Макроразнообразие

• «Мягкая» передача/хэндовер в CDMA:
  • Мягкая передача в универсальной мобильной телекоммуникационной системе (UMTS);
• Одночастотные сети (SFN) на основе OFDM и эквализации в частотной области (FDE) — это форма «макроразнообразия передачи», используемая в вещательных сетях, таких как DVB-T и DAB:
  • Динамические одночастотные сети (DSFN), где создание SFN динамически адаптируется под условия трафика и/или состояния приёмников;
  • Хэндовер с макроразнообразием по стандарту IEEE 802.16e (MDHO);
  • Одночастотная multicast/broadcast-сеть (MBSFN) в 3GPP долгосрочного развития (LTE), позволяющая эффективно транслировать одни и те же данные во многих соседних сотах;
  • Кооперативное разнообразие, например, согласованная многоточечная передача/приём (CoMP) в LTE, используемая для увеличения скорости передачи данных для абонентов в зонах перекрытия радиусов действия разных базовых станций.

Базовым типом макроразнообразия является макроразнообразие для одного пользователя. В рамках этой схемы один пользователь (возможно, обладающий несколькими антеннами) взаимодействует с несколькими базовыми станциями. Соответственно, в зависимости от числа степеней свободы (DoF) системы, пользователь может передавать или получать несколько независимых потоков данных к/от базовых станций в один и тот же временной и частотный интервал.

• Макроразнообразие одного пользователя
  • Макроразнообразие для восходящей линии (uplink);
  • Макроразнообразие для нисходящей линии (downlink).

В более развитых вариантах макроразнообразия несколько распределённых пользователей взаимодействуют с несколькими распределёнными базовыми станциями на той же временной и частотной ресурсе. Показано, что такая схема, оптимально использующая пространственные степени свободы, существенно увеличивает ёмкость системы и абонентов.

• Многоабонентское макроразнообразие
  • Мультиабонентский канал множественного доступа с макроразнообразием (MAC)^[2];
  • Канал вещания с макроразнообразием (BC)^[3][4].

Рассматриваемая здесь многопользовательская система макроразнообразия с восходящей линией связи (MIMO) состоит из ${\displaystyle N}$ распределённых пользователей с единственной антенной и ${\displaystyle n_{R}}$ распределённых одноантенных базовых станций (BS). В соответствии с классической моделью MIMO с плоским замиранием и узкой полосой пропускания входно-выходное соотношение имеет вид:

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} ,}$

где ${\displaystyle \mathbf {y} }$ и ${\displaystyle \mathbf {x} }$ — соответственно векторы приёма и передачи, а ${\displaystyle \mathbf {H} }$ и ${\displaystyle \mathbf {n} }$ — матрица канала макроразнообразия и вектор некоррелированного по пространству шума AWGN. Пусть ${\displaystyle N_{0}}$ — спектральная плотность мощности шума AWGN. Элемент ${\displaystyle i,j}$ матрицы ${\displaystyle \mathbf {H} }$, обозначаемый ${\displaystyle h_{ij}}$, характеризует коэффициент замирания данного канала связи, где ${\displaystyle j}$ — пользователь, ${\displaystyle i}$ — базовая станция. В макроразнообразном сценарии:

${\displaystyle E\left\{\left|h_{ij}\right|^{2}\right\}=g_{ij}\quad \forall i,j}$ ,

где ${\displaystyle g_{ij}}$ называется средним усилением канала, что соответствует среднему SNR ${\displaystyle {\frac {g_{ij}}{N_{0}}}}$. Матрица профиля мощности макроразнообразия^[2] определяется как:

${\displaystyle \mathbf {G} ={\begin{pmatrix}g_{11}&\dots &g_{1N}\\g_{21}&\dots &g_{2N}\\\dots &\dots &\dots \\g_{n_{R}1}&\dots &g_{n_{R}N}\\\end{pmatrix}}}$.

Исходное входно-выходное соотношение можно переписать в терминах профиля мощности и так называемой нормализованной матрицы канала ${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$ как:

${\displaystyle \mathbf {y} =\left(\left(\mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}\right)\circ \mathbf {H} _{w}\right)\mathbf {x} +\mathbf {n} }$,

где ${\displaystyle \mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}}$ — поэлементный квадратный корень из ${\displaystyle \mathbf {G} }$, оператор ${\displaystyle \circ }$ означает умножение Адамара (см. произведение Адамара (матрицы)). Элемент ${\displaystyle i,j}$ матрицы ${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$, ${\displaystyle h_{w,ij}}$, удовлетворяет условию:

${\displaystyle E\left\{\left|h_{w,ij}\right|^{2}\right\}=1\quad \forall i,j}$.

Показано, что имеется функциональная связь между постоянной матрицы мощности макроразнообразия ${\displaystyle \mathbf {G} }$ и характеристиками работы многоабонентских систем макроразнообразия в условиях фединга^[2]. Несмотря на то, что эффект макроразнообразия проявляется только в профиле мощности, практические системы обычно имеют дополнительные ограничения на мощность передачи (например, средняя мощность каждого элемента ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ограничена) и разные множества согласованных приёмников/передатчиков для каждой коммуникации^[4]. Заметим, что приведённое выше соотношение легко обобщается на случай, когда передатчик и/или приёмник имеют несколько антенн.