О клубе Новости Интервью 3G-устройства События Обзоры
14.01.2011

Рекомендации по использованию MIMO в сетях HSPA и решение Nokia Siemens Networks

Возможность использования технологии MIMO, которая позволяет значительно повысить пропускную способность и/или улучшить энергетический бюджет беспроводной системы связи в сетях HSPA, закреплена в спецификациях 3GPP, начиная с 7-го релиза. Но это возможно лишь в том случае, если обе стороны соединения умеют обрабатывать MIMO-сигнал. Между тем, в настоящее время проникновение MIMO-терминалов ничтожно мало, поэтому внедрение MIMO в сети с низким проникновением MIMO-терминалов приводит к снижению пропускной способности сети. Именно для минимизации этого эффекта компания Nokia Siemens Networks разработала ряд функциональностей.

Как уже говорилось, по данным Глобальной Ассоциации Поставщиков Мобильного Оборудования (GSA) от 04.11.2010 из 2776 типов устройств с поддержкой  HSPA, представленных на рынке, только 28 моделей поддерживают MIMО [1]. К сожалению спецификации 3GPP, регламентирующие реализацию MIMO в сетях HSPA, предусматривают очень ограниченные средства обратной совместимости обычных терминалов с MIMO-сетями. Внедрение MIMO в сети с низким проникновением MIMO-терминалов приводит к снижению пропускной способности сети [2]. Компания Nokia Siemens Networks разработала ряд функциональностей для минимизации этого эффекта. Для их описания требуется определить некоторые термины и рассмотреть схему формирования каналов в HSPA.

 

Многоантенные системы в UMTS

В рамках технологии UMTS принято различать две схемы многоантенных систем:

- Схема пространственного мультиплексирования с обратной связью (D-TxAA Double Transmit Antenna Array) [4], специфицированная в 7-м релизе. Базовая станция может передавать одновременно 2 независимых потока данных на одних и тех же радиоресурсах (несущая/скремблирующий код/кодовый канал), потенциально удваивая пропускную способность радиоканала. В терминологии UMTS именно эту схему принято называть “MIMO”.

- Пространственно-временная разнесенная передача без обратной связи (STTD – Space Time Transmit Diversity) [3], принятая еще в 99-м релизе как опциональный режим.

На рис. 1 иллюстрируется принцип работы системы STTD. Пара информационных символов  х1 и х2, излучается за два временных интервала t1 и t2 . На приемной стороне осуществляется прием и обработка сигналов  y1 и y2 на соответсвующих временных интервалах. Для  декодирования переданных символов требуется знать характеристики трактов распространения радиоволн от передающих антенн к приемной антенне. Коэффициенты передачи канала h1 и h2 оценивают по пилот-сигналам, передаваемым через каждую из передающих антенн. В декодере приемника при известных h1 и h2 решается система уровнений, указанная на рис.1, относительно неизвестных х1 и х2.

Схема STTD

рис. 1. Схема STTD

Режим разнесенной передачи STTD не нашел применения в UMTS, поскольку не дает выигрыша при использовании обычных абонентских станций (АС) на базе RAKE-приемника или эквалайзера в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Поясним, с чем связаны проблемы с обработкой STTD, на примере RAKE-приемника (упрощенной реализации эквалайзера). RAKE-приемник – это набор корреляторов, выделяющих копии полезного сигнала из многолучевых компонент, задержки прихода лучей и их вес вычисляются по пилот-сигналу. Профили многолучевости пилот-сигнала и информационного сигнала должны совпадать, только в этом случае возможна безошибочная обработка сигнала в RAKE-приемнике. Но в режиме разнесенной передачи в приемник поступает смесь из пилот-сигналов, переданных через две антенны, прошедших разные тракты распространения сигналов и имеющих разные профили многолучевости. При обработке сигнала STTD в таких условиях могут возникать ошибки в оценивании канала и декодировании информационных символов, следствием чего является падение пропускной способности.

Тракт передачи MIMO

На рис.2 показан тракт формирования MIMO-сигнала на базовой станции. Пользовательская информация упаковывается в 1 или 2 транспортных блока в соотвествии с количеством пространственных уровней в схеме MIMO. Их количество выбирается по отчетам АС о состоянии канала (отношение сигнал-шум, степень корреляции сигналов двух антенных трактов). Пользовательская информация, упакованная в транспортные блоки, подвергается операциям расширения спектра и скремблирования для каждого кодового канала SF16 (c коэффициентом расширения спектра 16). Расширенные сигналы прекодируются – умножаются на прекодирующую матрицу (с весовыми коэффициентами w1...w4). Затем выполняется операция кодового мультиплексирования: сигналы кодовых каналов SF16 складываются в каждой из двух передающих ветвей, к ним в каждой ветви добавляются служебные каналы, включая пилот-канал CPICH.

Тракт формирования MIMO-сигнала

Рис.2. Тракт формирования MIMO-сигнала

Прекодирование – ключевая операция в схеме MIMO c обратной связью, позволяющая согласовать излучаемый сигнал с характеристиками канала. Идеально подобранные весовые коэффициенты позволяют сформировать два неинтерферирующих между собой тракта распространения радиоволн в системе MIMO 2x2. На практике ограничиваются некоторым набором прекодирующих коэффициентов с целью минимизации сигнализации на линии вверх, АС передает на базовую станцию только номер выбранного набора прекодирующих коэффициентов. В HSPA используется следующий набор коэффициентов:

 Коэффициенты w1,w3 – постоянные действительные числа, а w2,w4 – переменные комплексные числа. По сообщениям от АС выбирается одно из 4 возможных значений w2 (и соответсвующее ему значение w4). При передаче 2 транспортных блоков используются все 4 коэффициента, а при передаче одного блока – только пара коэффициентов w1 и w2.

Процедура прекодирования может рассматриваться как процедура динамического формирования диаграммы направленности (beam forming) для каждого информационного потока с 4 квантованными фазовыми сдвигами между антеннами элементами. Сигналы информационных потоков в результате прекодирования передаются в направлениях, обеспечивающих наилучшие отношения сигнал-шум в точке приема. На рис.3 показан пример формирования вектора сигнала первичного транспортного блока S1=w1+w2 при . Соотвествующий вектор сигнала вторичного транспортного блока будет ортогонален S1.

Результат прекодирования сигналов двух передающих трактов (в фазовой плоскости)

Рис.3. Результат прекодирования сигнала первичного тракта (в фазовой плоскости)

 

Проблемы в сети HSPA при реализации MIMO и методы их решения

Существуют два варианта организации кодовых каналов на несущей MIMO (рис.4):

1) Первичный пилотный канал P-CPICH передается через оба тракта с ортогональными информационными посылками. Общие каналы управления (CCH), выделенные каналы трафика (DCH) и обычные каналы HSPA передаются в режиме разнесенной передачи STTD, при этом ухудшаются характеристики приема обычных терминалов.

2) Через первый тракт передается P-CPICH, а через второй тракт - вторичный пилот-канал S-CPICH. Терминалы без поддержки MIMO обрабатывают только P-CPICH, оценивают канал только для первого передающего тракта, через который и осуществляется передача всего не MIMO-трафика, включая каналы DCH и CCH. Но при доминировании обычных терминалов, возникает дисбаланс мощности в двух трактах передачи – мощность одного из трактов передачи недоиспользуется. Кроме того, передача дополнительного пилот-канала увеличивает нагрузку на радиоинтерфейс, и как следствие, внутрисистемные помехи.

Организация кодовых каналов на несущей MIMO

Рис.4. Организация кодовых каналов на несущей MIMO

 

Компания Nokia Siemens Networks рекомендует для использования второй вариант организации кодовых каналов, а проблему дисбаланса мощности предлагает решить путем перераспределения сигналов между виртуальными и реальными антеннами (VAM – Virtual Antenna Mapping) [7], как показано на рис. 5. 

 

Перераспределение сигналов виртуальных антенн

 Рис.5. Перераспределение сигналов виртуальных антенн  

 

Каналы для обычных HSDPA-терминалов, каналы DCH и CCH подаются на первую виртуальную антенну, а излучаются через оба тракта передачи после прекодирования – умножения передаваемых данных на матрицу VAM, разработанную компанией Nokia Siemens Networks. MIMO-каналы передаются через оба тракта после прекодирования каждой пары транспортных блоков MIMO1 и MIMO2 также с использованием матрицы VAM. Сигналы виртуальных антенных трактов S1 и S2 складывают с определенными фазовыми сдвигами, в результате VAM-прекодирования получают ортогональные  сигналы A1 и A2, которые и подают в антенные тракты.

Организация кодовых каналов на несущей MIMO при использовании функциональности VAM

 Рис.6. Организация кодовых каналов на несущей MIMO
при использовании функциональности VAM

 

Распределение сигналов между виртуальными и реальными антеннами осуществляется так, что мощности обоих передатчиков используются полностью как в случае передачи MIMO-каналов, так и в случае передачи обычных каналов, не задействуя режим STTD.

В рамках 3GPP по инициативе компании Nokia Siemens Networks были проведены работы по стандартизации режима VAM и включения этой функциональности в спецификации HSPA.
Для снижения помеховой нагрузки от дополнительного пилот-канала базовая станция не излучает S-CPICH, если в соте нет ни одного MIMO-терминала в активном состоянии (функциональность “S-CPICH Gating”).

Кроме того, передача в одном TTI (интервал передачи) прекодированных кодовых каналов MIMO и обычных кодовых каналов создает помехи для приемников обычных неMIMO-терминалов, поскольку каналы передаются с разными фазовыми сдвигами. При мультиплексировании в одном TTI кодовых каналов MIMO разных пользователей наблюдается снижение пропускной способности.

Эту проблему можно решить путем разделения по времени каналов MIMO и обычных каналов, а каналы MIMO не мультиплексировать в пределах одного TTI, см. рис.7.

Мультиплексирование кодовых каналов

Рис.7. Мультиплексирование кодовых каналов

 

Рекомендации по внедрению MIMO

При наличии у оператора нескольких несущих предпочтительно разделять обычный трафик и трафик MIMO на разных несущих.
При необходимости его совмещения на одной несущей рекомендуется использование функциональности VAM, позволяющей  задействовать оба тракта передачи базовой станции для обычных неMIMO-каналов, полностью использовать мощность обоих передатчиков и получить дополнительный энергетический выигрыш за счет поляризационного разнесения при использовании кросс-поляризованных антенн на базовых станциях. Проблема мультиплексирования кодовых каналов с разными прекодирующими матрицами разрешается путем разделения по времени кодовых каналов разных MIMO-терминалов.

По оценкам компании Nokia Siemens Networks реализация MIMO на одной несущей и при малом проникновении MIMO-терминалов может привести к снижению общей пропускной способности сети на 40%. Однако, при использовании описанных функциональностей – VAM, S-CPICH Gating, оптимальное кодовое мультиплексирование, удается смягчить этот эффект.

Измение пропускной способности сети при внедрении MIMO в макросети при использовании функциональностей Nokia Siemens Networks

Рис.8. Измение пропускной способности сети при внедрении MIMO в макросети
при использовании функциональностей Nokia Siemens Networks

На рис.8 показано изменение пропускной способности в зависимости от проникновения MIMO-терминалов по сравнению со средней пропускной способностью сети без реализации MIMO. Условия моделирования: профиль многолучевости PedA, кодовое мультиплексирование в 30% TTI, в среднем 8 активных соединений HSPA.

При использовании означенных функциональностей пропускная способность при малом проникновении MIMO-терминалов (~13 %)  уменьшается не более, чем на 9 % (против 40 % без функциональностей Nokia Siemens Networks). При росте числа MIMO-терминалов и при проникновении >40 % агрегатная пропускная способность сети возрастет по сравнению с пропускной способностью сети без реализации MIMO. При работе в сети только MIMO-терминалов выигрыш по пропускной способности составляет порядка 20 %.

Автор:

Варукина Лидия, к.т.н., менеджер по техническим решениям
компании Nokia Siemens Networks

Литература

1. GSM/3G Market/ Technology Update. HSPA Devices survey – November 2010: Key Findings .
2. 3GPP RP-090625. Nokia Siemens Networks, Nokia Corporation. Dealing with UTRA single antenna UEs with transmit diversity. 3GPP TSG-RAN Plenary Meeting #44. May 2009.
3. 3GPP TS 25.211 V9.2.0. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD). September 2010.
4. 3GPP TS 25.214 V9.2.0. Physical layer procedures (FDD). March 2010.
5. 3GPP TS 25.101 V9.5.0. User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD). September 2010.
6. MIMO transmission schemes for LTE and HSPA networks – 3G Americas .
7. Harri Holma and Antti Toskala. WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE. - John Wiley & Sons Ltd, 2010.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ключевые слова: HSPA, Nokia Siemens Networks, MIMO