MIMO Enzo Licul

8/17/2019 MIMO Enzo Licul

1/4

1

Sažetak —Na samomom početku ovog članaka opisuje se način

rada Long Term Evolution – Advanced (LTE-Advanced)

standarda koji je stvoren kako bi se povećale brzine slanja

podataka unutar mobilnih komunik acija. Drugi dio članka

opisuje problem koji se javlja kada želimo povećati brzinu slanja

podataka. Zatim opisujemo rješenje problema implementacijom

Multiple – Input Multiple – Output načinom rada antena.

I ndeksni pojmovi — LTE-Advanced, MIMO

I. UVOD

ong Term Evolution – Advanced (LTE-Advanced) jemobilni komunikacijski standard koji je nastao kaounapređenje postojećeg Long Term Evolution (LTE)

sustava. Formalno je prihvaćen kao kandidat 4G sustavaunutar Telecommunication Standardization Sector-u (ITU-T)

krajem 2009. godine ispunjavanjem uvjeta iz International

Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced)

standarda, a zatim je standardiziran od strane 3rd Generation

Partnership Project-a (3GPP) u ožujku 2011. godine kao3GPP Release 10.

Jedan od početnih ciljeva 3GPP LTE-Advanced mobilnogkomunikacijskog standarda bio je postizanje i poboljšanje

efikasnosti u odnosu na već postojeći LTE. Kako je LTE-Advanced unaprjeđenje LTE standarda, LTE-Advanced jekompatibilan sa postojećim izdanjima LTE standarda, aspektar frekvencije dijeli sa spektrom frekvencija LTE

standarda.

Kod LTE-Advanced kao osnovni višestruki pristup nadownlinku-u odabran je Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (OFDM) zbog kompatibilnosti i velike

fleksibilnosti pri alokaciji resursa korištenjem Multiple-InputMultiple-Output (MIMO) tehnike. Na uplink-u koristi

Clustered Discrete Fourier Transform Spread (DFTS-OFDM)

koji omogućava alokaciju ne susjednih opsega. Kako bi opseg proširili na više od 20 Mhz-a, a istovremeno

omogućili kompatibilnost sa LTE standardom uvedena jetehnika agregacije nosioca (.eng carrier aggregation).Component Carrier (CC) je definiran kao jedinica agragacije

nosioca i ima maksimalni opseg od 20 MHz-a.

LTE-Advanced sustav različito tretira LTE-Advanced i LTEkorisnike. LTE-Advanced korisniku je omogućen istovremeni

pristup svim CC-ima dok su pojedinačni LTE korisniciograničeni na upotrebu resursa unutar samo jednog CC-a.

E. Licul je student Tehničkog fakulteta Sveučilišta u Rijeci, Rijeka 51000,Hrvatska (tel: +385-92-203-4032; e-mail: [email protected]).

Rukopis predan 21. siječnja 2016.

Zbog javljanja ne izbalansiranosti opterećenja na CC-u koristese dvije metode balansiranja opterećenja:

Round Robin (RR) – zasniva se na tome da se korisnikdodjeljuje CC-u koji ima najmanji broj korisnika.

Ovakav mehanizam pokušava ravnomjernorasporediti opterećenje između CC-ima.

Mobile Hashing (MH) – zasniva se na hash algoritmukorisnika. Izlazne hash vrijednosti imaju uniformnu

raspodjelu nad konačnim skupom i direktno mapirajuCC indekse. To omogućava dugoročno balansiranje

opterećenja prema CC-ima.

Sljedeći korak je raspodjela paketa (.eng Packet Scheduling -PS) u kojoj se donose odluke o tome koje resurse jedan

korisnik može uzeti unutar CC-a. Ukoliko je PS ne zavisan poCC-u, ne uzimaju se u obzir resursi koji su korisniku

dodijeljeni na drugim CC-ima, pa i u slučaju ravnopravnedodjele resursa jednog CC-a LTE-Advanced korisnik dobija N

puta više resursa nego običan LTE korisnik (zbog toga što pristupa većem broju CC-a). Kako bi omogućili običnimkorisnicima da dobiju količinu resursa usporedivu onoj kojojdobiju LTE-Advanced korisnici potrebno je uzeti u obzir

resurse koji su dodijeljeni korisniku na svim CC-ima i LTE

korisnicima dati prioritet pri alokaciji resursa. Kao posljedicatoga je veća propusnost LTE korisnika u odnosu na istu uslučaju ne zavisnog PS-a, a time i ostvarivanje bolje

pokrivenosti.

Dobitak u performansama koji RR ostvaruje u odnosu na MH

metodu se smanjuje porastom prisutnih LTE-Advanced

korisničkih jedinica, jer time opada i potreba za metodom balansiranja opterećenja.

Hrvatski Telekom je u svibnju 2014. godine objavio kako je

započeo sa testiranjem LTE-Advanced tehnologije na području grada Varaždina. Testiranje je provedenokombiniranjem 10 MHz spektra od 800 MHz i 10 MHz-a

spektra od 1.8 GHz-a. Brzinu koju je Hrvatski Telekom postigao bila je 136 Mbit/s. [2]

II. FORMULACIJA PROBLEMA

A. Opis problema

Povećavanje brzine je zahtjevan posao, a u teoretskom sv ijetunajveći čimbenik koji utječe na ograničavanje brzine je širina

pojasa. Svaka telefonska stanica ima određenu širinufrekvencija koju može koristiti za prijenose. Svaka osoba koja

MIMO i primjena u LTE – Advanced tehnologiji

Enzo Licul

L


2/4

2

se povezuje na stanicu dobija kanal određene širine. To značida svaka stanica ima ograničen broj korisnika kojima dijeliuslugu. Najočitiji način za povećanje brzine bi bio taj da sesvakom korisniku predaje veća širina frekventnog pojasa, što

bi značilo da bi se manje korisnika moglo spojiti na stanicu, aujedno i izgradnja novih stanica što je skupo i ne efikasno. Umjesto toga prvi korak pri povećanju brzine je iskoristitidruge čimbenike osim širine pojasa. 3G tehnologije poput

HSPA koristi prednost digitalne modulacijske tehnike poputQuadrature Phase Shift Keying (QPSK) kako bi povećalastopu simbola koju šalje, što je drugi glavni čimbenik kojiograničava brzinu. Brzina je također ograničena Signal-to-

Noise Ratiom (SNR), na kojem možemo povećati snagu prijenosa pa nas stanica može 'čuti' bolje, ali to nije isplativo sekonomske strane.

Nakon što smo istisnuli sva moguća poboljšanja između dvijuantena, problem moramo riješiti nekako drugačije. Ako smo une mogućnosti poboljšanja prijenosa zraka, zašto ne povećati

broj antena ?

B. Opis rješenja

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) je ključnatehnologija unutar novijih mobilnih sustava koja se odnosi na

korištenje više antena sa strana pošiljatelja i primatelja. Baznestanice i terminali su opremljeni korištenjem elemenata kojiomogućuju slanje i primanje putem MIMO tehnologije.Sustavi novijih generacija će morat omogućiti velikom brojukorisnika, velike brzine prijenosa, a MIMO tehnika je jako

korisna u povećavanju spektralne efikasnosti bežičnih mreža.Upravo će nam veća spektralna efikasnost biti potrebna kako

bi ostvarili zahtjevnije brzine prijenosa od 1 GB/s i više.Unaprijeđena MIMO tehnika pruža veoma važnu ulogu uispunjenju tih zahtjeva.

Poboljšana MIMO tehnika se smatra kao jedan od glavnihaspekata LTE-Advanced standarda koji omogućava sustavu dazadovolji IMT-Advanced brzine prijenosa uspostavljene od

strane ITU-R. Očekuje se da će većina MIMO tehnologijakoje su već uvedene unutar LTE-a igrati važnu ulogu i unutarLTE-Advanced (stvaranje snopa, prostorni multiplex i

prostorna razlika). No ipak s poboljšanjima u količini prijenosa, prosjeku stanica i na propusnosti oko rubnih

stanica, kako bi znatno povećali izvođenje. MIMO tehnologijakoristi Space Divison Multiple Acces (SDMA) tako da je

zračenje uzorka bazne stanice prilagođen svakom korisnikukako bi korisnici mogli dobiti maksimalnu jačinu poslanogsignala.

Poboljšani MIMO koncept zamišljen je kao prilagodljivi okvirgdje se potražnja veće brzine prijenosa i šire pokrivenostiomogućava odabirom odgovarajuće MIMO sheme u skladu strenutnim zahtjevima sustava. LTE-Advanced omogućava kombiniranje nekoliko MIMO tehnologija u ono što je

poznato kao prošireni ili napredni prekoding.

Na Slici 1 su prikazani načini rada MIMO sustava.

Slika 1 prikazuje tri različita načina rada MIMO antena. [1]

Svaki od ovih načina je usmjeren na jedan od poboljšanja koj iomogućuje LTE-Advanced:

Single-User MIMO (SU-MIMO): raznolikost prijenosa i prostorna tehnika multipleksiranja može biti izabrana za prijenos u kombinaciji s formiranjem

snopa. Ova nova značajka zajedno s povećavanjem broja MIMO antenskih priključaka omogućavaznačajan porast brzine podatkovne stope

Multiple-User MIMO (MU-MIMO): veliki naglasak se

stavlja na MU-MIMO pošto nudi najbolji odnosizmeđu složenosti i performansi. FleksibilnostSDMA se povećava omogućavanjem različitog broja

protoka među korisnicima, kako bi se povećala

prosječna brzina podataka. SU-MIMO i MU-MIMO predstavljaju ono što se naziva Single-Site MIMO.

Cooperative MIMO: povećava propusnost korisnikukoji se nalazi na rubu ćelije korištenjemkoordinacijskih tehnika u prijenosu i prijemu signala

između različitih baznih stanica, također smanjujusmetnje između stanica.

C. Napredni prekoding

Pod pojmom naprednog prekodinga spada kombinacija u

kojoj jedan korisnik formira snop s prostornim

multipleksiranjem uz prostornu različitost. Slika 2 prikazuje primjer ove tehnologije gdje su dvojica korisnika posluženamultipleksiranjem i raznolikošću. Ideja povećavanja broja

prijenosnih slojeva ili različitosti ne proizvodi dovoljno velika pobol jšanja performansi kako bi se nadoknadila povećanasloženost. Osim toga značajniji je cilj povećanje raspona stope

podataka u odnosu na povećanje brzine prijenosa podataka i to je razlog zašto je stvaranje snopa osnovni element tih novihtehnika. Stvaranje snopa omogućava pružanje visokeusmjerene dobiti i smanjivanje smetnji koje dolaze iz drugih

smjerova, pod uvjetom da su MIMO kanali visoko korelirani.


3/4

3

Slika 2 prikaz rada naprednog prekodinga. [1]

To znači da uz formiranje snopa razmak antena mora biti mali.Uobičajena udaljenost koja se koristi u ovu svrhu iznosi

polovinu valne duljine. S druge strane, obje prostorne

raznolikosti i tehnike prostornog multipleksiranja zahtijevaju

da razmak antena bude dovoljno velik da korelacija međuMIMO kanala bude niska i da distribuciju možemo smatratineovisnom. Samo se na taj način moguće izbjegavanje

nestajanje kanala i postepeni linearni rast kapaciteta u brojuantena. Moguća rješenja oko razmaka antena objavljeni su u

posljednjih nekoliko godina. Neki od predloženih ideja uliteraturi su sljedeći:

Pametni antenski nizovi: bazne stanice su opremljene s

više od jednog antenskog niza odvojene na viševalnih duljina dok su elementi antena unutar niza

odvojeni s pola valne duljine. Mobilne stanice bi

trebale biti opremljene s također više antena. Ovakvashema omogućava istodobno pružanje visokekorelacije i niske korelacije za potrebe različitihtehnika. U ovom slučaju su spektar učinkovitosti i BitError Rate (BER) značajno poboljšani. Međutimovakvo rješenje ima nedostatak taj što zahtjeva veliki

broj antena unutar bazne stanice.

Grupiranje antena: formiranje snopa težina vektora biva proračunata na strani prijamnika koju kasniješalje pošiljatelju. Performansa se neće pogoršati skanalima koji imaju visoku korelaciju jer su kanali

grupirani i formiraju snop. Prostorno multipleksiranje

se primjenjuje na različite skupine što ima tendencijustvaranja manje korelacije.

Antene s prijelazom polarizacije: za antenu kažemo daima prijelaz polarizacije ukoliko ona može prenijetielektromagnetske valove s ortogonalnim načinima

polarizacije. Dvije prostorno odvojene antene mogu

biti zamijenjene s jednom prijelaznom

polarizacijskom antenom koja emulira dva MIMO

kanala. Pokazano je da u visokim prostornom

gubljenju korelacije ova shema donosi poboljšavanjau multipleksiranju. Više antena treba razmaknutisamo pola valne duljine, a stvaranje snopa se također

može primijeniti. Prijelaz polarizacije je trenutnorješenje koje se primjenjuje u LTE-Advancedstandardiziranom procesu.

D. Downlink MIMO prijenos

U ovom će odlomku biti opisane karakteristike downlink-aMIMO prijenosa. Broj antena se na obje strane prijenosa

povećao na 4 x 4 MIMO konfiguracije. To je postala osnovnakonfiguracija dok je maksimalan konfiguracija za postizanje

većih prijenosa 8 x 8 MIMO. Operacije unutar o tvorenih izatvorenih petlji omogućene su uz pomoću raznolikosti i

prostornog multipleksiranja. Povratna informacija može, ali ine more biti poslana natrag na UE, što zavisi o uvjetima radiostanice i o UE mobilnosti. Prijenos unutar zatvorene petlje je

nova značajka LTE-Advanced-a koja je namijenjena zascenarije s niskom mobilnošću i lošom kvalitetom kanala.Kako bi se smanjile smetnje unutar pojedinih ćelija MU-MIMO se bazira na jednom od sljedećih pristupa: skup fiksnihzraka, specifična zraka za svakog k orisnika ili kombinacijaoboje.

Kako bi se omogućio prilagodljivi prijenos podataka putemviše antena potrebno je odrediti nove referente signale (.engCommon Reference Signals - CRS). Dva dodatne referenta

signala su određena sa strane 3GPP-a.

Kanal stanja informacije referentnog signala (.eng

Channel State Information Reference Signal - CSI-

RS) se koristi kao kanal ozvučenja. On procjenjujekvalitetu kanala na različitim frekvencijama koje su

podijeljene određenom UE. Takvi signali se nalaze urijetkim mrežama.

UE specifični de modulacijski referentni signal (.eng

Demodulation Reference Signal - DM-RS) je predkodiran na isti način kao i podaci na kojima se ne

primjenjuje codebook predkodiranje. Rešetku uzorkatreba proširiti sa duplim stvaranjem snopa gdje seCode Division Multipleksing (CDM) koristi izmeđuRS dvaju slojeva.

E. Uplink MIMO prijenos

LTE-Advanced uplink osigurava značajna poboljšanja uodnosu na prijašnji LTE. Donosi poboljšanje na rubovimaćelija, povećavanje prosječnog broja ćelija i povećanju brzina

prijenosa podataka. Temeljna MIMO konfiguracija za LTE-

Advanced sastoji se od 2 x 2 MIMO, a maksimalnakonfiguracija omogućuje 4 x 4 MIMO. Omogućavanjem

prostornog multipleksiranja do 4 sloja dobijamo veliki porast

u spektru učinkovitosti u kojem se postiže 15 bits/s/Hz s 64 -QAM.

Codebook- bazirano pred kodiranje igra jako važnu ulogu uuplink-u. Codebook su dizajnirani tako da je kubično metrični(.eng Cubic Metric – CM) parametar definiran kao odnosizmeđu kubične snage značajnog signala i referentnog signal,a iznosi vrlo malo. CM se koristi za opisivanje praktičnogdizajna pojačala. Tako da je omjer jačine prosječne snage


4/4

4

(.eng Peak to Average Power Ration - PAPR) više naglašen uuplinku i povoljniji SC-FDMA svojstvima. [1]

III. REZULTATI

Na Slici 3 su prikazani rezultati brzina između različitihvrsta 3G i 4G mreža.

Slika 3 Slika prikazuje različite brzine prijenosa, izmeđurazličitih vrsta mreža. [4]

Na Slici 4 su prikazana različita područja I različite brzine prijenosa podataka. Tamno plava boja ukazuje na područjekoje koristi 4G 100 Mbps brzinu prijenosa podataka uz 2 x 2

MIMO antene. Za usporedbu svijelo plava boja koristi 3G 42

Mbps za HSPA+ brzine bez korištenja MIMO antena.

Slika 4 prikazuje različita područja i njihove brzine slanja podataka. [3]

IV. ZAKLJUČAK

U članku je prikazan način rada LTE-Advanced sustava kao poboljšanje postojećeg LTE sustava te način rada MIMO antena. Korištenje više antena smanjuju nam se poteškoćekoje su se nekad stvarale putem zraka. Budući da sve antene

vrše prenose na istim frekvencijama, nije potrebno dodavanjedodatnog bandwith-a bazne stanice korisniku. Prostorno

multipleksiranje je skup pametnih modulacijskih tehnika koje

nam omogućuju prijenos neovisnih podataka iz više antennana istim frekvencijama bez uništavanja informacija koješaljemo.

LITERATURA

[1] I. F. Akyildiz, D. M. Gutierrez-Estevez, E. C. Reyes “PhysicalCommunication” vol. 3, Broadband Wireless Networking Laboratory,School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of

Technology, Atlanta, GA 30332, United States, 2010, pp. 217 – 244.[2] http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-

aggregation--1013903

[3] https://www.telcoantennas.com.au/site/how-does-mimo-work

[4] http://www.4g.co.uk/4g-lte-advanced/
http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903https://www.telcoantennas.com.au/site/how-does-mimo-workhttps://www.telcoantennas.com.au/site/how-does-mimo-workhttp://www.4g.co.uk/4g-lte-advanced/http://www.4g.co.uk/4g-lte-advanced/http://www.4g.co.uk/4g-lte-advanced/https://www.telcoantennas.com.au/site/how-does-mimo-workhttp://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903http://www.telecompaper.com/news/hrvatski-telekom-tests-lte-carrier-aggregation--1013903

Documents

MIMO Enzo Licul