Technologia MIMO (multiple inut, mupltiple output – transmisja wielodrożna) jest integralną częścią projektu 3GPP  E-UTRA LTE (long term evolution). Istotnym zagadnieniem w MIMO jest kształtowanie wiązki, obecne także w LTE.

W niniejszym artykule zostały opisane podstawy kształtowania wiązki, a także dziewięć trybów transmisji w kierunku odbiorcy i dwa w kierunku stacji bazowej w systemie MIMO w 10. wersji standardu LTE.

1. Wprowadzenie

Nowoczesne sieci telekomunikacyjne używają technologii MIMO w celu zwiększenia przepustowości. MIMO umożliwia stosowanie techniki zwanej kształtowaniem wiązki tak, aby skierować ją na konkretne obszary, tym samym poprawiając jakość transmisji. Umożliwia to również dotarcie do użytkowników znajdujących się na granicy pokrywanego obszaru. Podobnie do innych standardów, takich jak WLAN lub WiMAX, LTE również określa sposób formowania wiązki. Kształtowanie wiązki jest istotne zwłaszcza w trybie multipleksacji czasowej (TDD). W niniejszym artykule zostało opisanych 9 metod transmisji do odbiorcy oraz 2 metody transmisji do stacji bazowej definiowane przez standard TLE 3GPP w wersji 10, jak również sposób kształtowania wiązki w LTE.

2. Technologia MIMO i formowanie wiązki

2.1. MIMO

Poniżej zostały omówione założenia MIMO, które stosuje się w  trybach transmisji LTE (patrz punkt 3.2). Więcej informacji o MIMO oraz przykłady użycia w innych systemach komunikacji zostały omówione w nocie [3].

Systemy MIMO są stosowane w celu poprawy niezawodności transmisji oraz jej szybkości. Typowy system MIMO składa się z M  anten nadawczych oraz N anten odbiorczych (rysunek 1).

Rysunek 1. System MIMO złożony z M anten nadawczych i N anten odbiorczych

Krótko mówiąc, odbiornik otrzymuje sygnał y powstały wskutek przemnożenia wektora x przez macierz transmisji H.

Y = H · x

Macierz transmisji H zawiera odpowiedzi impulsowe kanałów hnm, które opisują właściwości kanału między anteną nadawczą M oraz anteną odbiorczą N. Wiele algorytmów MIMO opiera się na analizie macierzy transmisji H. Stopień macierzy H opisuje liczbę liniowo niezależnych kolumn bądź wierszy H. Oznacza to liczbę niezależnych strumieni danych (warstw – layers), które mogą być transmitowane jednocześnie.

Poprawa niezawodności systemu – zróżnicowanie nadawania

Gdy te same dane są przesyłane w sposób nadmiarowy przez więcej niż jedną antenę nadawczą, jest to zróżnicowanie TX. Pozwala ona zwiększyć stosunek sygnału do szumu. Kodowanie czasowo-przestrzenne pozwala wygenerować sygnały nadmiarowe. Alamouti zaproponował pierwsze kody dla dwóch anten. Obecnie dostępnych jest wiele różnych kodów dla więcej, niż dwóch anten.

Zwiększenie przepustowości transmisji – multipleksacja przestrzenna

Multipleksacja przestrzenna zwiększa szybkość transmisji. Dane są rozdzielane pomiędzy wiele strumieni, które są transmitowane równocześnie przez ten sam ośrodek zawierający te same źródła interferencji. Transmisja zawiera specjalne fragmenty (zwane sygnałami pilotującymi lub referencyjnymi) znane dla odbiornika. Odbiornik może wykonać estymację parametrów kanału od każdej anteny nadawczej. Metoda zamkniętej pętli polega na przekazaniu informacji o kanałach do nadajnika za pośrednictwem specjalnego kanału zwrotnego. Pozwala to na szybką reakcję w przypadku zmiany parametrów kanału, na przykład poprzez zmianę liczby multipleksowanych strumieni.

Gdy prędkość transmisji dla jednego urządzenia użytkownika (user equipment – UE, urządzenia odbiorcy) jest zwiększona, system taki nosi nazwę Single User MIMO (SU-MIMO). Gdy poszczególne strumienie są przypisywane wielu użytkownikom, system określa się mianem Multi-User MIMO (MU-MIMO).

2.2. Podstawy kształtowania wiązki

Kształtowanie wiązki polega na kontroli kierunku czoła fali poprzez odpowiedni dobór amplitudy i fazy w wielu antenach nadawczych (kształtowanie wiązki podczas nadawania). Pozwala to na przykład lepiej pokryć obszary położone na dalekich obrzeżach komórki. Ponieważ każda z anten wnosi pewną moc do uzyskanego sygnału, formowanie wiązki powoduje powstanie zysku anteny w postaci całego szyku antenowego.

Kształtowanie wiązki odbiornika pozwala określić kierunek padania fali (direction of arrival, DoA). Istnieje też możliwość tłumienia sygnałów interferujących poprzez takie ukształtowanie wiązki, aby  na kierunku nadchodzenia interferencji wystąpiło zero charakterystyki.

Adaptacyjne kształtowanie wiązki polega na ciągłej zmianie kształtu wiązki w poruszającym się odbiorniku. Wymaga to szybkiego przetwarzania sygnału oraz zaawansowanych algorytmów.

Rysunek 2. Szyk antenowy  z kolejnymi antenami umieszczonymi w odległości d. Dystans, który pokonuje padająca fala między kolejnymi odbiornikami jest równy d · sinθ.