Проблемы радиочастотной части для MIMO, AAS и OFDMA PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Sunday, 19 August 2012 22:26

Применение систем с пространственным разносом антенн помогает значительно уменьшать негативные эффекты многолучевости, интерференции и затенения при распространении радиоволн. Также снижаются замирания в каналах.

SDC— пример выполнения приема с разнесенными антеннами, позволяющими максимизировать отношение сигнал/шум и увеличивать пространственную селективность. Как следует из принципа работы с разнесенными антеннами, каждая антенна будет иметь независимые характеристики по замираниям. Каждая антенна будет иметь свою пространственную избирательность или свою поляризацию, или комбинацию своих свойств.

Пространственная корреляция сигналов антенн может быть аппроксимирована функцией Бесселя нулевого порядка и дает значение коэффициента корре-ляции R = Jo (2nd/1), где d — разнос антенн. Коэффициент корреляции имеет ноль первого лепестка уже при разносе антенн на 1/3 длины волны. Следовательно, уже при разносе >1/3 • X антенны будут принимать независимые (некоррелированные) сигналы, которые могут быть использованы для дальнейшей обработки с целью извлечения выгоды. На практике целесообразно устанавливать пространственный разнос >1/2 • X.

Есть несколько способов извлечения выгоды. Можно из комбинации антенн выбрать сигнал с одной из них с наиболее высоким уровнем сигнала SDC (Selection Diverity Combining). Можно сигналы с разных антенн умножить на соответствующие коэффициенты с целью получения одинаковой эквивалентной мощности от каждой антенны EGC (Equul Gain Combining) или суммировать сигналы антенн так, чтобы получать максимальное отношение сигнал/шум MRC (Maximum Ratio Combining).

Для оптимальной работы процесс выбора и сбора данных должен быть завершен в пределах времени когерентности. Время когерентности — это такой период времени, в течение которого распространяющаяся волна сохраняет практически постоянным фазовое соотношение как во времени, так и в пространстве. После истечения времени когерентности антенны должны быть перенастроены, чтобы соответствовать ожидаемым изменениям в канале и позволить произвести новый выбор оптимальной антенны. Для систем TDD каналы вверх и вниз организованы на одной частоте, поэтому приемная и передающая антенна может быть одна и та же (но можно также использовать и отдельные антенны). Хотя способы SDC выглядят довольно простыми, тем не менее, можно получить достаточно большие улучшения усиления в системе, если алгоритмы управления будут эффективны.

Усиление принимаемого сигнала достигается за счет двух факторов:

□    усиление за счет разноса;

□    усиление за счет решетки антенны.

При меняющихся условиях в каналах усиление за счет разноса эквивалентно уменьшению в разнице усиления сигнала в каналах и их взаимных флуктуаций в многоантенной решеточной системе по сравнению с одноантенной системой.

Одновременно с увеличением уровня сигнала, принимаемого в многоантенной системе, уменьшается и глубина замираний, так как один и тот же сигнал, принятый на несколько антенн, можно при обработке выровнять по уровню и произвести оптимальное сложение принятых на антенну сигналов по времени.

Другой фактор — усиление за счет решетки антенн, суммирование антенного усиления, связанного с увеличением направленности луча в многоантенной системе.

В типичной системе по мере увеличения количества элементов антенной решетки усиление возрастает примерно 10 lg(n), п — число элементов в антенной решетке. Это означает удвоение усиления на каждое удвоение числа элементов.

Основной способ разноса антенн, использующий многоантенную систему, — EGC. Вместо того чтобы выбирать одну антенну с наилучшим сигналом, как в SDC, эта система комбинирует мощность всех антенн. На все антенны приходит сигнал одного и того же канала (не считая помехи), и усилением (с разным коэффициентом усиления) в каждой антенной цепи выравнивают уровень сигнала от каждой антенны. Затем сигналы всех антенн суммируют.

EGC-способ обеспечивает усиление за счет антенного разноса и за счет направленности решетки антенн. Таким образом, EGC обеспечивает большее антенное усиление, чем SDC.

Чтобы получить приближение к оптимальному значению, используется способ MRC. Этот способ похож на EGC за исключением того, что этот алгоритм пытается оптимально приспособить и фазу, и усиление каждого элемента до того, как начнется суммирование их мощностей. Суммирование всех сигналов может быть выполнено в аналоговой или цифровой области.
Когда суммирование происходит в цифровой области, то радиомодули нужны для каждой антенной ветви, так как обработка сигналов от каждой антенны будет выполняться уже после преобразования в цифровую форму.

Когда MRC реализуется в аналоговой области, суммирование может происходить непосредственно в радиочастотной части.

Лучше все-таки делать в цифровой, поскольку неидеальность избирательных, частотных характеристик канала можно частично компенсировать в каждой ветви при обработке. В аналоговой MRC выполнить компенсацию амплитудного и фазового расхождения сигналов от отдельных антенн крайне сложно.

В цифровом MRC отдельные частотные компоненты от каждой антенны являются синфазными и индивидуально усилены с взвешивающим коэффициентом. Поэтому можно обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум (SNR).

MRC реализует самое высокое усиление за счет антенного разноса по сравнению с другими методами. Хотя сложность процесса велика, затраты на реализацию MRC окупаются улучшением условий приема.

MIMO и AAS используются для уменьшения межканальной разницы. Использование MIMO требует много радиочастотных цепей с множеством направленных антенн AD (Antenn Direct). Вся обработка выполняется в цифровой форме. По мере интеграции при массовом производстве стоимость этих радиочастотных цепей будет уменьшаться. Развязка сигналов между приемными антенными цепями должна быть порядка 20 дБ, что легко достижимо. Стандартизированного требования на величину развязки между цепями антенн нет, поэтому при конструировании радиочастотных цепей антенн можно допускать упрощения. MIMO хорошо работает и в TDD-, и в FDD-режимах и улучшает межканальную разницу при многолучевом характере распространения сигнала.

Напротив, для AAS-системы сформированный луч в системе "передатчик-приемник" должен быть согласован по усилению, частоте и фазе. Однако в SS сложно иметь множество антенн и радиочастотных цепей (особенно в мобильных SS). Поэтому более подходящим для SS может оказаться применение SDC.

AAS-система оценивает канал передатчика, основываясь на информации, получаемой в канале приема. Поэтому предпочтительно AAS применять в режиме TDD, когда частота приема и передачи одинакова и не будет расхождения в оценке каналов на передачу и прием.