Moniantennitekniikat langattoman tietoliikenteen kapasiteetin räjäyttäjinä

Transkriptio

1 Oulun yliopisto, Infotech-päiv ivä Oulu Moniantennitekniikat langattoman tietoliikenteen kapasiteetin räjäyttäjinä Prof. Markku Juntti Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications (CWC) Centre for Wireless Communications puh PL 4500 fa Oulun yliopisto M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 1 Tiedonsiirron perushaasteet Langattomassa tiedonsiirrossa tyypillisesti joko maksimoidaan siirtonopeus [bittiä/s] / kaistankäytön tehokkuus [(bittiä/s)/hz], kun lähetysteho [W] ja kaistanleveys [Hz] on rajattu tai minimoidaan lähetystehon kulutus, kun siirtonopeus / kaistankäytön tehokkuus on kiinnitetty ja kaistanleveys on rajattu. Perinteisesti käytössä olleet perusresurssit: lähetysteho kaistanleveys. Usean lähetysantennin käyttö tuo mahdollisuuden uuteen vapausasteeseen: tilatasoon. M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 2

2 Moniantenniratkaisujen historiaa Marconi 1901 Neljä ympyräantenniryhmää 61m:n mastossa Morse-signaali kirjaimelle "S" Englannista Newfoundlandiin, etäisyys 3425km Sukellusvenekaikuluotaus 1910-luvulla Akustisia sensoriryhmiä 1910-luvulla RF-tutkat 1940-luvulla 2. maailmansodan myötä Ultraääniskannereita 1960-luvulla Adaptiiviset antenniryhmät matkapuhelinverkkoihin laajemmin 1990-luvulla M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 3 Tilajakomonikäyttö (SDMA) adaptiivisilla antenneilla Weight Adaptation RF IF RF IF + RF IF Baseband processing M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 4

3 Adaptiivisen antenniryhmän toiminta Perinteinen tukiasema: säteilykuvio kattaa solun koko sektorin. Älyantennitukiasema: mukautuva, tilatason suodattimen ohjaama säteilykuvio lähetys ja vastaanotto halutun käyttäjän suuntaan häiriön vaimentaminen muille käyttäjille. Perinteinen tukiaseman säteilykuvio Älyantennin säteilykuvio M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 5 Adaptiivisen antennin säteilykuvio 0-5 DOA 1 = 0 deg. DOA 2 = 30 deg. M = 8 Array Gain [db] Azimuth [deg] M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 6

4 Vastaanottodiversiteetti Häipymisen vaimentamista usealla db vastaanotinantennilla Received signal power RX RX RX RX MRC 2MRC Seconds, 3km/h WCDMA Transceiver Combined received signal M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 7 Lähetysdiversiteetti Useita antenneja tukiasemassa Yksi antenni terminaalissa Laskevan siirtotien (downlink) diversiteetti saatava aikaan lähetyksessä Base station Uncorrelated fading Signal #1 Signal #2 (1) Gain against fading (2) Coherent combining gain (only feedback modes) M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 8

5 Monitulo-monilähtökanava Multiple-Input Multiple-Output, MIMO Useita rinnakkaisia datavirtoja Tilakanavointi (spatial multipleing) Vaatii runsaasti sirottavan radiokanavan, jotta syntyy riippumattomia häipymäprosesseja Tyypillisesti vastaanottoantennien määrä lähetysantennien määrä Keksitty 1990-luvun alussa M antennas N antennas Data stream Serial/ parallel mapping MIMO radio channel Parallel/ serial mapping Data stream R H MN R yy Requires rich scattering environment M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 9 Lähetysdiversiteetti ja keilansuuntaus vrt. MIMO Lähetysdiversiteetti ja keilansuuntaus s1, s2, s3, s4 V1 V2 V3 Sama signaali kaikissa lähetysantenneissa V4 MIMO a) s1 s2 s3 V1 V2 V3 Erisignaalieri lähetysantenneissa s4 V4 b) M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 10

6 N N-MIMO-järjestelmän kapasiteetti 10 2 R-CSI fading channel with N R =N T SNR = 20 db SNR = 10 db SNR = 0 db R-CSI fading channel with N R =N T Capacity [bits per symbol] antennae 16 antennae 8 antennae 4 antennae 2 antennae 1 antenna SNR [db] Capacity [bits per symbol] Number of antennae Lineaarinen kapasiteetin kasvu antennimäärän funktiona! M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 11 Langattoman tiedonsiirron kehitysnäkymiä Mobility Vehicular Pedestrian MIMO can contribute here? 3G evolution, WiFi, WiMa, 4G,... WCDMA Rel 4HSDPA Cdma2000 1X, EDGE = Evolved 2G Stationary WCDMA Rel 5 WLAN Data Rate (Mbps) M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 12

7 Lähetin-vastaanotinteknologiat Siirtotekniikat Vastaanotinalgoritmit Radioresurssien hallinta Verkkotopologiat Antenniteknologiat Radiokanavamallit M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 13 Tutkimushaasteita ja CWC:n toimintaalueita 4G Laboratorio yhteistyössä Elektrobitin kanssa Postprocessing Channel simulator Test Radio channel research Radio channel modeling Algorithm research System design M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 14

8 2 Propsound-kanavamittauslaitteisto 100 Mchip/s Antenna Array Control & Display Notebook 200MHz... 6 GHz up to 1500 Hz Doppler Antenna Switch multi-antenna Sounder R Control Notebook Switching Matri Real Time Display & Control Notebook Channel Characteristics Up Converter Down Converter Channel Model Parameters α 2α e Ω Ω Code Generator Transmitter A D Data Acquisition Storage Receiver Post-Processing: Matched Filter & Simulation Files a=c; if a==d PropSim Files Moniantennitekniikat langattoman tietoliikenteen kapasiteetin Super-Resolution räjäyttäjinä M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 15 Solukkojärjestelmäsimulaattori Frame error rate per user. Traced cells: [1, 2, 3, 4, 11, 18] 800 BS 9 BS BS 7 BS 8 BS 10 BS Y-coordinate [m] BS 6 BS 4 BS 5 BS 3 BS 1 BS 2 BS 15 BS 13 BS BS 21 BS BS 19 BS 20 BS 16 BS X-coordinate [m] M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications

9 Yhteenveto moniantennitekniikoista Moniantennitekniikat: Adaptiiviset eli älyantennit o Häiriönvaimennus tai tilajakomonikäyttö keilansuuntauksella Antennidiversiteettitekniikat o Vähentää häipymisen vaikutuksia, parantaa luotettavuutta o Parantaa kapasiteettia mahdollistamalla korkeamman tason modulaation ja vähemmän koodausta Tilakanavointi o Useita riippumattomia datakanavia o Kasvattaa suoraan kapasiteettia M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 17 Tulevaisuuden näkymiä MIMO etenee vahvasti lähes kaikkiin laajan ja keskisuuren peittoalueen tietoliikennejärjestelmiin (esim. 3G-evoluutio, WLAN (Wi-Fi), WMAN (Wi-Ma) jne.) Lyhyen kantaman pienitehoiset järjestelmät??? Perustutkimusongelmat suurelta osin ratkaistu (tai liian vaikeita ratkaistaviksi...), mutta esim. realistinen verkkokapasiteetti käytännölliset lähetinvastaanotinratkaisut vaatii. Paljon soveltavaa tutkimusta ja kehitystä meneillään. M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 18

10 Kirjallisuutta 1. T. M. Cover & J. A. Thomas, Elements of Information Theory. John Wiley & Sons, ISBN: G. J. Foschini & M. J. Gans, On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications, vol. 6, pp , Nov.-Dec D. Gesbert, M. Shafi, D. Shiu, P. J. Smith, and A. Naguib, From theory to practice: An overview of MIMO space-time coded wireless systems, IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 21, no. 3, pp , A Goldsmith, Wireless Communications. Cambridge University Press, ISBN-10: A. Hottinen, O. Tirkkonen & R. Wichman, Multi-antenna Transceiver Techniques for 3G and Beyond, ISBN J. C. Liberti. and T. S. Rappaport, Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, A. J. Paulraj, D. A. Gore, R. U. Nabar, and H. Bolcskei, An overview of MIMO communications A key to gigabit wireless, Proc. IEEE, vol. 92, no. 2, pp , Feb E. Telatar, Capacity of multi-antenna Gaussian channels. European Transactions on Telecommunications, vol. 10, no. 6, pp , Nov.-Dec B. Vucetic & J. Yuan, Space Time Coding. John Wiley and Sons, ISBN M. Juntti, Oulun yliopisto, Sähkö- ja tietotekn. os., Tietoliikennelaboratorio & Centre for Wireless Communications 19