Технологии MIMO в современных сетях сотовой связи

После почти десятилетней истории развертывания стандарта LTE он стал основой для сетей мобильного широкополосного доступа и обслуживает сейчас до 80% трафика этих сетей. По прогнозам, в течение следующего десятилетия количество пользователей LTE будет продолжать увеличиваться. GSMA полагает, что чистый прирост пользователей LTE к 2025 году составит примерно 3 млрд абонентов. Спрос на трафик продолжает расти и в первую очередь благодаря популярности просмотра HD-видео. В некоторых странах потребление данных на пользователя в месяц (DOU) уже превышает 10 ГБ.

Источник: Huawei

 

LTE на пенсию не собирается

 

Первые спецификации стандарта 5G NR (New Radio), о котором так много говорят в последнее время, были «заморожены» в декабре 2017 года. Для того, чтобы впечатление абонента от получаемой услуги в сетях пятого поколения не испортилось при переходе в сети четвертого поколения, важно предусмотреть глубокое взаимодействие сетей LTE и 5G NR, вплоть до дальнейшего совместного их развития.

 

Благодаря хорошему покрытию, огромной базе пользователей и большому количеству моделей терминального оборудования, LTE по-прежнему будет оставаться основной сетевой технологией, предоставляющей услуги MBB в течение следующего десятилетия. Кроме того, ожидается, что трафик в сетях LTE вырастет в несколько раз. Следовательно, повышение пропускной способности стандарта LTE имеет решающее значение.

Источник: Strategy Analytics

 

Технологии MIMO

 

К настоящему времени разработаны различные технологии и решения для удовлетворения растущего спроса на большую емкость, например, увеличение количества используемых частот (ширина спектра) или уплотнение количества сайтов.

Однако все эти подходы имеют свои ограничения, например, конечное количество частот, да и приобретение сайтов также становится все более сложным делом.

Поэтому весьма актуальным в последнее время стало внедрение технологий MIMO, которые представляют сбой мульти-антенные решения для обеспечения плавного расширения емкости сети оператора.

Итак, что же скрывается за аббревиатурой MIMO (обычно читается как «Май-Мо»)? Это понятие, которое идентифицирует один из 4 вариантов создания беспроводного канала с точки зрения его начала (input) и окончания (output). В случае радиоканала, началом является передатчик, а окончанием – приемник радиосигнала. В таблице представлена матрица, которая показывает возможные 4 варианта организации радиоканала:

Single Input (один передатчик) Multiple Input (несколько передатчиков)
Single Output (один приемник) SISO MISO
Multiple Output (несколько приемников) SIMO MIMO

 

Вариант MIMO находится в правом нижнем углу таблицы. Встретив эту аббревиатуру, мы должны понимать, что она означает следующее: для передачи информации в одном радиоканале используется несколько передатчиков и несколько приемников.

Часто MIMO применяется в сочетании с цифрами. Первая цифра здесь обозначает число передатчиков, а вторая – число приемников. Например, MIMO 2×2 означает, что имеется 2 передатчика и 2 приемника. Кстати сказать, это минимум, требуемый стандартом LTE.

На рисунке ниже показана система MIMO M × N, состоящая из M передающих антенн и N приемных антенн.

 

Когда количество передатчиков (передающих антенн) и приемников (приемных антенн) в такой системе равно 8 или больше, то такое решение называется Massive MIMO (массивное MIMO).

Массивное MIMO – это технология, пришедшая в LTE из 5G. Она позволяет получить значительную выгоду как в скорости беспроводной передачи данных, так и надежности соединений, используя значительно большее количество антенн на базовой станции, в сравнении с текущими решениями 2×2 MIMO.

В Массивной системе MIMO с большими антенными решетками сигнал может регулироваться как по азимуту, так и по вертикали, что позволяет обеспечить лучшую фокусировку энергии и точность направления на конкретное терминальное устройство, тем самым уменьшая межсотовые помехи и поддерживая пространственное мультиплексирование с большим количеством абонентских устройств.

Формирование луча (Beamforming) в сочетании с пространственным мультиплексированием многих пользователей (это возможно при большом количестве приемопередатчиков и антенных элементов) увеличивает эффективность использования спектра на порядок.

Проще говоря, Massive MIMO-система – это:

  • большое количество приемопередатчиков (TRX);
  • возможность пространственного мультиплексирования;
  • многопользовательское планирование (MU-MIMO);
  • большая антенная решетка с высоким коэффициентом усиления в восходящей линии (UL) и нисходящей линии связи (DL).

 

2D-MIMO с ограниченным количеством антенн (на схеме слева); 3D-MIMO с массивом антенн (справа)

 

Сценарии использования Massive MIMO

 

Массивное MIMO совместимо с существующими протоколами и терминалами и может быть развернуто с помощью аппаратных и программных обновлений на сети оператора связи. Эта технология значительно улучшает качество покрытия сети, эффективность использования спектра, среднюю пропускную способность пользователей на сети и их впечатления от коммерческих услуг.

Массивное MIMO сегодня успешно используется в коммерческих сетях и показывает великолепную производительность, особенно в сценариях HotSpot (места большого трафика) и 3D-покрытия. В HotSpot-сценариях Massive MIMO повышает пропускную способность сети и использует пространственное мультиплексирование для обслуживания большего числа пользователей. В сценариях 3D-покрытия эта технология обеспечивает гибкость формирования диаграммы направленности, чтобы улучшить обслуживание пользователей в высоких зданиях.

Результаты работы решения Massive MIMO в HotSpot-сценарии в Пекине показаны на диаграмме ниже. Там использовалось решение 64T64R MIMO в сравнении с решением 8T8R MIMO.

 

Измеренная пиковая пропускная способность в нисходящей линии связи (DL) в Massive MIMO BS достигала 660 Мбит/с, что означает рост на 600%, по сравнению с решением на 8TRX.

В Пекине сейчас также успешно используются решения Massive MIMO для сценария 3D-покрытия, что позволяет улучшить сигнал в многоэтажных жилых районах. По сравнению с обычными сетями, Massive MIMO значительно уменьшает количество слепых зон покрытия в вертикальной плоскости.

 

Во всем мире можно насчитать уже более сорока успешных примеров коммерческого использования решения Massive MIMO на сетях ведущих операторов. Ожидается, что это решение будет активно развиваться в рамках дальнейшей эволюции LTE и прихода 5G. Ниже на картинке приведена дорожная карта (RoadMap) эволюции Massive MIMO.

 

 

На пути к 5G

 

Использование технологии Massive MIMO в ходе дальнейшего совершенствования сетей 4G позволит значительно улучшить эффективность использования спектра, особенно в сценариях большого трафика и улучшения покрытия, что даст стандарту 4G возможность удовлетворить растущий спрос на услуги передачи данных в эпоху 4.5G. Эта технология предусмотрена и требуется для развертывания сетей 5G.

Революционные возможности данной технологии уже сегодня закладывают прочную основу для развития 4G и будущего развертывания сетей 5G и способствуют развитию телекоммуникационной индустрии в целом.

Источник
Поделиться в:
Share on Facebook
Facebook
Share on VK
VK
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin