Роль различных схем антенн в повышении надежности беспроводных ссылок

Беспроводная связь формирует основу современной связи, поддерживая все, от мобильных телефонов до устройств IoT и автономных систем. Несмотря на достижения в модуляции и кодировании, беспроводные линии связи остаются уязвимыми для затухания сигнала, вызванного многолучевым распространением, теневым и интерференционным распространением. Схемы разнообразия антенн предлагают мощное, аппаратное решение для смягчения этих нарушений, повышения надежности связи без необходимости дополнительного спектра или мощности. Развертывая несколько антенн и разумно комбинируя их сигналы, эти схемы используют пространственное разделение затухающих событий для поддержания надежного соединения.

Основы разнообразия антенн

Разнообразие антенн использует статистическую независимость затухающих каналов в разных местах антенн. Когда антенны расположены достаточно отдельно (обычно на половине длины волны или более), вероятность того, что все антенны одновременно испытывают глубокое выцветание, резко снижается. Основная концепция заключается в том, чтобы принимать или передавать несколько копий одного и того же сигнала через независимо затухающие пути, а затем объединять их для получения более сильного, более стабильного выхода. Этот принцип применяется как к получению разнообразия (множественные антенны в приемнике), так и к передаче разнообразия (множественные антенны в передатчике).

Ключевые механизмы разнообразия

Среди них пространственное разнообразие наиболее широко реализовано в современных беспроводных системах, образуя основу для многовходовых многовыходных (MIMO) технологий.

Типы комбинирования схем получения разнообразия

Получать разнообразие комбинационных методов определяют, как обрабатываются сигналы от нескольких антенн, чтобы максимизировать качество связи.Выбор схемы влияет на сложность, производительность и энергопотребление.

Разнообразие выбора

Разнообразие выбора является простейшей формой: приемник непрерывно контролирует силу сигнала (или отношение сигнала к шуму, SNR) на каждой ветви антенны и выбирает ту, которая имеет лучшее мгновенное качество. Затем сигнал этой ветви передается демодулятору. Увеличение разнообразия пропорционально количеству антенн; с антеннами N ], вероятность того, что все ветви находятся в выцветании, падает как p ]N . Хотя разнообразие выбора легко реализовать, оно тратит энергию от других ветвей и обеспечивает только умеренное улучшение среднего SNR по сравнению с более сложными методами.

Переключатель разнообразия

Вариант разнообразия выбора, разнообразия переключателей (часто называемый переключаемым разнообразием) избегает необходимости непрерывного мониторинга. Приемник остается на антенне по умолчанию до тех пор, пока принятый сигнал не упадет ниже порога; затем он переключается на другую антенну. Это снижает сложность, но может вводить переходные переключатели и не всегда может выбирать оптимальную ветвь.

Максимальное сложение соотношений (MRC)

MRC — это оптимальный метод линейного комбинирования, когда шум белый и некоррелированный по ветвям. Каждый сигнал антенны взвешивается сложным фактором, пропорциональным его мгновенному увеличению канала и фазе, затем суммируется когерентно. Весы максимизируют комбинированный SNR, который является суммой SNR из всех отдельных ветвей. В системе с антеннами N, MRC дает среднее улучшение SNR фактора N по одной антенне, плюс дополнительный прирост разнообразия, который уменьшает глубину выцветания. MRC широко используется в базовых станциях и передовых мобильных приемниках из-за его превосходной производительности, хотя он требует точной оценки канала и выравнивания фазы.

Равновесное объединение (EGC)

EGC — компромисс между простотой и производительностью. Все сигналы антенн взвешиваются с одинаковой величиной (прирост единицы), и только их фазы корректируются для достижения когерентного суммирования. Объединенный SNR обычно меньше, чем MRC, но все же обеспечивает значительный прирост разнообразия. EGC часто выбирают для систем, где оценка амплитуды ненадежна или где усилители с постоянным усилением упрощают аппаратное обеспечение. Разрыв производительности между EGC и MRC мал, когда количество антенн низкое и все ветви имеют аналогичный средний SNR.

Секторальные комбинирование и другие варианты

В некоторых практических развертываниях используются секторированные антенны с перекрывающимся покрытием. Приемник выбирает сектор с самым сильным сигналом, похожим на разнообразие выбора, но в более крупном масштабе. Гибридные подходы, такие как MRC с селективной активацией ветвей, могут снизить энергопотребление, отключая ветви с очень низким SNR, сохраняя при этом комбинирующее преимущество активных.

Трансмитировать схемы разнообразия

Разнообразие одинаково важно и в передатчике, особенно на нисходящей линии связи, где приемник может иметь ограниченный размер и мощность.Разнообразие передачи позволяет базовой станции или точке доступа посылать сигналы через несколько антенн без необходимости использования нескольких антенн в пользовательском устройстве.

Alamouti Space-Time Block Coding (недоступная ссылка)

Наиболее известной схемой разнообразия передачи является код Аламути (STBC для двух антенн). Он передает два символа в течение двух временных интервалов и две антенны с использованием ортогональной конструкции. У приемника (даже с одной антенной) символы могут быть разделены простой линейной обработкой, достигающей полного прироста пространственного разнообразия. Кодирование Аламути обеспечивает тот же порядок разнообразия, что и двухотраслевой MRC-приемник, но без необходимости многократного приема антенн. Он стандартизирован в 3GPP (например, WCDMA, LTE) и является основополагающей техникой для современных систем MIMO.

Циклическая задержка разнообразия

Циклическое разнообразие задержки (CDD) вводит циклическое смещение одного и того же символа OFDM по разным передающим антеннам, эффективно преобразуя одну передачу в несколько задерживаемых копий. Задержка создает частотную селективность в комбинированном канале, которую может использовать кодирование с исправлением ошибок приемника. CDD широко используется в LTE и Wi-Fi в качестве метода разнообразия передачи с низкой сложностью, который не требует знания канала в передатчике.

Закрытый контур передает разнообразие

Когда передатчик имеет обратную связь о состоянии канала (например, через ограниченный канал обратной связи), он может регулировать веса, приложенные к каждой антенне, чтобы направить передаваемую энергию к приемнику. Это известно как разнообразие передачи замкнутого цикла или формирование луча. Увеличение разнообразия сочетается с увеличением массива, обеспечивая более высокий SNR и надежность. Такие методы, как кодовое кодирование на основе кодового книги в 4G / 5G, попадают в эту категорию.

Преимущества разнообразия антенн

Основные преимущества разнообразия антенн хорошо известны и напрямую связаны с улучшением пользовательского опыта и эффективности сети.

Рассмотрение вопросов осуществления и проблемы

Несмотря на очевидные преимущества, развертывание антенного разнообразия предполагает компромиссы, которыми должны управлять разработчики системы.

Антенна, проходящая и корреляция

Для достижения некоррелированного замирания антенны должны быть достаточно разнесены друг от друга — как правило, по меньшей мере на половину длины волны. Для полос с частотой до 6 ГГц (например, 2,4 ГГц, 3,5 ГГц) это расстояние переводится на 5-10 см, что может быть сложным в компактных устройствах, таких как смартфоны или датчики IoT. Разнообразие поляризации может уменьшить требуемое физическое разделение с помощью ортогональной поляризации, но за счет кросс-полярной дискриминации. В высокочастотных миллиметровых волновых системах длина волны небольшая (несколько миллиметров), что облегчает интеграцию пространственного разнообразия, но чувствительна к блокировке.

Сложность оборудования и стоимость

Каждая дополнительная антенна требует выделенной радиочастотной (RF) цепи — в том числе фильтров, смесителей, усилителей и аналого-цифровых преобразователей. Это увеличивает стоимость материалов, энергопотребление и площадь платы. Во многих коммерческих устройствах инженеры ограничивают количество антенн до 2 или 4 на оборудовании пользователя. Базовые станции с меньшими ограничениями по размеру и мощности могут использовать 8, 64 или даже 128 антенн в массивных конфигурациях MIMO, где разнообразие и формирование луча сходятся.

Оценка канала накладывает

Схемы разнообразия приемников, такие как MRC, требуют точных оценок канала от каждой антенной ветви. Для этого требуются пилотные символы, которые занимают ресурсы времени и частоты. В быстротекущих каналах оценки канала должны часто обновляться, увеличивая накладные расходы. Схемы разнообразия передачи, которые используют методы открытого цикла (Alamouti, CDD), избегают необходимости обратной связи, но могут не адаптироваться к изменяющимся условиям канала.

Потребление энергии

Работа нескольких радиочастотных цепей одновременно потребляет больше энергии, чем одноантеннный приемник. Для устройств с питанием от батареи разнообразие выбора (где активна только одна цепь за раз) может быть более энергоэффективным, чем MRC. Расширенные алгоритмы, которые динамически деактивируют ветви на основе условий канала, помогают смягчить эту проблему.

Приложения в современных беспроводных системах

Разнообразие антенн было принято практически во всех основных беспроводных стандартах, часто в качестве базового требования.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Ранние устройства 802.11a/b/g часто использовали две антенны для разнообразия выбора. Современные 802.11n/ac/ax (Wi-Fi 4/5/6) включают в себя многократный вход многократного выхода (MIMO) с до 8 потоками, где разнообразие интегрировано с пространственным мультиплексированием. Разнообразие приемника используется для формирования луча, а разнообразие передачи (через циклическую задержку) является обязательным в OFDM. IEEE документы подробно описывают, как MRC в приемниках Wi-Fi улучшает пропускную способность до 3 дБ в типичных внутренних средах.

Сотовые сети (4G LTE и 5G NR)

В LTE, разнообразие передачи поручено для всех каналов управления нисходящей линии связи с использованием Space-Frequency Block Coding (SFBC, вариация Alamouti). В восходящей линии связи используется несколько приемных антенн в eNodeB для объединения разнообразия. 5G NR идет дальше с массивным MIMO, используя сотни антенн для достижения как разнообразия, так и усиления формирования луча. 3GPP спецификации определяют методы разнообразия для управления и каналов данных, обеспечивая надежную работу даже на краях ячеек.

Спутниковая связь

Спутниковые связи испытывают угасание из-за атмосферных эффектов и многолучевых связей от близлежащих структур (особенно в мобильных спутниковых терминалах). Получение разнообразия с использованием двух антенн, расположенных на нескольких длинах волн друг от друга, является обычным явлением на терминалах кораблей или самолетов. Некоторые спутниковые системы используют разнообразие мест - две географически разделенные наземные станции для борьбы с выцветанием дождя - эффективно макромасштабная схема разнообразия антенн.

Интернет вещей (IoT) и LPWAN

Сети с малой мощностью (LoRaWAN, NB-IoT) часто используют разнообразие приемников в шлюзах для повышения вероятности декодирования слабых передач восходящей линии связи от датчиков. Поскольку многие устройства IoT ограничены по стоимости и мощности, они обычно имеют одну антенну; бремя разнообразия размещено на стороне инфраструктуры. Этот подход может удвоить диапазон и значительно снизить частоту ошибок пакетов.

Автомобильный и V2X

Связь между транспортными средствами (V2X), включая C-V2X и DSRC, сталкивается с быстро меняющимися каналами из-за движения транспортного средства. Несколько антенн (например, две спереди и две сзади автомобиля) обеспечивают разнообразие против затухания и блокировки. MRC и разнообразие выбора используются в бортовых устройствах для поддержания надежности связи для критически важных сообщений. Исследовательские статьи показывают, что разнообразие двух ветвей уменьшает потерю пакетов более чем на 50% в сценариях шоссе.

Будущие тенденции в разнообразии антенн

Беспроводная эволюция продолжает расширять границы разнообразия и пространственной обработки.

Массивные MIMO и полноразмерные MIMO

5G массивные базовые станции MIMO с 64-256 антенными элементами эффективно размывают линию между разнообразием, формированием луча и пространственным мультиплексированием. Каждый пользователь обслуживается узким лучом, который обеспечивает высокий коэффициент усиления массива, в то время как большая антенная решетка по своей сути предлагает разнообразие против затухания. Расширенные алгоритмы предварительного кодирования могут переключаться между режимами, ориентированными на разнообразие, и мультиплексирование, основанными на условиях канала.

Интеллектуальные отражающие поверхности (IRS)

IRS — это пассивные массивы, которые можно контролировать для отражения сигналов в желательном направлении, создавая дополнительные пути разнообразия без добавления новых передатчиков. Это «виртуальное» разнообразие антенн может быть развернуто на фасадах зданий или в помещении, чтобы помочь бороться с мертвыми зонами. В сочетании с обычным разнообразием на приемнике IRS может обеспечить беспрецедентную надежность связи.

ИИ-управляемое разнообразие

Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать быстро меняющиеся шаблоны и динамически выбирать или комбинировать антенны с более низкими накладными расходами, чем традиционная оценка. Усиление обучения было применено для переключения разнообразия в миллиметровых волновых сетях, где быстрые события блокировки делают фиксированный выбор неоптимальным. ИИ также может оптимизировать выбор антенн для энергоэффективного разнообразия в устройствах IoT.

Sub-6 ГГц и mmWave Сосуществование

Будущие устройства могут использовать подход с двумя диапазонами: разнообразие на частоте до 6 ГГц для покрытия и формирование луча на mmWave для емкости. Цепь разнообразия на более низких частотах может служить резервным вариантом, когда связь mmWave заблокирована, обеспечивая бесшовную связь. Это многодиапазонное разнообразие уже является темой в исследованиях 3GPP Release 18.

Заключение

Схемы разнообразия антенн остаются краеугольным камнем надежной беспроводной связи. От простого разнообразия выбора в раннем Wi-Fi до сложного массивного MIMO в 5G фундаментальный принцип - использование нескольких независимых путей сигнала для преодоления угасания - доказал свою ценность в течение десятилетий развертывания. По мере того, как сети развиваются в направлении более высоких частот, более плотных развертываний и более строгих требований к надежности, разнообразие будет продолжать адаптироваться, включая интеллектуальные алгоритмы и новые топологии оборудования. Инженеры, разрабатывающие беспроводные системы сегодня, должны взвешивать преимущества разнообразия против затрат на оборудование, мощность и сложность, но выигрыш в надежности связи и пользовательском опыте ясен: разнообразие антенн не просто приятно иметь; это важный фактор беспроводного мира.