Кооперативный MIMO

В радиотехнике кооперативный множественный вход-множественный выход ( кооперативный MIMO , CO-MIMO ) — это технология, которая может эффективно использовать пространственную область мобильных каналов с замиранием, чтобы значительно улучшить производительность беспроводных систем связи. Ее также называют сетевым MIMO , распределенным MIMO , виртуальным MIMO и виртуальными антенными решетками .

Обычные системы MIMO , известные как MIMO «точка-точка» или совмещенный MIMO, требуют, чтобы и передатчик, и приемник канала связи были оснащены несколькими антеннами. Хотя MIMO стал неотъемлемым элементом стандартов беспроводной связи, включая IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA+ (3G), WiMAX (4G) и Long-Term Evolution (4G), многие беспроводные устройства не могут поддерживать несколько антенн из-за ограничений по размеру, стоимости и/или оборудованию. Что еще более важно, разделение антенн на мобильном устройстве и даже на стационарных радиоплатформах часто недостаточно для достижения существенного прироста производительности. Более того, по мере увеличения количества антенн фактическая производительность MIMO все больше отстает от теоретического прироста. [1]

Кооперативный MIMO использует распределенные антенны на разных радиоустройствах для достижения близкого к теоретическому выигрышу MIMO. Основная идея кооперативного MIMO заключается в группировке нескольких устройств в виртуальную антенную решетку для достижения связи MIMO. Кооперативная передача MIMO включает несколько радиоканалов точка-точка, включая каналы внутри виртуального массива и, возможно, каналы между различными виртуальными массивами.

Недостатки кооперативного MIMO связаны с повышенной сложностью системы и большими накладными расходами на сигнализацию, необходимыми для поддержки взаимодействия устройств. С другой стороны, преимущества кооперативного MIMO заключаются в его способности повышать емкость, пропускную способность на границе соты, покрытие и групповую мобильность беспроводной сети экономически эффективным способом. Эти преимущества достигаются за счет использования распределенных антенн, которые могут увеличить емкость системы путем декоррелирования подканалов MIMO и позволяют системе использовать преимущества макроразнообразия в дополнение к микроразнообразию. Во многих практических приложениях, таких как сотовые мобильные и беспроводные ad hoc сети, преимущества развертывания кооперативной технологии MIMO перевешивают недостатки. В последние годы [ когда? ] кооперативные технологии MIMO были приняты в основное русло стандартов беспроводной связи.

Типы

Координированная многоточечная связь

3 типа кооперативного MIMO
Типы кооперативных MIMO
Системная модель для случая кооперативного MIMO ( Alamouti ) в спутниковой связи. [2] [3] [4] Кроме того, следует упомянуть гибридную спутниково-наземную технологию. [5]
Краткая иллюстрация идеи виртуального MIMO (кооперативного D2D ), [6] где обозначает определенный канальный путь, а и обозначают определенное устройство. час я дж {\displaystyle h_{ij}} г дж {\displaystyle d_{j}} с я {\displaystyle s_{i}}

В координированной многоточечной связи (CoMP) данные и информация о состоянии канала (CSI) распределяются между соседними базовыми станциями сотовой связи (BS) для координации их передач в нисходящем канале и совместной обработки полученных сигналов в восходящем канале . Архитектура системы проиллюстрирована на рис. 1a. Методы CoMP могут эффективно превращать в противном случае вредные межсотовые помехи в полезные сигналы, позволяя использовать значительный прирост мощности, преимущество ранга канала и/или прирост разнообразия . CoMP требует высокоскоростной сети обратного соединения для обеспечения обмена информацией (например, данными, управляющей информацией и CSI) между BS. Обычно это достигается с помощью оптоволоконного фронта. CoMP был введен в стандарты 4G. [7]

Фиксированные реле

Стационарные ретрансляторы (показаны на рисунке 1b) — это недорогие и стационарные радиоинфраструктуры без проводных транзитных соединений. Они хранят данные, полученные от BS, и пересылают их на мобильные станции (MS) и наоборот. Стационарные ретрансляторы (RS) обычно имеют меньшую мощность передачи и зону покрытия, чем BS. Их можно стратегически и экономически эффективно развернуть в сотовых сетях для расширения покрытия, снижения общей мощности передачи, повышения пропускной способности определенного региона с высокими требованиями к трафику и/или улучшения приема сигнала. Объединяя сигналы от ретрансляторов и, возможно, исходный сигнал от BS, мобильная станция (MS) может использовать присущее ретранслятору разнообразие канала ретрансляции. Недостатками фиксированных ретрансляторов являются дополнительные задержки, вносимые в процесс ретрансляции, и потенциально повышенные уровни помех из-за повторного использования частот на RS. Как одна из наиболее зрелых кооперативных технологий MIMO, фиксированная ретрансляция получила значительную поддержку в основных стандартах сотовой связи. [8] [9]

Мобильные реле

Мобильные ретрансляторы отличаются от стационарных тем, что RS являются мобильными и не развертываются как инфраструктура сети. Поэтому мобильные ретрансляторы более гибки в размещении различных моделей 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 многоадресное покрытие или увеличить скорость передачи данных, ретранслируя информацию целевой MS. Более того, мобильные ретрансляторы обеспечивают более быстрое и дешевое развертывание сети. Подобно стационарным ретрансляторам, мобильные ретрансляторы могут увеличивать зону покрытия, снижать общую мощность передачи и/или увеличивать емкость на границах ячеек. С другой стороны, из-за своей оппортунистической природы мобильные ретрансляторы менее надежны, чем стационарные, поскольку топология сети очень динамична и нестабильна.

Мобильные пользовательские ретрансляторы позволяют распределенным MS самоорганизовываться в беспроводную ad hoc сеть, которая дополняет инфраструктуру сотовой сети с помощью многоскачковых передач. Исследования показали, что мобильные пользовательские ретрансляторы имеют фундаментальное преимущество в том, что общая емкость сети, измеряемая как сумма пропускной способности пользователей, может масштабироваться линейно с числом пользователей при условии достаточной поддержки инфраструктуры. [10] [11] Таким образом, мобильные пользовательские ретрансляторы являются желательным усовершенствованием будущих сотовых систем. Однако мобильные пользовательские ретрансляторы сталкиваются с проблемами маршрутизации, управления радиоресурсами и управления помехами.

Связь между устройствами (D2D) в LTE — это шаг к мобильным ретрансляторам. [12]

Кооперативное подпространственное кодирование

В Cooperative-MIMO процесс декодирования включает сбор N R линейных комбинаций N T исходных символов данных, где N R обычно является числом принимающих узлов, а N T является числом передающих узлов. Процесс декодирования можно интерпретировать как решение системы N R линейных уравнений, где число неизвестных равно числу символов данных ( N T ) и сигналов помех. Таким образом, для того, чтобы потоки данных были успешно декодированы, число независимых линейных уравнений ( N R ) должно быть по крайней мере равно числу потоков данных ( N T ) и потоков помех.

В кооперативном подпространственном кодировании, также известном как линейное сетевое кодирование , узлы передают случайные линейные комбинации исходных пакетов с коэффициентами, которые могут быть выбраны из измерений естественной случайной среды рассеяния. В качестве альтернативы, среда рассеяния полагается на кодирование передач. [13] Если пространственные подканалы достаточно 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 превосходную производительность пропускной способности, если приемник получает недостаточное количество пакетов, крайне маловероятно, что он сможет восстановить любой из исходных пакетов. Это можно решить, отправив дополнительные случайные линейные комбинации (например, увеличив ранг матрицы канала MIMO или повторно передав в более позднее время, которое больше времени когерентности канала ), пока приемник не получит достаточное количество закодированных пакетов для декодирования. [14]

Кооперативное подпространственное кодирование сталкивается с высокой вычислительной сложностью декодирования. Однако в кооперативном радио MIMO декодирование MIMO уже использует аналогичные, если не идентичные, методы, как декодирование случайной линейной сети. Случайные линейные сетевые коды имеют высокие накладные расходы из-за больших векторов коэффициентов, прикрепленных к кодированным блокам. Но в кооперативном радио MIMO векторы коэффициентов могут быть измерены из известных обучающих сигналов, что уже выполняется для оценки канала . Наконец, линейная зависимость между векторами кодирования уменьшает количество инновационных кодированных блоков. Однако линейная зависимость в радиоканалах является функцией корреляции канала , что является проблемой, решаемой кооперативным MIMO.

История

До внедрения кооперативного MIMO предлагалась совместная обработка между базовыми станциями сотовой связи для смягчения межсотовых помех [15] , а кооперативное разнесение [16] предлагало повышенный выигрыш от разнесения с использованием реле, но за счет худшей спектральной эффективности. Однако ни один из этих методов не использует помехи для пространственного мультиплексирования, что может значительно повысить спектральную эффективность.

В 2001 году кооперативный MIMO был представлен Стивом Шаттилом, ученым из Idris Communications, в предварительной патентной заявке [17] , в которой были раскрыты координированные многоточечные и фиксированные ретрансляторы, за которыми последовала статья, в которой С. Шамай и Б. М. Зайдель предложили предварительное кодирование «грязной бумаги» в совместной обработке нисходящей линии связи для однопользовательских ячеек. [18] В 2002 году Шаттил представил аспекты мобильного ретранслятора и сетевого кодирования кооперативного MIMO в патенте США № 7430257 [19] и публикации США № 20080095121. [20] Реализации программно-определяемого радио (SDR) и распределенных вычислений в кооперативном MIMO были представлены в патентах США № 7430257 (2002) и 8670390 [21] (2004), что обеспечило основу для облачной сети радиодоступа ( C-RAN ).

Реализации кооперативного MIMO на стороне сервера были первыми, принятыми в спецификации сотовой связи 4G , и имеют важное значение для 5G . CoMP и Fixed Relays объединяют ресурсы обработки основной полосы частот в центрах обработки данных, обеспечивая плотное развертывание простых и недорогих радиотерминалов (например, удаленных радиоголовок ) вместо базовых станций сотовой связи. Это позволяет легко масштабировать ресурсы обработки для удовлетворения потребностей сети, а распределенные антенны могут позволить обслуживать каждое пользовательское устройство полной спектральной полосой пропускания системы. Однако полоса пропускания данных на пользователя по-прежнему ограничена объемом доступного спектра, что вызывает беспокойство, поскольку использование данных на пользователя продолжает расти.

Внедрение клиентского кооперативного MIMO отстает от серверного кооперативного MIMO. Клиентский кооперативный MIMO, такой как мобильные реле, может распределять вычислительные нагрузки 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 соединения ближнего действия. Это означает, что по мере роста кластера доступная мгновенная пропускная способность данных на пользователя также растет. Таким образом, вместо того, чтобы пропускная способность данных на пользователя была жестко ограничена законами физики (т. е. теоремой Шеннона-Хартли ), пропускная способность данных ограничивается только вычислительной мощностью обработки, которая продолжает улучшаться в соответствии с законом Мура . Несмотря на большой потенциал клиентского кооперативного MIMO, инфраструктура на основе пользователей сложнее для поставщиков услуг монетизировать, и существуют дополнительные технические проблемы.

Хотя мобильные реле могут снизить общую энергию передачи, эта экономия может быть компенсирована энергией схемы, необходимой для увеличения вычислительной обработки. Было показано, что выше определенного порогового значения расстояния передачи кооперативный MIMO обеспечивает общую экономию энергии. [22] Были разработаны различные методы для обработки временных и частотных смещений, что является одной из самых критических 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 канала нисходящей линии связи Cooperative-MIMO для системы CoMP. Группа базовых станций использует совокупность M передающих антенн для одновременной связи с K пользователями.

Пользователь k , ( k = 1,… , K ), имеет N k приемных антенн. Модель канала от БС до k -го пользователя представлена ​​матрицей каналов H k размером N k × M .

Пусть s k обозначает вектор символа передачи k -го пользователя. Для пользователя k линейная матрица предварительного кодирования передачи W k , которая преобразует вектор данных s k в переданный вектор M × 1 W k × s k , используется БС. Вектор принятого сигнала у k -го пользователя определяется как , у к = ЧАС к Вт к с к + ЧАС к ∑ я ≠ к Вт я с я + н к {\displaystyle \mathrm {y} _{k}=\mathrm {H} _{k} \mathrm {W} _{k} \mathrm {s} _{k}+\mathrm {H} _{k} \sum _{i\neq k}\mathrm {W} _{i}\mathrm {s} _{i}+\mathrm {n} _{k}}

где n k = [ n k, 1 , …, n k,Nk ] T обозначает вектор шума для k -го пользователя, а (.) T обозначает транспонирование матрицы или вектора. Компоненты n k,i вектора шума n k являются iid с нулевым средним и дисперсией σ 2 для k = 1,…, K и i = 1,…, N k . Первый член, H k W k s k , представляет желаемый сигнал, а второй член, , представляет помехи, принимаемые пользователем k . ЧАС к ∑ я ≠ к Вт я с я {\ displaystyle \ mathrm {H} _ {k} \ sum _ {i \ neq k} \ mathrm {W} _ {i} \ mathrm {s} _ {i}}

Сетевой канал определяется как H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , а соответствующий набор сигналов, получаемых всеми пользователями, выражается как

y = HWs + n ,

где H = [ H 1 T ,…, H K T ] T , y = [ y 1 T ,…, y K T ] T , W = [ W 1 T ,…, W K T ] T , s = [ s 1 T ,…, s K T ] T , и n = [ n 1 T ,…, n K T ] T .

Матрица предварительного кодирования W разрабатывается на основе информации о канале с целью повышения производительности системы Cooperative-MIMO.

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

у = Hs + n

Полученный сигнал обрабатывается с помощью матрицы пространственного демультиплексирования G для восстановления переданных символов: . с ^ = Г у = Г ( ЧАС с + н ) {\displaystyle {\hat {\mathrm {s} }}=\mathrm {Gy} =\mathrm {G} {\bigl (}\mathrm {Hs} +\mathrm {n} {\bigr)}}

Распространенные типы предварительного кодирования включают нулевое форсирование (ZF), предварительное кодирование с минимальной средней квадратичной ошибкой (MMSE), передачу с максимальным отношением (MRT) и блочную диагонализацию . Распространенные типы пространственного демультиплексирования включают ZF , комбинирование MMSE и последовательное подавление помех .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нордин, Р.; Армор, С.; Макгиан, Дж. П. (2010-09-01). «Стратегия минимизации пространственных помех для коррелированного нисходящего канала LTE». 21-й ежегодный международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи. стр.  757–761 . doi :10.1109/PIMRC.2010.5671934. hdl :1983/1712. ISBN 978-1-4244-8017-3. S2CID  9927242.
  2. ^ Арапоглу, PD; Лиолис, K.; Бертинелли, M.; Панагопулос, A.; Коттис, P.; Де Гауденци, R. (2011). «MIMO через спутник: обзор». IEEE Communications Surveys & Tutorials . 13 (1): 27– 51. doi :10.1109/SURV.2011.033110.00072. S2CID  17591210.
  3. ^ Кирёляйнен, Дж.; Хулкконен, А.; Илитало, Дж.; Байман, А.; Шанкар, Б.; Арапоглу, ПД; Гротц, Дж. (2014). «Применимость MIMO для спутниковой связи». Международный журнал спутниковой связи и сетей . 32 (4): 343–357 . doi : 10.1002/сб.1040. hdl : 10993/24589 . S2CID  18467821.
  4. ^ Занг, Го-чжэнь; Хуан Бао-хуа; Му Цзин (2010). «Одна схема кооперативного разнесения с двумя спутниками на основе кода аламоути». IET 3-я международная конференция по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010) . IET 3-я международная конференция по беспроводным, мобильным и мультимедийным сетям (ICWMMN 2010). стр.  151– 4. doi :10.1049/cp.2010.0640. ISBN 978-1-84919-240-8.
  5. ^ Перес-Нейра, AI ; Ибарс, К.; Серра, Дж.; Дель Косо, А.; Гомес-Вилардебо, Дж.; Каус, М.; Лиолис, КП (2011). «Моделирование каналов MIMO и методы передачи для многоспутниковых и гибридных спутниково-наземных мобильных сетей». Физическое общение . 4 (2): 127–139 . doi :10.1016/j.phycom.2011.04.001. hdl : 2117/13225 .
  6. ^ Цзян, Х.; Шао, С.; Сан, Дж. (2013). «Виртуальная связь MIMO на основе D2D Link». 2013 3-я Международная конференция по потребительской электронике, коммуникациям и сетям . 3-я Международная конференция по потребительской электронике, коммуникациям и сетям. стр.  718– 722. doi :10.1109/CECNet.2013.6703432. ISBN 978-1-4799-2860-6.
  7. ^ "Техническая спецификация 3GPP (выпуск 11)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2015-12-21 .
  8. ^ Обзор 3GPP версии 11
  9. ^ «Обзор 3GPP HetNet/Small Cells».
  10. ^ Zaman, NI; Kanakis, T.; Rapajic, P. (2010-10-01). "Ретрансляция MIMO для кооперативных мобильных сетей". 2010 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC) . 2010 16-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по коммуникациям (APCC). стр.  368–372 . doi :10.1109/APCC.2010.5679704. ISBN 978-1-4244-8128-6.
  11. ^ Чу, Шань; Ван, Синь; Ян, Юаньюань (2013-04-01). «Использование кооперативной ретрансляции для высокопроизводительной связи в сетях MIMO Ad Hoc». IEEE Transactions on Computers . 62 (4): 716– 729. doi :10.1109/TC.2012.23. S2CID  18525890.
  12. ^ Тан, Хуан; Чжу, Чэньси; Дин, Чжи (01 июня 2013 г.). «Совместное предварительное кодирование MIMO для подложки D2D в сотовых сетях». Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC) , 2013 г. стр.  5517–5521 . doi :10.1109/ICC.2013.6655469. ISBN 978-1-4673-3122-7. S2CID  24022140.
  13. ^ Стефанов, А.; Эркип, Э. (2002-09-09). "Кооперативное кодирование для беспроводных сетей". 4-й Международный семинар по мобильным и беспроводным сетям связи . С.  273–277 . doi :10.1109/MWCN.2002.1045735. ISBN 0-7803-7605-6. S2CID  195861055.
  14. ^ Чжан, Шуньвай; Ян, Фэнфан; Тан, Лей; Ло, Линь (2013-10-01). "Сетевое кодирование на основе множественных источников RA-кодированного кооперативного MIMO". Труды 3-й Международной конференции по компьютерным наукам и сетевым технологиям 2013 года . С.  737– 741. doi :10.1109/ICCSNT.2013.6967215. ISBN 978-1-4799-0561-4. S2CID  16702443.
  15. ^ Байер, П. В.; Мёрер, М.; Вебер, Т.; Трогер, Х. (2000-09-01). "Совместная передача (JT), альтернативное обоснование для нисходящей линии связи временного разделения CDMA с использованием многоэлементных передающих антенн". 2000 IEEE Шестой международный симпозиум по методам и приложениям расширения спектра. ISSTA 2000. Труды (Cat. No.00TH8536) . Том 1. стр.  1– 5. doi :10.1109/ISSSTA.2000.878069. ISBN 0-7803-6560-7. S2CID  62541739.
  16. ^ Laneman, JN; Wornell, Gregory W.; Tse, DNC (2001-06-29). "Эффективный протокол для реализации кооперативного разнообразия в беспроводных сетях". Труды. 2001 IEEE International Symposium on Information Theory (IEEE Cat. No.01CH37252) . стр. 294–. doi :10.1109/ISIT.2001.936157. ISBN 0-7803-7123-2. S2CID  830571.
  17. ^ Заявка на патент США № 60286850, Метод и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки многочастотных сигналов.
  18. ^ Шамай, С.; Зайдель, Б.М. (2001-05-06). «Улучшение пропускной способности сотовой связи через совместную обработку на передающем конце». IEEE VTS 53rd Vehicular Technology Conference, весна 2001 г. Труды (Cat. No.01CH37202) . Том 3. стр.  1745–9 . doi :10.1109/VETECS.2001.944993. ISBN 0-7803-6728-6. S2CID  62153715.
  19. ^ US 7430257, «Многонесущий подуровень для канала прямой последовательности и кодирования множественного доступа»
  20. ^ US 20080095121, «Сети интерферометрии носителей»
  21. ^ US 8670390, «Кооперативное формирование луча в беспроводных сетях»
  22. ^ Cui, Shuguang; Goldsmith, AJ; Bahai, A. (2004-08-01). «Энергоэффективность MIMO и кооперативные методы MIMO в сенсорных сетях». Журнал IEEE по избранным областям в коммуникациях . 22 (6): 1089–98 . doi :10.1109/JSAC.2004.830916. S2CID  8108193.
  23. ^ Ли, Сяохуа (2004-12-01). «Многоадресная передача с пространственным и временным кодированием между распределенными передатчиками без идеальной синхронизации». IEEE Signal Processing Letters . 11 (12): 948– 951. Bibcode : 2004ISPL...11..948L. doi : 10.1109/LSP.2004.838213.
  24. ^ Чжан, Яньян; Чжан, Цзяньхуа; Сан, Фейфей; Фэн, Чун; Чжан, Пин; Ся, Минхуа (2008-05-01). "Новый метод синхронизации времени для распределенных систем MIMO-OFDM в каналах с многолучевым замиранием Рэлея". VTC Spring 2008 - Конференция по транспортным технологиям IEEE . стр.  1443–7 . doi :10.1109/VETECS.2008.340. ISBN 978-1-4244-1644-8. S2CID  18119213.
  25. ^ Gong, Dawei; Zhao, Miao; Yang, Yuanyuan (2010-11-01). "Многоканальный кооперативный протокол MIMO MAC для беспроводных сенсорных сетей". 7-я международная конференция IEEE по мобильным специальным и сенсорным системам (IEEE MASS 2010) . стр.  11–20 . doi :10.1109/MASS.2010.5663975. ISBN 978-1-4244-7488-2. S2CID  16943728.

Дальнейшее чтение

  • Y. Hua, Y. Mei и Y. Chang, «Беспроводные антенны — обеспечение беспроводных коммуникаций, работающих как проводные», Тематическая конференция IEEE по технологиям беспроводной связи, стр. 47-73, Гонолулу, Гавайи, 15-17 октября 2003 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cooperative_MIMO&oldid=1168633549"