Techniki kształtowania wiązki w sieciach 5G
| TechnikaTechnologia 5G zapewnia skokową poprawę parametrów transmisji w sieciach komórkowych w porównaniu z 4G, w tym maksymalną szybkość transmisji 20 Gb/s, 20 razy większą niż w 4G i gęstość połączeń do 1000 urządzeń na km², 100 razy więcej niż w sieciach poprzedniej generacji. Osiąga się to dzięki szeregowi nowych technik, wśród których w szczególności dwie, Massive MIMO (mMIMO) i formowanie wiązki, mają fundamentalne znaczenie dla wzrostu przepustowości i pojemności sieci. Są one ze sobą ściśle powiązane, dlatego opis metod kształtowania wiązki poprzedzamy krótką charakterystyką mMIMO.
Ogólnie MIMO (Multiple Input Multiple Output) to transmisja wieloantenowa. Oznacza to, że aby zwiększyć przepustowość i pojemność oraz poprawić jakość łącza radiowego, nadajnik i odbiornik wyposaża się w wiele anten i, dzięki technikom dywersyfi kacji przestrzennej i multipleksowania przestrzennego, przesyła dane jednocześnie oraz w ramach tego samego zasobu częstotliwości.
W dywersyfikacji przestrzennej wykorzystuje się zjawisko wielodrogowości, przesyłając wiele kopii tego samego sygnału przy użyciu wielu anten, co pozwala na jego zrekonstruowanie w odbiorniku mimo zaników występujących po drodze. Multipleksowanie przestrzenne z kolei polega na podziale pakietu danych na wiele unikalnych strumieni. Te mogą być przesyłane jednocześnie do jednego odbiorcy (Single User MIMO, SU-MIMO) lub wielu adresatów (Multi User MIMO, MU-MIMO).
Technika MIMO jest podstawą wielu nowoczesnych technologii bezprzewodowych, w tym Wi-Fi oraz LTE. Pierwsze wersje tego drugiego standardu opierały się na transmisji 2×2 MIMO, wzrost mocy obliczeniowej procesorów pozwolił jednak z czasem na równoczesne obsługiwanie strumieni danych w schemacie 4×4 MIMO. Dzięki temu, że sieci 5G pracują w paśmie częstotliwości fal milimetrowych, co pozwala znacząco zmniejszyć rozmiary anten, możliwa jest transmisja 32×32 MIMO, a nawet 64 i więcej, w ramach schematów określanych właśnie już jako Massive MIMO.
Kształtowanie wiązki
Kształtowanie wiązki to metoda o ugruntowanej pozycji wśród technik telekomunikacyjnych, która jest wciąż udoskonalana na potrzeby kolejnych generacji standardów transmisji bezprzewodowej – o ile była niezbędna przy wdrażaniu transmisji SU-MIMO w starszych wersjach sieci LTE, o tyle w przypadku MU-MIMO oraz mmMIMO w sieciach 5G nabrała znaczenia krytycznego. Wykorzystuje się w niej układy antenowe, które skupiają sygnał w konkretnym kierunku.
W tym celu charakterystyki promieniowania poszczególnych anten są kształtowane tak, by zapewnić pożądaną wypadkową charakterystykę promieniowania, w której w docelowym kierunku sygnał będzie wzmocniony, natomiast w pozostałych zostanie stłumiony. Uzyskuje się to dobierając i synchronizując wartości amplitudy i fazy sygnałów poszczególnych anten w macierzy MIMO.
Chociaż wdrożenie techniki kształtowania wiązki zwiększa złożoność i koszty, zapewnia ona ważne korzyści. Są to głównie: możliwość doboru mocy w zależności od odległości od odbiorców, a dzięki temu poprawa jakości sygnału dla tych najdalej od nadajnika przez jego wzmocnienie, jak i dla tych najbliżej, dzięki zmniejszeniu jego mocy oraz zwiększenie stosunku sygnału do szumu. Dzięki temu poprawia się jakość transmisji w kanałach transmisyjnych, w których sygnał jest narażony na silne tłumienie i interferencje.
Na czym polega metoda analogowa?
Wyróżnia się trzy techniki kształtowania wiązki. Najprostsza z nich to ta, w której faza sygnałów jest zmieniana w domenie analogowej. W tym przypadku sygnał wyjściowy nadajnika jest najpierw dzielony na kilka sygnałów – ich liczba odpowiada liczbie anten w układzie antenowym. Następnie każdy z nich przechodzi przez przesuwnik fazy i po wzmocnieniu jest doprowadzany do wejścia anteny. W przypadku odbiornika sekwencja operacji jest odwrotna.
Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat blokowy układu formowania wiązki tego typu. Po stronie nadajnika sygnał informacyjny w paśmie podstawowym, po przekształceniu w przetworniku C/A oraz po zmodulowaniu nośnej, jest rozdzielany na kilka sygnałów, które są doprowadzane do sterowanych cyfrowo przesuwników fazy, po jednym dla każdej anteny w układzie antenowym. Analogicznie po stronie odbiornika sygnały są najpierw doprowadzane do przesuwników fazowych, potem sumatora, filtra i po demodulacji do pasma podstawowego albo częstotliwości pośredniej, do przetwornika A/C – spróbkowany sygnał jest superpozycją sygnałów odebranych w układzie antenowym.
Jest to rozwiązanie bardzo skuteczne – analogowe kształtowanie wiązki znacząco poprawia zasięg stacji bazowej. Dzięki swej prostocie nie wymaga bowiem skomplikowanego sprzętu (wystarcza jedna para przetworników A/C i C/A i jeden blok przetwarzania sygnału radiowego) ani oprogramowania, technika ta jest też opłacana. Głównym jej ograniczeniem jest natomiast to, że pozwala przetwarzać równocześnie tylko jeden strumień danych i wygenerować tylko jedną wiązkę sygnału.
To nie pozwala na osiągnięcie dużych prędkość transmisji, a ponadto dokładne dostrojenie wiązek jest trudne ze względu na małą rozdzielczość skwantowanych przesunięć fazowych. Generalnie także podejście to jest mało elastyczne w stosunku do potrzeb schematów transmisji MIMO w sieciach 5G. Ograniczenia analogowego formowania wiązki nie dotyczą alternatywnych rozwiązań: metody cyfrowej ani hybrydowej.
Metoda cyfrowa
Na rysunku 2 przedstawiono uproszczony schemat blokowy cyfrowego układu formowania wiązki. W tym przypadku każda antena ma oddzielny blok przetwarzania sygnału radiowego oraz oddzielne przetworniku A/C i C/A. Dzięki temu wzmocnienie oraz faza każdej próbki „przestrzennej” są regulowane w indywidualny sposób przed i po konwersji do i z pasma podstawowego. Zapewnia to w porównaniu do techniki analogowej większą elastyczność w zakresie kształtowania wypadkowej charakterystyki promieniowania układu antenowego, w tym pozwala na maksymalizację mocy sygnału w pożądanym kierunku i tłumienie go w pozostałych kierunkach, by ograniczyć zakłócenia oraz na zrealizowanie multipleksowania przestrzennego przez generowanie wielu wiązek dla wielu odbiorców. Indywidualne przetwarzanie próbek z poszczególnych anten ma swoją cenę – wymaga droższych komponentów, zużywających więcej energii. Dlatego cyfrowe formowanie wiązek nie jest wykorzystywane w zakresie fal milimetrowych – w sieciach 5G rezygnuje się z tej techniki na rzecz metody hybrydowej.
Technika hybrydowa
Tytułowa metoda zapewnia kompromis, łącząc zalety oraz eliminując wady technik analogowej i cyfrowej, czyli odpowiednio: niższy pobór mocy kosztem mniejszej elastyczności i uniwersalność kosztem energochłonności. Na rysunku 3 przedstawiono uproszczony schemat blokowy hybrydowego układu kształtowania wiązki. Można na nim zauważyć, że pewne operacje są powtarzane zarówno w paśmie podstawowym, jak i dla wyższych częstotliwości – chodzi o wstępne kodowanie oraz sumowanie sygnałów, które odbywa się, w przypadku nadajnika, najpierw w domenie analogowej, a później cyfrowej. Poza tym wykorzystywane są analogowe przesuwniki fazy, a liczba przetworników A/C i C/A i bloków przetwarzania sygnału radiowego jest mniejsza niż liczba anten. To zmniejsza koszty, obciążenie obliczeniowe oraz w rezultacie zużycie energii. Poza tym jednocześnie można wygenerować wiele strumieni danych, chociaż najwyżej tyle, ile w danej konfiguracji jest bloków przetwarzania sygnału radiowego, tych zaś jest mniej niż w przypadku układu kształtowania wiązki w pełni cyfrowego. Na to ma z kolei wpływ sposób realizacji etapów wstępnego kodowania i sumowania sygnałów – można je przeprowadzić generalnie na dwa sposoby.
W pierwszym układ antenowy dzielony jest na podzbiory anten, a dla każdego z nich przydziela się oddzielną sekcję kształtowania wiązki z indywidualnym blokiem przetwarzania sygnału radiowego (rys. 4a). Zmniejsza to złożoność i zużycie energii kosztem mniejszej elastyczności. W drugim podejściu anteny są grupami przełączane między torami sygnałowymi z blokiem przetwarzania sygnału radiowego i sterowanym cyfrowo przesuwnikiem fazy w sposób optymalny w danych warunkach (rys. 4b). Zapewnia to znacznie większą elastyczność w manipulowaniu wieloma wiązkami, jednak kosztem większej złożoności.
Monika Jaworowska
