Увеличение скорости передачи данных

Для увеличения скорости передачи в сетях радиодоступа используют:

- агрегацию полос,

- пространственное мультиплексирование.

Агрегация (объединение) частотных полос является основным способом увеличения скорости передачи данных. При агрегации полос одновременно с передачей в базовой полосе частот появляется возможность вести передачу еще в одной или нескольких полосах. При этом в каждой новой полосе формируют свой индивидуальный сигнал Это означает, что передают несколько независимых сигналов, которые могут принимать как один терминал, так и разные терминалы. Оператор может выбирать полосы из одного диапазона (подряд или с промежутками) или из разных диапазонов. На рис. 5.1 показаны варианты агрегации полос в сетях LTE.

Рис.5.1. Варианты выделения полос при агрегации

Для приема сигналов с агрегацией полос требуется использовать многоканальные приемники.

MIMO (Multiple Input – Multiple Output) ‒ многоантенные технологии, используемые для решения двух задач:

- повышения качества связи за счет пространственного временного/частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования.

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 5.2.

Рис.5.2. Модель канала с М передающими и N приемными антеннами

Математическая модель, описывающая систему (рис.4.2), представляет собой векторное уравнение

r = H × s + n (5.1)

где r и s - вектора принятых и переданных сигналов, а n – вектор помех на входе приемников.

Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

(5.2)

Рассмотрим простую задачу пространственного мультиплексирования, когда на передающей стороне (eNB) 2 антенны и на приемной (UE) – тоже 2 приемные антенны. Поток символов s₁ идет через передающую антенну Tx1, поток символов s₂ через передающую антенну Tx2. Каждая приемная антенна (Rx1 и Rx2) принимает взвешенную сумму сигналов s₁ и s₂. Векторное уравнение (5.1) будет следующим:

r₁ = h₁₁ s₁ + h₁₂ s₂ + n₁

r₂ = h₂₁ s₁ + h₂₂ s₂ + n₂ (5.3)

Задача приемника абонентского терминала состоит в том, чтобы получить из принятых сигналов s₁ и s₂. Сигналы r₁ и r₂ принимает приемник мобильного терминала. Для решения системы линейных уравнений (5.3) необходимо знать коэффициенты передач h_ij. Для этого каждая передающая антенна транслирует специальные заранее известные опорные сигналы, принимая которые приемник определяет массив коэффициентов передачи h_ij. В результате получаем:

где

Вычислив обратную матрицу H^-1, получаем

(5.4)

Система (5.4) представляет собой алгоритм работы ZF-приемника. Разделение приемником сигналов s₁ и s₂ возможно, если существует обратная матрица H^-1, то-есть, коэффициенты передачи h_ij между собой не коррелированы.

При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха. Для разделения потоков в приемнике необходимо, чтобы число приемных антенн N было не меньше числа передаваемых потоков данных. Если принять, что каждый поток идет через одну передающую антенну, то в соответствии с рис.5.2 N M. Теория и практика показывают, что с увеличением числа приемных антенн (например, при N=4 и М=2 в сравнении с вариантом N=2 и М=2) коэффициент ошибок снижается.

Опишем различные алгоритмы обработки сигналов в приемнике при пространственном мультиплексировании.

Алгоритм максимального правдоподобия. Приемник максимального правдоподобия выполняет векторное декодирование и является оптимальным в смысле минимизации вероятности ошибки. В приемнике производят перебор всех возможных вариантов переданного вектора s. При равной вероятности передачи любых вариантов s искомым сигналом считают , минимизирующий оценку:

(5.5)

Прямая реализация алгоритма при двух независимых потоках и модуляции 16-КАМ требует перебора 16² возможных состояний сигнала, при 4 потоках ‒ 16⁴, а при модуляции 64-КАМ 64⁴ состояний. Просмотр такого числа вариантов пока практически нереализуем, хотя методы сферического декодирования, требующие дополнительного совместного исследования матрицы Н и помех, позволяют существенно уменьшить зону поиска.

Линейные алгоритмы.

Линейные алгоритмы основаны на решении системы М линейных уравнений, получаемых путем псевдообращения матрицы коэффициентов Н (5.2). Этот алгоритм принято называть ZF (Zero-Forcing). Если матрица Н квадратная, то-есть, число независимых потоков данных М равно числу приемных антенн N, то вектор переданных сигналов s можно определить, умножив левую и правую части (5.1) на обратную матрицу H^-1 и решив следующую систему уравнений:

s = H^-1 × r – H^-1 × n (5.6)

Если число приемных антенн N больше числа принимаемых потоков данных М, то матрица Н становится прямоугольной размерностью N×М (Н_NM). В этом случае выполняют псевдообращение матрицы Н^MP по алгоритму Мура-Пенроуза, где используют матрицу Н^Н, эрмитово-сопряженную с матрицей Н. Матрицу Н^Н получают, транспонируя матрицу Н и заменяя все элементы h_ij на их комплексно-сопряженные значения. Оператор

(5.7)

имеет размерность М×N. Заменив в (4.6) H^-1 на Н^MP, получаем

s = Н^MP × r – Н^MP × n (5.8)

Оба варианта ZF-приемника (5.6) и (5.8) отличаются вычислительной простотой, но дают существенно худший результат в сравнении с алгоритмом максимального правдоподобия, поскольку после умножения Н^MP × n усиливается влияние помех.

С целью улучшения приема используют модифицированный ZF-алгоритм, получивший название MMSE (Minimum Mean Square Error). В MMSE-приемнике оператор Н^MP заменен оператором W_MMSE:

(5.9)

где - соотношение сигнал/помеха, а – единичная матрица размерности M.

Нелинейные алгоритмы.