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
