True diversity что это

Разнесённый приём (Antenna Diversity)

Одними из наиболее негативных явлений, возникающих в процессе передачи информации через радиоэфир, являются замирания сигнала. Радиосигнал сотовой связи во время распространения от источника к получателю может отражаться от различных препятствий. Вследствие многочисленных переотражений к получателю может прийти не одна, а сразу несколько копий исходного сигнала. При этом если одна из копий окажется в противофазе с основным источником сигнала, т.е. отставать от него на половину периода (1,5; 2,5 и т.д.), то после сложения двух копий сигнала в приемнике энергия основного сигнала окажется подавленной его копией. В результате этого вся или почти вся энергия переданного сигнала будет потеряна. Это в свою очередь приведет к ошибке в приеме сообщения. Также на сигнал во время передачи могут воздействовать различные виды помех и искажений. Кроме того, во время передачи радиосигнал претерпевает затухание. В итоге на приемной стороне энергия сигнала может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к пропуску сигнала или ошибочному его приему.

Одни из возможных способов борьбы с обозначенными выше проблемами это использование нескольких копий сигнала на приемной стороне. Существует несколько вариантов получения копий сигнала, например повторная передача. Тогда это будет временное разнесение. Также можно передавать один и тот же сигнал на разных частотах – это частотное разнесение. Однако подобные способы разнесения требуют дополнительных затрат ресурсов. В сотовой связи используются более экономичные, но не менее эффективные способы разнесения: пространственное и поляризационное. Для реализации пространственного разнесения на базовой станции устанавливаются не одна, а две антенны на прием. Причем антенны могут быть установлены с вертикальным или горизонтальным пространственным разносом. Однако обычно на практике применяется горизонтальное разнесение, т.к. при этом требуется меньшее расстояние между антеннами. От каждой из приемных антенн до приемопередающего оборудования прокладывается отдельный фидер, а уже приемники базовой станции оценивают оба принятых сигнала. В результате вероятность появления эффекта «замирания» сигнала сразу на двух антеннах значительно снижается. Кроме того увеличивается суммарная принятая энергия полезного сигнала.

Принцип разнесенного приема

При использовании материалов ссылка на сайт обязательна

Источник

Diversity или зачем точке доступа две антенны

Установка точек доступа в офисах или квартирах уже не считается диковинкой или проявлением технологического прогресса, в скором времени это оборудование станет привычным, как мобильный телефон

. При быстром развитии технологий и распространении моды на беспроводные сети многие пользователи решают установить соединения внутри своего офиса или квартиры самостоятельно, но не все знают, как это сделать правильно. В этой статье я опишу один аспект беспроводных сетей, который порождает достаточно заблуждений у любителей беспроводных технологий и в большинстве случаев приводит к ошибкам при планировании развертывания беспроводной сетевой инфраструктуры. Таким аспектом является технология Diversity, которая присутствует во всех современных точках доступа. (Рисунок 1) Вы никогда не задумывались, зачем точке доступа две одинаковые антенны? Кстати, если вы взяли офисную настольную точку доступа, например D-Link DWL-2100AP, то внешне она идет с одним разъемом для антенны и соответственно одной антенной, но технология Diversity (сдвоенность антенн) в таких точках все равно присутствует (Рисунок 2). Секрет заключается в том, что вторая антенна находится внутри точки доступа.

Теперь поговорим о смысле наличия двух антенн:

Заблуждение первое: одна антенна работает на прием, а другая на передачу.

Технология Diversity оговаривает условия, при которых в один момент времени работает только одна антенна (Рисунок 3). В зависимости от местонахождения пользователя (или, другими словами, от качества сигнала, который получает точка доступа от этого пользователя), точка доступа назначает пользователю одну из двух антенн. Эта антенна в дальнейшем работает с пользователем до тех пор, пока другая антенна не получит от этого пользователя сигнал лучшего качества, тогда точка переназначит антенну для данного пользователя. Зачем это надо? Одной из причин является выполнение маршрутизации или роуминга и динамические помехи. В случае роуминга изменение местоположения компьютера ведет к изменению получаемого от него сигнала одной антенной, что приводит к необходимости переключения соединения на другую антенну, т.е. ситуация будет следующая (Рисунок 4):

Динамические помехи. Как известно, в воздушном пространстве волны распространяются во все стороны, и на пути волны, соответственно, могут встречаться какие-либо препятствия. В том случае, если препятствие относительно мало, волна просто будет огибать его, и особых проблем для прохождения не возникнет, но если препятствие соизмеримо или больше физических характеристик волны, ей придется проходить насквозь, при этом часть энергии волны будет утеряна. Другими словами при прохождении волны через разные среды будет наблюдаться эффект затухания сигнала. Кроме того, волны имеют свойства рассеивания и отражения, как и световое излучение. При прохождении по воздушной среде волны рассеиваются и преломляются от всех объектов. Таким образом, точка доступа получает сотни одинаковых по сути отраженных сигналов с небольшими задержками по времени и разными показателями качества сигнала. Среди этих копий она выбирает один сигнал с самыми высокими характеристиками, а остальные отбрасывает. Поэтому, перемещаясь с компьютером по комнате, открывая/закрывая двери, двигая мебель, вы меняете траекторию прохождения волн. При этом если вы своими действиями существенно ослабили сигнал, который принимает одна антенна, вторая продолжает принимать более мощный сигнал, и перемещение не сказывается на передаче информации.

Заблуждение второе: сдвоенные антенны увеличивают область покрытия. Из предыдущего абзаца можно сделать вывод, что антенны только помогают друг другу и не воспринимаются точкой доступа, как независимые друг от друга элементы. Таким образом, нельзя подключать к разъемам Diversity две направленные антенны, которые направлены в разные стороны, или, например, одну направленную антенну для покрытия коридора, а вторую, всенаправленную, для подключения офисных компьютеров. Для вариантов установки внутри помещений это еще не так критично, а вот для внешних является грубой ошибкой и чревато большими проблемами соединения. Еще одним аспектом может быть подключение офисных точек доступа (с одной внешней антенной) к мощным внешним антеннам, при таком подключении внутренняя антенна точки доступа портит всю картину работы внешней антенны; для нормальной работы такой системы необходимо отключить внутреннюю антенну вообще. Большинство производителей обычно не включают подобные настройки в Web-Interface точки доступа, для того чтобы пользователи задействовали внутренние маломощные точки доступа исключительно как внутриофисный вариант, а для других целей покупали более дорогие устройства. Но у многих производителей (например, D-Link) в точках доступа все же остается возможность настройки посредством командной строки (по документации ее нет), для доступа к которой необходимо воспользоваться протоколом Telnet. В режиме командной строки внутреннюю антенну можно отключить и без проблем подключить внешнюю мощную антенну для установки соединения хотя бы между соседними зданиями. Чтобы расширить или увеличить зону покрытия точки доступа путем установки дополнительной антенны, подключайте две антенны через разветвитель к одному разъему (Рисунок 5, в центре)

В случае если вам необходимо подключить несколько антенн для увеличения покрытия, да еще и оставить функцию Diversity в рабочем состоянии, необходимо будет полностью дублировать ваш блок антенн, который подключен к одному разъему, и подключать такой же к другому. (Рисунок 5, справа)

На рисунке показан пример неправильной инсталляции (слева): две секторные антенны подключены к разным разъемам точки доступа. По центру расположена схема, которая показывает правильное соединение двух секторных антенн, которые будут восприниматься точкой доступа как единое целое, эти антенны подключены через разветвитель к одному разъему, второй модуль для подключения антенн отключен. И, наконец, справа показан такой же вариант установки, как и в предыдущем случае, но с поддержкой Diversity. Конечно, это недешевое удовольствие, но подобные решения повышают общую надежность и работоспособность беспроводных сетей, исключая заметное влияние на скорость и качество передачи данных различных динамических помех.

Примеры вариантов установки. Допустим, вам необходимо связать между собой клиентский компьютер и точку доступа, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга, а базовой антенны, которая идет в комплекте с точкой доступа, недостаточно. Необходимо заменить антенну на более мощную, а в случае необходимости поменять и тип антенны (с всенаправленной на секторную или направленную). В этом случае наиболее простым решением будет следующее (Рисунок 7):

Но при таком подключении необходимо будет отключить внутреннюю антенну точки доступа, или при использовании точек доступа с двумя разъемами под антенны можно подключить вторую направленную антенну (Рисунок 8).

Неправильным вариантом установки в данном случае будет такой (Рисунок 9):

В этом случае нормальной работе беспроводной сети будет мешать всенаправленная антенна.

Далее, допустим, нам необходимо подключить некоторое количество клиентских компьютеров, которые распределены в определенном радиусе от точки доступа, и один удаленный компьютер (он может находиться далеко, либо близко, но за преградой) (Рисунок 10):

В этом случае можно создать решение, как использующее поддержку Diversity, так и без этой функции. Без поддержки Diversity необходимо будет отключить вторую антенну, а оставшуюся рабочую заменить блоком антенн (Рисунок 11).

Подобная конструкция будет опознаваться точкой доступа как одна антенна с «нестандартной» зоной покрытия, и проблем с работой функции Diversity не будет. В случае необходимости сдвоенности антенн можно продублировать это соединение и подключить его ко второму разъему.

Еще одним аспектом работы Diversity является борьба с «мертвыми зонами», местами, где по различным причинам в радиусе действия точки доступа сеть недоступна. Чаще всего прохождению сигнала мешает наличие мебели (шкафы, кресла, диваны и т.д.), ведь далеко не в каждом случае установки удается соблюсти рекомендации о прямой видимости между всеми узлами и точкой доступа. В таких случаях сдвоенные антенны работают как две лампы, которые освещают комнату в полумраке, лучи от одной лампы лучше освещают один темный угол, отражаясь от противоположной стены, в то время как свет другой лампы лучше проходит за книжный шкаф, который отгораживает часть комнаты. У внешних направленных антенн очень существенными являются «мертвые зоны» возле самих антенн, так как угол распространения волн в данном случае невелик.

И последним аспектом технологии Diversity является тривиальная избыточность оборудования в погоне за высокими характеристиками отказоустойчивости. В том случае, если физически одна антенна выйдет из строя, вторая будет работать со всеми станциями и на прием, и на передачу, а значит, работа будет замедленной, большее количество фреймов пойдет на повторную пересылку, но сама работа сети прервана не будет.

Таким образом, технология сдвоенных антенн является одним из шагов к созданию надежных сетевых соединений с высокой скоростью и качеством передачи информации. Эта технология послужила основой для разработки следующих поколений оборудования, в которых реализована система Smart Antenna и технология Multiple Input Multiple Output (MIMO).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Источник

Стандарты Diversity и MIMO

Требования к пропускной способности мобильных сетей очень высоки и, при этом, они постоянно растут. Очевидные варианты увеличения пропускной способности — увеличение ширины канала и использование модуляций более высокого порядка, не позволяют полностью решить задачу обеспечения высокой пропускной способности. Частотный диапазон все-таки ограничен. А использование модуляции более высокого порядка подразумевает повышение SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), что тоже имеет свой предел. Еще одним способом увеличения пропускной способности беспроводных систем является использование нескольких передающих и приемных антенн (MIMO — Multiple Input Multiple Output) и специальная обработка сигнала в этом случае. Далее приводится классификация вариантов MIMO и их краткое описание.

Классическая система (SISO — Single Input Single Output)

Для начала рассмотрим варианты MIMO, которые могут быть использованы для передачи данных одному пользователю. Первый классический и самый простой вариант использования одной передающей и одном приемной антенны изображен на рисунке ниже. Такая система с точки зрения терминологии MIMO называется SISO — Single Input Single Output.

Разнесенный прием (Rx Diversity, SIMO — Single Input Multiple Output)

Разнесенный прием (Rx Diversity) — это случай использования большего количества антенн на приемной стороне, чем на передающей. С точки зрения MIMO такая система называется SIMO — Single Input Multiple Output. Простейший случай такой системы, когда передающая антенна одна, а приемных две, представлен на рисунке ниже и называется SIMO 1×2.

Представленный вариант не требует специальной подготовки сигнала при передаче, поэтому его достаточно просто реализовать на практике. При использовании разнесенного приема увеличения пропускной способности не происходит. Однако, повышается надежность передачи. В случае с изображенной выше системой на приемной стороне будет два сигнала, и существуют разные способы их обработки. Например, может выбираться сигнал с наилучшим соотношением сигнал/шум. Такой метод называется switched diversity. Или сигналы могут складываться, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. И такой метод называется MRC — Maximum Ratio Combining.

Разнесенная передача (Tx Diversity, MISO — Multiple Input Single Output)

Разнесенная передача (Tx Diversity) — это случай использования большего количества антенн на передающей стороне, чем на приемной. С точки зрения MIMO такая система называется MISO — Multiple Input Single Output. Простейший случай такой системы, когда передающих антенн две, а приемная одна, представлен на рисунке ниже и называется MISO 2×1.

Как и SIMO, MISO не позволяет увеличить пропускную способность канала, но повышает надежность передачи. В то же время, использование MISO позволяет перенести необходимую дополнительную обработку сигнала с приемной стороны (мобильной станции) на передающую (базовую станцию). Для формирования надежного сигнала используется пространственно-временное кодирование. В этом случае копия сигнала передается не только с другой антенны, но и в другое время. Также может использоваться пространственно-частотное кодирование.

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing, MIMO — Multiple Input Multiple Output)

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.

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 2×2 используется 2 независимых потока данных.

Чаще всего, технология MIMO применяется в Wi-Fi. Пользуясь этой технологией скорость передачи данных становится более 300 Мегабит в секунду. К тому же, благодаря MIMO — беспроводная сеть стала быстрее передавать информацию даже там, где уровень приема сигнала минимален. Так же, как и в Wi-Fi, в 4G скорость превысила порог 300 Мегабит в секунду.

Главное преимущество MIMO — отличное и стабильное соединение даже при приличном расстоянии от станции.

Суть технологии MIMO. Другими словами: распараллелив поток на несколько каналов можно пустить их разными путями через несколько антенн, и принять их такими же антеннами независимыми на приёме. Если мы будем передавать по двум каналам MIMO одну и ту же информацию с небольшой задержкой, закодировав её предварительно, мы можем восстановить потерянные символы на приёмной стороне, что эквивалентно улучшению отношения сигнал/шум до 10-12 дБ. Такая технология приводит к возрастанию скорости.

Для разделения каналов на передающих и приемных антеннах используется разная поляризация.

Источник

MIMO spatial diversity: Аламоути, DET и прочее пространственное разнесение

Чтобы передать сообщение от базовой станции мобильному устройству (и наоборот), электромагнитной волне приходится преодолевать значительное количество препон: отражения, преломления, рассеивания, затенения, доплеровские смещения частот и так далее. Во-первых, все эти воздействия принято называть мультипликативными (от англ. multiplication — умножение) — по математической модели таких воздействий. А, во-вторых, можно собрать под общим термином замирания (fading).

От стандарта к стандарту, от поколения к поколению, от технологии к технологии ученые и инженеры бились и бьются над проблемой нивелирования этих замираний (fading mitigation).

И некоторые решения нашли широкое распространение. Скажем больше: почти все из них, так или иначе, связаны с понятием разнесения (diversity).

Источник иллюстрации (нет, это не реклама, просто удачное сочетание нужного термина и кота).

Пример таких решений:

Последнюю из упомянутых техник мы рассмотрим сегодня в рамках ещё одной темы по MIMO.

Space diversity order и array gain

Есть такое понятие — порядок пространственного разнесения (space diversity order): если одна и та же информация может быть собрана с разных направлений, то надежда восстановить её правильно увеличится. В качестве примера из жизни, можно представить сбор информации об одном и том же событии от независимых друг от друга источников-информаторов. В радиосвязи этот порядок мы можем увеличить, в том числе, применяя MISO, SIMO или MIMO.

Теоретический предел такого разнесения , где — количество передающих антенн, а — количество приёмных антенн. Запомним это.

Рис.1. Стабильность канала, вызванная увеличением порядка пространственного разнесения. При значениях канал полностью стабилизируется и превратится в канал без замираний (AWGN) [1, p.101].

Используя SIMO, MIMO и даже MISO (в случае известного канала), можно получить, так называемое, усиление массива (array gain). Это означает, что применение нескольких приемных антенн и/или правильное распределение энергии на передающей стороне позволяет увеличить отношение сигнал/шум (SNR) — а значит снизит количество ошибок.

Порядки разнесения и усиления массива для различных конфигураций можно вывести аналитически [1, c. 86 — 100] и свести в одну таблицу [1, c. 101] и для случая, когда канал неизвестен (CU — Channel Unknown), и для случая, когда канал известен (CK — Channel Known) на стороне передатчика.

Конфигурация	Diversity order	Array gain
SIMO (CU, Rx-MRC)
SIMO (CK, Rx-MRC)
MISO (CU, OSTBC)		1
MISO (CK, Tx-MRC)
MIMO (CU, OSTBC)
MIMO (CK, DET)

Окей, пусть широкими мазками, но теперь у нас есть хоть какое-то понимание теоретических аспектов подавления замираний. Следующий вопрос — как достичь этих теоретических пределов? Какие существуют техники активации рассмотренных выигрышей?

Решение №1. Пространственно-временные коды

Одним из самых популярных классов решений по пространственному разнесению является, пожалуй, класс пространственно-временных кодов (space-time codes). Например, знакомый, я думаю, многим метод Аламоути (пример блочного кода) [2, c. 40-46]:

где при — это некоторые входные символы, при — это временные отсчеты (time slots), а — это, собственно, матрица кодирования.

Схема Аламоути ортогональна [1, с.93-95, 97-98] и, что самое важное, не требует информации о состоянии канала (Channel State Information).

Математическое описание передачи кодированного по схеме Аламоути сигнала, а также несколько примеров моделирования этой техники в MatLab можно найти в моём репозитории. Интересующимся добро пожаловать!

Однако, как вы можете заметить, схема Аламоути — это случай, когда у нас есть только две передающие антенны ().
Но не стоит падать духом раньше времени: доступны, конечно, и другие варианты, просто называются они немного иначе. Например, согласно [3] можно применить такие схемы кодирования:

Рис. 2. Схемы передачи для случаев и [2].

И ещё много других вариантов: лишь бы отвечали условиям ортогональности.

Для таких кодов требуются, собственно, те же процедуры для кодирования и декодирования, что и для кода Аламоути. Поэтому объединяются они обычно под общим термином ортогональные пространственно-временные блочные коды (OSTBC — Ortogonal Space-Time Block Codes).

Достаточно большое внимание этому классу кодов уделено в материалах «Introduction to MIMO Systems» от компании MathWorks. Всем заинтересованным настоятельно советую ознакомиться!

Как это видно из схемы передачи, мы хоть и передаём символы параллельно, но тратим на это несколько временных слотов. Следовательно, мы жертвуем пропускной способностью (как минимум, недополучаем её). Для схемы Аламоути такой компромисс симметричен: задействуем 2 антенны и 2 временных слота (будто бы используем SISO с точки зрения пропускной способности). Другие схемы могут влиять на скорость передачи ещё сильнее.

Решение №2. DET: Dominant Eigenmode Transmission

Хорошо, для предыдущего класса техник знания о канале нам важны не были. А что если эти знания у нас всё-таки есть? Нет ли в таком случае более подходящих техник?

В одной из предыдущих моих статей мы обсуждали, что, имея на руках знания о состоянии канала, мы можем применять различные методы обработки сигналов, чтобы увеличить пропускную способность. Этот же принцип работает и для повышения помехоустойчивости.

Наверное, многие слышали про метод MRC и многие знают, что метод этот как нельзя кстати подходит для случая SIMO, когда на передаче антенна хоть и одна, но на приёме их все-таки много, а значит есть из чего комбинировать.

Но, наверное, уже меньшее количество читателей сталкивалось с MRC на передающей стороне (Tx-MRC) [1, c. 95,96], и ещё меньше с технологией DET (Dominant Eigenmode Transmission) [1, c. 98-100]. Исправим!

Для начала рассмотрим общий случай MIMO канала и последний из названных методов — DET.

Введём некоторый пре-кодирующий вектор:

где — это первый (доминирующий, так сказать) вектор матрицы .

Более того, мы можем записать и вектор пост-обработки (post-processing):

где — это первый вектор матрицы .

Переопределим модель принятого сигнала (см. тему пропускной способности):

Вуаля! Магия линейной алгебры выделила среди всех путей распространения самый выгодный и всю энергию направила туда. Фактически, перед нами линейный алгоритм диаграммообразования (beamforming).

Ценой рассмотренного подхода всё также, как и в случае OSTBC, является ограничение пропускной способности. Правда, происходит это теперь сугубо в пространственной области.

Потому что собственные числа (мощности путей распространения — замираний) могут быть напрямую выведены из сингулярных чисел (амплитуды замираний):

Хорошо, с DET более или менее понятно — что с Tx-MRC?

С ним всё ещё проще — это частный случай DET, и сейчас мы это докажем.

Для Tx-MRC в литературе предложен следующий вектор пре-кодирования:

Держим в голове, что квадрат нормы Фробениуса равен собственному числу и, соответственно, квадрату сингулярного числа (в случае SIMO и MISO).

Тогда снова переопределим модель принятого сигнала, только уже для MISO случая:

Что и требовалось доказать.

Заметьте, теперь мы говорим не просто о разнесении сигналов на передающей стороне и комбинировании их на стороне приёмной, как это было в случае с OSTBC. Теперь речь идет об оптимальном распределении энергии. А значит и значения array gain в данном случае выше, чем у OSTBC.

Теперь, когда все слова сказаны, попробуем промоделировать наши техники.

Моделирование

Сегодня я немного считерил: для моделирования OSTBC использованы готовые объекты из Communication Toolbox (MatLab R2014a — уж какой был):

Для модуляции и демодуляции (и подсчета битовой ошибки — BER) были использованы уже не объекты, а функции. Их аналоги есть в пакете communications Octave.

Получиться должно что-то такое:

Рис. 3. Кривые битовых / символьных ошибок для разных техник передачи (BPSK, Рэлеевский канал с плоскими замираниями). Сравните с [1, c. 96, 100].

А теперь вопрос: а где же кривая теоретической границы разнесения второго порядка?

Всё согласно таблице: эта кривая полностью совпадает с Аламоути 2×1. В случае MIMO в игру вступает ещё и array gain, и поэтому кривые разделены.

Так или иначе, а DET (или Tx-MRC) ожидаемо опережают Аламоути по качеству.

Вот так: знание — сила!

Литература

Paulraj, Arogyaswami, Rohit Nabar, and Dhananjay Gore. Introduction to space-time wireless communications. Cambridge university press, 2003.

Бакулин М. Г., Варукина Л. А., Крейнделин В. Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы //М.: Горячая линия–Телеком. – 2014. – Т. 244.

Tarokh, V., Jafarkhani, H., & Calderbank, A. R. (1999). Space-time block codes from orthogonal designs. IEEE Transactions on Information theory, 45(5), 1456-1467.

Преподавательскому составу и студенческой братии родной специальности передаю привет!

Источник