Nasze pragnienie szybkości danych jest wręcz nienasycone. Już teraz niemalże nasycamy dostępne pasmo radiowe transmisjami, szczególnie w zatłoczonych miastach; jasnym jest, że konieczne są technologie mające na celu poprawić wydajność i prędkość transmisji danych z i do stacji bazowych telefonii komórkowej.
Stacje bazowe wyposażone są zazwyczaj w sporą ilość anten, które komunikują się jednocześnie z wieloma rozdzielonymi przestrzennie urządzeniami. Często wykorzystują do tego tą samą częstotliwość i zasoby, więc aby poprawić wydajność tej komunikacji konieczne jest stworzenie wielodrożnego systemu transmisji. Takie podejście do rozwiązania problemu niedostatku prędkości transmisji w sieciach bezprzewodowych określanie jest często jako massive MIMO (multiple-input, multiple-output - wiele wejść, wiele wyjść). Termin ten często pojawia się przy opisie nadchodzących technologii 5G, bardzo często w towarzystwie innego kluczowego dla tej technologii słowa beamforming. Zacznijmy jednak od podstaw - co to właściwie jest beamforming? na czym polega formowanie wiązki w systemie komunikacji radiowej?
Beamforming vs. Massive MIMO
Beamforming to pojęcie, które dla wielu osób oznacza zupełnie różne rzeczy. Beamforming, czyli formowanie wiązki po angielsku, to jak sama nazwa wskazuje możliwość formowania 'kształtu' emisji z anteny, tak aby dostosowana ona była dokładnie do potrzeb.
Wiele osób myśli, że formowanie wiązki polega na takim dobraniu relatywne amplitudy i fazy sygnału na poszczególnych antenach systemu, że wypromieniowywany sygnał ma kształt mniej-więcej taki, jak pokazano na rysunku 1. Dzięki zachowaniu spójności sygnałów interferują one ze sobą - konstruktywnie i destruktywnie - kształtując wiązkę fal radiowych w wymagany sposób. W przypadku tego rodzaju, klasycznego beamforming, nie uwzględnia się otoczenia odbiornika itp. To najprostszy, podstawowy rodzaj formowania wiązki, jaki wykorzystuje się w przemyśle telekomunikacyjnym.
Rys.1. Tradycyjny system beamformingu.
Systemy typu Massive MIMO uznane mogą być za układ formowania wiązki z ogólnym znaczeniu tego słowa, ale nie działają one tak, jak tradycyjne techniki formowania wiązki, opisane skrótowo powyżej. Słowo Massive w nazwie tej technologii odnosi się do liczby anten w systemie radiowym (niektóre stacje bazowe posiadać mogą 64 i więcej anten nadawczo-odbiorczych). MIMO z kolei dotyczy faktu, że wielu użytkowników, którzy oddzielenie są od siebie przestrzennie, są w stanie komunikować się z tą samą stacją bazową w tym samym czasie i na tej samej częstotliwości.
W typowych systemach Massive MIMO dodatkowo sygnały idąc z oraz do użytkownika systemu z stacji bazowej są dodatkowo filtrowane, dzięki czemu usuwa się z nich wpływ otoczenia, na przykład w postaci odbić sygnału od budynków etc. Do filtrowania tego rodzaju wykorzystuje się fakt, że sygnały niepochodzące od użytkownika, tj. na przykład odbite od przeszkód, będą charakteryzowały się pewnym opóźnieniem, tłumieniem etc. Inny będzie także kierunek z którego przyszły, jak pokazano na rysunku 2.
W systemach Massive MIMO nie ma konieczności, aby stacja bazowa i urządzenie się widziały. Wykorzystać można ten system do transmisji pośrednich, wykorzystujących odbicia etc.
Rys.2. Wielościeżkowe środowisko pomiędzy matrycą anten a użytkownikiem systemu.
Aby wykorzystać fakt, że transmisję można prowadzić wieloma ścieżkami, przestrzenny kanał w którym prowadzona będzie transmisja pomiędzy stacją bazową - matrycą antena - a użytkownikiem musi zostać scharakteryzowany. W literaturze charakteryzację taką opisuje się jako Informacje o Stanie Kanału (CSI). Efektywnie jest to zbiór funkcji przejścia dla każdej z anten w systemie. Informacje przestrzenne gromadzone są w macierzy (H) jak pokazano na rysunku 3. W kolejnej sekcji artykułu przyjrzymy się koncepcji CSI i temu, jak są one zbierane w fizycznym systemie. CSI jest bardzo ważne, ponieważ jest ono wykorzystywane do cyfrowego kodowania i dekodowania danych nadawanych i odbieranych przez macierz anten systemu.
[center]
Rys.3. Informacje o Stanie Kanału potrzebne do działania systemu Massive MIMO.
Charakteryzacja przestrzennego kanału pomiędzy stacją a użytkownikiem
Interesującą analogą do złożonego systemu Massive MIMO jest nasłuchowanie dźwięku pękającego balona, albo prościej - dowolnego, krótkiego dźwięku, który emitowany jest w jednym a nagrywany w drugim miejscu. Sytuację taką zaprezentowano schematycznie na rysunku 4. Informacje zawarte w nagraniu dźwięku eksplozji tego balonika są unikalne dla tej, konkretnej pozycji balonika jak i mikrofonu w przestrzeni. Dźwięk ten dociera do mikrofonu tak bezpośrednio, jak i pośrednio, dzięki odbiciom. Odbite dźwięku są stłumione i opóźnione względem bezpośrednich.
Rys.4. Analogia audio, która pokazuje czym jest przestrzenna charakteryzacja kanału.
Możemy rozszerzyć tą analogię dalej, aby uwzględnić w niej całą macierz anten. W tym wypadku potrzebne będzie nam więcej baloników, jak widoczne na rysunku 5. Aby scharakteryzować taki system będziemy przebijać po kolei poszczególne baloniki. Będą to telefonu komórkowe w naszej sieci, nadające dane do mikrofonu-stacji bazowej. Każdy zarejestrowany dźwięk będzie inny, z uwagi na inną pozycję balonika w przestrzeni
Na rysunku 6 zaprezentowano z kolei transmisje w drugą stronę. Teraz to telefony komórkowe są mikrofonami i nasłuchują dźwięku balonika, czyli transmisji ze strony bazowej. Do każdego z mikrofonu dźwięk dobiegnie inną trasą, przez co każdy telefon zarejestruje go inaczej.
Taka charakteryzacja jest, jak widać, dosyć czasochłonna.
Rys.5. Analogia audio - downlink.
Rys.6. Analogia audiio - uplink
W systemach RF wykorzystywane są, zamiast balonów, tzw. sygnały pilotażowe. Ich zadaniem jest charakteryzowanie kanałów transmisji bezprzewodowej, to jest pomiędzy matrycą anten w stacji bazowej i urządzeniem użytkownika i odwrotnie. Dzięki temu kanał jest obustronnie charakteryzowany, o ile oczywiście transmisja w obie strony wykorzystuje tą samą częstotliwość.
W systemach TDD (dupleks w funkcji czasu) uplink i downlink są transmitowane przy tej samej częstotliwości, co pozwala na przyjęcie założenia, że kanał jest symetryczny w obie strony, tzn przy transmisji danych z urządzenia jak i do urządzenia. W systemach FDD (z dupleksem w funkcji częstotliwości) założenie takie już nie może być poczynione.
Dzięki temu, że w systemach TDD kanał jest symetryczny, wystarczy scharakteryzować go w jedną stronę. Naturalnym kierunkiem jest tutaj uplink, czyli transmisja danych z urządzenia do stacji bazowej. Urządzenie wysyła sygnał, a poszczególne anteny w macierzy go odbierają co kończy charakteryzację przestrzenną kanału.
Złożoność charakteryzacji kanałów w systemie jest proporcjonalna do liczby urządzeń komunikujących się ze stacją bazową, a nie liczby anten w stacji bazowej. To krytyczna informacja, jako że urządzenia są mobilne, mogą się poruszać etc. Z uwagi na to charakteryzację poszczególnych kanałów trzeba często odświeżać.
Dodatkową zaletą charakteryzacji przestrzennej kanału sygnałami nadawanymi do stacji bazowej jest fakt, że dzięki temu wszystkie złożone obliczenia związane z wyznaczaniem funkcji przejścia dla poszczególnych anten są realizowane przez stację bazową (która dysponuje odpowiednią mocą obliczeniową).
Rys.7.Każde z urządzeń klienckich transmituje ortogonalne sygnały pilotażowe do stacji bazowej celem charakteryzacji przestrzennej kanału.
Teraz, gdy wiemy już jak generowane jest CSI, możemy zastanowić się, jak te informacje stosowane są do sygnałów danych w stacji bazowej. W pierwszej kolejności filtrowanie sygnałów, oparte musi być na CSI, co umożliwia zdekodowanie danych wysyłanych z anteny, dzięki czemu spójne sygnały, które do niej trafiają. Analogiczne filtrowanie przeprowadzane jest w drugą stronę. System tak filtruje sygnały RF dla poszczególnych anten, że trafią one dokładnie tam, gdzie znajduje się użytkownik. Dodatkowo, filtr nadawczy sumuje ze sobą liniowo dane dla wielu użytkowników, co umożliwia nadawanie uformowanych wiązek do kilku urządzeń naraz. Przyjrzyjmy się dokładniej sposobowi w jaki realizuje się te funkcje.
Algorytmy przetwarzania sygnałów w Massive MIMO
CSI opisywane jest w systemie z pomocą macierzy oznaczonej H. W oparciu o tą macierz wyznaczane są macierze potrzebne do kodowania i dekodowania danych. Istnieje większa ilość metod wyznaczania macierzy do przetwarzania danych, jednakże w tym artykule skupimy się na linowych sposobach ich obliczania. Metody liniowe kodowania i dekodowania opierają się na jednej z metod: obliczaniu maksymalnego stosunku (MR), wymuszaniu zer (ZF) oraz minimalnego błędu średniokwadratowego (MMSE). Oczywiście w poniższym materiale nie zawarto opisu całych mechanizmów wyznaczania macierzy kodowania i dekodowania, jednakże omówimy w jaki sposób wpływają one na optymalizację działania systemu. Omówione zostaną wady i zalety poszczególnych metod.
Na rysunku 8 i rysunku 9 pokazano w jaki sposób macierze kodowania/dekodowania działają przy, odpowiednio uplinku i downlinku w każdej z trzech wymienionych powyżej metod. Dodatkowo, czego nie pokazano na rysunku, dla uproszczenia, w przypadku kodowania danych dodawana może być macierz do skalowania i normalizacji danych.
Rys.8. Przetwarzanie sygnałów w uplinku.
Rys.9. Przetwarzanie sygnałów w downlinku.
Filtrowanie z wykorzystaniem metody maksymalnego stosunku, jak sama nazwa wskazuje, pozwala na osiągnięcie maksymalnego stosunku sygnału do szumu. To najprostsze podejście z punktu widzenia przetwarzania sygnałów, jako że macierze kodowania i dekodowania generuje się wykorzystując sprzężenie i transpozycję macierzy H. Największą wadą tej metody jest ignorowanie podczas obliczeń interferencji użytkownika.
Metoda kodowania z wymuszeniem zera pozwala na minimalizację problemu interferencji, gdyż jako jedno z kryteriów przyjmuje się właśnie ich minimalizację. Macierze kodowania i dekodowania otrzymuje się przez pseudoodwrócenie macierzy H. Obliczanie takiej pseudoodwróconej macierzy jest bardziej kosztowne obliczeniowo niż sprzężenie hermitowskie w przypadku MW, ale pozwala na skupieniu się na minimalizacji interferencji odbieranych sygnałów na wejściu.
Z kolei w metodzie MMSE chodzi uzyskanie największego wzmocnienia sygnału przy jednoczesnej redukcji interferencji. Metoda ta wykorzystuje bardzo holistyczne podejście, jednakże kosztem mocy obliczeniowej. Metoda MMSE dodaje do metod optymalizacji współczynnik regularyzacji, oznaczony β na rysunku 8 i 9. Pozwala on na zbalansowanie optymalizacji kowariancji szumu i emitowanej mocy. Czasami w literaturze określa się tą metodę z zregularyzowanym wymuszeniem zer.
Powyższa lista metod kodowania/dekodowania nie wyczerpuje tematu tych technik, jednakże daje dobry ogląd na podstawowe metody podejścia liniowego do tego tematu. Istnieją jeszcze nieliniowe metody rozwiązywania tego problemu, jednakże są one bardziej złożone i mniej optymalne, w związki z czym są rzadko implementowane. Zazwyczaj do realnie stosowanych systemów Massive MIMO metody liniowe są zupełnie wystarczające, szczególnie w systemach o bardzo dużej liczbie anten.
Wybór metody obliczania macierzy kodowania i dekodowania zależny jest m.in. od dostępnej mocy obliczeniowej w stacji bazowej, liczby anten, przewidywanej liczby użytkowników czy czynników środowiskowych. Na przykład w systemach z bardzo dużą liczb ante, gdzie jest ich więcej niż użytkowników, podejście MR okazuje się zazwyczaj dostatecznie skuteczne.
Problemy w implementowaniu Massive MIMO
Podczas implementacji Massive MIMO w realnym urządzeniu pojawiają się kolejne problemy, które koniecznie trzeba rozważyć. Weźmy jako przykład stację bazową z macierzą 32 anten nadających (Tx) oraz 32 odbiorczych (Rx), które pracują na przykład w pasmie 3,5 GHz. W naszym systemie będą zatem 64 kanały RF. Poszczególne anteny muszą być oddalone od siebie o 4,2 cm przy tej częstotliwości pracy. Gdy spojrzymy na ten system pod względem konstrukcyjnym, okazuje się, że taka stacja bazowa musi mieć bardzo kompaktową budowę - w jednym panelu umieścić trzeba całkiem dużo elektroniki, a jego wymiary są zdefiniowane długością fali nadajnika. Konieczne jest w związku z dużą ilości elektroniki rozpraszanie sporej mocy, a co za tym idzie praca w warunkach podwyższonej temperatury. Firma Analog Devices oferuje doskonałe rozwiązanie wielu z tych problemów - scalony transceiver AD9371. Układ ten omówiony zostanie bliżej w dalszej części artykułu.
W artykule wspominaliśmy wcześniej o symetryczności kanału transmisyjnego, to znaczy o fakcie, że downlink i uplink, gdy pracują przy tej samej częstotliwości mają taki sam rozkład przestrzenny. Zmniejsza to istotnie problemy związane z obliczaniem funkcji przejścia w stacji bazowej. Na rysunku 10 pokazano realny kanał downlinkowy. Dzieli się on na trzy części, kanał radiowy - transmisji bezprzewodowej (oznaczone H), odpowiedź impulsową stacji bazowej na odbierany sygnał RF (TBS) oraz odpowiedź impulsową urządzenia klienckiego (RUE).
Analogicznie w przypadku uplinku, RBS charakteryzuje stacje bazową a TUE urządzenie klienckie. O ile jeślli chodzi o kanał oznaczony H zasada symetrii może być uznana za w pełni prawdziwą, to w przypadku sprzętowej części systemu - elektroniki w nadajniku i odbiorniku - symetria nie musi być zachowana. Tor radiowy wprowadza do obu sygnałów pewne zniekształcenia - różne dla downlinku i uplinku. Wynika to z kiepskiego dopasowania ścieżek, słabej synchronizacji pomiędzy kanałami RF oraz dryftu termicznego wewnątrz urządzenia.
Rys.10. Rzeczywisty kanał downlinku.
Wykorzystanie wspólnego, zsynchronizowanego zegara odniesienia dla lokalnych oscylatorów pętli PLL poszczególnych torów RF oraz synchronizacja SYSREFów w pasmie bazowym sygnałów JESD204B pomoże w synchronizacji poszczególnych torów RF oraz ograniczy opóźnienia pomiędzy torami. Jednakże nadal pomiędzy poszczególnymi kanałami będzie występowała pewna różnica faz podczas rozruchu systemu. Dryft termiczny poszczególnych sekcji urządzenia jest w stanie dalej zróżnicować fazy poszczególnych torów radiowych w stacji bazowej. Konieczna jest okresowa kalibracja - synchronizacja, aby urządzenie mogło poprawnie działać. Dzięki temu wykorzystywać można zasadę symetrii kanału transmisyjnego, gdyż zsynchronizowana stacja bazowa jest przeźroczysta dla zależności fazowy pomiędzy poszczególnymi torami. Dzięki temu praca stacji bazowej jest prostsza i mniej wymagająca numerycznie, gdyż nie trzeba uwzględniać wpływu torów radiowych stacji bazowej - TBS oraz RBS - na charakter przestrzenny kanału (CSI).
Istnieje szereg różnych metodologii kalibrowania tego typu systemów. Jedne z nich wykorzystują referencyjną antenę, umieszczoną w dobrze zdefiniowanym punkcie w przestrzeni. Jest ona wykorzystywana do kalibracji obu torów radiowych - downlinku i uplinku. Zadać trzeba sobie jednak pytanie, na ile umieszczenie anteny kalibracyjnej przed stacją bazową jest praktyczne w realnej aplikacji w terenie...
Inną metodą, jaka może być zastosowana, jest wykorzystanie sztywnych zależności przestrzennych pomiędzy poszczególnymi antenami w macierzy. Tego rodzaju rozwiązanie jest dosyć praktyczne, gdyż nie wymaga dodatkowych elementów zewnętrznych - wystarczy nadawać sygnał z części anten w systemie, a odbierać go innymi. Pozwoli to na zsynchronizowanie poszczególnych torów RF ze sobą.
Finalnie, można zmodyfikować powyższe rozwiązanie komutując sygnały pomiędzy transceiverami, z pominięciem anten w systemie. Jakkolwiek takie rozwiązanie zwiększa złożoność urządzenia to zapewnia najbardziej niezawodne rozwiązanie. W tego rodzaju systemie pojedynczy tor nadawczy generuje sygnał synchronizujący, który odbierany jest przez inne tory RF w układzie.
Jako że efekty termiczne są raczej powolne w układzie, to opisanej powyżej kalibracji nie trzeba robić za często; na pewno nie tak często jak charakteryzacja kanałów przestrzennych w systemie.
Transceivery Analog Devices i systemy Massive MIMO
Rodzina scalonych transceiverów Analog Devices to idealnie dostosowane do potrzeb złożonych aplikacji układy, które pozwalają na konstrukcję gęsto upakowanych torów RF. AD9371 posiada po dwa tory nadawania i odbioru oraz dodatkowy tor odbioru dedykowany do do obserwacji kanału. W układ wbudowano trzy pętle PLL o ułamkowym podziale częstotliwości, do generacji oscylatora lokalnego. Wszystko to w niewielkim układzie scalonym o wymiarach zaledwie 12 mm x 12 mm. Wysoki poziom integracji tego układu sprawia, że nie ma on sobie równych w branży, szczególnie przy jego niskiej cenie.
Przykładowa aplikacja wielotorowa oparta o AD9371 pokazana jest na rysunku 11/ Jest to system posiadający 32 tory nadawania i 32 tory odbioru. Dodatkowo w systemie wintegrowano trzy zegary AD9528, dostarczające sygnałów taktujących dla pętli PLL transceiverów i odbiorników JESD204B. AD9528 to dwustopniowa pętla PLL z 14 wyjściami LVDS/HSTL i zintegrowanym generatorem SYSREF dla JESD204B dla synchronizacji wielu układów.
Rys.11. Schemat blokowy systemu Massive MIMO składającego się z 32 kanałów Tx i 32 Rx, opartych o transceivery AD9371.
Podsumowanie
Systemy multipleksowania przestrzennego Massive MIMO mają ogromną szansę zrewolucjonizować komunikację bezprzewodową, szczególnie telefonię komórkową w dużych miastach. Pozwolą one na zwiększenie pojemności sieci i wydajności w miejscach, gdzie znajduje się bardzo dużo urządzeń klienckich. Dzięki możliwości realizacji wielotorowej transmisji systemy te pozwalają na obsługę wielu telefonów komórkowych naraz bardzo oszczędnie gospodarując pasmem i częstotliwościami.
Z uwagi na symetrię kanałów, wszystkie złożone obliczenia prowadzone są przez stację bazową, a charakteryzacja kanału wykonywana jest tylko w uplinku. Dzięki rodzinie układów RadioVerse firmy Analog Devices konstrukcja kompaktowych stacji bazowych z gęsto upakowanymi kanałami RF nigdy nie była prostsza. Tego rodzaju systemy idealnie nadają się do implementacji w systemach Massive MIMO.
Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/massive-mimo-and-beamforming-the-signal-processing-behind-the-5g-buzzwords.html
Stacje bazowe wyposażone są zazwyczaj w sporą ilość anten, które komunikują się jednocześnie z wieloma rozdzielonymi przestrzennie urządzeniami. Często wykorzystują do tego tą samą częstotliwość i zasoby, więc aby poprawić wydajność tej komunikacji konieczne jest stworzenie wielodrożnego systemu transmisji. Takie podejście do rozwiązania problemu niedostatku prędkości transmisji w sieciach bezprzewodowych określanie jest często jako massive MIMO (multiple-input, multiple-output - wiele wejść, wiele wyjść). Termin ten często pojawia się przy opisie nadchodzących technologii 5G, bardzo często w towarzystwie innego kluczowego dla tej technologii słowa beamforming. Zacznijmy jednak od podstaw - co to właściwie jest beamforming? na czym polega formowanie wiązki w systemie komunikacji radiowej?
Beamforming vs. Massive MIMO
Beamforming to pojęcie, które dla wielu osób oznacza zupełnie różne rzeczy. Beamforming, czyli formowanie wiązki po angielsku, to jak sama nazwa wskazuje możliwość formowania 'kształtu' emisji z anteny, tak aby dostosowana ona była dokładnie do potrzeb.
Wiele osób myśli, że formowanie wiązki polega na takim dobraniu relatywne amplitudy i fazy sygnału na poszczególnych antenach systemu, że wypromieniowywany sygnał ma kształt mniej-więcej taki, jak pokazano na rysunku 1. Dzięki zachowaniu spójności sygnałów interferują one ze sobą - konstruktywnie i destruktywnie - kształtując wiązkę fal radiowych w wymagany sposób. W przypadku tego rodzaju, klasycznego beamforming, nie uwzględnia się otoczenia odbiornika itp. To najprostszy, podstawowy rodzaj formowania wiązki, jaki wykorzystuje się w przemyśle telekomunikacyjnym.
Rys.1. Tradycyjny system beamformingu.
Systemy typu Massive MIMO uznane mogą być za układ formowania wiązki z ogólnym znaczeniu tego słowa, ale nie działają one tak, jak tradycyjne techniki formowania wiązki, opisane skrótowo powyżej. Słowo Massive w nazwie tej technologii odnosi się do liczby anten w systemie radiowym (niektóre stacje bazowe posiadać mogą 64 i więcej anten nadawczo-odbiorczych). MIMO z kolei dotyczy faktu, że wielu użytkowników, którzy oddzielenie są od siebie przestrzennie, są w stanie komunikować się z tą samą stacją bazową w tym samym czasie i na tej samej częstotliwości.
W typowych systemach Massive MIMO dodatkowo sygnały idąc z oraz do użytkownika systemu z stacji bazowej są dodatkowo filtrowane, dzięki czemu usuwa się z nich wpływ otoczenia, na przykład w postaci odbić sygnału od budynków etc. Do filtrowania tego rodzaju wykorzystuje się fakt, że sygnały niepochodzące od użytkownika, tj. na przykład odbite od przeszkód, będą charakteryzowały się pewnym opóźnieniem, tłumieniem etc. Inny będzie także kierunek z którego przyszły, jak pokazano na rysunku 2.
W systemach Massive MIMO nie ma konieczności, aby stacja bazowa i urządzenie się widziały. Wykorzystać można ten system do transmisji pośrednich, wykorzystujących odbicia etc.
Rys.2. Wielościeżkowe środowisko pomiędzy matrycą anten a użytkownikiem systemu.
Aby wykorzystać fakt, że transmisję można prowadzić wieloma ścieżkami, przestrzenny kanał w którym prowadzona będzie transmisja pomiędzy stacją bazową - matrycą antena - a użytkownikiem musi zostać scharakteryzowany. W literaturze charakteryzację taką opisuje się jako Informacje o Stanie Kanału (CSI). Efektywnie jest to zbiór funkcji przejścia dla każdej z anten w systemie. Informacje przestrzenne gromadzone są w macierzy (H) jak pokazano na rysunku 3. W kolejnej sekcji artykułu przyjrzymy się koncepcji CSI i temu, jak są one zbierane w fizycznym systemie. CSI jest bardzo ważne, ponieważ jest ono wykorzystywane do cyfrowego kodowania i dekodowania danych nadawanych i odbieranych przez macierz anten systemu.
[center]
Rys.3. Informacje o Stanie Kanału potrzebne do działania systemu Massive MIMO.
Charakteryzacja przestrzennego kanału pomiędzy stacją a użytkownikiem
Interesującą analogą do złożonego systemu Massive MIMO jest nasłuchowanie dźwięku pękającego balona, albo prościej - dowolnego, krótkiego dźwięku, który emitowany jest w jednym a nagrywany w drugim miejscu. Sytuację taką zaprezentowano schematycznie na rysunku 4. Informacje zawarte w nagraniu dźwięku eksplozji tego balonika są unikalne dla tej, konkretnej pozycji balonika jak i mikrofonu w przestrzeni. Dźwięk ten dociera do mikrofonu tak bezpośrednio, jak i pośrednio, dzięki odbiciom. Odbite dźwięku są stłumione i opóźnione względem bezpośrednich.
Rys.4. Analogia audio, która pokazuje czym jest przestrzenna charakteryzacja kanału.
Możemy rozszerzyć tą analogię dalej, aby uwzględnić w niej całą macierz anten. W tym wypadku potrzebne będzie nam więcej baloników, jak widoczne na rysunku 5. Aby scharakteryzować taki system będziemy przebijać po kolei poszczególne baloniki. Będą to telefonu komórkowe w naszej sieci, nadające dane do mikrofonu-stacji bazowej. Każdy zarejestrowany dźwięk będzie inny, z uwagi na inną pozycję balonika w przestrzeni
Na rysunku 6 zaprezentowano z kolei transmisje w drugą stronę. Teraz to telefony komórkowe są mikrofonami i nasłuchują dźwięku balonika, czyli transmisji ze strony bazowej. Do każdego z mikrofonu dźwięk dobiegnie inną trasą, przez co każdy telefon zarejestruje go inaczej.
Taka charakteryzacja jest, jak widać, dosyć czasochłonna.
Rys.5. Analogia audio - downlink.
Rys.6. Analogia audiio - uplink
W systemach RF wykorzystywane są, zamiast balonów, tzw. sygnały pilotażowe. Ich zadaniem jest charakteryzowanie kanałów transmisji bezprzewodowej, to jest pomiędzy matrycą anten w stacji bazowej i urządzeniem użytkownika i odwrotnie. Dzięki temu kanał jest obustronnie charakteryzowany, o ile oczywiście transmisja w obie strony wykorzystuje tą samą częstotliwość.
W systemach TDD (dupleks w funkcji czasu) uplink i downlink są transmitowane przy tej samej częstotliwości, co pozwala na przyjęcie założenia, że kanał jest symetryczny w obie strony, tzn przy transmisji danych z urządzenia jak i do urządzenia. W systemach FDD (z dupleksem w funkcji częstotliwości) założenie takie już nie może być poczynione.
Dzięki temu, że w systemach TDD kanał jest symetryczny, wystarczy scharakteryzować go w jedną stronę. Naturalnym kierunkiem jest tutaj uplink, czyli transmisja danych z urządzenia do stacji bazowej. Urządzenie wysyła sygnał, a poszczególne anteny w macierzy go odbierają co kończy charakteryzację przestrzenną kanału.
Złożoność charakteryzacji kanałów w systemie jest proporcjonalna do liczby urządzeń komunikujących się ze stacją bazową, a nie liczby anten w stacji bazowej. To krytyczna informacja, jako że urządzenia są mobilne, mogą się poruszać etc. Z uwagi na to charakteryzację poszczególnych kanałów trzeba często odświeżać.
Dodatkową zaletą charakteryzacji przestrzennej kanału sygnałami nadawanymi do stacji bazowej jest fakt, że dzięki temu wszystkie złożone obliczenia związane z wyznaczaniem funkcji przejścia dla poszczególnych anten są realizowane przez stację bazową (która dysponuje odpowiednią mocą obliczeniową).
Rys.7.Każde z urządzeń klienckich transmituje ortogonalne sygnały pilotażowe do stacji bazowej celem charakteryzacji przestrzennej kanału.
Teraz, gdy wiemy już jak generowane jest CSI, możemy zastanowić się, jak te informacje stosowane są do sygnałów danych w stacji bazowej. W pierwszej kolejności filtrowanie sygnałów, oparte musi być na CSI, co umożliwia zdekodowanie danych wysyłanych z anteny, dzięki czemu spójne sygnały, które do niej trafiają. Analogiczne filtrowanie przeprowadzane jest w drugą stronę. System tak filtruje sygnały RF dla poszczególnych anten, że trafią one dokładnie tam, gdzie znajduje się użytkownik. Dodatkowo, filtr nadawczy sumuje ze sobą liniowo dane dla wielu użytkowników, co umożliwia nadawanie uformowanych wiązek do kilku urządzeń naraz. Przyjrzyjmy się dokładniej sposobowi w jaki realizuje się te funkcje.
Algorytmy przetwarzania sygnałów w Massive MIMO
CSI opisywane jest w systemie z pomocą macierzy oznaczonej H. W oparciu o tą macierz wyznaczane są macierze potrzebne do kodowania i dekodowania danych. Istnieje większa ilość metod wyznaczania macierzy do przetwarzania danych, jednakże w tym artykule skupimy się na linowych sposobach ich obliczania. Metody liniowe kodowania i dekodowania opierają się na jednej z metod: obliczaniu maksymalnego stosunku (MR), wymuszaniu zer (ZF) oraz minimalnego błędu średniokwadratowego (MMSE). Oczywiście w poniższym materiale nie zawarto opisu całych mechanizmów wyznaczania macierzy kodowania i dekodowania, jednakże omówimy w jaki sposób wpływają one na optymalizację działania systemu. Omówione zostaną wady i zalety poszczególnych metod.
Na rysunku 8 i rysunku 9 pokazano w jaki sposób macierze kodowania/dekodowania działają przy, odpowiednio uplinku i downlinku w każdej z trzech wymienionych powyżej metod. Dodatkowo, czego nie pokazano na rysunku, dla uproszczenia, w przypadku kodowania danych dodawana może być macierz do skalowania i normalizacji danych.
Rys.8. Przetwarzanie sygnałów w uplinku.
Rys.9. Przetwarzanie sygnałów w downlinku.
Filtrowanie z wykorzystaniem metody maksymalnego stosunku, jak sama nazwa wskazuje, pozwala na osiągnięcie maksymalnego stosunku sygnału do szumu. To najprostsze podejście z punktu widzenia przetwarzania sygnałów, jako że macierze kodowania i dekodowania generuje się wykorzystując sprzężenie i transpozycję macierzy H. Największą wadą tej metody jest ignorowanie podczas obliczeń interferencji użytkownika.
Metoda kodowania z wymuszeniem zera pozwala na minimalizację problemu interferencji, gdyż jako jedno z kryteriów przyjmuje się właśnie ich minimalizację. Macierze kodowania i dekodowania otrzymuje się przez pseudoodwrócenie macierzy H. Obliczanie takiej pseudoodwróconej macierzy jest bardziej kosztowne obliczeniowo niż sprzężenie hermitowskie w przypadku MW, ale pozwala na skupieniu się na minimalizacji interferencji odbieranych sygnałów na wejściu.
Z kolei w metodzie MMSE chodzi uzyskanie największego wzmocnienia sygnału przy jednoczesnej redukcji interferencji. Metoda ta wykorzystuje bardzo holistyczne podejście, jednakże kosztem mocy obliczeniowej. Metoda MMSE dodaje do metod optymalizacji współczynnik regularyzacji, oznaczony β na rysunku 8 i 9. Pozwala on na zbalansowanie optymalizacji kowariancji szumu i emitowanej mocy. Czasami w literaturze określa się tą metodę z zregularyzowanym wymuszeniem zer.
Powyższa lista metod kodowania/dekodowania nie wyczerpuje tematu tych technik, jednakże daje dobry ogląd na podstawowe metody podejścia liniowego do tego tematu. Istnieją jeszcze nieliniowe metody rozwiązywania tego problemu, jednakże są one bardziej złożone i mniej optymalne, w związki z czym są rzadko implementowane. Zazwyczaj do realnie stosowanych systemów Massive MIMO metody liniowe są zupełnie wystarczające, szczególnie w systemach o bardzo dużej liczbie anten.
Wybór metody obliczania macierzy kodowania i dekodowania zależny jest m.in. od dostępnej mocy obliczeniowej w stacji bazowej, liczby anten, przewidywanej liczby użytkowników czy czynników środowiskowych. Na przykład w systemach z bardzo dużą liczb ante, gdzie jest ich więcej niż użytkowników, podejście MR okazuje się zazwyczaj dostatecznie skuteczne.
Problemy w implementowaniu Massive MIMO
Podczas implementacji Massive MIMO w realnym urządzeniu pojawiają się kolejne problemy, które koniecznie trzeba rozważyć. Weźmy jako przykład stację bazową z macierzą 32 anten nadających (Tx) oraz 32 odbiorczych (Rx), które pracują na przykład w pasmie 3,5 GHz. W naszym systemie będą zatem 64 kanały RF. Poszczególne anteny muszą być oddalone od siebie o 4,2 cm przy tej częstotliwości pracy. Gdy spojrzymy na ten system pod względem konstrukcyjnym, okazuje się, że taka stacja bazowa musi mieć bardzo kompaktową budowę - w jednym panelu umieścić trzeba całkiem dużo elektroniki, a jego wymiary są zdefiniowane długością fali nadajnika. Konieczne jest w związku z dużą ilości elektroniki rozpraszanie sporej mocy, a co za tym idzie praca w warunkach podwyższonej temperatury. Firma Analog Devices oferuje doskonałe rozwiązanie wielu z tych problemów - scalony transceiver AD9371. Układ ten omówiony zostanie bliżej w dalszej części artykułu.
W artykule wspominaliśmy wcześniej o symetryczności kanału transmisyjnego, to znaczy o fakcie, że downlink i uplink, gdy pracują przy tej samej częstotliwości mają taki sam rozkład przestrzenny. Zmniejsza to istotnie problemy związane z obliczaniem funkcji przejścia w stacji bazowej. Na rysunku 10 pokazano realny kanał downlinkowy. Dzieli się on na trzy części, kanał radiowy - transmisji bezprzewodowej (oznaczone H), odpowiedź impulsową stacji bazowej na odbierany sygnał RF (TBS) oraz odpowiedź impulsową urządzenia klienckiego (RUE).
Analogicznie w przypadku uplinku, RBS charakteryzuje stacje bazową a TUE urządzenie klienckie. O ile jeślli chodzi o kanał oznaczony H zasada symetrii może być uznana za w pełni prawdziwą, to w przypadku sprzętowej części systemu - elektroniki w nadajniku i odbiorniku - symetria nie musi być zachowana. Tor radiowy wprowadza do obu sygnałów pewne zniekształcenia - różne dla downlinku i uplinku. Wynika to z kiepskiego dopasowania ścieżek, słabej synchronizacji pomiędzy kanałami RF oraz dryftu termicznego wewnątrz urządzenia.
Rys.10. Rzeczywisty kanał downlinku.
Wykorzystanie wspólnego, zsynchronizowanego zegara odniesienia dla lokalnych oscylatorów pętli PLL poszczególnych torów RF oraz synchronizacja SYSREFów w pasmie bazowym sygnałów JESD204B pomoże w synchronizacji poszczególnych torów RF oraz ograniczy opóźnienia pomiędzy torami. Jednakże nadal pomiędzy poszczególnymi kanałami będzie występowała pewna różnica faz podczas rozruchu systemu. Dryft termiczny poszczególnych sekcji urządzenia jest w stanie dalej zróżnicować fazy poszczególnych torów radiowych w stacji bazowej. Konieczna jest okresowa kalibracja - synchronizacja, aby urządzenie mogło poprawnie działać. Dzięki temu wykorzystywać można zasadę symetrii kanału transmisyjnego, gdyż zsynchronizowana stacja bazowa jest przeźroczysta dla zależności fazowy pomiędzy poszczególnymi torami. Dzięki temu praca stacji bazowej jest prostsza i mniej wymagająca numerycznie, gdyż nie trzeba uwzględniać wpływu torów radiowych stacji bazowej - TBS oraz RBS - na charakter przestrzenny kanału (CSI).
Istnieje szereg różnych metodologii kalibrowania tego typu systemów. Jedne z nich wykorzystują referencyjną antenę, umieszczoną w dobrze zdefiniowanym punkcie w przestrzeni. Jest ona wykorzystywana do kalibracji obu torów radiowych - downlinku i uplinku. Zadać trzeba sobie jednak pytanie, na ile umieszczenie anteny kalibracyjnej przed stacją bazową jest praktyczne w realnej aplikacji w terenie...
Inną metodą, jaka może być zastosowana, jest wykorzystanie sztywnych zależności przestrzennych pomiędzy poszczególnymi antenami w macierzy. Tego rodzaju rozwiązanie jest dosyć praktyczne, gdyż nie wymaga dodatkowych elementów zewnętrznych - wystarczy nadawać sygnał z części anten w systemie, a odbierać go innymi. Pozwoli to na zsynchronizowanie poszczególnych torów RF ze sobą.
Finalnie, można zmodyfikować powyższe rozwiązanie komutując sygnały pomiędzy transceiverami, z pominięciem anten w systemie. Jakkolwiek takie rozwiązanie zwiększa złożoność urządzenia to zapewnia najbardziej niezawodne rozwiązanie. W tego rodzaju systemie pojedynczy tor nadawczy generuje sygnał synchronizujący, który odbierany jest przez inne tory RF w układzie.
Jako że efekty termiczne są raczej powolne w układzie, to opisanej powyżej kalibracji nie trzeba robić za często; na pewno nie tak często jak charakteryzacja kanałów przestrzennych w systemie.
Transceivery Analog Devices i systemy Massive MIMO
Rodzina scalonych transceiverów Analog Devices to idealnie dostosowane do potrzeb złożonych aplikacji układy, które pozwalają na konstrukcję gęsto upakowanych torów RF. AD9371 posiada po dwa tory nadawania i odbioru oraz dodatkowy tor odbioru dedykowany do do obserwacji kanału. W układ wbudowano trzy pętle PLL o ułamkowym podziale częstotliwości, do generacji oscylatora lokalnego. Wszystko to w niewielkim układzie scalonym o wymiarach zaledwie 12 mm x 12 mm. Wysoki poziom integracji tego układu sprawia, że nie ma on sobie równych w branży, szczególnie przy jego niskiej cenie.
Przykładowa aplikacja wielotorowa oparta o AD9371 pokazana jest na rysunku 11/ Jest to system posiadający 32 tory nadawania i 32 tory odbioru. Dodatkowo w systemie wintegrowano trzy zegary AD9528, dostarczające sygnałów taktujących dla pętli PLL transceiverów i odbiorników JESD204B. AD9528 to dwustopniowa pętla PLL z 14 wyjściami LVDS/HSTL i zintegrowanym generatorem SYSREF dla JESD204B dla synchronizacji wielu układów.
Rys.11. Schemat blokowy systemu Massive MIMO składającego się z 32 kanałów Tx i 32 Rx, opartych o transceivery AD9371.
Podsumowanie
Systemy multipleksowania przestrzennego Massive MIMO mają ogromną szansę zrewolucjonizować komunikację bezprzewodową, szczególnie telefonię komórkową w dużych miastach. Pozwolą one na zwiększenie pojemności sieci i wydajności w miejscach, gdzie znajduje się bardzo dużo urządzeń klienckich. Dzięki możliwości realizacji wielotorowej transmisji systemy te pozwalają na obsługę wielu telefonów komórkowych naraz bardzo oszczędnie gospodarując pasmem i częstotliwościami.
Z uwagi na symetrię kanałów, wszystkie złożone obliczenia prowadzone są przez stację bazową, a charakteryzacja kanału wykonywana jest tylko w uplinku. Dzięki rodzinie układów RadioVerse firmy Analog Devices konstrukcja kompaktowych stacji bazowych z gęsto upakowanymi kanałami RF nigdy nie była prostsza. Tego rodzaju systemy idealnie nadają się do implementacji w systemach Massive MIMO.
Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/massive-mimo-and-beamforming-the-signal-processing-behind-the-5g-buzzwords.html
Cool? Ranking DIY
