Конструкционные особенности и принцип действия mimo-антенн для 3g и 4g-модемов

Формы

Пример антенны для LTE с 2-портовым разнесением антенн

Типы мультиантенн

Технология MIMO с несколькими антеннами (или MIMO с одним пользователем) была разработана и реализована в некоторых стандартах, например, в продуктах 802.11n.

  • SISO / SIMO / MISO — частные случаи MIMO
    • Множественный вход и один выход (MISO) — это особый случай, когда приемник имеет одну антенну.
    • Один вход и несколько выходов (SIMO) — это особый случай, когда передатчик имеет одну антенну.
    • Один вход — один выход (SISO) — это обычная радиосистема, в которой ни передатчик, ни приемник не имеют нескольких антенн.
  • Основные однопользовательские методы MIMO
    • Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST), Джерард. Дж. Фошини (1996)
    • Per Antenna Rate Control (PARC), Варанаси, Guess (1998), Чунг, Хуанг, Лозано (2001)
    • Селективное управление скоростью передачи антенны (SPARC), Ericsson (2004 г.)
  • Некоторые ограничения

Многопользовательские типы

В последнее время появляются результаты исследований многопользовательской технологии MIMO. Хотя полный многопользовательский MIMO (или сетевой MIMO) может иметь более высокий потенциал, на практике исследования технологии (частичного) многопользовательского MIMO (или многопользовательского и многоантенного MIMO) являются более активными.

  • Многопользовательский MIMO (MU-MIMO)
    • В последних стандартах 3GPP и WiMAX MU-MIMO рассматривается как одна из технологий-кандидатов, которые могут быть приняты в спецификации рядом компаний, включая Samsung, Intel, Qualcomm, Ericsson, TI, Huawei, Philips, Nokia и Freescale. Для этих и других фирм, работающих на рынке мобильного оборудования, MU-MIMO более подходит для сотовых телефонов низкой сложности с небольшим количеством приемных антенн, тогда как более высокая пропускная способность однопользовательского SU-MIMO для каждого пользователя лучше подходит для более сложных пользовательские устройства с большим количеством антенн.
    • Улучшенный многопользовательский MIMO: 1) использует передовые методы декодирования, 2) использует передовые методы предварительного кодирования
    • SDMA представляет собой либо с пространственным разделением множественного доступа или супер множественного доступа с разделением , где супер подчеркивает , что ортогональное разделение таких как частота и время деление не используется , но не ортогональны подходов , таких как суперпозиция кодирования используются.
  • Кооперативная MIMO

    Использует несколько соседних базовых станций для совместной передачи / приема данных пользователям / от пользователей. В результате соседние базовые станции не вызывают межсотовых помех, как в обычных системах MIMO.

    (CO-MIMO)

  • Макроразнообразие MIMO
    • Форма схемы с пространственным разнесением, которая использует несколько передающих или принимающих базовых станций для когерентной связи с одним или несколькими пользователями, которые, возможно, распределены в зоне покрытия, в одном временном и частотном ресурсе.
    • Передатчики находятся далеко друг от друга в отличие от традиционных схем MIMO с микроразнесением, таких как однопользовательский MIMO. В многопользовательском сценарии MIMO с макроразнесением пользователи также могут быть далеко друг от друга. Следовательно, каждая составляющая ссылка в виртуальном канале MIMO имеет отдельный средний SNR канала . Это различие в основном связано с различными долговременными ухудшениями канала, такими как потери на трассе и затухание тени, которые испытывают разные линии связи.
    • Схемы MIMO с макроразнообразием создают беспрецедентные теоретические и практические задачи. Среди множества теоретических проблем, возможно, наиболее фундаментальной является понимание того, как различные средние отношения сигнал / шум канала влияют на общую пропускную способность системы и производительность отдельных пользователей в условиях замирания.
  • MIMO- маршрутизация

    Маршрутизация кластера кластером в каждом прыжке, где количество узлов в каждом кластере больше или равно одному. Маршрутизация MIMO отличается от традиционной (SISO) маршрутизации, поскольку традиционные протоколы маршрутизации маршрутизируют узел за узлом в каждом переходе.

  • Массивный MIMO

Функции

MIMO можно подразделить на три основные категории: предварительное кодирование , пространственное мультиплексирование (SM) и разнесенное кодирование .

Предварительное кодирование — это многопотоковое формирование луча в самом узком определении. В более общем плане считается, что это вся пространственная обработка, которая происходит в передатчике. При (однопоточном) формировании луча один и тот же сигнал излучается каждой из передающих антенн с соответствующей фазой и коэффициентом усиления, так что мощность сигнала максимизируется на входе приемника. Преимущества формирования диаграммы направленности заключаются в увеличении усиления принимаемого сигнала за счет конструктивного суммирования сигналов, излучаемых разными антеннами, и в уменьшении эффекта замирания из-за многолучевого распространения. При распространении по линии прямой видимости формирование луча приводит к четко определенной диаграмме направленности. Однако обычные лучи не являются хорошей аналогией в сотовых сетях, которые в основном характеризуются многолучевым распространением . Когда приемник имеет несколько антенн, формирование луча передачи не может одновременно максимизировать уровень сигнала на всех приемных антеннах, и предварительное кодирование с несколькими потоками часто бывает полезным

Обратите внимание, что предварительное кодирование требует знания информации о состоянии канала (CSI) в передатчике и приемнике.

Для пространственного мультиплексирования требуется конфигурация антенны MIMO. При пространственном мультиплексировании высокоскоростной сигнал разделяется на несколько низкоскоростных потоков, и каждый поток передается с другой передающей антенны в том же частотном канале. Если эти сигналы поступают на антенную решетку приемника с достаточно разными пространственными характеристиками и приемник имеет точную CSI, он может разделить эти потоки на (почти) параллельные каналы. Пространственное мультиплексирование — это очень эффективный метод увеличения пропускной способности канала при более высоких отношениях сигнал / шум (SNR). Максимальное количество пространственных потоков ограничено меньшим количеством антенн в передатчике или приемнике. Пространственное мультиплексирование можно использовать без CSI на передатчике, но его можно комбинировать с предварительным кодированием, если CSI доступен. Пространственное мультиплексирование также может использоваться для одновременной передачи на несколько приемников, известное как множественный доступ с пространственным разделением каналов или многопользовательский MIMO , и в этом случае CSI требуется на передатчике. Планирование приемников с разными пространственными сигнатурами обеспечивает хорошую разделимость.

Методы разнесенного кодирования используются, когдав передатчикенет сведений о канале . В методах разнесения передается один поток (в отличие от нескольких потоков при пространственном мультиплексировании), но сигнал кодируется с использованием методов, называемых пространственно-временным кодированием . Сигнал излучается каждой из передающих антенн с полным или почти ортогональным кодированием. Кодирование с разнесением использует независимые замирания в линиях с множеством антенн для увеличения разнесения сигналов. Поскольку нет информации о канале, нет никакой выгоды отформирования диаграммы направленности или массива от разнесенного кодирования. Кодирование с разнесением можно комбинировать с пространственным мультиплексированием, когда в приемнике доступны некоторые сведения о канале.

Зачем вообще что-то менять, если и так всё хорошо?

«Но мы же нормально жили с существующими технологиями Wi-Fi», — скажете вы. Что ж, вот вам парочка интересных фактов. Большинство пользователей обновляют домашний роутер раз в 3–5 лет. Для мира технологий это эквивалентно 30–50 годам! Например, пять лет назад почти никто даже не думал об Интернете вещей или «умном доме».

Объёмы мобильного трафика непрерывно растут: например, в США каждый год среднестатистическая семья добавляет к домашней сети Wi-Fi три подключенных устройства, а к 2022 году, с наступлением эры Интернета вещей, таких устройств в каждом домовладении будет до 50!

Получается, что и число подключенных устройств, и количество данных, которые мы потребляем, растёт ускоряющимися темпами. Если вы купили роутер пять лет назад, то скорее всего он с трудом справляется даже с существующими нагрузками. Чтобы идти в ногу со временем — не только сегодня, но и в ближайшие несколько лет, лучше перейти на роутер с технологией MU-MIMO. Такой роутер обеспечит передачу данных между множеством устройств одновременно без потери скорости и качества подключения. Даже наоборот, скорость обслуживания подключённых устройств повысится. Беспроводные модули в ваших многочисленных домашних устройствах не будет «топтаться», переминаясь с ноги на ногу, в ожидании своей очереди, он не будет тратить энергию на отправку роутеру запросов на подключение, а значит, сможет работать дольше от одной зарядки.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

На сегодня рынок предлагает множество антенн, конструктивное исполнение которых значительно варьируется от таких параметров, как диаграмма направленности и рабочий частотный диапазон. Касательно первого: угол раскрытия основного лепестка варьируется в пределах от 30 до 90 градусов, для сотовых антенн — обычно от 60 до 75 градусов. Также вклад в направленность вносит угол наклона, который может быть как регулируемый как механическим путем (вертикальная плоскость), так и стационарным, установленный заводом-изготовителем (горизонтальная плоскость).

Второй параметр как раз определяет частотную селективность антенны (о чем упоминалось ранее) и для сетей 4G диапазон может быть самым разным (от 800 МГц и выше), некоторые сотовые вышки работают сразу на нескольких значениях, например, для LTE это могут быть линии 700 МГц, 800 МГц, 2600 МГц. Если необходимо включение 3G, дополнительно используется полоса 2100 МГц. Естественно, что это требует разделения как в плоскостях поляризации, так и пространственное, а также разных направленностей. Это неизбежно приведет к огромному видовому разнообразию устройств, что и можно наблюдать на рынке.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг, хэндовер, голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы 4G, а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты. При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

Types of MU-MIMO implementations found in wireless routers

In simple terms, imagine you’re in line at the school cafeteria – you get served after the people in front of you get their sloppy joes. With MU-MIMO, instead of one lunch lady, you now get two, three or four lunch ladies, which lessens the time you need to wait.

However, there are some rules regarding this. First, the streams are spatial, which means if two devices are close to each other, they still have to share the same stream. Imagine that cafeteria scenario again, but this time the four lines that were created are now points on a compass. If you’re physically located in the south line, you have to wait with everyone else unless you move to east, north or west. In an office setting, if your adjacent coworker is streaming a video conference while you’re trying to download a super-large sales presentation, you’ll have to wait, unless you move to the other side of the office. This scenario assumes that the router/access point has enabled MU-MIMO and beamforming support.

Second, the technology only works for downlink connections. This is great for home users who will likely need faster speeds for 4K video streams and online gaming, but less useful for business workers who need faster uploads for content creation (such as video uploading) or two-way video conferencing applications.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование Smart Antena, либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Особенности

А теперь несколько фактов, которые помогут нам до конца разобраться в технологии:

  1. MU-MIMO работает только в диапазоне 5 ГГц. На рынке сетевого оборудования появляется все больше двухдиапазонных маршрутизаторов с поддержкой технологии. Например, TP-Link Archer C2600. Вообще отличить роутер, который работает с MU-MIMO можно по количеству антенн – их там не меньше 4-х.
  1. MU-MIMO использует технологию Beamforming. Благодаря ей, сигналы направляются не бездумно, а в направлении беспроводного устройства. Эта направленность позволяет увеличить дальность сигнала и повысить скорость.
  2. К сожалению, не может обслуживать неограниченное число клиентов и потоков данных. Например, роутер с поддержкой трех потоков может одновременно работать с тремя Wi-Fi устройствами без торможений.
  3. Чтобы пользоваться преимуществами метода, принимающее устройство должно иметь поддержку MU-MIMO. Здесь достаточно одной антенны – пользовательское устройство примет поток данных от роутера.
  4. Производители Wi-Fi модулей утверждают, что компании, выпускающие смартфоны, роутеры, точки доступа и другие сетевые устройства, заложили поддержку технологии в свои продукты. Я думаю, об этом должна быть информация в руководстве. Как обещают производители, достаточно обновить программное обеспечение на таком гаджете, и пользователь получит поддержку технологии.
  5. Некоторая выгода будет у устройств, которые не поддерживают этот метод. Часть клиентов с поддержкой MU-MIMO будет обслуживаться быстрее, а до других гаджетов очередь будет доходить быстрее.
  6. Технология поможет оптимизировать беспроводные сети с большим количеством клиентов – например, в общественном месте или на работе.
  7. Трафик, передаваемый с помощью архитектуры MU-MIMO, сложно перехватить. Это повышает безопасность беспроводной сети.

Эти 8 пунктов рассказывают об особенностях технологии. Надеюсь, объяснила все понятно.

Абонентские модули 5G SIMCom Wireless Solutions

Линейка 5G модулей SIMCom Wireless Solutions sub6G («а» и «б») и sub6G+mmWave («в» и «г»)

Основные характеристики 5G модулей SIMCom Wireless Solutions
SIM8200G SIM8200EA-M2 SIM8300G-M2
Спецификация 3GPP Rel.15
NSA/SA +
Скорость передачи данных mmWave нет до 7 Гбит/сек (скачивание), до 3 Гбит/сек (выгрузка)
sub-6G до 4 Гбит/сек (скачивание), до 450 Мбит/сек до 4 Гбит/сек (скачивание), до 300 Мбит/сек до 4 Гбит/сек (скачивание), до 600 Мбит/сек (выгрузка)
LTE до 2 Гбит/сек (скачивание), до 150 Мбит/сек (выгрузка) до 2.4 Гбит/сек (скачивание), до 200 Мбит/сек (выгрузка)
HSPA+ до 42 Мбит/сек (скачивание), до 5.76 Мбит/сек (выгрузка)
Частоты 5G NR mmWave n257/n258/n260/n261
5G NR Sub6G n1/n2/n3/n5/n7/n8/n12/n20/n28/n38/n40/n41/n48/n66/n71/n77/n78 (n79 у SIM8200G и SIM8300G-M2)
LTE-FDD B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66/B71
LTE-TDD B34/B38/B39/B40/B41/B42/B43/B48 (B46 у SIM8300G-M2)
WCDMA B1/B2/B3/B4/B5/B8
GNSS ГЛОНАСС, GPS, Beidou, Galileo, QZSS
Интерфейсы USB2.0, USB3.1, UART, PCIe Gen3.0, USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO, SPI, ADC, RGMII, SDIO3.0, PMI, WiFi USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0, 2xUIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0,USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO
Количество антенн 8 6 14
Встроенные протоколы NDIS/RNDIS/PPP/TCP/IPv4/IPv6/Multi-PDP/FTPS/HTTPS/DNS/SSL/TLS
Голосовые вызовы VoNR, VoLTE, CSFB
Обновление ПО Через USB или FOTA
Размеры 41.0 мм Х 43.6 мм 30.0 мм Х 52.0 мм 30.0 мм Х 52.0 мм
Напряжение питания 3.3…4.3 В
Диапазон температур -30…+85 C

5G-USB Dongle UM80 на базе SIM8200EA-M2Антенные модули миллиметрового диапазона QTM525-2 (а) и QTM527-2 (б)Подключение 4 sub6G антенн и 4 модульных антенн к модулю 5G на плате устройства

Sky Office

Концепция Sky Office

  • низкое потребление на уровне планшетов со временем автономной работы 14 часов и более;
  • «всегда готов», ноутбук не тратит время на загрузку ПО, оно уже работает – в облаке;
  • «везде готов», потеря ноутбука больше не означает потерю данных и лицензий;
  • тонкий и легкий корпус, состав и структура ноутбука упрощаются, а это тянет за собой уменьшение размеров и веса;
  • пассивное охлаждение, ноутбук больше не производит энергозатратных вычислений и слабо греется;
  • связь безопаснее чем Wi-Fi, т.к. 5G практически невозможно взломать, канал связи защищен новейшими алгоритмами шифрования.

Ключевые показатели стандарта 5G и технологии

  • пиковая скорость передачи данных на линии вниз (Downlink) 20 Гбит/с (спектральная эффективность 30 бит/с/Гц);
  • пиковая скорость передачи данных на линии вверх (Uplink) 10 Гбит/с (спектральная эффективность 15 бит/с/Гц);
  • минимальная задержка в подсистеме радиодоступа для сервисов URLLC — 0,5 мс, для сервисов eMBB — 4 мс;
  • максимальная плотность подключенных к сети в городских условиях устройств из мира IoT – 1’000’000 устройств/кв.км;
  • автономная работа устройств из мира IoT без подзарядки аккумулятора в течение 10 лет;
  • поддержка мобильности при максимальной скорости передвижения объектов 500 км/ч.

некоторых

Частота и ширина полос

Частотные диапазоны для сетей 5G
Блок радиочастот Радиочастотный диапазон
FR1 450 MHz – 6 000 MHz
FR2 24’250 MHz – 52’600 MHz

Massive MIMO и Beam Forming (формирование луча)

2D MIMO антенна (слева) и Massive MIMO антенна (справа)

  • мощный сигнал на выходе в направлении к UE;
  • сильный уровень сигнал/шум в направлении от UE;
  • отсутствие межсотовой интерференции;
  • значительное увеличение количества каналов связи на одну соту.
MIMO в диапазонах sub6G и mmWave
Sub6G mmWave
Порядок MIMO до 8х8 2х2
Смысл Статичное пространственное мультиплексирование для множества пользователей Динамическое формирование луча для одного пользователя
Характеристика Многолучевое распространение, идеален для пространственного мультиплексирования. Протяженная зона покрытия, покрытие внутри зданий. Распространение в прямой видимости. Массовые соединения со сверх широкой полосой пропускания.

Сценарии и примеры оказания услуг мобильной связи в сетях 5G

  1. eMBB (enhanced Mobile Broadband), сверхширокополосная мобильная связь;
  2. URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication), сверхнадежная связь с низкими задержками;
  3. mMTC (Massive Machine-Type Communications), массовая межмашинная связь.

Три сценария оказания услуг мобильной связи

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий