Кооперативная MIMO - Cooperative MIMO

В радио, Совместное использование нескольких входов и нескольких выходов (Кооперативная MIMO, CO-MIMO) - передовая технология, которая может эффективно использовать пространственную область мобильных угасание каналы для значительного улучшения производительности систем беспроводной связи. Его еще называют Сеть MIMO, Распределенный MIMO, Виртуальный MIMO, и Виртуальные антенные решетки.

Обычный MIMO Системы, известные как двухточечный MIMO или совмещенный MIMO, требуют, чтобы как передатчик, так и приемник канала связи были оснащены несколькими антеннами. Хотя MIMO стал важным элементом стандартов беспроводной связи, в том числе IEEE 802.11n (Вай фай), IEEE 802.11ac (Вай фай), HSPA + (3G), WiMAX (4G) и Долгосрочная эволюция (4G) многие беспроводные устройства не могут поддерживать несколько антенн из-за размера, стоимости и / или аппаратных ограничений. Что еще более важно, расстояние между антеннами на мобильном устройстве и даже на стационарных радиоплатформах часто оказывается недостаточным для значительного увеличения производительности. Кроме того, по мере увеличения количества антенн фактическая производительность MIMO все больше отстает от теоретического выигрыша.^[1]

В кооперативном MIMO используются распределенные антенны на различных радиоустройствах, чтобы достичь почти теоретического выигрыша от MIMO. Основная идея Cooperative MIMO состоит в том, чтобы сгруппировать несколько устройств в виртуальную антенную решетку для обеспечения связи MIMO. Совместная передача MIMO включает в себя несколько радиоканалов «точка-точка», включая ссылки внутри виртуального массива и, возможно, ссылки между различными виртуальными массивами.

Недостатки кооперативного MIMO связаны с повышенной сложностью системы и большими служебными данными, необходимыми для поддержки взаимодействия устройств. С другой стороны, преимущества кооперативного MIMO заключаются в его способности экономичным образом улучшить емкость, пропускную способность на границе соты, покрытие и групповую мобильность беспроводной сети. Эти преимущества достигаются за счет использования распределенных антенн, которые могут увеличить пропускную способность системы за счет декорреляции подканалов MIMO и позволяют системе использовать преимущества макроразнесения в дополнение к микроразнесению. Во многих практических приложениях, таких как сотовая мобильная связь и беспроводные специальные сети, преимущества развертывания совместной технологии MIMO перевешивают недостатки. В последние годы технологии Cooperative MIMO стали основным направлением стандартов беспроводной связи.

Типы кооперативного MIMO

Координированная многоточечная

Типы кооперативного MIMO

Системная модель для кооперативного корпуса MIMO (Аламоути ) по спутниковой связи.^[2][3][4] Кроме того, следует упомянуть гибридную спутниково-наземную технологию.^[5]

Краткая иллюстрация виртуального MIMO (кооперативный D2D ) идея,^[6] где ${displaystyle h_{ij}}$ обозначает определенный путь канала, и ${displaystyle d_{j}}$ и ${displaystyle s_{i}}$ обозначают определенное устройство.

В Coordinated Multipoint (CoMP) данные и информация о состоянии канала (CSI) распределяется между соседними сотовыми базовые станции (BS) для координации своих передач в нисходящий канал и совместно обрабатывать полученные сигналы в восходящий канал. Архитектура системы представлена ​​на рис. 1а. Методы CoMP могут эффективно стать опасными межсотовые помехи в полезные сигналы, обеспечивая значительный прирост мощности, канал классифицировать преимущество, и / или разнообразие прибыль, которую нужно использовать. CoMP требует высокоскоростной обратный рейс сеть для обеспечения обмена информацией (например, данными, управляющей информацией и CSI) между BS. Обычно это достигается с помощью прокладки оптического волокна. CoMP был введен в стандарты 4G.^[7]

Фиксированные реле

Фиксированные реле (проиллюстрированные на рисунке 1b) - это недорогие стационарные радио-инфраструктуры без проводных транспортных соединений. Они хранят данные, полученные от BS, и пересылают их в мобильные станции (MS), и наоборот. Фиксированные ретрансляционные станции (RS) обычно имеют меньшие мощности передачи и зоны покрытия, чем BS. Их можно стратегически и экономически эффективно развернуть в сотовых сетях для расширения зоны покрытия, уменьшения общей мощности передачи, увеличения пропускной способности в конкретном регионе с высокими требованиями к трафику и / или улучшения приема сигнала. Комбинируя сигналы от ретрансляторов и, возможно, сигнал источника от BS, мобильная станция (MS) может использовать внутреннее разнесение ретрансляционного канала. Недостатками фиксированных реле являются дополнительные задержки, вносимые в процесс ретрансляции, и потенциально повышенные уровни помех из-за повторного использования частоты на RS. Как одна из наиболее зрелых технологий Cooperative MIMO, фиксированная ретрансляция получила значительную поддержку в основных стандартах сотовой связи.^[8][9]

Мобильные реле

Мобильные ретрансляторы отличаются от фиксированных ретрансляторов в том смысле, что RS являются мобильными и не используются в качестве инфраструктуры сети. Таким образом, мобильные ретрансляторы более гибки в приспособлении к различным схемам трафика и адаптации к различным средам распространения. Например, когда целевая MS временно страдает от плохих условий канала или требует относительно высокоскоростного обслуживания, ее соседние MS могут помочь обеспечить многозвенное покрытие или увеличить скорость передачи данных путем ретрансляции информации на целевую MS. Более того, мобильные реле позволяют быстрее и дешевле развертывать сеть. Подобно фиксированным ретрансляторам, мобильные ретрансляторы могут увеличивать зону покрытия, уменьшать общую мощность передачи и / или увеличивать пропускную способность на краях соты. С другой стороны, из-за своего гибкого характера мобильные реле менее надежны, чем стационарные реле, поскольку топология сети очень динамична и нестабильна.

Мобильные пользовательские ретрансляторы позволяют распределенным MS самоорганизовываться в одноранговую беспроводную сеть, которая дополняет инфраструктуру сотовой сети с использованием многозвенных передач. Исследования показали, что мобильные пользовательские ретрансляторы имеют фундаментальное преимущество в том, что общая пропускная способность сети, измеренная как сумма пропускной способности пользователей, может линейно масштабироваться с количеством пользователей при условии достаточной поддержки инфраструктуры.^[10][11] Следовательно, мобильные пользовательские ретрансляторы являются желательным усовершенствованием будущих сотовых систем. Однако передвижные пользовательские ретрансляторы сталкиваются с проблемами при маршрутизации, управлении радиоресурсами и управлении помехами.

От устройства к устройству (D2D) в LTE - шаг к мобильным ретрансляторам.^[12]

Кооперативное подпространственное кодирование

В Cooperative-MIMO процесс декодирования включает сбор N_р линейные комбинации N_Т исходные символы данных, где N_р обычно количество принимающих узлов, а N_Т - количество передающих узлов. Процесс декодирования можно интерпретировать как решение системы N_р линейные уравнения, где количество неизвестных равно количеству символов данных (N_Т) и сигналы помех. Таким образом, для успешного декодирования потоков данных количество независимых линейных уравнений (N_р) должно как минимум равняться количеству данных (N_Т) и потоки помех.

В кооперативном кодировании подпространств, также известном как линейное сетевое кодирование, узлы передают случайные линейные комбинации исходных пакетов с коэффициентами, которые могут быть выбраны из измерений среды естественного случайного рассеяния. В качестве альтернативы для кодирования передач полагается среда рассеяния.^[13] Если пространственные подканалы в достаточной степени некоррелированы друг с другом, вероятность того, что приемники получат линейно независимые комбинации (и, следовательно, получат инновационную информацию), приближается к 1. Хотя случайное линейное сетевое кодирование имеет отличную пропускную способность, если приемник получает недостаточное количество пакетов , крайне маловероятно, что он сможет восстановить какой-либо из исходных пакетов. Это может быть решено путем отправки дополнительных случайных линейных комбинаций (например, путем увеличения ранга матрицы канала MIMO или повторной передачи в более позднее время, которое больше, чем время когерентности канала ) до тех пор, пока получатель не получит достаточное количество закодированных пакетов для разрешения декодирования.^[14]

Кооперативное кодирование подпространства сталкивается с высокой вычислительной сложностью декодирования. Однако в радиосвязи Cooperative-MIMO для декодирования MIMO уже используются аналогичные, если не идентичные методы, как при случайном линейном сетевом декодировании. Случайные линейные сетевые коды имеют высокие накладные расходы из-за больших векторов коэффициентов, прикрепленных к кодированным блокам. Но в радио Cooperative-MIMO векторы коэффициентов могут быть измерены по известным обучающим сигналам, что уже выполняется для оценка канала. Наконец, линейная зависимость между векторами кодирования уменьшает количество инновационных кодированных блоков. Однако линейная зависимость в радиоканалах является функцией канала корреляция, что является проблемой, решаемой Cooperative MIMO.

История кооперативного MIMO

До введения Cooperative-MIMO была предложена совместная обработка базовыми станциями сотовой связи для уменьшения межсотовых помех,^[15] и Совместное разнообразие^[16] предложили увеличенный выигрыш от разнесения с использованием реле, но за счет более низкой спектральной эффективности. Однако ни один из этих методов не использует помехи для увеличения пространственного мультиплексирования, что может значительно повысить спектральную эффективность.

В 2001 году Cooperative MIMO был представлен Стивом Шаттилом, ученым из Idris Communications, в предварительной заявке на патент.^[17] в котором описываются координированные многоточечные и фиксированные реле, а затем следует статья, в которой С. Шамай и Б.М. Зайдель предложил предварительное кодирование «грязной бумаги» при совместной обработке нисходящей линии связи для однопользовательских ячеек.^[18] В 2002 году Шаттил представил аспекты мобильного ретрансляции и сетевого кодирования совместной MIMO в патенте США No. № 7430257^[19] и паб США. № 20080095121.^[20] Реализации программно-определяемое радио (SDR) и распределенных вычислений в Cooperative MIMO были введены в патенте США No. № 7430257 (2002) и 8670390^[21] (2004), обеспечивая основу для облачной сети радиодоступа (C-RAN ).

Реализации Cooperative MIMO на стороне сервера были первыми, которые были приняты в 4G сотовые спецификации и необходимы для 5G. CoMP и фиксированные реле объединяют ресурсы обработки основной полосы частот в центрах обработки данных, обеспечивая плотное развертывание простых и недорогих радиотерминалов (таких как удаленные радиоголовки ) вместо базовых станций сотовой связи. Это позволяет легко масштабировать ресурсы обработки в соответствии с требованиями сети, а распределенные антенны могут позволить каждому пользовательскому устройству обслуживаться всей спектральной полосой пропускания системы. Однако полоса пропускания данных для каждого пользователя по-прежнему ограничена объемом доступного спектра, что вызывает беспокойство, поскольку использование данных на пользователя продолжает расти.

Принятие кооперативного MIMO на стороне клиента отстает от кооперативного MIMO на стороне сервера. Кооперативная MIMO на стороне клиента, такая как Mobile Relays, может распределять нагрузку обработки между клиентскими устройствами в кластере, что означает, что вычислительная нагрузка на процессор может масштабироваться более эффективно по мере роста кластера. Хотя существуют дополнительные накладные расходы на координацию клиентских устройств, устройства в кластере могут совместно использовать радиоканалы и пространственные подканалы через беспроводные линии связи малого радиуса действия. Это означает, что по мере роста кластера доступная мгновенная пропускная способность данных на пользователя также увеличивается. Таким образом, вместо того, чтобы пропускная способность данных на пользователя была жестко ограничена законами физики (т.е. Теорема Шеннона-Хартли ) пропускная способность данных ограничена только вычислительной мощностью, которая продолжает улучшаться в соответствии с Закон Мура. Несмотря на большой потенциал кооперативного MIMO на стороне клиента, поставщикам услуг сложнее монетизировать инфраструктуру на основе пользователей, и возникают дополнительные технические проблемы.

Хотя мобильные реле могут снизить общую энергию передачи, эту экономию можно компенсировать за счет энергии схемы, необходимой для увеличения вычислительной обработки. При превышении определенного порога дальности передачи Cooperative MIMO демонстрирует общую экономию энергии.^[22] Были разработаны различные методы обработки временных и частотных сдвигов, что является одной из наиболее важных и сложных проблем в кооперативном MIMO.^[23][24] В последнее время исследования были сосредоточены на разработке эффективных протоколов MAC.^[25]

Математическое описание

В этом разделе мы описываем предварительное кодирование с использованием системной модели нисходящего канала Cooperative-MIMO для системы CoMP. Группа БС использует совокупную M передающие антенны для связи с K пользователей одновременно.

Пользователь k, (k = 1,… , K), имеет N_k приемные антенны. Модель канала от BS к k^th пользователь представлен N_k ×M матрица каналов ЧАС_k.

Позволять s_k обозначить k^th вектор символа передачи пользователя. Для пользователя k, матрица линейного предварительного кодирования, W_k, который преобразует вектор данных s_k к M × 1 переданный вектор W_k × s_k, используется BS. Вектор принятого сигнала на k^th пользователь предоставляется ${displaystyle mathrm {y} _{k}=mathrm {H} _{k}mathrm {W} _{k}mathrm {s} _{k}+mathrm {H} _{k}sum _{ieq k}mathrm {W} _{i}mathrm {s} _{i}+mathrm {n} _{k}}$,

где п_k = [п_k,1, …, п_{k, Nk} ]^Т обозначает вектор шума для k^th пользователь и (.)^Т обозначает транспонирование матрицы или вектора. Компоненты п_{к, я} вектора шума п_k i.i.d. с нулевым средним и дисперсией σ² за k = 1,…,K и я = 1,…,N_k. Первый срок, ЧАС_kW_ks_k, представляет желаемый сигнал, а второй член, ${displaystyle mathrm {H} _{k}sum _{ieq k}mathrm {W} _{i}mathrm {s} _{i}}$, представляет помехи, принимаемые пользователем k.

Сетевой канал определяется как ЧАС = [ЧАС₁^Т,…, ЧАС_K^Т]^Т, а соответствующий набор сигналов, полученных всеми пользователями, выражается

у = HWs + п,

где ЧАС = [ЧАС₁^Т,…, ЧАС_K^Т]^Т, y = [у₁^Т,…, у_K^Т]^Т, Вт = [W₁^Т,…, W_K^Т]^Т, с = [s₁^Т,…, s_K^Т]^Т, и п = [п₁^Т,…, п_K^Т]^Т.

Матрица предварительного кодирования W разработан на основе информации о канале для повышения производительности системы Cooperative-MIMO.

В качестве альтернативы обработка на стороне приемника, называемая пространственным демультиплексированием, разделяет передаваемые символы. Без предварительного кодирования набор сигналов, полученных всеми пользователями, выражается как

у = Hs + п

Полученный сигнал обрабатывается с помощью матрицы пространственного демультиплексирования. г для восстановления передаваемых символов: ${displaystyle {hat {mathrm {s} }}=mathrm {Gy} =mathrm {G} {igl (}mathrm {Hs} +mathrm {n} {igr )}}$.

Общие типы предварительного кодирования включают нулевое форсирование (ZF), минимальная среднеквадратичная ошибка (MMSE) предварительное кодирование, передача с максимальным коэффициентом передачи (MRT) и Диагонализация блока. Общие типы пространственного демультиплексирования включают: ZF, MMSE комбинирование, и последовательное подавление помех.

Смотрите также

• Многопользовательский MIMO
• WiMax MIMO
• Умные антенны
• Много антенн
• Разнообразие антенн
• Формирование луча
• Предварительное кодирование
• Пространственное мультиплексирование
• MIMO-OFDM
• Макроразнообразие
• Пространственно-временной блочный код

Рекомендации

1. Nordin, R .; Броня, С .; McGeehan, J.P. (01.09.2010). «Стратегия минимизации пространственных помех для коррелированного канала нисходящей линии связи LTE». 21-й ежегодный международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи. С. 757–761. Дои:10.1109 / PIMRC.2010.5671934. HDL:1983/1712. ISBN  978-1-4244-8017-3.
2. Arapoglou, P.D .; Liolis, K .; Bertinelli, M .; Panagopoulos, A .; Cottis, P .; Де Гауденци, Р. (2011). «MIMO через спутник: обзор». Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE. 13 (1): 27–51. Дои:10.1109 / SURV.2011.033110.00072.
3. Kyröläinen, J .; Hulkkonen, A .; Ylitalo, J .; Byman, A .; Шанкар, Б .; Arapoglou, P.D .; Гроц, Дж. (2014). «Применимость MIMO к спутниковой связи». Международный журнал спутниковой связи и сетей. 32 (4): 343–357. Дои:10.1002 / сб.1040. HDL:10993/24589.
4. Цзан, Го-чжэнь; Хуан Бао-хуа; Му Цзин (2010). Одна схема кооперативного разнесения с двумя спутниками на основе кода аламоути. 3-я Международная конференция IET по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010). С. 151–4. Дои:10.1049 / cp.2010.0640. ISBN  978-1-84919-240-8.
5. Pérez-Neira, A.I .; Ибарс, С .; Serra, J .; Del Coso, A .; Gómez-Vilardebó, J .; Caus, M .; Лиолис, К. (2011). «Моделирование каналов MIMO и методы передачи для многоспутниковых и гибридных спутниково-наземных мобильных сетей». Физическая коммуникация. 4 (2): 127–139. Дои:10.1016 / j.phycom.2011.04.001.
6. Jiang, H .; Shao, S .; Солнце, Дж. (2013). Виртуальная связь MIMO на основе D2D Link. 3-я Международная конференция по бытовой электронике, коммуникациям и сетям. С. 718–722. Дои:10.1109 / CECNet.2013.6703432. ISBN  978-1-4799-2860-6.
7. «Технические характеристики 3GPP (версия 11)» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-12-21.
8. Обзор 3GPP Release 11
9. «Обзор 3GPP для HetNet / малых сот».
10. Zaman, N.I .; Канакис, Т .; Рапажич, П. (01.10.2010). Ретрансляция MIMO для совместных мобильных сетей. 2010 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC). С. 368–372. Дои:10.1109 / APCC.2010.5679704. ISBN  978-1-4244-8128-6.
11. Чу, Шань; Ван, Синь; Ян Юаньюань (1 апреля 2013 г.). «Использование кооперативного ретранслятора для высокопроизводительной связи в сетях MIMO Ad Hoc». Транзакции IEEE на компьютерах. 62 (4): 716–729. Дои:10.1109 / TC.2012.23.
12. Тан, Хуань; Чжу, Чэньси; Дин, Чжи (01.06.2013). «Совместное предварительное кодирование MIMO для D2D-основы в сотовых сетях». 2013 Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC). С. 5517–5521. Дои:10.1109 / ICC.2013.6655469. ISBN  978-1-4673-3122-7.
13. Стефанов, А .; Эркип, Э. (9 сентября 2002 г.). «Кооперативное кодирование для беспроводных сетей». 4-й Международный семинар по сети мобильной и беспроводной связи, 2002 г.: 273–277. Дои:10.1109 / MWCN.2002.1045735. ISBN  0-7803-7605-6.
14. Чжан, Шунвай; Ян, Фэнфань; Тан, Лэй; Ло, Линь (01.10.2013). «Кооперативный MIMO с RA-кодированием с несколькими источниками на основе сетевого кодирования». 2013 3-я Международная конференция по компьютерным наукам и сетевым технологиям (ICCSNT): 737–741. Дои:10.1109 / ICCSNT.2013.6967215. ISBN  978-1-4799-0561-4.
15. Baier, P.W .; Meurer, M .; Вебер, Т .; Трогер, Х. (1 сентября 2000 г.). «Совместная передача (JT), альтернативное обоснование нисходящей линии связи CDMA с временным разделением каналов с использованием многоэлементных передающих антенн». 2000 Шестой Международный симпозиум IEEE по методам и приложениям с расширенным спектром. ISSTA 2000. Протоколы (Кат. № 00TH8536). 1. С. 1–5. Дои:10.1109 / ISSSTA.2000.878069. ISBN  0-7803-6560-7.
16. Laneman, J.N .; Уорнелл, Грегори У .; Tse, D.N.C. (2001-06-29). «Эффективный протокол для реализации совместного разнообразия в беспроводных сетях». Ход работы. 2001 Международный симпозиум IEEE по теории информации (IEEE Cat. No. 01CH37252). С. 294–. Дои:10.1109 / ISIT.2001.936157. ISBN  0-7803-7123-2.
17. Заявка на патент США № 60286850, Способ и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки сигналов с несколькими несущими
18. Shamai, S .; Зайдель, Б. (2001-05-06). «Повышение пропускной способности нисходящего канала сотовой связи посредством совместной обработки на передающей стороне». IEEE VTS 53-я конференция по автомобильным технологиям, весна 2001 г. Протоколы (№ по каталогу 01CH37202). 3. С. 1745–9. Дои:10.1109 / VETECS.2001.944993. ISBN  0-7803-6728-6.
19. США 7430257, «Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом»
20. США 20080095121, "Сети несущей интерферометрии"
21. США 8670390, «Кооперативное формирование луча в беспроводных сетях»
22. Цуй, Шугуан; Goldsmith, A.J .; Бахаи, А. (2004-08-01). «Энергоэффективность MIMO и совместных методов MIMO в сенсорных сетях». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций. 22 (6): 1089–98. Дои:10.1109 / JSAC.2004.830916.
23. Ли, Сяохуа (2004-12-01). «Многопередача с пространственно-временным кодированием между распределенными передатчиками без идеальной синхронизации». Письма об обработке сигналов IEEE. 11 (12): 948–951. Bibcode:2004ISPL ... 11..948L. Дои:10.1109 / LSP.2004.838213.
24. Чжан, Яньян; Чжан, Цзяньхуа; Sun, Feifei; Фэн, Чонг; Чжан, Пин; Ся Минхуа (01.05.2008). «Новый метод синхронизации времени для распределенных систем MIMO-OFDM в многолучевых каналах с рэлеевскими замираниями». VTC Spring 2008 - Конференция по автомобильным технологиям IEEE. С. 1443–7. Дои:10.1109 / VETECS.2008.340. ISBN  978-1-4244-1644-8.
25. Гонг, Давэй; Чжао, Мяо; Ян Юаньюань (01.11.2010). «Многоканальный совместный протокол MIMO MAC для беспроводных сенсорных сетей». 7-я Международная конференция IEEE по мобильным специализированным и сенсорным системам (IEEE MASS 2010). С. 11–20. Дои:10.1109 / MASS.2010.5663975. ISBN  978-1-4244-7488-2.

Ю. Хуа, Ю. Мэй и Ю. Чанг, «Беспроводные антенны - делают беспроводную связь похожей на проводную», Тематическая конференция IEEE по технологиям беспроводной связи, стр. 47-73, Гонолулу, Гавайи, 15-17 октября 2003 г.