[TEORIA] Transmisja danych LTE – tryby i kształtowanie wiązki

Precoding w paśmie podstawowym sygnału różnych anten oznacza kształtowanie wiązki (rysunek 12. z dwiema antenami). Cztery anteny nadawcze dają 16 możliwych charakterystyk wiązki. „Domyślny” kształt wiązki różni się od klasycznego kształtowania wiązki w trybach 7 i 8, które mają za zadanie bezpośrednią zmianę kształtu wiązki, na przykład w celu skupienia jej na określonych obszarach komórki.

Rysunek 12. Schematyczne przedstawienie jawnego formowania wiązki w TM6 przy użyciu dwóch anten i książek kodowych od 0 do 3

Rysunek 13. Schemat blokowy trybu TM6

Rysunek 13. pokazuje podstawową konfigurację.

3.2.7. TM7 – formowanie wiązki (port anteny nr 5)

Ten tryb korzysta z sygnałów referencyjnych związanych z odbiorcą. Zarówno dane, jak i sygnały RS są przesyłane z użyciem tego samego wektora wag. Ponieważ odbiorca potrzebuje tylko swojego sygnału referencyjnego, aby zdemodulować PDSCH, transmisja danych z punktu widzenia odbiorcy jest odbierana tylko z jednej anteny nadawczej. Odbiorca nie wie nic o faktycznej liczbie anten nadawczych. Z tego powodu tryb ten nosi nazwę „pojedynczy port anteny, port nr 5”. Transmisja wygląda, jakby była nadawana z pojedynczego „wirtualnego” portu numer 5.

Rysunek 14. Formowanie wiązki w TM7. Użycie sygnałów referencyjnych związanych z użytkownikiem. Wspólne kanały realizują zróżnicowanie nadawania

Istnieją różne algorytmy obliczające optymalne wagi kształtujące wiązkę. Możliwe jest na przykład określenie kierunku, z którego nadchodzi odbierany sygnał (DoA lub AoA, angle of arrival) i na tej podstawie wyznaczenie wag odbiornika. Wymaga to jednak istnienia szyku antenowego, którego elementy są odległe o d ≤ λ/2. Określenie kierunku może być krótkie, gdy szerokość wiązki nie jest mała lub nie ma dominującego kierunku padania fali.

Alternatywna metoda to wyznaczenie wag na podstawie estymacji parametrów kanału. Ponieważ w systemie TD-LTE nadawanie i odbiór następują na tej samej częstotliwości, nadawane sygnały referencyjne można bezpośrednio wykorzystać do estymacji parametrów kanału, a następnie na ich podstawie wyznaczyć wagi kształtujące charakterystykę odbiorczą. W takim wypadku nie jest obliczany kąt padania wiązki, a jedynie parametry kanału.

Wyznaczanie parametrów wiązki odbywa się na podstawie pomiary sygnału nadawanego, zatem kalibracja szyku antenowego i układy wejściowe RF odgrywają tu kluczową rolę w kształtowaniu wiązki.

LTE nie definiuje żadnych metod wyznaczania parametrów wiązki. Możliwe są też inne rozwiązania, na przykład przełączanie wiązki (beamswitching). Również liczba anten i ich konstrukcja zależy od wybranej implementacji.

3.2.8. TM8 – Formowanie wiązki z dwiema warstwami (porty anten 7 i 8)

Sposób formowania wiązki w LTE został doprecyzowany. Wersja 8. specyfikacji LTE opisuje formowanie wiązki z jedną warstwą (co zostało opisane w poprzedniej części). Wersja 9. opisuje formowanie wiązki z dwiema warstwami. Pozwala to stacji bazowej dobrać wagi dwóch warstw jednocześnie, dzięki czemu formowanie wiązki można połączyć z multipleksacją przestrzenną dla jednego lub wielu użytkowników.

Podobnie jak w TM7 wykorzystywane są sygnały RS związane z użytkownikiem. Ponieważ wykorzystywane są te same elementy szyku, co widać na rysunku 15, sygnały referencyjne muszą być zakodowane w różny sposób, tak aby odbiorca mógł je odróżnić.

Rysunek 15. Rozmieszczenie sygnałów referencyjnych w trybie TM8 (porty anten 7 i 8)

Ponieważ są używane dwie warstwy, można obie przypisać jednemu odbiorcy (single-user MIMO, rysunek 16.) lub dwóm różnym odbiorcom (multi-user MIMO, rysunek 17).

Rysunek 16. Formowanie wiązki z dwiema warstwami w systemie SU-MIMO: Oba strumienie danych z ukształtowaną wiązką docierają do tego samego odbiorcy

Rysunek 17. Formowanie wiązki z dwiema warstwami w systemie MU-MIMO: Każdy ze strumieni danych z ukształtowaną wiązką dociera do innego odbiorcy

3.2.9. TM9 – Do 8 warstw nadawczych (porty anten 7 – 14)

Wersja 10. standardu dodała tryb transmisji 9. W tym trybie można wykorzystać aż 8 warstw, co wymaga użycia do 8 fizycznych anten nadawczych. Prowadzi to do powstania nawet 8×8 konfiguracji MIMO. Liczba warstw może być dynamicznie zmieniana. Używane są wirtualne porty anten 7 – 14.

Możliwe są zarówno konfiguracje MIMO z jednym odbiorcą (SU), jak i wieloma odbiorcami (MU). Co więcej, przełączanie między tymi konfiguracjami jest możliwe bez specjalnych, dodatkowych warstw sygnałów.

Struktura sygnałów referencyjnych (RS) została rozszerzona względem wersji 8. standardu:

• Sygnał związane z odbiorcą do demodulacji PDSCH (DM-RS). Jest to rozwinięcie idei formowania wiązki trybów TM7 oraz TM8 w celu obsługi większej liczby warstw.
• Sygnał CSI-RS pozwala na określenie informacji o stanie kanałów (CSI) odbiorczych po stronie odbiorcy.

Te same elementy szyku są używane przez porty 7, 8, 11 i 12 (Rx, oznaczone na niebiesko) oraz porty 9, 10, 13 i 14 (Ry, zielone). Sygnały referencyjne muszą być zatem kodowane w różny sposób, aby odbiorca mógł je odróżnić (rysunek 18).

Rysunek 18. Rozkład sygnałów referencyjnych w trybie nadawania 9 (porty anten od 7 do 14) [1]

Sygnały DM-RS przypisane do odbiorcy są dodawane do strumienia danych przed precodingiem. Oznacza to, że odbiorca otrzymuje znany sygnał RS, który został poddany precodingowi i przesłany kanałem. Odbiornik nie musi wcześniej znać wybranego kodowania. Nie ma już potrzeby stosowania książek kodowych, a odbiorca nie wysyła PMI z powrotem. Inaczej mówiąc, multipleksacja przestrzenna ma do dyspozycji pełne możliwości doboru wag (precodingu) podczas formowania wiązki, a nie tylko dyskretny wybór kodu, jak w trybach TM3 – 6.

Rysunek 19. Tryby TM3 – 6: Związany z komórką sygnał odniesienia jest stosowany przez precodingiem. Odbiorca odpowiada, zgłaszając żądany indeks książki kodowej. Wykorzystywane są tylko dyskretne kształty wiązki (patrz punkty 3.2.4 oraz 3.2.6)

Rysunek 20. Tryb TM9: sygnał RS związany z odbiorcą jest stosowany przed precodingiem. Pozwala to na użycie kodowania spoza książki kodów. Tym samym dostępny jest pełen zakres charakterystyk wiązki