Table Of ContentМосква
Горячая линия –Телеком
2014
УДК 621.396
ББК 32.84
Б19
Рецензенты: зав. кафедрой Беспроводных телекоммуникаций Национального
исследовательского университета Информационных технологий, механики
и оптики, доктор техн. наук, профессор В. А. Григорьев; ведущий научный
сотрудник Федерального государственного унитарного предприятия
Научно-исследовательский институт Радио, канд. техн. наук, ст. научный
сотрудник Ю. К. Трофимов
Бакулин М. Г., Варукина Л. А., Крейнделин В. Б.
Б19 Технология MIMO: принципы и алгоритмы. – М.: Горячая
линия – Телеком, 2014. – 244 с., ил.
ISBN 978-5-9912-0457-6.
Рассмотрены принципы построения и алгоритмы формирования
и обработки сигналов в системах связи с технологией MIMO (много-
антенных систем), положенные в основу систем: LTE, WiMax и Wi-Fi.
Изложены фундаментальные основы многоантенных систем с про-
странственно-временным кодированием, давших толчок развитию
этой технологии, а также приведены последние достижения в этой об-
ласти. Большое внимание уделено алгоритмам обработки, используе-
мым на практике. Приведены примеры использования технологии
MIMO в современных и перспективных системах беспроводной связи.
Для широкого круга научных работников, разработчиков и про-
ектировщиков оборудования систем связи, специалистов в области
телекоммуникаций, будет полезна студентам и аспирантам соответст-
вующих специальностей.
ББК 32.84
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Научное издание
Бакулин Михаил Германович, Варукина Лидия Александровна,
Крейнделин Виталий Борисович
Технология MIMO: принципы и алгоритмы
Монография
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситников
Подписано в печать 10.09.2014. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 15,25. Тираж 1000 экз.
ISBN 978-5-9912-0457-6 © М. Г. Бакулин, Л. А. Варукина,
В. Б. Крейнделин, 2014
© Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком», 2014
Введение
В современных системах сотовой связи постоянно возраста-
ют требования к их пропускной способности и емкости, что мо-
жет быть достигнуто за счет увеличения числа базовых станций,
ширины полосы частот радиоканалов или числа радиоканалов, а
также повышения спектральной эффективности.
Наиболее экстенсивный и дорогостоящий способ увеличения
емкостисотовойсети—увеличениечислабазовыхстанцийнаоб-
служиваемой территории, а во многих больших городах в насто-
ящее время просто нереализуемый: плотность расстановки мак-
робазовых станций уже достигла своего предела. И следующим
шагом в этом направлении станет переход к микро- и пикобазо-
вым станциям с упрощенными требованиями к местам установки
и эксплуатации.
В течение всей истории развития сотовой связи прослежи-
вается тенденция увеличения ширины полосы частот радиокана-
ла: 200 кГц в GSM (1990-е годы), 5 МГц в UMTS (2000-е годы),
20 МГц в LTE (2010-е годы). Однако в условиях ограниченнос-
тичастотногоресурсаэтотпутьнаращиванияемкостисетиимеет
своипределы. Здесьстановитсявостребованнымновыйподход—
объединениеводинканалнесколькихбеспроводныхканалов, на-
пример агрегация несущих в LTE-Advanced, позволяющая уже
сейчас передавать информацию пользователю в полосе 40 МГц
приобъединениидвухканаловпо20МГц. Напомним,чтовLTE-
Advancedпоставленацельобъединенияпятинесущихпо20МГц,
т.е. использование агрегированного канала шириной 100 МГц.
Наиболее экономически оправданным является путь повы-
шения эффективности использования радиочастотного спектра,
т.е.мерыпропускнойспособностисистемыводнойсотесети,при-
4 Введение
ходящейся на единицу радиочастотного спектра. Спектральная
эффективность измеряется в бит/с/Гц при передаче данных или
Эрл/Гц в случае голосовых услуг. Спектральная эффективность
может быть повышена, например, за счет: быстрой адаптации
системы к характеристикам беспроводного канала связи, опти-
мального выбора схем модуляции и кодирования, ортогонально-
гочастотногомультиплексированияитехнологиимногоантенных
систем — MIMO.
Именно последней из перечисленных технологий увеличения
спектральной эффективности и посвящена данная книга.
Технология MIMO подразумевает использование нескольких
антенннапередающейсторонеинесколькихантенннаприёмной
стороне и позволяет значительно повысить пропускную способ-
ность и/или помехоустойчивость системы связи по сравнению с
традиционной системой с одной передающей и одной приёмной
антеннами (SISO).
История MIMO [154] начинается с публикации в 1984 г. ста-
тьисотрудникаЛабораторийБеллаДжекаВинтерса«Оптималь-
ноесложениесигналоввцифровоймобильнойсвязиприналичии
соканальных помех» [155]. В 1996 г. абсолютно новый подход к
увеличениюпропускнойспособностивсистемахMIMOбылпред-
ложен Грегори Релеем и В.К. Джоунсом в статье «Многовари-
антные модуляция и кодирование в беспроводной связи» [156].
Они показали, что эффект многолучевости может многократно
учеличить пропускную способность при использовании в систе-
ме определенной сигнально-кодовой конструкции. В том же году
ДжерардФошинипредложилновуюмногоуровневуюархитекту-
ру системы MIMO — архитектуру BLAST [157].
В 1999 г. Эмр Телатар вывел аналитическое выражение для
потенциальной пропускной способности — границу Шеннона —
для флуктуирующего канала MIMO [158]. Он показал, что про-
пускная способность системы MIMO растёт пропорционально
числу, минимальному из числа передающих и числа приёмных
антенн. Этот факт привлек широкое внимание ученых и иссле-
дователей к технологии MIMO.
В то же время немало внимания уделялось практической ре-
ализации систем MIMO. В 1998 г. Лаборатории Белла провели
Введение 5
первую успешную демонстрацию этой технологии. Год спустя, в
1999 г. компания Gigabit Wireless Inc. и Стэнфордский универси-
тет создали первый прототип системы, работающий вне помеще-
ния,ипродемонстрировалиегоработу. В2002г.компанияIospan
Wireless Inc. (в прошлом Gigabit Wireless Inc., в настоящее время
приобретенакорпорациейIntel)выпустилапервыйкоммерческий
продукт. Перваяустановкадлялабораторноготестированиясис-
темы MIMO 4(cid:2)4 (4 передающие и 4 приёмные антенны) начала
свою работу в Университете Альберта в 2003 г.
ТехнологииMIMOпосвященомножествопубликаций. Вкон-
це данной книги можно найти обширный библиографический
список трудов на эту тему, к сожалению, в основном зарубеж-
ных. Среди отечественной научно-технической литературы есть
книгисобзоромтойилиинойтехнологиисотовойсвязи, включа-
ющие описание используемых режимов MIMO, но нет ни одного
издания на русском языке с систематическим описанием фунда-
ментальных основ технологии MIMO и различных аспектов ее
реализации. Авторы данного труда поставили перед собой цель
создатьтакуюкнигунарусскомязыке,полезнуюдляинженеров,
студентов и разработчиков, не владеющих иностранными языка-
ми, в объеме, достаточном для изучения теоретических нюансов
технологии MIMO.
Книга содержит следующие главы:
1. (cid:209)Łæ(cid:242)(cid:229)(cid:236)(cid:224) æ(cid:226)(cid:255)(cid:231)Ł æ (cid:237)(cid:229)æŒ(cid:238)º(cid:252)ŒŁ(cid:236)Ł (cid:239)(cid:229)(cid:240)(cid:229)(cid:228)(cid:224)(cid:254)øŁ(cid:236)Ł Ł (cid:237)(cid:229)-
æŒ(cid:238)º(cid:252)ŒŁ(cid:236)Ł (cid:239)(cid:240)Ł…(cid:236)(cid:237)ß(cid:236)Ł (cid:224)(cid:237)(cid:242)(cid:229)(cid:237)(cid:237)(cid:224)(cid:236)Ł (MIMO).Вглавеприво-
дится математическая модель системы MIMO, освещаются воп-
росы потенциальной помехоустойчивости, вводятся понятия од-
нопользовательской и многопользовательской систем MIMO.
2. ˇ(cid:240)(cid:238)æ(cid:242)(cid:240)(cid:224)(cid:237)æ(cid:242)(cid:226)(cid:229)(cid:237)(cid:237)(cid:238)-(cid:226)(cid:240)(cid:229)(cid:236)(cid:229)(cid:237)(cid:237)(cid:238)(cid:229) Œ(cid:238)(cid:228)Ł(cid:240)(cid:238)(cid:226)(cid:224)(cid:237)Ł(cid:229). Глава
посвящена схемамMIMO без обратной связи, включая простран-
ственное мультиплексирование, разнесённую передачу и другие
схемы пространственно-временного блочного кодирования, вво-
дятся понятия ортогонального и неортогонального пространст-
венно-временного кодирования, а также приводится описание
различных методов обработки сигналов MIMO на приёмной сто-
роне.
6 Введение
3. ˛(cid:242)(cid:237)(cid:238)æŁ(cid:242)(cid:229)º(cid:252)(cid:237)ß(cid:229) (cid:239)(cid:240)(cid:238)æ(cid:242)(cid:240)(cid:224)(cid:237)æ(cid:242)(cid:226)(cid:229)(cid:237)(cid:237)(cid:238)-(cid:226)(cid:240)(cid:229)(cid:236)(cid:229)(cid:237)(cid:237)ß(cid:229) Œ(cid:238)(cid:228)ß.
Описываются пространственно-временные коды, позволяющие
демодулировать сигнал на приёмной стороне без знания на при-
ёмной стороне характеристик канала (следует отметить: в мето-
дах обработки сигналов на приёмной стороне, описанных в гл. 2,
требуется знание на приёмной стороне характеристик канала).
4. (cid:209)Łæ(cid:242)(cid:229)(cid:236)ß MIMO æ (cid:238)Æ(cid:240)(cid:224)(cid:242)(cid:237)(cid:238)Ø æ(cid:226)(cid:255)(cid:231)(cid:252)(cid:254). В главе описы-
вается оптимальная система MIMO, использующая на передаю-
щей стороне информацию о характеристиках канала и обладаю-
щая максимальной помехоустойчивостью. Рассматриваются ос-
новныеспособыполученияпередатчикоминформацииотекущем
состоянии канала, описываются линейные и нелинейные методы
прекодирования сигналов на передающей стороне, а также при-
водится оценка выигрыша в пропускной способности от исполь-
зования на передающей стороне информации о канале связи.
5. —(cid:229)(cid:224)ºŁ(cid:231)(cid:224)(cid:246)Ł(cid:255) MIMO (cid:226) æ(cid:238)(cid:226)(cid:240)(cid:229)(cid:236)(cid:229)(cid:237)(cid:237)ßı Ł (cid:239)(cid:229)(cid:240)æ(cid:239)(cid:229)Œ(cid:242)Ł(cid:226)-
(cid:237)ßı æŁæ(cid:242)(cid:229)(cid:236)(cid:224)ı Æ(cid:229)æ(cid:239)(cid:240)(cid:238)(cid:226)(cid:238)(cid:228)(cid:237)(cid:238)Ø æ(cid:226)(cid:255)(cid:231)Ł, а именно: LTE, LTE-
Advanced, UMTS, WiMax IEEE 802.16e и IEEE 802.16m, Wi-Fi
IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac.
Вкачествеприложенийвключенысправочныематериалыпо
матрицам и линейной алгебре, комплексным случайным величи-
нам, векторам и матрицам, анализу сложности алгоритмов об-
работки сигналов, а также ортогональным функциям, использу-
емым в системах MIMO.
Крейнделин В.Б. благодарит свою супругу Светлану за пре-
доставленнуювозможностьвтечениерядалетработатьнадэтой
книгой, а также за поддержку его решимости успешно заверши-
ть эту трудную работу.
1
Система связи с несколькими
передающими и несколькими
приёмными антеннами (MIMO)
В данной главе рассматривается модель системы связи с не-
сколькими передающими и несколькими приёмными антеннами
(MIMO—Multiple-Input-Multiple-Output). Рассматриваютсятак-
же различные модели канала связи, которые используются при
анализе систем MIMO. Приведено также обобщение известной
формулы Шеннона для пропускной способности канала связи на
случай системы MIMO.
1.1. Системы связи с несколькими
антеннами
Как известно, традиционной системой связи является систе-
ма с одной передающей и одной приёмной антеннами. Такая сис-
темавсовременнойлитературеполучиланазваниесистемыSISO
(Single-Input-Single-Output). Также широко известны системы
связи с одной передающей антенной и несколькими приёмными
антеннамиSIMO(Single-Input-Multiple-Output). Вэтихсистемах
несколькоприёмныхантеннприменяетсядляреализацииизвест-
ного алгоритма разнесённого приёма сигналов в каналах связи с
замираниями. Относительно недавно были предложены системы
связи с несколькими передающими антеннами при одной приём-
ной антенне [1, 10, 42]. Такие системы получили название систем
MISO(Multiple-Input-Single-Output). Вэтихсистемах,такжекак
и в системах SIMO, реализуется идея разнесения, но разнесение
применяетсянапередающейстороне. Такимобразом, всистемах
MISO реализуется алгоритм разнесённой передачи.
Естественным обобщением систем SIMO и MISO являются
системы связи, в которых используется несколько передающих
8 Г л а в а 1
—Łæ. 1.1. Возможные антенные конфигурации
антенн и несколько приёмных антенн. Такие системы известны
под названием MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output).
В системах MIMO может быть реализовано как пространс-
твенное разнесение на приёме, так и пространственное разнесе-
ниенапередаче. Крометого,существуютмногопользовательские
системы MIMO (MU-MIMO — Multiuser MIMO), в которых базо-
вая станция с несколькими приёмо-передающими антеннами вза-
имодействуетснесколькимиабонентскимистанциями,каждаяиз
которых может иметь одну или несколько приёмо-передающих
антенн [2]. На рис. 1.1 схематично показаны возможные конфи-
гурации многоантенных систем.
В системах MIMO, очевидно, и на передающей стороне, и на
приёмной стороне используются многоэлементные антенны или
антенные решетки. Многоэлементные антенны могут быть испо-
льзованытакимобразом,чтобысосредоточитьэнергиювнаправ-
ленииопределенногоабонентаисформироватьсоответствующую
диаграмму направленности (режим адаптивного формирования
луча диаграммы направленности — beamforming). Кроме того,
многоэлементные антенны могут быть использованы для форми-
рованиянесколькихпараллельныхпотоковданных(режимпрос-
транственного мультиплексирования — spatial multiplexing).
Совместноеиспользованиеэффектовпространственногораз-
несения, пространственного мультиплексирования и формирова-
Система связи с несколькими антеннами 9
—Łæ. 1.2. Структурная схема системы MIMO
ния луча диаграммы направленности позволяет [20]:
(cid:15) повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероят-
ность ошибки);
(cid:15) повысить скорость передачи информации в системе;
(cid:15) увеличить зону покрытия;
(cid:15) уменьшить требуемую мощность передатчика.
Эти четыре положительных свойства систем MIMO, к сожа-
лению, не могут быть реализованы одновременно. Например,
увеличение скорости передачи информации приводит к увеличе-
ниювероятностиошибкииликувеличениюизлучамоймощности
передатчика. Поэтому при разработке конкретной системы свя-
зи необходимо находить компромисс.
1.2. Математическая модель системы
MIMO
Рассмотрим систему MIMO с N передающими антеннами и
M приёмными антеннами [2]. Упрощенная структурная схема
такой системы приведена на рис. 1.2.
Предполагается, что передаваемый вектор комплексных ин-
формационных символов s имеет размерность N (cid:2)1, и при этом
символs передаетсячерезi-юантенну. МатрицаканалаHявля-
i
ется прямоугольной комплексной матрицей размерности M (cid:2)N.
Компонентh этойматрицыестькомплексныймножителькана-
ij
ла(комплексныйкоэффициентпередачиканала)междуj-йпере-
дающей антенной и i-й приёмной антенной. Будем полагать, что
мощность сигнала в каждой приёмной антенне равна мощности
E всего излучаемого сигнала (т.е. равна суммарной мощности
s
