ДИПЛОМ ПОЛНОСТЬЮ редакктированный (1052840), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3.1 Особенности распространение радиоволн
Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала [24].
Рисунок 3.1 - Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием
Распространяющийся сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленными препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.
Рисунок 3.2 - Пример многолучевого распространения сигнала
В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация, когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи [24].
3.2 Многолучевое распространение как преимущество
Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является ReceiveDiversity – разнесенный прием. Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать SingleInputMultipleOutput (SIMO), в противовес стандартной схеме SingleInputSingleOutput (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется MultipleInputSingleOutput (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции.
Рисунок 3.3 – Принцип организации схем SIMO (слева) и MISO (справа)
В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме MultipleInputMultipleOutput (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации [24].
3.3 Пространственное уплотнение
Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) - это случай использования нескольких антенн на передающей стороне и нескольких антенн на приемной. В отличие от предыдущих вариантов - MISO и SIMO, описанных выше, данный вариант направлен не на повышение надежности передачи, а на увеличение скорости передачи. Поэтому MIMO используется для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в хороших радиоусловиях. В то время, как варианты MISO и SIMO используются для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в более плохих радиоусловиях. Для того, чтобы повысить скорость передачи данных в случае с MIMO входной поток данных разбивают на несколько потоков, каждый из которых независимо передается с отдельной антенны. На рисунке ниже приводится общая схема системы MIMO с m передающими антеннами и с n приемными антеннами [9].
Рисунок 3.4 – Общая схем системы MIMO
Из-за того, что используется общий канал, каждая антенна на приемнике получает сигнал, не только предназначенный для нее (сплошные линии на рисунке), но и все сигналы, предназначенные другим антеннам (прерывистые линии на рисунке). Если известна матрица передачи, то влияние сигналов, предназначенных для других антенн, можно вычислить и минимизировать.
Количество независимых потоков данных, которые могут одновременно передаваться, зависит от количества используемых антенн. Если количество передающих и приемных антенн одинаково, то количество независимых потоков данных равно или меньше количеству антенн. Например, в случае MIMO 4x4 количество независимых потоков данных может быть 4 или меньше. Если же количество передающих и приемных антенн не одинаково, то количество независимых потоков данных равно минимальному количеству антенн или меньше. Например, в случае MIMO 4x2 количество независимых потоков данных может быть 2 или меньше [9].
3.4 Принцип работы MIMO
Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе радио соединения, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных [24].
Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/с делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/с каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).
Рисунок 3.5 - Принцип организации технологии MIMO
На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы, передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны [24].
В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO [24].
3.5 Multi-user MIMO (MU - MIMO)
Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой SingleuserMIMO (SU - MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик, и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например, для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны, базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную систему (MIMObroadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMOMAC – MultipleAccessChannels).
В восходящем потоке (направлении uplink) – от MS к BTS, пользователи передают свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linearprocessing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов, отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире [24].
В нисходящем потоке (downlink) – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование SmartAntenna («умная антенна»), либо применение технологии кодирования dirtypaper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirtypaper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.
Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности [24].
4 Выбор оборудования сети
Функционально оборудование LTE разделяется на базовое и абонентское. В настоящее время существует много компаний, которые производят оборудование, поддерживающее стандарт LTE.
Для выбора оборудования были установлены следующие базовые критерии (технические характеристики):
- пропускная способность на сектор базовой станции;
- функциональность абонентских комплектов;
‑ рабочие диапазоны частот;
- наличие подробного технического описания;
- наличие сертификатов.
Китайский производитель не стоит на месте и его технические решения позволяют быть в числе лидеров по поставкам оборудования 4G LTE.
В связи с напряженной ситуацией в мире, а в частности введением санкции со стороны Европы и США, стоит обратить внимание на оборудование китайского производителя Huawei, зарекомендовавшего себя как мирового лидера по поставкам телекоммуникационных сетей нового поколения.
Компания Huawei ведущий мировой поставщик инфокоммуникационных решений для сетей подвижной и фиксированной связи. Благодаря инновационным разработкам компания Huawei достигла высоких результатов в области развертывания телекоммуникационных сетей, разработки терминалов и систем облачных вычислений. Компания Huawei работает в 140 странах мира, обеспечивая доступ к современной информационно-коммуникационной инфраструктуре более чем для трети населения планеты. В России все ведущие операторы связи, а также многие организации используют оборудование и решения Huawei, в том числе и для строительства сетей четвертого поколения LTE. При проектировании сети LTE - A в городе Тында и близлежайших поселках, используется оборудование компании Huawei.
Базовые станции DBS3900, которые поддерживают двойной режим работы, могут обслуживать сеть GSM и UMTS (3G). Сокращение затрат ощутимо, даже при монтаже данная базовая станция поддерживает работу по IP транспорту, что является очень важной характеристикой. Так же DBS3900 поддерживает плавный переход к сетям 4 поколения, LTE.
Ниже приведен выбор оборудования базовой станции стандарта LTE.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
