Внедрение кодирования блоков пространства-времени в сетях Mimo

Системы MIMO можно разделить на несколько категорий: однопользовательские MIMO (SU-MIMO), многопользовательские MIMO (MU-MIMO) и массивные MIMO, каждая с различными конфигурациями антенн и требованиями к обработке сигналов. Во всех случаях пространственное разнообразие, предлагаемое несколькими антеннами, может быть использовано с помощью схем кодирования, которые распространяют информацию как по пространству (антеннам), так и по времени (символическим интервалам). STBC является одним из наиболее практичных и широко принятых методов для достижения этого разнообразия, поскольку он обеспечивает систематический способ кодирования данных, так что приемник может восстановить исходные символы с помощью простой линейной обработки. Семинационная работа Alamouti в 1998 году продемонстрировала, что полное разнообразие передачи может быть достигнуто с помощью двух антенн и удивительно простого декодера, стимулируя обширные исследования конструкций STBC для больших антенных массивов.

Принципы кодирования блоков пространства-времени

Кодирование блоков пространства-времени — это метод кодирования, который отображает блок символов данных на множественные передающие антенны и множественные временные интервалы. Основная цель состоит в том, чтобы создать многообразие — избыточность, которая защищает передаваемую информацию от глубоких затухающих сигналов на конкретных антеннах или временных моментах. Когда один и тот же символ передается от разных антенн в разное время, приемник видит несколько независимо выцветших копий этого символа. Комбинируя эти копии надлежащим образом, приемник может восстановить символ, даже если некоторые из копий сильно ослаблены. Прирост разнообразия STBC измеряется его порядок разнообразия , который в идеале равен продукту количества передающих и принимающих антенн при совершенном знании канала.

Наиболее важным свойством STBC является ортогональность. Ортогональный STBC (OSTBC) обеспечивает, чтобы процесс декодирования сводился к разделению решений о максимальной вероятности (ML) на символ, избегая совместного обнаружения и, таким образом, сохраняя сложность приемника на низком уровне. Код Alamouti является классическим примером OSTBC для двух передающих антенн. Для более чем двух антенн полноразмерные ортогональные конструкции существуют только для двух антенн (реальные символы) или для сложных символов при использовании кодов потери скорости. Исследователи разработали квазиортогональные STBC, которые жертвуют некоторой ортогональностью для достижения более высоких скоростей кода, при этом предлагая частичное разнообразие и приемлемую сложность декодирования.

Схема Аламути: основополагающий пример

Код Alamouti передает два символа, s1 и s2, по двум антеннам и двум последовательным временным интервалам.В первом временном интервале антенна 1 передает s1 и антенна 2 передает s2.Во втором временном интервале антенна 1 передает −s2**s1* (конъюгат).Предполагая плоский затухающий канал, который остается постоянным в течение двух временных интервалов, принятые сигналы на одной приемной антенне могут быть выражены как:

r1 = h1 s1 + h2 s2 + n1
r2 = −h1 s2* + h2 s1* + n2

где h1 и h2 являются сигналами канала от двух передающих антенн к приемной антенне, и n1, n2 являются аддитивными белыми гауссовскими шумами.Тогда приемник объединяет эти два принятых сигнала с использованием расчетных коэффициентов канала для получения двух отдельных переменных решения для s1 и s2:

y1 = h1* r1 + h2 r2* = ( |h1 | 2 + |h2 | 2)2) s1 + h1* n1 + h2 n2*
y2 = h2* r1 − h1 r2* = ( |h1 |2+ |h2 |2) s2 − h1 n2* + h2* n1

Из этих уравнений ясно, что каждый символ видит эффективный канал усиления, равный сумме квадратов величин двух каналов усиления — обеспечивающих разнообразие второго порядка. Сложность декодирования линейна по числу символов, поскольку каждый символ отделен от других благодаря ортогональной конструкции. Эта простота в сочетании с полным разнообразием делает схему Аламути чрезвычайно привлекательной для практических реализаций, особенно в сценариях, где приемник может иметь только одну антенну (например, мобильные устройства).

Обобщение STBC для большего количества антенн

Для более чем двух передающих антенн существуют, но налагают штраф за скорость. Например, код Тароха и др. для четырех передающих антенн достигает скорости 1/2 (т.е. передает 1 символ за временной интервал), в то время как код скорости-3/4 обеспечивает более высокую пропускную способность за счет частичной ортогональности. Квази-ортогональные STBC (QOSTBC) расслабляют строгое условие ортогональности, позволяя для более высоких частот кода (часто скорость 1 для четырех антенн), но вводя попарные помехи между парами символов. Эта помеха может быть решена с обнаружением низкой сложности (например, отмена групповых помех) при достижении почти полного разнообразия. Последние достижения в кодах полного разнообразия, полной скорости , полноразмерные коды толкнули оболочку производительности, хотя они часто требуют декодирования сферы или решетчатого восстановления-помощь обнаружения для управления повышенной сложностью.

При реализации STBC в практической сети MIMO выбор кода зависит от нескольких факторов: количества передающих и принимающих антенн, желаемого компромисса между увеличением разнообразия и спектральной эффективностью, допустимой сложностью декодирования и условиями канала (например, плоское и частотно-селективное затухание). Например, в средах с высокой мобильностью, где канал быстро меняется, более короткие блоки STBC предпочтительнее поддерживать ортогональность в течение времени когерентности.

Внедрение STBC в сети MIMO: поэтапный подход

Развертывание пространственно-временного блочного кодирования в реальной системе MIMO требует тщательной разработки как со стороны передатчика, так и со стороны приемника. В следующих разделах описываются ключевые этапы реализации.

Передатчик дизайна

Передатчик должен быть оснащен пространственным кодером, который отображает входящие символы данных в матрицу STBC. Этот кодер находится после модулятора (например, QAM или PSK-картирование) и перед картированием поднесущей OFDM в широкополосных системах. Для данной схемы STBC кодер производит матрицу X размера (число временных интервалов) × (число передающих антенн). X _{t , i} представляет собой линейную комбинацию входных символов и их сопряжений. Практические соображения включают:

• Синхронизация антенн: Все передающие антенны должны передавать символы в одно и то же время.Любое несоответствие во времени ухудшает ортогональность кода и уменьшает разнообразие.В системах на основе OFDM синхронность часов обычно поддерживается с помощью общего опорного осциллятора и сигнализации управления нисходящей линией связи.
• Нормализация мощности: Для поддержания постоянной средней передаваемой мощности матрица STBC масштабируется так, что общая энергия за временной интервал равна энергии, которая была бы использована, если бы передавалась одна антенна. Для схемы Аламути матрица нормализуется на √1/2 на антенну за слот.
• Вставка фото: Для обеспечения оценки канала в приемнике известные символы пилота встраиваются в поток данных, часто в виде ортогональных пилотных шаблонов по антеннам. Пилоты должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать помех между антенно-специфическими последовательностями.

Дизайн приемника

В приемнике цепочка обработки базовой полосы включает в себя оценку канала, декодирование STBC и демодулирование. Приемник должен знать информацию о состоянии канала (CSI) для каждой пары антенны приема-передачи. CSI обычно получают с помощью оценки на основе пилота, используя оценки наименьших квадратов или минимальных средних квадратов. Как только CSI доступен, процесс декодирования протекает следующим образом:

• Линейное объединение: Для ортогональных STBC приемник выполняет простую линейную комбинацию принимаемых сигналов, взвешиваемую по расчетным коэффициентам канала. Это дает отдельную статистику принятия решений для каждого переданного символа, как показано выше для кода Alamouti. Совместное обнаружение не требуется.
• Максимально-вероятностное (ML) обнаружение: Для квазиортогональных или неортогональных кодов приемнику может потребоваться выполнить обнаружение ML над группами символов. Это может быть реализовано с помощью декодирования сферы или последовательного устранения помех. Сложность возрастает экспоненциально с количеством символов на группу, поэтому практические конструкции часто ограничивают размер группы.
• Мягкая генерация выходных данных: В современных кодированных системах (например, с турбо- или LDPC-кодами) декодер STBC должен производить мягкие (соотношение лог-подобия) выходы для каждого бита для подачи декодера канала. Для линейных STBC это может быть достигнуто путем вычисления посткомбинирующего отношения сигнал-шум (SNR) и предполагая гауссовское распределение остаточных помех.

Точность оценки канала имеет решающее значение для производительности STBC. Ошибки в CSI могут разрушить ортогональность и привести к остаточной интерференции. Надежные оценщики, которые используют временную корреляцию канала (например, с помощью фильтрации Калмана), часто используются в сценариях с высокой мобильностью.

Синхронизация и сроки

STBC требует жесткой синхронизации не только между антеннами на передатчике, но и между передатчиком и приемником. Смещение времени на уровне символа должно быть сохранено в пределах небольшой доли от продолжительности символа, чтобы предотвратить межсимвольные помехи (ISI) от разрушения структуры кода. В системах MIMO на основе OFDM циклический префикс (CP) предназначен для поглощения ошибок времени, но декодирование STBC предполагает, что канал постоянен по блоку кода (обычно 2-4 временных интервала). В быстротекущих каналах предположение о постоянном канале по блоку может сломаться, и необходимы продвинутые приемники, которые выполняют отслеживание канала в блоке.

Преимущества, вызовы и компромиссы

Основным преимуществом STBC в сетях MIMO является коэффициент усиления разнообразия , который он обеспечивает. При передаче одной и той же информации по нескольким антеннам и временным интервалам вероятность того, что сигнал теряется в глубоком затухании, экспоненциально уменьшается с порядком разнообразия. Это приводит к снижению частоты битовых ошибок (BER) для заданного SNR или эквивалентно значительной экономии SNR для достижения целевого BER. Например, в системе 2×1 (две передающие антенны, одна приемная антенна) с использованием кода Alamouti требуемый SNR для достижения BER 10−5 может быть уменьшен на несколько дБ по сравнению с системой с одним входом (SISO) — коэффициент усиления, который становится еще более выраженным в схемах модуляции более высокого порядка.

STBC также предлагает присущую надежность помехам от других пользователей в многоклеточных средах. Поскольку комбинатор разнообразия весит принятые сигналы по каналам усиления, он имеет тенденцию подавлять интерферирующие сигналы, которые испытывают различные модели затухания. Это особенно полезно в восходящей линии связи систем MU-MIMO, где базовая станция должна декодировать несколько одновременных передач от пользователей с одной антенной. Когда каждый пользователь использует STBC (если у них есть несколько антенн), базовая станция может лучше отделить свои сигналы.

Однако, STBC не лишен своих проблем:

• Эффективность спектра против компромисса разнообразия: Полноразмерные STBC (как Alamouti) достигают скорости кода 1 (1 символ на использование канала) только для двух антенн. Для больших массивов ортогональные конструкции несут штрафы за скорость передачи (например, 1/2 скорость для четырех антенн). Это снижает пиковую скорость передачи данных по сравнению с пространственными мультиплексирующими схемами (например, V-BLAST), которые отправляют независимые потоки. Выбор между STBC и пространственным мультиплексированием зависит от того, требует ли приложение надежности (например, каналы управления, голос) или высокой пропускной способности (например, потоковое видео). Гибридные схемы, такие как переключение между STBC и мультиплексирование на основе качества канала, используются в режиме 5G NR (режим «пространственное разнообразие против мультиплексирования»).
• Сложность при приемнике: В то время как ортогональные STBC просты в декодировании, квазиортогональные и полноразмерные коды требуют более сложных алгоритмов обнаружения. Это увеличивает энергопотребление и задержку, что может быть проблематичным для устройств с ограниченными батареями. Аппаратные реализации в FPGA или ASIC должны сбалансировать количество затворов и скорость.
• Накладные расходы на оценку каналов: Системы MIMO-STBC должны оценивать больше коэффициентов канала (каждая передающая антенна для каждой приемной антенны), чем системы SISO. Накладные расходы пилота растут пропорционально количеству антенн, снижая эффективную пропускную способность. В массивных MIMO (64 или более антенн) загрязнение пилота через ячейки становится серьезной проблемой, которая ограничивает производительность.
• Частотно-селективное затухание:] В широкополосных системах канал изменяется по поднесущим. STBC, предназначенный для плоского затухания, может не работать хорошо, когда канал значительно изменяется по продолжительности блока кода. Для OFDM STBC применяется на поднесущую, но предположение о постоянном канале через два временных интервала становится недействительным, если спред задержки велик относительно длительности символа OFDM. Для этого предложены расширенные коды блоков «пространство-время-частота».

Применение в современных беспроводных системах

STBC был принят в нескольких беспроводных стандартах. В 3GPP LTE и LTE-Advanced разнообразие передачи для каналов управления нисходящей линией связи и физического канала вещания (PBCH) реализовано с использованием схем на основе Alamouti. Для восходящей линии связи MIMO обычно использует предкодирование на основе кодового справочника, а не STBC, но в 5G NR спецификация включает поддержку пространственного разнообразия с использованием STBC для PUSCH (физический общий канал восходящей линии связи) при определенных условиях. В Wi-Fi стандарты IEEE 802.11n/ac/ax определяют обязательный механизм формирования луча передачи, но также позволяют пространственное разнообразие открытого цикла с использованием STBC в качестве альтернативы. Многие чипсеты реализуют код Alamouti для улучшения приема при низком SNR.

Помимо сотовой связи и WLAN, STBC используется в цифровом вещание (например, DVB-NGH, ATSC 3.0) и в спутниковой связи, где бюджет канала связи ограничен, а сложность приемника должна быть сведена к минимуму. В сетях Интернета вещей (IoT), где устройства часто имеют только одну антенну приема, STBC на шлюзе может обеспечить важную надежность связи без необходимости использования нескольких антенн на узле датчика.

Будущие направления и открытые исследования

По мере развития беспроводных систем в направлении массивных MIMO, чрезвычайно высоких частот (mmWave и sub-THz) и полнодуплексной работы роль STBC пересматривается. В массивных MIMO линейное прекодирование (например, нулевое нажатие) может достигать почти оптимальной производительности с простым пользовательским планированием, уменьшая потребность в сложных STBC на стороне базовой станции. Однако для восходящей линии связи, где пользовательские устройства имеют ограниченное количество антенн, STBC остается привлекательным. Недавние исследования исследуют машинное обучение на основе обнаружения для STBC в неизвестных или изменяющихся во времени каналах. Например, глубокие нейронные сети могут быть обучены для восстановления переданных символов непосредственно из принятых сигналов, минуя явную оценку канала и декодирование — это особенно перспективно для квазиортогональных кодов, где сложность декодирования высока.

Другая область активного исследования — интеграция STBC с неортогональным множественным доступом (NOMA). В NOMA пользователи разделяют один и тот же ресурсный блок в области мощности; объединение этого с пространственно-временным кодированием может обеспечить дополнительное разнообразие для более слабого пользователя. Кроме того, для перенастраиваемых интеллектуальных поверхностей (RIS), которые могут регулировать среду распространения, STBC может использоваться для создания искусственных увядающих паттернов, которые улучшают порядок разнообразия. Наконец, разработка универсальных STBC, которые достигают как полного разнообразия, так и полной скорости для любого количества антенн остаётся открытой проблемой. Подходы Грассмановской теории упаковок сфер и алгебраической теории чисел дали многообещающие коды, но их практическое развертывание по-прежнему ограничено сложностью декодирования.