Краткое содержание

В конце 2006 года была завершена работа над созданием мобильного профиля технологии WiMAX IEEE 802.16e. На сегодняшний день существует множество различных интерфейсов радиодоступа, однако, именно при разработке стандарта IEEE 802.16e изначально закладывалась возможность по применению таких алгоритмов и устройств, как адаптивные антенные системы (beamforming), и независимая обработка множества переотраженных сигналов в условиях плотной застройки (MIMO). Цель настоящей работы – познакомить интересующегося читателя с принципами работы указанных технологий, методами их использования, а также привести некоторые количественные характеристики.

Далее будет показано, что адаптивное формирование диаграммы направленности обеспечивает увеличение дальности действия, снижение уровня интерференции и увеличение пропускной способности системы. Это приводит к значительному расширению зоны обслуживания в условиях построения сети по принципу макросот. С другой стороны, технологии MIMO обеспечивают увеличение пропускной способности в микро – пико – и даже наноструктурах, хорошим примером которых является внутриофисная система. Использование и MIMO, и адаптивных антенн в качестве дополняющих друг друга технологий позволит получить преимущества, даваемые и той, и другой технологией.

Формирование диаграммы направленности

При использовании технологии формирования адаптивной диаграммы направленности, электромагнитное поле антенны базовой станции в дальней зоне формируется в виде узконаправленного главного лепестка, ориентированного в сторону абонентского устройства (Customer Premises Equipment, CPE), с возможностью изменения направленных свойств при изменении положения этого оборудования. На практике, при наличии большого количества абонентов в пределах действия одной соты осуществляется формирование многолепестковой диаграммы (лепестки направляются на каждого абонента или на группу абонентов). Это возможно благодаря разделению клиентов по времени и по OFDM-поднесущим.

Для формирования такой многолучевой диаграммы, отдельные приемопередатчики в составе базовой станции передают и принимают сигнал через многоэлементную антенную решетку (как правило, это четырехэлементные антенные решетки), причем каждый элемент такой решетки в каждый момент времени имеет определенный фазовый сдвиг относительно остальных. В результате, благодаря комбинированию диаграмм направленности каждого излучателя в составе решетки, формируется суммарная диаграмма, имеющая улучшенные направленные свойства (более узкий главный лепесток с более высоким коэффициентом усиления). В направлении источников помех в диаграмме направленности формируются нулевые составляющие, что позволяет практически полностью подавить интерференцию с нежелательных направлений. Данная концепция работает в обоих направлениях: от базовой станции к абоненту (нисходящая линия связи) и от абонента к базовой станции (восходящая линия связи). При этом сигналы, принимаемые от абонентов, могут использоваться для определения их местоположения, и эта информация применяется при формировании диаграммы направленности в нисходящем направлении.

Идея формирования диаграммы направленности не является новой, и концепции адаптивных антенных систем или «интеллектуальных» антенн уже много лет используются в стандартах других радиосистем.

Данная технология реализуется, в основном, на базовой станции и не требует значительного изменения оборудования конечного пользователя. В соответствии с этим, было принято решение, что всё сертифицированное для WiMAX оборудование CPE обязательно должно поддерживать технологию адаптации диаграммы направленности, чтобы не ограничивать возможности операторского оборудования. Для базовых станций данная возможность является дополнительной, но не обязательной.

Положительные моменты использования данной технологии заключаются в следующем:

• Поскольку энергия разных передатчиков и чувствительность разных приемников концентрируется в более узком луче, то зона действия базовой станции расширяется. Это относится как к нисходящей линии связи (DL, от базовой станции к абоненту), так и к восходящей линии связи (UL, от абонента к базовой станции).
  На представленном далее рисунке иллюстрируется влияние формирования диаграммы направленности на количество требуемых станций. На диаграмме можно видеть, что при использовании базовой станции WiMAX с одиночной антенной при использовании MIMO или при его отсутствии (используется только пространственное разнесение приемников) для обеспечения одинаковой зоны покрытия требуется в 2,13 раза (1,39 раза) больше станций.

По сравнению с обычной системой, использующей разнесение приемников или только MIMO, технология “beamforming” обеспечивает уменьшение требуемого количества станции, как минимум, на 40%.

• Поскольку энергия направляется только к индивидуальным абонентам, то меньшее количество энергии, принимаемое или направляемое к другим абонентам в соседних секторах данной сети уменьшается, благодаря чему значительно улучшается сигнально-помеховая обстановка. Данная концепция также работает как в отношении восходящей линии связи, так и в отношении нисходящей линии связи.

Теперь рассмотрим второй аспект и оценим его важность.

Радиосети WiMAX являются сетями связи с секторной архитектурой. В аналогичных зонах действия соседних базовых станций используются одни и те же частотные ресурсы. Для WiMAX наиболее часто применяется схема повторного использования частот 1:3; это значит, что при использовании трехсекторных конфигураций базовой станции, в секторах всех соседних базовых станций повторно используются те же самые частоты.

В связи с тем, что радиоволны распространяются далеко за пределы условных границ сектора, то они создают помехи для передач соседних станций. Это является особенно критичным в случаях, когда антенна базовой станции располагается выше уровня крыш зданий и (или) при наличии открытых пространств между базовыми станциями и абонентами (как это имеет место во многих российских городах – например, в Москве, где имеются широкие улицы, парки, площади и свободное пространство…).

Какое же влияние в этом случае оказывает интерференция?

WiMAX обеспечивает адаптивное изменение модуляции и схем кодирования. Помехоустойчивые схемы кодирования (QPSK ½) показывают прекрасные результаты, но при этом приходится жертвовать величиной пропускной способности. Такие схемы позволяют обеспечивать надежную связь при плохих условиях радиосвязи, но не обеспечивают рабочие характеристики, которые можно было бы ожидать от WiMAX.

С другой стороны, наиболее высокопроизводительной схемой является 64QAM ¾ – она обеспечивает уровень пропускной способности близкий к максимальному, но она же является и самой чувствительной к помехам. Без применения адаптивной антенны эта схема может быть реализовывана в непосредственной близости к базовой станции или в условияхи сигнально – помеховой обстановки, близких к идеальным. Не оказывает положительного эффекта и увеличение мощности передатчика базовой станции, так как в этом случае повышается уровень интерференции в соседних секторах.

На представленном ниже рисунке система с адаптивной диаграммой направленности сравнивается с аналогичными решением, обеспечивающем только пространственное разнесение антенн с применением технологией MIMO и без нее. График содержит зависимости процента покрываемой территории при различных типах модуляции и различных схем кодирования. Становится очевидным выигрыш технологии «beamforming»: даже самая надежная схема (QPSK ½) способна обеспечить устойчивую работоспособность только на 80% площади, обеспечиваемую системой с формированием диаграммы! Установка дополнительного количества базовых станций коренным образом исправить ситуацию не сможет, поскольку они будут вносить дополнительные помехи. Имеются также и другие схемы более высокого уровня, которые могут использоваться в случае макросотовой архитектуры, построенной с применением технологии «beamforming»; они обеспечивают существенное увеличение эффективности использования спектра (увеличение скорости передачи данных для каждого абонента или увеличение количества абонентов при той же пропускной способности).

Таким образом, использование в составе базовой станции интеллектуальной антенной системы, приводит к увеличению пропускной способности на 40%. В макросотовой системе, реализующей формирование диаграммы направленности, эффективность использования спектра для каждого канала составляет 2,1 б/с/Гц/сектор.

Ещё одно преимущество применения устройства формирования адаптивной диаграммы направленности заключается в том, что при комбинировании с алгоритмами подавления помех коэффициент повторного использования частоты может достигать значения 1. Это означает, что на всех станциях может использоваться вся полоса частот. Это позволяет дополнительно увеличить эффективность использования спектра, а также реализовать систему WiMAX даже при наличии узких частотных полос.

Для определения степени влияния адаптации диаграммы направленности на рабочие характеристики системы связи с мобильными абонентами, оценки выполнялись с использованием типичных моделей многолучевых каналов при различных скоростях перемещения абонентов.

В результате было установлено, что для абонентов с низкой мобильностью и абонентов, перемещающихся со скоростью до 30 км/час, рабочие характеристики связи не изменяются. Только при высоких скоростях выигрыш от формирования диаграммы направленности немного уменьшается, но даже в этом случае рабочие характеристики намного лучше, чем в системах без использования адаптационных алгоритмов.

MIMO

Система независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов абонента (MIMO) является многообещающей технологией, обеспечивающей увеличение пиковой скорости передачи трафика, средней скорости передачи данных и пропускной способности сот в широкополосных беспроводных сетях.

В концепции MIMO подразумевается использование нескольких приёмо-передающих антенн. Представленный далее анализ ориентируется на схемы MIMO, определенные для профиля WiMAX Forum MTG. Реально в WiMAX используются различные схемы, но для упрощения мы ограничимся только одним случаем.

Основная идея MIMO заключает в разбиении потока транслируемых данных на независимые приёмопередатчики, обеспечивающие связь для одного и того же абонента на одной и той же частоте. В этом случае по сравнению с обычной системой совокупный поток данных может быть увеличен.

Поскольку для обоих потоков данных используется одинаковая частота в одном и том же географическом регионе, то для реализации потенциальных преимуществ систем такого типа эти потоки необходимо декоррелировать.

В плотных городских условиях (так называемые «микро-соты», «пико-соты» или «внутренняя среда»), где радиоволны на пути между базовой станцией и оборудованием абонента многократно переотражаются и флуктуируют, схема дает определенный выигрыш. Для максимизации выигрыша, необходимо обеспечить хорошую независимость антенн, передающих информацию в канал одновременно. Это может достигаться либо пространственным разнесением антенн на некоторое расстояние, либо использованием разных поляризаций антенны для разных трактов.

Становится очевидным, что в составе абонентского оборудования (CPE) для MIMO необходимо наличие двух приемо-передающих трактов. Декодирование MIMO является непростой задачей, связанной со значительным увеличением сложности CPE (увеличение стоимости оборудования). Поэтому поддержка в CPE технологии MIMO является дополнительной функцией. Предполагается, что первые CPE с функциями MIMO появятся на рынке в первом квартале 2008.

Использование MIMO обеспечивает два основных преимущества:

• Увеличение надежности нисходящих линий связи

При сравнении MIMO и устройства с одной антенной, наблюдается существенное улучшение работы нисходящих линий связи, проявляющееся в виде более стабильной и более надежной передачи данных в условиях сильного рассеивания радиоволн. Для восходящих линий связи никакого улучшения нет.

• Увеличение пропускной способности MIMO

Благодаря возможности использования схем модуляции более высокого уровня или одновременной передачи нескольких независимых потоков, MIMO, по сравнению с одной антенной обеспечивает на нисходящих линиях связи увеличение пропускной способности приблизительно на 30% по отношению к системам обычной сотовой связи, и на 100% по отношению к микро-сотам. Эффективность для каждого канала может составлять от 1,7 б/с/Гц/сектор, в типичной (типовой) системе, и в некоторых случаях теоретически может достигать 2,8 б/с/Гц/сектор (пико-соты).

В качестве преимущества необходимо отметить стабильность рабочих характеристик MIMO по сравнению с характеристиками систем с использованием традиционного антенного оборудования. То есть, при скоростях перемещения абонента от 3 км/час до 120 км/час никакого ухудшения характеристик мобильности или передачи не наблюдается.

Серьёзным минусом таких систем является ухудшение качественных характеристик в случае отсутствия переотражений. Такая ситуация имеет место на открытых пространствах с неплотной застройкой (например, в Москве – вдоль широких улиц, рядом с рекой, …) и в случае, если антенна базовой станции располагается выше уровня крыш. В таких ситуациях для достижения приемлемых рабочих характеристик сети очевидна необходимость формирования диаграммы направленности.

Путь развития: адаптивных алгоритмов формирования диаграммы и MIMO

Приведенный анализ наводит на мысль о возможности объединения двух технологий, с целью получения преимуществ. Но, к сожалению, не всё так просто.

Возникает противоречивое требование по расположению радиоизлучающих элементов: для случая применения технологии “beamforming” антенны должны распологаться достаточно близко друг к другу (как правило, это половина длины излучаемой волны). С другой стороны, для реализации схемы MIMO элементы должны быть декоррелированы, то есть должны располагаться на удалении друг от друга или должны иметь разную поляризацию.

Для оценки возможности совмещения двух технологий был проведен анализ, с целью установить:

• Каков будет результат применения технологии MIMO в случае адаптивной антенной системы? Если элементы располагаются друг к другу ближе оптимального расстояния, эффективность работы MIMO снизится.
• Возможно ли применение пары двухэлементных антенных панелей, с достаточно малым расстоянием между элементами каждой панели, но значительным пространственным разносом между панелями? Схема MIMO будет работать достаточно хорошо, хотя выигрыш от формирования диаграммы направленности станет немного хуже.

Как показывают результаты имитационного моделирования, в первом варианте выигрыш в энергетическом потенциале линии связи сравним с характеристиками системы с формированием диаграммы направленности, но с учетом коэффициентов усиления при разнесенном приеме, даваемых дополнительно MIMO. Для достижения наиболее экономичного результата переоснащение станций может быть выполнено уже сегодня, при этом будут использоваться уже существующие стандартные 4-элементные антенные панели, которые в дальнейшем не потребуется заменять. Объединение технологий «beamforming+ MIMO» может быть осуществлено простой загрузкой программного обеспечения на базовой станции (базовые станции должны поддерживать соответствующие схемы).

Второй вариант обещает даже лучшие рабочие характеристики. В зависимости от конкретных условий, можно ожидать, что сверх выигрыша, даваемого формированием диаграммы направленности, увеличение пропускной способности может достигать до 30%. Данный вариант может быть реализован уже сегодня.

Качественное сравнение рабочих характеристик

Первый показатель: Зона обслуживания.

Следует отметить, что при использовании MIMO или адаптивных антенных систем не может осуществляться пересылка обычных ресурсов обмена сигналами (“MAP”), и поэтому зона обслуживания соты ограничивается. В случае MIMO применяется две приемопередающие антенны. В случае применения антенной решетки, применяется специальная широковещательная диаграмма, обеспечиваемая 4 передатчиками и 4 антенными элементами.

Для конкретного набора параметров энергетического потенциала линии связи (выбраны максимально ограниченные ресурсы восходящей линии связи, нисходящей линии связи и средств обмена сигналами) обеспечивается следующий коэффициент усиления системы:

Вследствие лучшего энергетического потенциала линии связи, технология формирования диаграммы направленности обеспечивает увеличение “MAP” на 5 дБ по сравнению с MIMO. Это соответствует теоретическому выигрышу в отношении зоны обслуживания, превышающему 100%.

Второй показатель: Пропускная способность (или эффективность использования спектра)

При сравнении рабочих характеристик различных радиосистем в отношении пропускной способности было выполнено моделирование при максимальной зоне обслуживания соты у каждой системы. Сравнение показывает, что технология «beamforming» дает более высокие результаты, чем MIMO. Для типичной системы эффективность использования спектра в каждом секторе при схеме повторного использования частоты 1/3 следующая:

*) Теоретически, в некоторых случаях использования пико-сот возможно достижение более высоких рабочих характеристик.

Выводы

Использование механизмов, позволяющих управлять диаграммой направленности, может обеспечить увеличение качества связи в зоне обслуживания на 90% (как для нисходящих линий связи, так и для восходящих линий связи). Кроме того, для сетей, использующих MIMO без формирования диаграммы направленности, потребуется увеличение количества станций от 40% до 80%. Данный подход считается наилучшим методом построения полной макросотовой сети, у которой рабочие характеристики стабильны во всех условиях (городских, пригородных, при прямой видимости) и которая требует минимального количества станций (самый низкий уровень капитальных затрат). Возможности уменьшения уровня интерференции при формировании диаграммы направленности, применение средств подавления помех – это естественный путь развития, направленный на достижение ещё большей эффективности использования спектра. Кроме того, рабочие характеристики системы связи при формировании диаграммы направленности не зависят от поставщиков абонентского оборудования, поскольку не требуется дополнительная обработка сигналов, и адаптация абонентского оборудования минимальна.

MIMO обеспечивает более высокую пропускную способность в микро-сотовых системах (внутренние системы или условия с плотной застройкой). Это достигается за счет дополнительного усложнения абонентского оборудования . В условиях прямой видимости между базовой станцией и абонентом данная схема работает значительно хуже, чем традиционная.

Объединение двух подходов может устранить имеющиеся недостатки и позволит получить оптимальное решение для любых условий. Можно показать, что такое решение может быть обеспечено с помощью одной общей антенной системы.

Очевидна целесообразность применения технологии адаптивных антенных систем в каждой устанавливаемой базовой станции WiMAX на этапе разворачивания сети. Добавление функциональности MIMO должна обеспечиваться на том этапе, когда появится доступное абонентское оборудование, когда понадобится высокая ёмкость сети, и когда будут внедряться концепция развертывания базовых станций с поддержкой микро- и пико-сот.

Для обеспечения совместного использования формирования диаграммы направленности и MIMO базовые станции должны иметь возможность соответствующей модернизации путем простой загрузки программного обеспечения. Модернизация такого типа должна закладываться для защиты первоначальных капиталовложений, поскольку невозможно предсказать, какие идеи будут использоваться в будущих усовершенствованных алгоритмах.