Smart Antennas—Beamforming

Интеллектуальные антенны - Образование диаграммы направленности

Перевод: Чудинова М.О.

Источник:http://www.altera.com/end-markets/wireless/advanced-dsp/beamforming/wir-beamforming.html

Потребность мобильных беспроводных операторов в обеспечении передачи услуг голосовых и высокоскоростных данных постоянно растет. В то же самое время операторы хотят сохранить больше пользователей на 1 БС, чтобы уменьшить затраты на сеть и сделать услуги более доступными для абонентов. В результате беспроводные системы, которые сделают возможным увеличения скорости передачи данных и увеличение вместимости базовой станции становятся необходимостью.

Интерференционно ограниченные системы

К сожалению, из-за ограниченности доступного спектра радиопередачи, попытки увеличить трафик в пределах фиксированной полосы пропускания становятся причиной увеличение интерференции в систему и ухудшают качество сигнала.

В частности когда всенаправленные антенны (см. Рис 1) используются в БС, передача/прием сигнала каждого пользователя становится источником интерференции для других пользователей, расположенным в той же самой соте. Эффективный способ уменьшить этот тип иинетференции состоит в том, чтобы разделить ячейку на несколько секторов и использовать секторные антенны, как показано на Рис 1.

Рис 1. - Без использования Smart-антенн

Образование луча в технологии Smart-антенна

Технология "умной" антенны предлагает значительно улучшенное решение уменьшить уровни интерференции и улучшить ёмкость системы. С этой технологией сигнал каждого пользователя передан и получен БС только в направлении того специфического пользователя. Это решительно уменьшает общую интерференцию в системе. Интеллектуальная система антенн, как показано на Рис 2, состоит из множества антенн, которые вместе направляют лучи передачи/приема к каждому пользователю в системе. Этот метод передачи и приема называется beamforming и делает возможным "умную" обработку сигнала в основной полосе частот.

Рис 2. - Образование луча в технологии Интеллектуальной антенны

В beamforming сигнал каждого пользователя умножен со комплексными значениями, которые регулируют величину и фазу сигнала к и от каждой антенны. Это заставляет мощность от множества антенн формировать луч передачи/получения в нужном направлении и минимизирует мощность в других направлениях.

Коммутируемое и адаптивное формирования луча

Если комплексные веса выбираются из библиотеки весов, которые формируют лучи в конкретных, предопределенных направлениях, процесс называют коммутируемым формированием луча. Здесь, БС в основном переключается между различными лучамина основе полученных измерений сигнала. С другой стороны, если веса вычислены и адаптивно обновлены в режиме реального времени, процесс называют адаптивным beamforming. С помощью адаптивного формирование луча БС может сформировать более узкие лучи к требуемому пользователю и аннулирует к пользователям, создающим интерференцию, значительно улучшая отношение "сигнал/шум".

Адаптивное образование луча Altera

Блоки высокоэффективного образование цифрового сигнала (DSP), Nios® II процессор и логические элементы (LEs) от Altera Stratix® серии FPGAs, делает их идеальными для адаптивных beamforming приложений. Эта секция описывает выполненную Алтерой Rake-Beamformer структуру, которая выполняет объединенную пространственно-временную обработку. Как иллюстрировано на Рис 3, сигнал от каждого приема антенны, сначала конвертируется в основную полосу частот, образованную соответствующим оценивающим multipath фильтром.

Рис 3 - Образование лучей с помощью Altera’s Stratix Series FPGAs

DDС:digital down converter - цифровой "вниз" преобразователь

MRC: maximal ratio combining -

CORDIC: coordinate rotation digital computer -

QRD: QR decomposition - разложение QR

Преимущества образования луча

Обработка скорости

Технология Smart-антенн нуждается в высокой пропускной способности обработки со скоростью вычислений, приближающейся к нескольким миллиардам MAC(multiply and accumulate)-операций в секунду. Такие вычислительные требования быстро исчерпывают способности обработки процессоров цифрового сигнала. Altera FPGAs, с расширенными блоками DSP и памятью TriMatrix, обеспечивают пропускные способности сверх 50 GMACs, предлагая высокоэффективную платформу для beamforming применений.

Гибкость

Существует много архитектур формирования луча и адаптивных алгоритмов, которые обеспечивают хорошую работу согласно различным сценариям таким как передаче - приемное адаптивное формирование луча и передаче - приемное переключенное формирование луча. С вложенными процессорами Найоса II и удобными в работе средствами разработки, такими как Строитель DSP и Строитель SOPC, Altera® FPGAs предлагается высокая степень гибкости в осуществлении различных адаптивных алгоритмов обработки сигнала.

Низкий ризк

Стандарты для сетей следующего поколения непрерывно развиваются, и это создает элемент риска для beamforming ASIC. При передаче beamforming, например, использует обратную связь от мобильных терминалов. Число битов предусмотрело обратную связь в стандартах, может определить beamforming алгоритм, который используется в БС. Кроме того, будущая БС, вероятно, поддержит разновидности передачи, включая пространства-времени кодирования в и технологию MIMO (система сомногими входами многим выходами). Поскольку Altera FPGAs отдаленно обновляемые, они уменьшают риск, связанный с проектированием для того, чтобы развить стандарты промышленности, обеспечивая возможность для постепенного развертывания дополнительных схем передачи разнообрных схем.