Массивное mimo и формирование луча: обработка сигнала за 5g buzzwords

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Массивные MIMO и Beamforming: обработка сигналов за 5G Buzzwords

Жажда высокоскоростных мобильных данных ненасытна. Поскольку мы насыщаем доступный радиочастотный спектр в плотной городской среде, становится очевидным, что необходимо повысить эффективность передачи и приема данных с беспроводных базовых станций.

Базовые станции, состоящие из большого количества антенн, которые одновременно общаются с несколькими пространственно разделенными пользовательскими терминалами на одном и том же частотном ресурсе и используют многолучевое распространение, являются одним из вариантов достижения этой экономии эффективности. Эта технология часто упоминается как массивный MIMO (множественный ввод, множественный вывод). Возможно, вы слышали массивный MIMO, описанный как формирование луча с большим количеством антенн. Но это ставит вопрос: что такое формирование луча "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/AD_IA_5G_figure1(1).jpg" />

Рисунок 1. Традиционное формирование луча

Массивный MIMO можно рассматривать как форму формирования луча в более общем смысле этого слова, но довольно удален от традиционной формы. Massive просто ссылается на большое количество антенн в антенной решетке базовой станции. MIMO ссылается на то, что несколько пространственно разделенных пользователей обслуживаются антенной решеткой в одном и том же ресурсе времени и частоты. Массивный MIMO также признает, что в реальных системах данные, передаваемые между антенной и пользовательским терминалом, и наоборот, подвергаются фильтрации из окружающей среды. Сигнал может отражаться от зданий и других препятствий, и эти отражения будут иметь связанную задержку, затухание и направление прихода, как показано на рисунке 2. Прямая видимость между антенной и пользовательским терминалом может быть не прямой, Оказывается, эти пути недиректа передачи могут быть использованы как сила для добра.

Рисунок 2. Многопутная среда между антенной решеткой и пользователем

Чтобы использовать преимущества нескольких путей, необходимо охарактеризовать пространственный канал между антенными элементами и пользовательскими терминалами. В литературе этот ответ обычно упоминается как информация о состоянии канала (CSI). Этот CSI представляет собой совокупность функций пространственного переноса между каждой антенной и каждым пользовательским терминалом. Эта пространственная информация собирается в матрице (H), как показано на рисунке 3. В следующем разделе рассматривается концепция CSI и способы ее сбора более подробно. CSI используется для цифрового кодирования и декодирования данных, передаваемых и принимаемых антенной решеткой.

Рисунок 3. Информация о состоянии канала, необходимая для характеристики массивной системы MIMO

Характеристика пространственного канала между базовой станцией и пользователем

Интересная аналогия состоит в том, чтобы рассмотреть, что воздушный шар выталкивается в одном месте, а звук этого поп-сигнала или импульса записывается на другом, как показано на рисунке 4. Звук, записанный в положение микрофона, представляет собой пространственную импульсную характеристику, которая содержит уникальную информацию к конкретному положению как воздушного шара, так и микрофона в окружающей среде. Звук, отражающийся от препятствий, ослабляется и откладывается по сравнению с прямым путем.

Рисунок 4. Аудио аналогия для демонстрации пространственной характеристики канала

Если мы разберем аналогию для сравнения с корпусом антенной решетки / терминала пользователя, нам нужно больше воздушных шаров, как показано на рисунке 5. Обратите внимание, что для того, чтобы охарактеризовать канал между каждым воздушным шаром и микрофоном, нам нужно разбить каждый воздушный шар на отдельно, поэтому микрофон не записывает отражения для перекрытия разных воздушных шаров. Другое направление также необходимо охарактеризовать, как показано на рисунке 6. В этом случае все записи могут выполняться одновременно, когда баллон выталкивается в положение пользовательского терминала. Это явно намного меньше времени!

Рисунок 5. Аналоговая аудиосвязь с характеристикой канала нисходящей линии связи

Рисунок 6. Аудио-аналогия с характеристикой канала восходящей линии

В радиочастотном пространстве пилот-сигналы используются для характеристики пространственных каналов. Каналы передачи по воздуху между антеннами и пользовательскими терминалами являются взаимными, что означает, что канал в обоих направлениях одинаковый. Это зависит от системы, работающей в режиме дуплекса с временным разделением (TDD), в отличие от режима дуплексного режима с частотным разделением (FDD). В режиме TDD передачи по восходящей линии и нисходящей линии связи используют один и тот же частотный ресурс. Понятие взаимности означает, что канал нужно охарактеризовать только в одном направлении. Канал восходящей линии связи является очевидным выбором, так как только один пилот-сигнал должен быть отправлен с пользовательского терминала и принят всеми элементами антенны. Сложность оценки канала пропорциональна количеству пользовательских терминалов, а не количеству антенн в массиве. Это имеет решающее значение, поскольку пользовательские терминалы могут перемещаться, и, следовательно, оценка канала должна выполняться часто. Еще одно существенное преимущество характеристики на основе восходящей линии связи означает, что вся оценка канала большой мощности и обработка сигнала выполняются на базовой станции, а не на стороне пользователя.

Рисунок 7. Каждый пользовательский терминал передает ортогональный символ пилот-сигнала

Итак, теперь, когда концепция сбора CSI была установлена, как эта информация применяется к сигналам данных для пространственного мультиплексирования? Фильтрация разработана на основе CSI для предварительного кодирования данных, передаваемых из антенной решетки, так что многолучевые сигналы будут когерентно добавлять в положение пользовательских терминалов. Такая фильтрация также может использоваться для линейного комбинирования данных, полученных радиочастотными трактами антенной решетки, так что могут быть обнаружены потоки данных от разных пользователей. Следующий раздел посвящен этому более подробно.

Обработка сигналов, которая обеспечивает массовый MIMO

В предыдущем разделе мы описали, как оценивается CSI (обозначается матрицей H). Матрицы детектирования и предварительного кодирования рассчитываются на основе H. Существует множество методов расчета этих матриц. В этой статье основное внимание уделяется линейным схемам. Примерами методов линейного предварительного кодирования / обнаружения являются максимальное отношение (MR), нулевое принуждение (ZF) и минимальная среднеквадратичная ошибка (MMSE). Полный вывод фильтров предварительного кодирования / детектирования из CSI не приводится в этой статье, но обсуждаются критерии, которые они оптимизируют, а также преимущества и недостатки каждого метода. Более подробное рассмотрение этих тем можно найти в ссылках в конце этой статьи.1, 2, 3

На рис. 8 и 9 приведено описание того, как обработка сигналов работает в восходящей и нисходящей линиях соответственно для трех ранее упомянутых линейных методов. Для предварительного кодирования также может быть какая-то матрица масштабирования для нормализации мощности по массиву, которая была опущена для простоты.

Рисунок 8. Обработка сигнала восходящей линии. ^H обозначает сопряженное транспонирование

Рисунок 9. Обработка сигналов нисходящей линии. ^T обозначает транспонирование. * обозначает сопряженное

Максимальная фильтрация коэффициентов, как следует из названия, направлена на максимизацию отношения сигнал / шум (SNR). Это самый простой подход с точки зрения обработки сигналов, поскольку матрица обнаружения / предварительного кодирования представляет собой только сопряженное транспонирование или сопряжение матрицы CSI, H. Большой недостаток этого метода заключается в том, что межпользовательские помехи игнорируются.

Принудительное предварительное кодирование пытается решить проблему межпользовательских помех путем разработки критериев оптимизации для минимизации этого. Матрица обнаружения / предварительного кодирования представляет собой псевдоинверсию матрицы CSI. Вычисление псевдоинверса является более вычислительно дорогостоящим, чем комплексное сопряжение, как в случае MR. Однако, сосредоточившись таким образом на минимизации помех, полученная мощность у пользователя страдает.

MMSE пытается достичь баланса между максимальным усилением сигнала и уменьшением помех. Этот целостный взгляд имеет сложность обработки сигналов как ценник. Метод MMSE вводит термин регуляризации для оптимизации, обозначенный как β на рисунках 8 и 9, который позволяет найти баланс между ковариацией шума и мощностью передачи. В литературе иногда также упоминается как регуляризованное нулевое форсирование (RZF).

Это не исчерпывающий список методов предварительного кодирования / обнаружения, но дает обзор основных линейных подходов. Существуют также нелинейные методы обработки сигналов, такие как кодирование грязной бумаги и последовательное подавление помех, которые могут быть применены к этой проблеме. Они предлагают оптимальную мощность, но очень сложны в реализации. Линейные подходы, описанные выше, как правило, достаточны для массивного MIMO, где число антенн становится большим. Выбор техники предварительного кодирования / обнаружения будет зависеть от вычислительных ресурсов, количества антенн, количества пользователей и разнообразия конкретной среды, в которой находится система. Для больших антенных массивов, где количество антенн значительно больше, чем количество пользователей, подход максимального отношения вполне может быть достаточным.

Практические препятствия Реальные системы присутствуют в массовом MIMO

Когда массивный MIMO реализуется в реальном сценарии, есть дополнительные практические соображения, которые необходимо учитывать. В качестве примера рассмотрим антенную решетку с 32 каналами передачи (Tx) и 32 приема (Rx), работающими в полосе 3, 5 ГГц. Есть 64 RF сигнальных цепей, которые должны быть установлены на место, и расстояние между антеннами составляет приблизительно 4, 2 см с учетом рабочей частоты. Это очень много оборудования, чтобы упаковать в небольшое пространство. Это также означает, что есть много энергии, которая рассеивается, что вызывает неизбежные проблемы с температурой. Интегрированные приемопередатчики Analog Devices предлагают очень эффективное решение многих из этих проблем. AD9371 будет рассмотрен более подробно в следующем разделе.

Ранее в этой статье обсуждалось приложение взаимности к системе для резкого сокращения оценки канала и служебных данных обработки сигналов. На рисунке 10 показан канал нисходящей линии связи в реальной системе. Он разделен на три компонента; (H), аппаратный ответ базовой станции передает RF-маршруты (TBS), и аппаратный отклик пользователя принимает RF-маршруты (RUE). Восходящая линия связи является противоположной этому с RBS, характеризующим радиочастотные тракты приема базовой станции и TUE, характеризующие пользователей, передающие аппаратные RF-пути. Несмотря на то, что допущение взаимности выполняется для эфирного интерфейса, оно не относится к аппаратным путям. Цепи RF-сигнала вводят неточности в систему из-за несогласованных трасс, плохой синхронизации между RF-каналами и связанного с температурой фазового дрейфа.

Рисунок 10. Реальный канал нисходящей линии

Использование единого синхронизированный опорный тактового сигнала для всех LO (гетеродин) ФАПЧА в РФ путях и синхронизированных SYSREFs для базовой полосы цифровых сигналов JESD204B поможет проблеме адреса задержки между РЧ путями. Тем не менее, при пуске системы все еще будет некоторое несоответствие фаз между RF-трактами. Связанный с температурой фазовый дрейф вносит дополнительный вклад в эту проблему, и ясно, что калибровка требуется в поле, когда система инициализируется и периодически после этого. Калибровка позволяет использовать преимущества взаимности, такие как поддержание сложности обработки сигналов на базовой станции и характеристика канала только для восходящей линии связи. Обычно его можно упростить, так что необходимо учитывать только радиочастотные пути базовой станции (TBS и RBS).

Существует несколько подходов к калибровке этих систем. Один из них - использовать опорную антенну, расположенную осторожно перед антенной решеткой, для калибровки как принимающих, так и передающих радиочастотных каналов. Это сомнительно, имеющая антенну размещенной в передней части массива таким образом подходят для практической калибровки базовой станции в полевых условиях. Другим является использование взаимной связи между существующими антеннами в массиве в качестве калибровочного механизма. Это вполне возможно. Наиболее простой подход, вероятно, заключается в том, чтобы добавить пассивные пути связи непосредственно перед антеннами в базовой станции. Это добавляет больше сложностей в области оборудования, но должно обеспечить надежный механизм калибровки. Чтобы полностью откалибровать систему, сигнал посылается с одного назначенного канала передачи калибровки, который принимается всеми каналами приема RF через пассивное сопряженное соединение. Каждый передающий радиочастотный путь затем посылает сигнал в последовательности, которая поднимается в точке пассивной связи перед каждой антенной, передается обратно на сумматор, а затем в назначенный путь приема калибровки. Эффекты, связанные с температурой, обычно медленно меняются, поэтому эту калибровку не нужно выполнять очень часто, в отличие от характеристики канала.

Приемопередатчики Analog Devices и Massive MIMO

Диапазон интегрированных приемопередатчиков Analog Devices особенно подходит для приложений, где требуется высокая плотность RF-цепей. AD9371 имеет 2 канала передачи, 2 пути приема и приемник наблюдения, а также три ФЛЛ с ЧПУ для генерации RF LO в пакете размером 12 мм × 12 мм. Этот непревзойденный уровень интеграции позволяет производителям создавать сложные системы своевременно и экономично.

Возможная реализация системы с несколькими приемопередатчиками AD9371 показана на рисунке 11. Это 32 передающая система приема 32 с 16 приемопередатчиками AD9371. Три генератора тактовых импульсов AD9528 обеспечивают опорные часы PLL и JSD204B SYSREF в систему. AD9528 представляет собой двухступенчатую PLL с 14 выходами LVDS / HSTL и встроенным генератором SYSREF JESD204B для синхронизации нескольких устройств. AD9528s расположены в конфигурации буфера вентилятора, причем один из них выступает в качестве ведущего устройства с некоторыми его выходами, используемыми для управления тактовыми входами и входами SYSREF ведомых устройств. Включается возможный пассивный калибровочный механизм, показанный зеленым и оранжевым, где выделенный канал приема и передачи используется для калибровки всех трактов приема и передачи через разделитель / сумматор, как обсуждалось в предыдущем разделе.

Рисунок 11. Блок-схема 32 Tx, 32 Rx массивного радиомаяка MIMO с приемопередатчиками AD9371 от Analog Devices

Вывод

Массивное пространственное мультиплексирование MIMO может стать технологией изменения игры в пространстве сотовой связи, позволяя увеличить пропускную способность и эффективность сотовой связи в городских районах с высоким уровнем трафика. Разнообразие, которое вводится многолучевое распространение, используется для обеспечения возможности передачи данных между базовой станцией и несколькими пользователями в одном и том же ресурсе времени и частоты. Из-за взаимности канала между антеннами базовой станции и пользователями вся сложность обработки сигнала может сохраняться на базовой станции, а характеристика канала может быть выполнена в восходящей линии связи. Семейство интегрированных приемопередатчиков серии RadioVerse ™ от Analog Devices позволяет обеспечить высокую плотность RF-путей в небольшом пространстве, поэтому они хорошо подходят для массовых приложений MIMO.