MIMO-OFDM
MIMO-OFDM (англ. Multiple-input, multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing) — доминирующий радиоинтерфейс для широкополосной беспроводной связи 4G и 5G. Он сочетает в себе технологию множественный вход — множественный выход (MIMO), которая увеличивает пропускную способность за счёт передачи различных сигналов через несколько антенн, и ортогональное частотное разделение каналов (OFDM), делящее радиоканал на множество тесно расположенных подканалов для обеспечения более надёжной связи на высоких скоростях. Исследования середины 1990-х годов показали, что хотя MIMO может применяться и с другими популярными радиоинтерфейсами, такими как множественный доступ с временным разделением (TDMA) и множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), сочетание MIMO и OFDM оказывается наиболее практичным на высоких скоростях передачи данных.
MIMO-OFDM лежит в основе большинства современных стандартов беспроводных локальных сетей (беспроводная ЛВС) и мобильных широкополосных сетей, поскольку обеспечивает наибольшую спектральную эффективность, то есть максимальную ёмкость и скорость передачи данных. Грегори Роли изобрёл MIMO в 1996 году, когда продемонстрировал возможность одновременной передачи разных потоков данных по одной и той же частоте, используя тот факт, что радиосигналы отражаются от объектов (например, земли) и поступают к приёмнику по нескольким путям. То есть, с помощью нескольких антенн и прекодирования данных становятся возможными независимые потоки по разным путям. Роли предположил и позднее доказал, что обработка сигналов MIMO на высоких скоростях наиболее эффективно реализуется с OFDM-модуляцией, поскольку OFDM преобразует высокоскоростной канал данных в несколько параллельных низкоскоростных каналов.
Принцип действия
В современной терминологии «MIMO» означает не просто наличие нескольких передающих (множественный вход) и приёмных (множественный выход) антенн. Если несколько передающих антенн можно применить для формирования луча, а несколько приёмных — для повышения разнообразия приёма, то собственно «MIMO» подразумевает одновременную передачу нескольких сигналов (т. н. пространственное мультиплексирование) для увеличения спектральной эффективности (ёмкости).
Традиционно радиоинженеры рассматривали естественную многолучевость как помеху, которую нужно компенсировать. MIMO — первая радиотехнология, использующая многолучевую передачу как полезное явление. MIMO увеличивает ёмкость радиолинии за счёт передачи нескольких сигналов через сонаправленные антенны — без необходимости увеличения мощности или ширины полосы частот. Для различения этих сигналов применяются пространственно-временные коды, что позволяет приёмнику легко выделять отдельные потоки. Даже при наличии прямой видимости между станциями для создания нескольких устойчивых путей может применяться двойная поляризация антенн.
OFDM обеспечивает надёжную широкополосную связь, распределяя пользовательские данные по множеству тесно расположенных узкополосных подканалов[1]. Такое построение позволяет устранить главную проблему широкополосной связи — межсимвольная интерференция (ISI). Она возникает, когда продолжительность перекрытия между символами сравнима с их длительностью; увеличение скорости передачи данных требует более коротких символов и повышает риск ISI. Разделяя поток на множество низкоскоростных, OFDM позволяет увеличивать длительность символов. Также может использоваться циклический префикс для создания временного защитного интервала, полностью устраняющего ISI. Если префикс длиннее импульсного разброса канала, то символы не перекрываются, и ISI не возникает. Несмотря на то, что циклический префикс немного снижает спектральную эффективность, тратя часть полосы, устранение ISI делает такой компромисс оправданным.
Ключевое преимущество OFDM — возможность реализации с помощью БПФ (Fast Fourier Transform, FFT). Преобразование Фурье позволяет переходить между временной и частотной областями, разбивая сложный сигнал на простые синусоиды. В обработке сигналов используются дискретное преобразование Фурье (DFT), и с их помощью можно работать с составными OFDM-сигналами, исключая необходимость использования множества генераторов и демодуляторов для каждого подканала. БПФ — это алгоритмы для цифровой обработки DFT[2].
FFT также обеспечивает эффективное использование полосы — подканалы расположены настолько близко друг к другу по частоте, чтобы их временные формы оставались ортогональными. На практике это означает, что их частотные диапазоны частично перекрываются.
Комбинация MIMO и OFDM особенно мощна, поскольку MIMO не устраняет многолучевость, а OFDM снимает необходимость в эквалайзерах. MIMO-OFDM может обеспечивать очень высокую спектральную эффективность даже при отсутствии у передатчика информация о состоянии канала (CSI). Если же такая информация есть (полученная, например, с помощью обучающих последовательностей), можно приблизиться к теоретической ёмкости канала; CSI, например, позволяет оптимально распределять размеры созвездий сигналов по подканалам в зависимости от текущих условий.
Современное развитие MIMO-OFDM включает многоабонентский MIMO (MU-MIMO), реализации с большим числом пространственных потоков и исследования по «массивному» (massive MIMO) и кооперативный MIMO (CO-MIMO), предназначенным для стандартов 5G.
MU-MIMO включён в стандарт IEEE 802.11ac, первый стандарт Wi-Fi, обеспечивающий скорости передачи порядка гигабита в секунду. MU-MIMO позволяет точке доступа (AP) передавать сразу нескольким (до четырёх) клиентским устройствам одновременно, устраняя задержки из-за коллизий, но требует частых измерений канала для корректного формирования сигналов. Каждое устройство может использовать до четырёх из восьми пространственных потоков; например, AP с восемью антеннами может параллельно работать с двумя устройствами с четырьмя антеннами (4 потока каждому) или с четырьмя устройствами по две антенны (2 потока каждому)[3].
Многопользовательское формирование луча (MU-MIMO beamforming) полезно даже для устройств с одним пространственным потоком: раньше точка доступа могла передавать только одному клиенту за раз, теперь — до четырём клиентским устройствам одновременно по одному потоку в каждом.
Стандарт 802.11ac поддерживает скорости до 6,93 Гбит/с при восьми пространственных потоках в режиме одного пользователя. Максимальная скорость достигается при использовании опционального канала 160 МГц в диапазоне 5 ГГц и модуляции 256-QAM. Выпущены чипсеты с поддержкой шести пространственных потоков, находились в разработке решения для восьми потоков.
Массивный MIMO подразумевает большое число антенн базовой станции в MU-MIMO-окружении[4]. В сетях LTE уже поддерживается работа с двумя пространственными потоками, есть прототипы антенных модулей для четырёх потоков в мобильных устройствах; всё же массивный MIMO даёт прирост ёмкости и при одном потоке на абонента — за счёт MU-MIMO-формирования луча. Открытым остаётся вопрос: когда выгоднее увеличивать число антенн на базовой станции, а когда — раскладывать нагрузку по малым сотам.
Перспективным направлением исследований в 5G также является CO-MIMO. Здесь кластеры базовых станций совместно улучшают характеристики сети, реализуя макроразнообразие для устойчивого приёма сигнала или многосотовое мультиплексирование для повышения скоростей загрузки. Для этого между базовыми станциями требуется высокоскоростная связь.
История
Впервые применение MIMO в сочетании с OFDM предложил и теоретически обосновал Грегори Роли. Он показал, что подходящая система MIMO — то есть несколько сонаправленных антенн, передающих и принимающих информационные потоки с многомерным кодированием — позволяет использовать многолучевость радиоканала для увеличения его ёмкости[5]. До этого радиоинженеры старались свести многолучевые реальные каналы к идеальным, подавляя (а не используя) интерференцию, но полностью устранить её оказалось невозможно. Для эффективного использования многолучевых каналов требовалось подобрать кодовые и модуляционные схемы, устойчивые к изменяющимся условиям и временным задержкам. Роли опубликовал работы по MIMO-OFDM в условиях изменяющихся каналов, оценке состояния канала MIMO-OFDM, синхронизации в системах MIMO-OFDM и первым экспериментальным установкам.[6][7][8][9]
Анализируя применение MIMO с тремя ведущими модуляционными технологиями в своей диссертации, Роли подтвердил преимущества OFDM. Модуляция с квадратурной амплитудной манипуляцией (QAM) — пример узкополосных (как в TDMA) систем с эквалайзером; спектрально расширенная последовательность (DSSS) и приём с помощью рейк-приёмника применяются в CDMA; дискретное многотоновое кодирование (DMT) с чередованием и кодами — характерно для OFDM. Роли моделировал MIMO-каналы для всех трёх случаев, оценивал их вычислительную сложность, синхронизацию и алгоритмы оценки канала. Модели показали, что реально необходимая вычислительная сложность для MIMO с QAM/эквалайзером или DSSS/рейк-приёмником увеличивается квадратично с ростом скорости передачи, в то время как для MIMO + DMT (OFDM) — только по закону n log n, то есть логарифмически[10].
Впоследствии Грегори Роли основал компании Clarity Wireless в 1996 и Airgo Networks в 2001 с целью коммерциализации этих технологий. Clarity разработала спецификации в рамках Broadband Wireless Internet Forum (BWIF), которые легли в основу стандартов IEEE 802.16 (коммерциализирован как WiMAX) и LTE — обе поддерживают MIMO. Airgo первой создала и выпустила чипсеты MIMO-OFDM для будущего стандарта IEEE 802.11n. MIMO-OFDM применяется и в 802.11ac, и ожидается его использование в 802.11ax и пятом поколении (5G) мобильной связи.
Первые работы по многоабонентскому MIMO опубликованы Россом Мёрчем и соавторами из Гонконгского университета науки и технологий[11]. MU-MIMO включена в стандарт 802.11ac (разработка с 2011 года, утверждён в 2014). Поддержка многоабонентского MIMO впервые появилась в продуктах «Wave 2». Компания Qualcomm анонсировала чипсеты MU-MIMO в апреле 2014 г.[12]
Компания Broadcom первой представила чипсеты 802.11ac с шестью пространственными потоками (до 3,2 Гбит/с) в апреле 2014 года. Quantenna заявляет о разработке чипсетов на восемь потоков (до 10 Гбит/с)[13].
Массивный MIMO, кооперативный MIMO (CO-MIMO) и гетерогенные сети (HetNets) — основные направления исследований для 5G. Начало разработки стандартов 5G ожидалось с 2016 года. Среди известных исследователей отмечают Якоба Хойдиса (Alcatel-Lucent), Роберта Хита (Техасский университет в Остине), Хельмута Бёльчке (ETH Zurich) и Дэвида Гесберта (EURECOM).[14][15][16][17]
Испытания 5G уже проводились компанией Samsung[18]. Японский оператор NTT DoCoMo планировал испытания 5G совместно с Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia и Samsung[19].