УДК 621.396.1

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ MIMO ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Пилипенко Александр Михайлович
Южный федеральный университет
кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Аннотация
В работе рассмотрены возможности применения многоэлементных антенных систем для повышения скорости передачи данных в сетях связи четвертого поколения. Приведены соотношения для расчета пиковой скорости передачи данных при использовании технологий SISO, SIMO, MISO и MIMO. Выполнена оценка зависимости скорости передачи данных от уровня аддитивного шума и интерференционных помех.

Ключевые слова: многоэлементные антенные системы, пропускная способность, сети связи, скорость передачи данных, технология MIMO


FEATURES OF THE APPLICATION OF MIMO TECHNOLOGY TO INCREASE THE CAPACITY OF WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS

Pilipenko Alexandr Mikhailovich
Southern Federal University
candidate of Engineering Science, Associate Professor of the Department of Fundamentals of Radio Engineering

Abstract
In the paper the possibilities of multi-element antenna systems to increase the data rate of the fourth generation networks are discussed. The expressions for calculation of peak data rate by using technologies SISO, SIMO, MISO and MIMO are presented. The estimation of data rate depending on the level of additive and interference noise is performed.

Keywords: communication networks, data rate, MIMO technology, multielement antenna systems, network capacity, spectral efficiency


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Пилипенко А.М. Особенности применения технологии MIMO для повышения пропускной способности беспроводных сетей связи // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/60066 (дата обращения: 19.11.2016).

Для повышения пропускной способности в системах связи четвертого поколения применяют методы пространственного кодирования сигнала (Multiple Input / Multiple Output – MIMO) и ортогонального частотного уплотнения (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing – OFDM). При использовании технологии MIMO (множественный вход – множественный выход) передача и прием данных осуществляется с помощью
многоэлементных антенных систем, которые обеспечивают увеличение скорости передачи информации за счет пространственного разнесения сигналов и применения ортогональных частот и кодов [1 – 3].

В технологии OFDM вместо высокоскоростной модуляции одной несущей применяется модуляция набора поднесущих, при которой весь диапазон частот разбивается на несколько ортогональных частот и поток данных делится на группы, использующиеся для одновременной модуляции каждой поднесущей. Число поднесущих частот в одном частотном канале выбирают достаточно большим – от десятков до тысяч. Каждая из поднесущих модулируется посредством многоуровневой квадратурной модуляции. Очевидно, что системы, использующие технологию OFDM, хорошо совместимы с технологией MIMO.

Рассмотрим особенности применения технологии MIMO для повышения пропускной способности (максимальной скорости передачи данных) сети. Наиболее распространенный вариант технологии MIMO основан на применении пространственно-временного кодирования (Space-Time Coding – STC) [4]. Упрощенная схема, поясняющая алгоритм пространственно-временного кодирования при передаче данных двумя антеннами, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная схема алгоритма STC

Система связи, основанная на технологии MIMO, имеет Mпрд передающих антенн и Mпр приемных антенн (Mпрд > 1 и Mпр > 1). Последовательный поток передаваемых информационных сигналов с помощью демультиплексора разбивается на Mпрд параллельных подпотоков. Каждый подпоток кодируется специальным пространственно-временным кодом и после модуляции излучается в пространство соответствующей антенной. Следует отметить, что все Mпрд параллельных подпотоков излучаются одновременно в одной и той же полосе частот.

Все разновидности технологии MIMO направлены на достижение одной цели – увеличение пропускной способности сетей связи за счет улучшения помехоустойчивости. Физический смысл возможности увеличения скорости передачи данных можно пояснить с помощью формулы Шеннона, в соответствии с которой
для однолучевого канала SISO (Single Input / Single Output), где имеется одна передающая и одна приемная антенна (Mпрд = Mпр = 1), справедливо следующее выражение для пиковой скорости передачи данных:

,    (1)

 

где F – полоса частот канала; h – отношение сигнал/шум на входе приемника.

При использовании технологии MIMO (Mпрд > 1 и Mпр > 1) пиковая скорость передачи данных определяется выражением [4]

,    (2)


где М = min{МпрдМпр}.

Для технологии SIMO (Single Input / Multiple Output), когда имеется только одна передающая и > 1 приемных антенн (Mпрд = 1, Mпр = M) и для технологии MISO (Multiple Input / Single Output), где только одна приемная и > 1 передающих антенн (Mпрд = M, Mпр = 1) при известной матрице канала на передающей стороне, пиковая скорость передачи данных имеет логарифмическую зависимость от M [5]:

.    (3)


Формулы (1) – (3) позволяют учесть влияние аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) на скорость передачи данных в сети LTE с различными конфигурациями антенных систем.

На рис. 2 показаны графики зависимостей пиковой скорости передачи информации в полосе частот F = 10 МГц от отношения сигнал/шум при использовании технологии SISO (Mпрд = Mпр = 1), а также при различных режимах SIMO (SIMO1x2: Mпрд = 1, Mпр = 2; SIMO1x4: Mпрд = 1, Mпр = 4) и MIMO (MIMO2x2: Mпрд = Mпр = 2; MIMO4x4: Mпрд = Mпр = 4).

Рис. 2. Зависимости пиковой скорости передачи информации в полосе частот F = 10 МГц от отношения сигнал/шум в различных режимах SIMO и MIMO

Из рис. 2 следует, что при h = 5 дБ для технологии SISO пиковая скорость передачи данных составляет около 21 Мбит/с, SIMO1x2 – 29 Мбит/с, SIMO1x4 – 38 Мбит/с, MIMO2x2 – 41 Мбит/с, MIMO4x4 – 82 Мбит/с. При малых отношениях сигнал/шум (h ≈ 0 дБ) технология SIMO достаточно эффективна – она обеспечивает близкие к MIMO скорости передачи данных. При одинаковом отношении сигнал/шум пропускная способность для технологии MIMO в M раз превосходит пропускную способность технологии SISO, а большом отношении сигнал/шум технология MIMO обеспечивает примерно такой же выигрыш по сравнению с SIMO- и MISO-системами.

Основной проблемой, не позволяющей в полной мере реализовать преимущества MIMO-систем, является наличие в сети связи интерференционных (сокональных) помех, создаваемых МС и БС, работающим на тех же частотах в соседних секторах или сотах. Ниже рассмотрено влияние интерференционных помех на скорость передачи информации MIMO-систем. Потенциальная скорость передачи информации в присутствие АБГШ и интерференционных помех [6]:

    

,    (4)

 

где q – отношение сигнал/интерференционная помеха.

На рис. 3 показаны графики зависимостей пиковой скорости передачи информации от отношения сигнал/шум в полосе частот F = 10 МГц при различных уровнях интерференционных помех для технологии MIMO4x4.


Рис. 3. Зависимости пиковой скорости передачи информации в полосе частот F = 10 МГц от отношения сигнал/шум при различных q для технологии MIMO4x4

 Из рис. 3 следует, что интерференционные помехи могут приводить к резкому снижению скорости передачи информации. Например, если мощность интерференционной помехи сравнима с мощностью сигнала (q = 0 дБ), то скорость передачи информации в режиме MIMO4x4 будет близка, а при увеличении отношения сигнал/шум, даже меньше, чем пиковая скорость, соответствующая технологии SISO (см. рис. 2 и рис. 3).

Относительное снижение скорости передачи информации вследствие влияния интерференционной помехи можно оценить следующим образом:

 

.


На рис. 4 показаны зависимости относительного снижения скорости передачи информации от уровня интерференционной помехи при фиксированных значениях отношения сигнал/шум.


Рис. 4. Зависимости относительного снижения скорости передачи информации от q при различных уровнях АГБШ

 Из рис. 4 видно, что относительное снижение скорости передачи информации при нахождении пользователя на краю соты (q = 0 дБ) наибольшее и достигает 60 % при достаточно большом отношении сигнал/шум (h = 5 дБ). При малом отношении сигнал/шум (h = − 5 дБ) относительное снижение скорости передачи информации при q = 0 дБ превышает 20 %.

Таким образом, влияние интерференционных помех на скорость передачи информации может оказаться весьма существенным даже при достаточно малых уровнях других внешних и внутренних шумов, воздействующих на систему связи. С другой стороны, очевидно, что применение технологии MIMO является фактически единственным способом повышения потенциальной скорости передачи данных при ограниченном частотном ресурсе. Важной задачей, без решения которой невозможно реализовать преимущества технологии MIMO является уменьшение влияния интерференционных помех на мобильные терминалы и базовые станции.


Библиографический список
  1. Варукина Л. Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMAX [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2010. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/093817.htm (дата обращения 16.11.2015).
  2. Легков К.Е. Беспроводные сети нового поколения WiMax и LTE: анализ производительности при применении на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 3. С. 46-51.
  3. Легков К. Анализ производительности беспроводных сетей нового поколения // Мобильные телекоммуникации. 2012. № 5 (117). С. 12-15.
  4. Тихвинский В.О., Юрчук А.Б., Терентьев С.В. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. – М: Эко-Трендз, 2010. – 284 с.
  5. Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 244 с.
  6. Крейнделин В.Б., Варукина Л.А., Воронков Е.Н. Беспроводные сети передачи данных. Методические указания. – М.: МТУСИ, 2013. – 32 с.


Все статьи автора «Пилипенко Александр Михайлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация