propagacji LOS, mała ilość obiektów odbijającyc fale radiowe : d > 0 Wartości szacunkowe! 4
Time/frequency/polarization diversity Time diversity - powtarzanie transmisji (repetition coding), kody FEC, ARQ t T coerence C Frequency diversity - informacja jest transmitowana (rozpraszana) w szerokim paśmie częstotliwości -> CDMA, OFDM, frequency opping f B coerence C Polarisation diversity nadawanie na jednej (a) lub dwóc (b) polaryzacjac, odbiór na obu polaryzacjac f t (a) (b) sygnał silnie stłumiony 5
Angular diversity Angular diversity : antena odbiorcza z dwoma ortogonalnymi diagramami kierunkowymi 6
Bitowa stopa błędów BER Porównanie zależności BER = f (SNR) dla kanału radiowego AWGN i kanału z zanikami Rayleiga : BER ~ SNR BER ~ SNR e 7
Bitowa stopa błędów BER BER ~ SNR BER ~ SNR e odbiór dwóc niezależnyc sygnałów > diversity order = BER ~ SNR cztery niezależne sygnały -> diversity order = 4 BER ~ SNR 4 8
Macrodiversity Przypadek zaników wolnyc tecniki diversity są nieskuteczne : Rozwiązanie macrodiversity : repeaters simulcast równoczesna transmisja z różnyc stacji bazowyc lub nadajników radiowyc 9
Jak wykorzystać jednoczesny odbiór kilku niezależnyc sygnałów? Metody odbioru combining tecniques : selection diversity combining -> wybór najlepszego sygnału switced diversity combining -> gdy dany sygnał spadnie poniżej pewnego ustalonego poziomu, następuje przełączenie odbiornika na inny z odbieranyc sygnałów equal gain combining -> kompensacja przesunięć fazowyc odbieranyc sygnałów i zsumowanie ic wszystkic : e j e j + e j 3 0
Jak wykorzystać jednoczesny odbiór kilku niezależnyc sygnałów? Metoda optymalna maximal ratio combining (MRC) : 3 * + 3 transmitancje kanałów radiowyc 3 * 3 * 3
Dlaczego MRC jest metodą optymalną? Przykład : Poziom sygnału : 4, poziom szumu : 4 3 Poziom sygnału : 3, poziom szumu : Metoda I wybór lepszego sygnału : Moc sygnału : 4 = 6, moc szumu : =, SNR = 6 Metoda II maximal ratio combining : 4 5 3 5 + Moc sygnału : (4 4/5 + 3 3/5) = Moc szumu : ( 4/5) + ( 3/5) = /5 SNR = 5
Diversity po stronie nadawczej Scemat nadawania zaproponowany przez S. Alamoutiego : czas t czas t+t antena x -x * antena x x * rozwiązanie porównywalne z zastosowaniem dwóc anten po stronie odbiorczej (sygnał słabszy o 3 db) możliwość stosowania tecniki spatial diversity w łączu downlink w sieci komórkowej (dwie anteny na stacji bazowej, jedna antena w telefonie użytkownika) 3
Systemy wieloantenowe MIMO (multiple-input multiple output) 4
Ograniczenia w szybkości transmisji Ograniczenie klasyczny wzór Sannona : C B log ( S / N) log ( S / N) 5
Modulacje wysokopoziomowe BPSK QPSK 6-QAM 64-QAM?-QAM 6
Alternatywy? Systemy wieloantenowe Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) 00 00 7
Klasyczny system bezprzewodowy antena nadawcza Zaszumiony kanał radiowy antena odbiorcza Modulacja Demodulacja Źródło informacji : 000000 000 Kodowanie Dekodowanie 0000 00000 8
Klasyczny system bezprzewodowy System (,) : y( f ) ( f ) x( f ) n gdzie: f częstotliwość sygnału radiowego y(f) sygnał wyjściowy (f) transmitancja kanału radiowego x(f) sygnał wejściowy n poziom szumu 9
System wieloantenowy MIMO n anten nadawczyc m anten odbiorczyc 0000 00000 Kodowanie i modulacja Dekodowanie i demodulacja 0000 00000 0
System wieloantenowy MIMO
n n n n x x y y System wieloantenowy (n,m) : Systemy MIMO m n mn m m m n x y y i i-ty sygnał na wyjściu kanału radiowego ij transmitancja kanału radiowego między j-tą anteną nadawczą a i-tą anteną odbiorczą x i i-ty sygnał na wejściu kanału radiowego n i i-ta składowa szumu radiowego
Systemy MIMO System (m,m) : Y ( f ) H ( f ) X ( f ) m m N f = const Y H mm X N X H Y W praktyce, stosowane są dekodery dedykowane dla systemów MIMO, takie jak: Minimum Mean Square Error, Zero Forcing, Spere decoder. 3
Systemy MIMO Pierwotne założenia dotyczące systemów MIMO:. Transmitancje poszczególnyc kanałów nie zmieniają się albo zmieniają się powoli.. Wąskie pasmo częstotliwości carakterystyki (transmitancje) kanałów są niezależne od częstotliwości. 3. Carakterystyki kanałów są znane w odbiorniku. 4. Transmisja odbywa się w środowisku z dużą liczbą obiektów odbijającyc i rozpraszającyc nadawane sygnały. 5. Odległości pomiędzy poszczególnymi antenami nadawczymi i odbiorczymi są równe co najmniej /. Obecnie, systemy MIMO projektowane są do funkcjonowania również bez tyc założeń. 4
Przepustowość systemu MIMO System (,) (Sannon) : log ( S / N) [bit/s/hz] System (n,m) (Foscini, Gans) : / log det ( I S N m HH n SNR średni stosunek mocy sygnału do mocy szumu na wejściu odbiornika I m macierz jednostkowa m m H macierz transmitancji kanału radiowego H * macierz sprzężona i transponowana względem H * ) [bit/s/hz] Współczynnik wykorzystania pasma może wzrosnąć nawet [min(n,m)]-krotnie 5
Korzyści systemów MIMO Multiplexing Diversity Zwiększenie szybkości transmisji danyc Złagodzenie wpływu zaników wielodrogowyc i poprawa bitowej stopy błędów 6
Koncepcja Massive MIMO Massive MIMO (n,k) n użytkowników Stacja bazowa K anten nawet 00 i więcej anten stacji bazowej możliwość jednoczesnego dekodowania wielu strumieni danyc niwelowanie interferencji pocodzącyc od użytkowników, któryc dane zostały już zdekodowane - Successive Interference Cancellation 7
Koncepcja ortogonal beamforming Zgodnie z teorią budowy anten: Carakterystykę anteny o n elementac można zaprojektować w taki sposób, aby miała n- zer na dowolnie wybranyc kierunkac. Tecnika ortogonal beamforming : transmisja sygnału danego użytkownika z carakterystyką antenową posiadającą zera na kierunkac, gdzie znajdują się pozostali użytkownicy jednoczesna łączność z n użytkownikami warunek: kompletna CSI na stacji bazowej carakterystyki antenowe w łączności z trzema użytkownikami 8
Dziękuję za uwagę 9