MIMO tehnoloģijas sistēmas – jauna likme bezvadu tīklos

 

 

Viena no bezvadu lokālo tīklu (WLAN) attīstības tendencēm ir datu pārraides ātruma palielināšanās. Šobrīd maksimālais standartizētais datu pārraides ātrums ir 54 Mbit/s, un tas tiek piedāvāts gan 2,4 GHz (IEEE 802.11g), gan 5 GHz (IEEE 802.11a/h, ETSI EN 301893) diapazonā. Tomēr multimediju pielikumu integrācijai, to skaitā balss trafikam, ar šo ātrumu joprojām nepietiek. Lielu pārraides ātrumu var sasniegt, tikai izmantojot daudzveidīgus nestandarta risinājumus, kas saistīti ar uzlabotām antenu sistēmām, modulācijas shēmām, radiotehniskiem komponentiem, vides pieejas vadības mehānismiem, drošību.

 

 

Kā defekts kļūst par efektu

Bezvadu lokālajā tīklā WLAN (wireles LAN) pastāv virkne problēmu, kas nav sastopamas kabeļu tīklos: daudzceļu izplatība (multi-path propagation), feidings (fading) un radioviļņu interference. Par laimi, pastāv tehnoloģijas, kas no dažiem trūkumiem, piemēram, no daudzceļu izplatības efekta, gūst labumu. Viena no šādām tehnoloģijām piedāvā izmantot daudzantenu sistēmas. To darbības pamatā ir signālu telpas-laika apstrādes mehānisms (space-time processing - STP).

STP ierīces var lietot uztverošajā, pārraidošajā vai abos kanāla galos. Ja izmanto vairākas (divas un vairāk) antenas uztverošajā (Rx) kanāla galā, to sauc par SIMO (single input multiple output) sistēmu vai par sistēmu ar sadalīto uztveršanu. Ja izmanto divas un vairāk antenas pārraidošajā (Tx) kanāla galā, to sauc par MISO (multiple input single output) sistēmu vai par sistēmu ar sadalīto pārraidi. Pretstats tam ir parastās sistēmas ar vienu uztverošo un vienu pārraidošo antenu jeb SISO (single input single output) sistēmas.

SIMO un MISO sistēmās datu pārraides ātrums nepalielinās, bet uzlabojas kanāla kvalitāte. Salīdzinājumā ar SISO sistēmām te tiek samazināta feidinga ietekme, palielinās attiecība signāls/troksnis (S/T) un līdz ar to samazinās uztveršanas kļūdas varbūtība. Turklāt MISO sistēmās parādās iespēja veikt nododamo signālu telpas–laika kodēšanu (space-time coding – STC vai space-time block coding - STBC), lai uzlabotu radiosignālu pārraides apstākļus un uzlabotu caurlaides spēju. STC/STBC ideja – atdalīt telpā un laikā viena un tā paša signāla avotu un būtiski mainīt tā pārraides apstākļus. Rezultātā ievērojami pieaug nekļūdīgas uztveršanas varbūtība. Telpas–laika blokveida kodēšanas tehnoloģija STBC ir līdzīga sistēmai ar pārības kontroli vai citai kļūdu atklājošai un koriģējošai shēmai, kas uzlabo caurlaides spēju, paaugstinot informācijas pārraides drošumu.

Pēdējā laikā arvien biežāk ir sastopama abreviatūra MIMO (multiple input-multiple output). Šīs tehnoloģijas izmantošana bezvadu tīklos sola atrisināt tādas kardinālas problēmas kā interference, kas pastāvīgi palielinās, ierobežotā pārraides josla un nepietiekamais darbības attālums. Bet jāsaprot arī, ka MIMO nav ne tehnoloģija, ne standarts. Termins nozīmē tikai ideoloģiju, kuras ietvaros ierīcei ir jābūt vairākiem uztveršanas/pārraides kanāliem, un nav svarīgi, vai tas ir bezvadu maršrutētājs vai televīzijas pārraides sistēma.

MIMO sistēmas ir līdzīgas tām, kas nodrošina intelektuālo antenu (smart antena) tehnoloģiju (skat. V. Karpuhins Intelektuālās antenas bezvadu tīklos SP 1(41)/2006). Tās arī izmanto vairākas antenas, bet tā ir tikai ārēja līdzība. Turklāt intelektuālo antenu tehnoloģiju MIMO ierīcēs izmanto gandrīz tiem pašiem mērķiem. Tas ir, MIMO ir kas vairāk nekā gudrā antena, jo tiek izmantota telpiskā multipleksēšana.

Galvenā MIMO priekšrocība ir spēja uztvert signālus, kas pienāk pa dažādiem maršrutiem, kuri vienmēr noris radiosakaros. Tos izdevās izmantot, iegūstot ievērojamu pārraides ātruma palielinājumu un līdz ar to uzlabojot caurlaides spēju.

 

MIMO princips darbojas

Vispirms iztēlosimies, kas notiek, uztverot lielu daudzumu signālu. Pieņemsim, ka braucat pa pilsētas centru, klausāties radio un zināt, ka antena, kas uzstādīta automašīnā, uztver radiostacijas raidītāja signālus. Bet uz radio pienāk arī citi tās pašas radiostacijas signāli, kas nāk no dažādiem virzieniem. Tas tāpēc, ka ēkas, vadi, ģeogrāfiskās ainavas īpatnības un daudzi citi objekti starp raidītāju un uztvērēju var lauzt un atstarot signālus. Rezultātā katrs no tiem nonāk līdz jūsu uztvērējam pa dažādiem ceļiem (tāpēc arī radies termins multipath – daudzceļu), kā arī ar dažādiem aizkaves laikiem. Tā kā papildu signāli netiek sinhronizēti ar galveno, tie var to pastiprināt vai pavājināt. Rezultātā daudzceļu atstarotie signāli interferē ar galveno, izraisot datu pārraides sistēmas kvalitatīvo un kvantitatīvo rādītāju pasliktināšanos.

MIMO principa būtība ir tāda, ka tas nevis pretojas daudzceļu efektam, bet gan izmanto to, lai palielinātu bezvadu pārraides ātrumu, attālumu un drošumu. Tas tiek panākts, izmantojot telpisko multipleksēšanu. Tajā tiek izmantota pārraide pa vairākiem maršrutiem (multipath reflection), kas ļauj vienlaikus pārraidīt dažādas plūsmas pa vienu kanālu, apzīmējot tās ar telpiskajām iezīmēm. Uztverošās antenas apkopo šīs plūsmas vienā un ātri reorganizē, tādējādi pārraides ātrums ievērojami palielinās.

MIMO tehnoloģijā signālu izplatīšanas papildu maršrutus izmanto liela apjoma informācijas pārsūtīšanai un sekojošai signāla atjaunošanai saņēmēja pusē. Tas ir tāpat kā spēja ar dzirdi noteikt dažādus skaņas avotus vai izdalīt un saprast sarunas fragmentus uz ballītes trokšņa fona, izmantojot tikai ausis. Vairāku uztvērēju izmantošana šādiem mērķiem nav jauns izgudrojums – šo metodi dažos radiosakaru veidos izmanto vismaz pusi gadsimta. Tomēr vēl pavisam nesen signālu apstrādes procedūra izmaksāja pārāk dārgi, lai to varētu izmantot praksē. Svarīgs faktors, kas pozitīvi ietekmējis MIMO izmantošanu, ir nedārgu un augstas veiktspējas ciparu signālu procesoru parādīšanās (digital signal processor - DSP).

MIMO sistēmās signālu izdalīšanai, kas tiek pārraidīti vienā frekvencē, var lietot minēto telpisko multipleksēšanu. Turklāt tādus signālus var kodēt, lai tos izmantotu informācijas atjaunošanai.

Plašās MIMO sistēmu iespējas tiek nodrošinātas, efektīvi izmantojot četru metru ētera telpu. Ievērosim, ka telpu var paplašināt vismaz līdz sešiem metriem, izmantojot radioviļņu polarizējošās īpašības un fraktālas dimensijas modulācijas dinamisko haosu (skat. V. Karpuhins Haoss - kārtības, veselības un elektronisko sakaru avots, I daļa -SP 3(38)/2005 - un II daļa - SP 3(39)/2005).

Vēl viena MIMO tehnoloģijas priekšrocība – iespēja telpiski sablīvēt signālus (spatial division multiplexing - SDM). SDM ļauj telpiski atdalīt vairākas neatkarīgas datu plūsmas, kas tiek pārraidītas vienlaikus vienā frekvenču diapazonā. Izmantojot SDM, MIMO ievērojami palielina caurlaides spēju, jo pieaug uztverto atdalīto datu plūsmu skaits. Vienkāršāku priekšstatu dod shēma.

 

Ar MIMO palīdzību 54 Mbit/s radiokanālā var veikt pārraidi ar faktisko ātrumu 108 Mbit/s.

1.      Klients sūta datus ar ātrumu 108 Mbit/s.

2.      Kodētājs sadala datu plūsmu divās vai vairāk plūsmās ar mazāku ātrumu, šajā gadījumā – 54 Mbit/s.

3.      Raidītājs pārraida katru datu plūsmu uz savu antenu, katra no tām izstaro vienā un tajā pašā frekvenču kanālā.

4.      Signāli tiek atstaroti no objektiem, rezultātā rodas daudzu staru izplatīšanās. Viena radiokanāla robežās MIMO pārveido šīs plūsmas vienā virtuālā kanālā, kas kļūst par datu plūsmu nesēju.

5.      Divas vai vairāk uztverošās antenas uztver signālu. Īpaši algoritmi atjauno izejošo datu plūsmu ar ātrumu 108 Mbit/s.

 

MIMO sistēmu priekšrocības

• Ievērojami samazinās feidinga ietekme, salīdzinot ar SISO sistēmām. Četri atsevišķi feidinga kanāli, kuros signāli parādīti ar sarkanu, zilu, melnu un zaļu krāsu; MIMO sistēmas (ar divām pārraidošajām un divām uztverošajām antenām) apstrādes rezultātā tiek veidots efektīvais kanāls ar gandrīz nemanāmu feidingu; signāls parādīts ar pelēku krāsu.
• Palielinās S/T attiecība vismaz min{N,M} reizes, kur N – antenu skaits uztverošajā pusē, bet M – antenu skaits pārraidošajā pusē.
• Ievērojami samazinās interferences ietekme salīdzinājumā ar SISO sistēmām.

Lietderīgā signāla un interferējošā avota jaudas attiecība palielinās desmitiem reižu.

Tādējādi:

- ievērojami palielinās nekļūdīgas uztveršanas varbūtība;

- palielinās datu pārraides kanāla spektrālā efektivitāte (capacity), ar kuru saprot datu pārraides ātruma bit/s attiecību pret pieprasīto signāla spektra platumu Hz, tas ir (bit/s)/Hz.

 

Spektrālās efektivitātes (capacity) atkarība no S/T attiecības SISO un MIMO sistēmās. 4X4 MIMO un 8X8 MIMO nozīmē, ka uztverošajā un pārraidošajā pusē ir attiecīgi 4 un 8 antenas.

 

Antenu skaita palielināšana ievērojami palielina sistēmas efektivitāti (capacity).

 

Antenu skaita ietekme uz spektrālo efektivitāti (capacity) SIMO un MIMO sistēmās.

 

 

Viss iepriekš minētais dod to, ka:

• strauji samazinās visu veidu zudumu izplatīšanās trasē un līdz ar to palielinās MIMO sistēmas darbības attālums salīdzinājumā ar SISO sistēmu;
• normālai datu pārraides kanāla funkcionēšanai (pie tā paša attāluma, kvalitātes rādītājiem un datu pārraides ātruma) nepieciešamo S/T attiecību var samazināt par 23 dB vai 200 reizes. Tas nozīmē, ka tikpat reižu var samazināt izstarotā signāla jaudu.

Rezultātā ievērojami samazinās no barošanas avota patērētā jauda, kā arī palielinās datu pārraides ātrums, nemainoties raidītāja jaudai un aizņemtā spektra platumam.

 

MIMO sistēmu darbībai nepieciešama augsta radiofrekvenču traktu linearitāte un rūpīga kalibrēšana; augsta radiofrekvenču traktu parametru stabilitāte; sarežģīti signālu apstrādes algoritmi. Tas kopumā diezgan ievērojami palielina izmaksas, ko var uzskatīt par trūkumu.

 

MIMO sistēmas lietojumi:

• UMTS ar MIMO uzlabojumiem 3GPP versijā 7;
• Wireless LAN saskaņā ar IEEE 802.11n, Wi-Max (IEEE 802.16 ), Wi-Bro, IEEE 802.20;
• šūnu tīklos: Wi-Max, daudzstaru (multi-beam) un adaptīvās antenas bāzes stacijās, kā arī adaptīvās antenas tālruņa aparātos;
• RFID: smart antenas, daudzstaru, gan arī adaptīvās antenas pētīšana attāluma palielināšanai;
• ultraplatjoslas tīklos (UWB), lai palielinātu UWB attālumu;
• mobilajā satelīttelevīzijā: ļauj zema līmeņa antenai sekot signālam, pat automašīnai pārvietojoties;
• VDSL kabeļu modemos;
• MIMO var lietot 3G standartā, piemēram, High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), kas ir jauns mobilā telefona protokols un dažreiz tiek attiecināts uz 3.5G vai 3G+ un 4G tehnoloģijām;
• militārajā nozarē:

-          Mobile Networked MIMO (MNM), ko sponsorē DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ATO (Advanced Technology Office) - datu pārraides ātrums salīdzinājumā ar pašreizējām sistēmām pieaug 10-20 reižu;

-          Mobile Ad hoc NETworks (MANETs). Sponsorē DoD (Departament of Defence) Joint Tactical Radio System (JTRS).

 

 

Eiropas IST komisijas informācijas tehnoloģiju programmas projekti

·         METRA, I-METRA iekļauj analīzi, adaptīvo datu pārraides tehnoloģiju izstrādi un modelēšanu MIMO sistēmām.

·         STINGRAY pēta telpas–laika kodēšanu STC (Space Time Coding) un datu pārraidi ar OFDM modeļiem (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) MIMO

·         STRIKE pēta SIMO, MISO un MIMO lietošanas iespējas ar HiperMAN/HiperLAN standartiem.

·         Winner izstrādājuši uzlabotus MIMO kanāla modeļus B3G tīklam.

·         Romantik – spektrālā apstrāde SISO, MISO un MIMO uztvērējos W-CDMA(HSDPA) sistēmām.

·         Ultrawaves - MIMO for UWB Communications u. c.

 

MIMO kļūst par vienu no pamattehnoloģijām, kas būs iekļauta IEEE 802.11n specifikācijā. Jaunajā standartā ietilps tehnoloģija MIMO-OFDM (MIMO Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Elektrotehnikas un elektronikas inženieru institūta standartu komisija (IEEE-SA) jau 2003. gada otrajā pusē sāka IEEE 802.11n (802.11 TGn) grupas izveidi, lai izstrādātu jaunu standartu IEEE 802.11n ar piecas reizes lielāku datu pārraides ātrumu nekā IEEE 802.11a/g (54 Ģbit/s). Lai palielinātu ātrumu, tika izmantoti pilnīgāki kodēšanas paņēmieni un vairākas antenas – divas uztverošās un divas pārraidošās (2 x 2) - vai citas kombinācijas (2 x 3, 3 x 3 vai 4 x 4) ar atbilstošu uztvērēju un raidītāju skaitu.

Šis standarts paredz lielu datu pārraides ātrumu (200 Mbit/s un vairāk) bezvadu tīklos, bet vēl nav zināms, uz kādas tehnoloģijas tas tiks balstīts. Šobrīd divas izstrādātāju grupas piedāvā dažādas pieejas. Viena puse pārstāv konsorciju World Wide Spectrum Efficiency (WWiSE), otra – organizāciju TGn Sync (saīsinājums no Task Group N, IEEE 802.11 darba grupa).

TGn Sync sastāvā ietilpst 25 kompānijas, to skaitā Agere Systems, Atheros Communications, Intel, Nokia, Philips Electronics un Sony. Specifikācijai, ko piedāvā TGn Sync, jānodrošina pārraides ātrums apmēram 313 Mbit/s, izmantojot divas antenas un sakaru kanālu ar 40 MHz frekvenču kanāla spektra platumu.

Konsorcija WWiSE līderis ir MIMO tehnoloģijas pionieris – kompānija Airgo Networks. Starp tās sabiedrotajiem ir Broadcom, Conexant Systems, STMicroelectronics un Texas Instruments. WWiSE piedāvājumā ir reglamentēts 20 MHz frekvenču kanāla spektra platums un tiek nodrošināta augstāka spektrālā efektivitāte. Minimālais pārraides ātrums konfigurācijā ar divām uztverošajām un divām pārraidošajām antenām ir 135 Mbit/s.

2006. gada janvārī IEEE darba grupa vienbalsīgi nobalsoja par nepieciešamību pieņemt 802.11n standartu. Sagaidāms, ka tas par 98 procentiem atbildīs pašreizējam projektam, kas samazina investīciju risku 802.11n-ready aprīkojumā.

Tomēr IEEE darba grupas balsojums par 802.11n standarta pieņemšanu pirmajā, melnraksta, redakcijā v.1.0 (2006. gada aprīlis) parādīja, ka šobrīd šī tehnoloģija vēl ne tuvu nav gatava ieviešanai. Par to balsoja ne tikai mazāk par standarta pieņemšanai nepieciešamajiem 75 procentiem, bet pat netika iegūts vairākums (tikai 46,6 %). Līdz ar to ir garantēta vēl vienas standarta melnraksta versijas parādīšanās, bet pagaidām netiek norādīti pat aptuvenie izstrādei nepieciešamie termiņi. Visticamāk, ka galīgā 802.11n specifikācijas ratifikācija notiks tikai 2007. gadā.

Līdz ar IEEE MIMO-OFDM izvirzīšanos arvien vairāk tiek attīstīti pētījumi par MIMO-CDMA un MIMO-UWB (Ultra Wide Band – sk. V. Karpuhins Dzirksteļstarpas reinkarnācija bezvadu UWB telpā SP 1(37)/2005), kā arī MIMO-SDR (Software Defined Radio – sk. V. Karpuhins Radio: ar programmu vadāms un ne tikai... SP 4(36)/2004)

Vladimirs KARPUHINS,

profesors Dr.habil.sc.ing.,

SIA VERSIJA viceprezidents

 

Avoti:

1. A. Gershman, N. Sidiropoulos Space-Time Processing for MIMO Communications: John Wiley and Sons, 2005, 388 p.
2. H. Bessai Mimo Signals and Systems: Springer, 2005, 206 p.
3. C. F. Mecklenbräuker, T. Zemen Mutiple Input and Multiple Output Communications Course of Lecturers at Vienna University of Technology, Winter term 2005/2006 (http://userver.ftw.at/~zemen/MIMO.html)
4. M. Jankiraman Space-time Codes and MIMO Systems: ArtechHouse, 2005, 350 p.
5. MIMO-ņåõķīėīćčč: įåē ļšīāīėī÷åź, ņī÷ķī ļī ąäšåńó, PC Week Nr. (535) 25` 2006.