Moniantennitekniikoiden havainnollistaminen ohjelmistoradioilla

Termiä MIMO (multiple input, multiple output) käytetään usein moniantennitekniikoissa, mikä tarkoittaa järjestelmää, jossa on useita vastaanotto- ja lähetysantenneja. Moniantenniteknologioiden ideana on hyödyntää avaruustason diversiteettiä, jossa samanaikaisesti ja samalla taajuudella, mutta fyysisesti eri tilassa olevat signaalit kokevat erilaista vaimennusta ja vaihesiirtoa. Säteenmuodostuksen ideana on lisätä vastaanotetun signaalin voimakkuutta ohjaamalla lähetettävän signaalin voimakkuutta useilla antenneilla haluttuun suuntaan ja samalla vaimentamalla signaalia muihin suuntiin.

Multipleksoinnilla saavutetaan lisääntynyt bittinopeus, kun eri dataa sisältäviä signaaleja lähetetään eri antenneista, jotka erotetaan toisistaan ​​vastaanottimessa kanavatiedon avulla. Diversiteetin avulla voidaan vähentää bittivirheiden määrää, kun sama data lähetetään eri tilassa, jolloin se on todennäköisemmin vastaanotettu luotettavammin ainakin yhtä reittiä pitkin. Tässä työssä on tutkittu 2x2-moniantennijärjestelmän toimintaa mittausjärjestelmällä, jonka fyysisessä toteutuksessa käytetään kahta NI USRP-2901 -ohjelmistoradiota.

Vertailun vuoksi tässä työssä esitetty MIMO-mittausjärjestelmä on asetettu toimimaan myös yhden lähetys- ja vastaanottoantennin tapauksessa.

JOHDANTO

MONIANTENNITEKNIIKAT

Moniantennikonfiguraatiot

• SISO (single input, single output)
• SIMO (single input, multiple output)
• MISO (multiple input, single output)
• MIMO (multiple input, multiple output)

SISO on yleisimmin käytetty järjestelmä, jossa käytetään vain yhtä antennia samoilla taajuuksilla lähettimessä (tulossa) ja vastaanottimessa (lähtö) (kuva 1). Tarkastellaan NLOS-tilannetta (non-line-of-sight), ts. kun ei ole näköyhteyttä ja jossa signaalilla on useita etenemisreittejä lähettimestä vastaanottimeen eri vahvuuksilla ja eri vaiheilla. Yksinkertaisimmassa muodossaan perustaajuinen jatkuva AWGN (additive white Gaussian noise) SISO-kanava voidaan esittää katsomalla vastaanotettujen ja lähetettyjen signaalien suhdetta.

Kun antennit asetetaan tasaisesti vähintään puolen aallonpituuden välein samalle viivalle, saadaan ns. yhtenäinen lineaarinen ryhmä, ts. ULA (englanniksi yhtenäinen lineaarinen array). Nyt enemmän vastaanottoantennien ansiosta vastaanottimessa voidaan käyttää spatiaalista diversiteettiä, mikä lisää radiolinkin luotettavuutta ja suorituskykyä. Termiä MISO käytetään tilanteessa, jossa lähetyspäässä on kaksi tai useampi antennielementti (𝑀 ≥ 2) mutta vain yksi vastaanottopäässä (𝑁 = 1).

Tästä huolimatta MISO-järjestelmä voi käyttää lähettimessä diversiteettitekniikoita, kuten tila-aikakoodausta ja keilanmuodostusta [1]. Alla olevassa kuvassa on yksinkertaisin 2x2 MIMO-järjestelmä, jossa kunkin antenniparin välinen etenemispolku on esitetty punaisella nuolella.

Lähetys- ja vastaanottotekniikat

• Keilanmuokkaus
• Diversiteettimenetelmät
• Spatiaalinen multipleksaus
• OFDM-tekniikka

Beamforming gain (eng. beamforming gain) tarkoittaa vastaanotetun tai lähetetyn signaalin vaikutuksen vahvistusta verrattuna yhteen antenniin, kun käytetään useita antenneja. Diversiteettivahvistus saavutetaan diversiteettijärjestelmillä, jotka kertovat kuinka paljon järjestelmän vastaanotettu signaali-kohinasuhde kasvaa tai kuinka paljon lähetystehoa voidaan pienentää saman virhesuhteen saavuttamiseksi. Niiden välillä on kuitenkin tehtävä kompromissi siitä, kuinka paljon kutakin voidaan hyödyntää, koska kapasiteetin lisääminen alentaa saavutettavaa bittivirhesuhdetta.

Näiden tehojen suhdetta kuvataan antenniryhmän tehovahvistuksena 𝑔𝑎 (eng. array gain), joka tunnetaan myös nimellä tehovahvistus (eng. power gain). Usean eri keilan avulla on mahdollista toteuttaa spatial multiple access, SDMA (eng. space division multiple access), jossa eri käyttäjät ohjataan omalle keilalleen. Diversiteettivahvistuksen ideana on vähentää virheen todennäköisyyttä, kun signaalin voimakkuus ei muutu, ts. kuinka paljon lähetystehoa voidaan vähentää suorituskykyä heikentämättä.

Diversiteettimenetelmät voidaan toteuttaa sekä lähettimessä että vastaanottimessa käyttämällä useita assosiaatiotekniikoita ja tila-aikakoodausmenetelmiä. Vahvistuksen yhdistämisessä ajatuksena on yhdistää eri haaroista vastaanotettu signaali siten, että saavutetaan suurin mahdollinen SNR. Keskimääräinen MRC-tekniikalla saavutettava SNR on ρ𝑁 [1] [12], mikä on hieman parempi kuin vastaava EGC-järjestelmä.

Jos täydellinen kanavainformaatio on saatavilla, voidaan käyttää keilanmuodostustekniikkaa nimeltä MRT (Maximum Ratio Transmission), jossa MRC:n tapaan SNR maksimoidaan vastaanottimessa esikoodaamalla lähetetyt symbolit niin, että ne summataan vastaanottimessa. Avaruus-aikakoodauksen ideana on lähettää eri symboleja eri antenneilla kahdessa tai useammassa symbolijaksossa ja yhdistää ne vastaanottimessa. Tilatason multipleksoinnin ideana on lähettää erilaisia ​​datavirtoja jakamalla kanava useisiin alikanavaan, joissa on mahdollista viestiä samanaikaisesti ja samalla taajuudella, mutta eri tilassa [9].

Symbolien keskinäinen vaikutus voidaan poistaa, kun MIMO-kanavalla (kaava 5) vastaanotettu signaali kerrotaan estimoidun kanavamatriisin käänteisarvolla. OFDM-tekniikan vahvuus on sen tehokas tapa moduloida ja demoduloida signaalia käyttämällä IFFT:tä ja FFT:tä (fast Fourier-muunnos), eli tehokkaalla algoritmilla, jota käytetään Fourier-muunnoksen ja sen käänteisfunktion laskemiseen. IFFT-modulaation jälkeen OFDM-symbolien alkuun lisätään tyypillisesti odotusväli (syklinen etuliite), joka muodostetaan kopioimalla aika-alueen signaalin viimeisimmät näytteet.

OFDM-tekniikkaa voidaan käyttää yhdessä antenniryhmien kanssa, jolloin diversiteettivahvistusta tai kapasiteettia voidaan lisätä MIMO-järjestelmässä [14]. Erona MIMO-OFDM-toiminnan ja tavallisen MIMO-järjestelmän välillä on se, että kukin OFDM-alikantoaalto toimii omana MIMO-järjestelmänsä, eli ne ovat MIMO-tarkkailun alaisia.

KOEJÄRJESTELYT

USRP-2901 ohjelmistoradio

USRP-nimi tulee sanoista Universal Software -defined Radio Peripheral, joka on National Instrumentsin nimi ohjelmistoradioilleen. Tässä työssä käytetty ohjelmistoradio on nimeltään NI USRP-2901, joka tunnetaan myös nimellä Ettus Research B210 (kuva 7). Tämä ohjelmistoradio sisältää AD9361-suoramuunnoslähetin-vastaanottimen, jonka saavutettavissa oleva kaistanleveys on 56 MHz, sekä avoimen ja uudelleen ohjelmoitavan Spartan 6 FPGA:n [16].

Alla olevassa kuvassa on USRP-2901-lohkokaavio, joka havainnollistaa tämän radion laitteistona toteutettuja osia. NI USRP-2901 -ohjelmistoradion tehon säätäminen tapahtuu UHD-vahvistus (USRP hardware driver gain) -asetuksella, joka voidaan asettaa välille 0 - 90 dB. Ohjelmistoradiossa vahvistusfunktio perustuu vakiotehoisen lähettimen vaimennukseen siten, että suurimmalla vahvistusarvolla lähetysketjun vaimennus on minimissään.

Tästä voidaan karkeasti päätellä, että kun vahvistus on 90 dB, lähetysteho on noin 20 dBm ja 0 dB -70 dBm.

LabVIEW- toteutus

Näiden parametrien yhtenäisyys lähettimessä ja vastaanottimessa on tärkeää vastaanotetun signaalin synkronoinnin ja kanavaestimoinnin toiminnan kannalta. OFDM-symboli sisältää useita datasymboleja, joiden lukumäärän määrää FFT:n koko sekä nolla- ja pilottisignaalien määrä. Symboligeneraattori vähentää nolla- ja pilottisignaalien määrän FFT-koosta, mikä johtaa OFDM-symbolin sisältämien datasymbolien lukumäärään.

MIMO-OFDM-lohkossa (kuva 11) näytteisiin lisätään opetusdata, nollaarvot ja pilotit, jotka ovat tärkeitä kanavan estimoinnille. Tämän jälkeen USRP-laite lähettää generoidun signaalin määrätyin aikavälein, kunnes lähetys pysäytetään STOP-painikkeella tai kun pakettien määrä saavuttaa tietyn arvon. Vastaanotetut näytteet suodatetaan vastaavasti kanavakohtaisesti RRC-suodattimella Ny-Quist-pulssinmuodostusvaatimuksen ja parhaan mahdollisen signaali-kohinasuhteen täyttämiseksi, minkä jälkeen ne lasketaan perustaajuudelle (kuva 14).

MIMO-OFDM-lohkon (kuvio 15) tehtävänä on käyttää opetusdataa ja OFDM-parametreja viiveiden arvioimiseen ja synkronoinnin suorittamiseen aika- ja taajuustasoilla. Estimoinnin ja synkronoinnin jälkeen ristisymbolien häiriöiltä suojaava suojaväli poistetaan perustaajuussignaalista ja demoduloidaan FFT:llä. Lopuksi vierekkäisten kanavien vaikutus voidaan arvioida ja lopulliset symbolit lähettää lähtöön (sini-valkoinen viiva).

HAVAINNOT JA MITTAUSTULOKSET

Mittaustulokset, tulkinta ja havainnointia

Mittaamalla SISO-järjestelmä ensin lattialta ja sitten ylhäällä, saadaan seuraavat tulokset, kun antennien välinen etäisyys on 2,5 m. On hyödyllisintä tehdä mittauksia, kun antennit on nostettu 25 cm maasta, jolloin Fresnel Zone pysyy vapaana, mikä antaa paremmat tulokset. Fresnel-vyöhykkeellä tarkoitetaan lähettimen ja vastaanottimen välistä ellipsin muotoista aluetta, joka on pidettävä vapaana, jotta radiolinkki toimisi moitteettomasti.

Jos etäisyys on noin 2,5 m ja keskitaajuus on 5835 MHz, antennien tulee olla vähintään noin 18 cm korkeita. Kuva 19 osoittaa, että esteen asettaminen antennien väliin pienentää saavutettavissa olevaa signaali-kohinasuhdetta, mikä vaikuttaa myös suoraan bittivirhesuhteen kasvuun, kuten kuvassa 18 on esitetty. Jälleen kuvasta 20 voidaan nähdä, että esteen lisääminen vaikuttaa signaali-kohinasuhteeseen samalla tavalla kuin SISO-järjestelmässä.

Verrattaessa eston vaikutusta SISO- ja MIMO-järjestelmien välillä, MIMO:ssa eston vaikutus virhesuhteeseen pienenee lähetystehon kasvaessa. Alla olevassa kuvassa 22 on esitetty tilanne, jossa eri vahvuisia signaaleja syötetään eri lähetysantenneihin suhteessa 1:4 verrattuna normaaliin 1:1 tilanteeseen. Tässä on pyritty esittämään tilanne, jossa eri antenneista lähetetyt signaalit vaimentuvat hyvin eri tavalla.

Kun tehot käännetään, tilanteessa B1 vaimennetun signaalin lähetysteho on myös heikompi, mikä johtaa suurempaan virheeseen. Todetaan, että jos lähetetyt signaalit lähetetään eri vahvuuksilla, heikomman signaalin erottaminen vastaanottimessa tulee vaikeammaksi, jolloin arvioija ei välttämättä pysty erottamaan signaaleja toisistaan. Parhaan mahdollisen virhesuhteen tavoitteena on vastaanottaa lähetetyt signaalit niin, että niiden vahvuudet ovat mahdollisimman samanlaisia.

Tässä MIMO-järjestelmän SNR-tasosta on vähennetty 3 dB, koska mitatut näytteet sisältävät molempien spatiaalisten tasojen signaalitehon. MIMOn tilanteessa symbolivirhesuhteen havaitaan olevan lähes kymmenen kertaa pienempi samalla signaali-kohinasuhteella kuin vastaavassa SISO-järjestelmässä. Kuvassa 23 symbolivirhesuhteet ovat MIMO-järjestelmän erotettujen kanavien yhteisiä keskiarvoja, joihin liittyy aina kaksi erillistä SNR-arvoa.

YHTEENVETO

Jensen, A history of MIMO wireless communications, 2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), 2016, pp. Foschini, Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when use multi-element antennas. Alamouti, Een eenvoudige transmissie-diversiteitstechniek voor draadloze communicatie, in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.

Lau, On the performance of the MIMO Zero-Forcing receiver in the presence of channel estimation error, in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol.