lu.se

Elektro- och informationsteknik

Lunds Tekniska Högskola | Lunds universitet

Uppskalning av MIMO: Möjligheter och utmaningar med mycket stora arrayer.

2010-11-18 -> 2014-12-31

Sammanfattning: Detta projektet är ett tvärvetenskapligt forskningsprojekt inom trådlös kommunikation. Det behandlar flerantennsystem (s.k. MIMO) och då speciellt flerantennsystem med väldigt många antennelement. Normalt arbetar man i dagens MIMO-system med ett fåtal antenner, säg 2-4 st, men nyligen publicerade resultat visar att det kan finnas mycket att vinna på att skala upp antalet antennelement rejält, kanske upp till hundra eller ett antal hundra i extremfall.
Flerantennsystem används idag i de flesta nya trådlösa standarder, det gäller både 4G-systemet (LTE, Long Term Evolution) för mobilkommunikation och de nya trådlösa datanäten (802.11n). Anledningen till att man använder flera antenner är att datatakten kan ökas utan att det frekvensutrymme som krävs ökar, eller om man så vill, att man kan ha flera användare på samma frekvensutrymme. Med ett mycket stort antal antenner bör det gå att få ytterligare vinster och det är det vi vill undersöka inom detta projekt. Det man framförallt kan vinna är den trådlösa länken blir stabilare, med många antenner kan den problematiska fädningen (signalstyrkevariationen) nästan elimineras helt. Likaså kan antalet användare i systemet ökas ytterligare och initiala resultat visar också att det går att minska komplexiteten, framförallt i mottagaren, för avkodning av signalen genom att använda ett stort antal antennelement,
Projektet är ett samarbetsprojekt mellan tre forskargrupper, alla inom kommunikation men med olika specialsitkompetens. Genom detta forskningssamarbete stävar vi efter att ta ett helhetsgrepp på vad som går att åstadkomma med mycket stora arrayantenner. I projektet kommer vi att använda kommunikationteoretiska verktyg för att undersöka möjlig prestanda vad det gäller genomströmning och antalet samtidiga användare i systemet. Likaså kommer vi att studera vad som händer då vi tillåter ett s.k. distribuerat MIMO-system med ett mycket stort antal noder. I detta fall har varje användare, eller nod, bara ett eller ett fåtal antennelement, men då vi har ett mycket stort antal sådana noder och låter dem samarbeta kan vi få extremt bra prestanda i form av pålitlighet och genomströmning.
I projektet kommer vi att studera mottagaralgoritmer då antalet antennelement är stort. I princip finns det två typer av mottagaralgoritmer för MIMO, linjära och icke-linjära. De linjära algoritmerna har inte stå stor komplexitet, och är de som vanligtvis används i dagens kommersiella trådlösa datanät, men dessvärre har de inte så bra prestanda. De kräver ett väldigt högt signa-till-brusförhållande och är känsliga för interferens från andra användare. De icke-linjära algoritmerna har bra prestanda, men är och andra sidan oftast så komplicerade att de inte kan användas i praktiska system. Mycket tyder på att man med stora arrayer kan uppnå prestanda i klass med de icke-linjära mottagaralgoritmerna, men med en komplexitet som för linjära algoritmer. Vidare kommer vi att studera kanalestimeringsproblem då vi har system med flera användare. För att få bra prestanda är det viktigt att kunna estimera radiokanalens inverkan på de sända signalerna. Då vi har flera användare på en och samma frekvens, vilket vi i princip alltid har, stör dock signalerna varandra så att kvaliteten på dessa estimat blir dålig med medföljande försämring i prestanda. Med mycket stora antennarrayer kan många av dessa problem undvikas, genom att interferensen helt enkelt kan minskas och brusets inverkan i princip kan elimineras. Detta kan ha mycket stor betydelse i praktiska system när antalet användare blir stort.
I alla trådlösa kommunikationssystem är det till s sist radiokanalens egenskaper som bestämmer hur bra prestanda som är möjligt att uppnå i ett system. För att analysera prestanda tas modeller fram för hur radiokanalen beter sig. Dessa modeller är dock i regel framtagna för ett litet antal antennelement och avspeglar inte alltid verkligheten då vi har mycket stora arrayer. Därför krävs det också att radiokanalens egenskaper studeras för att veta att resultaten är tillämpliga också i praktiken. Med de stora arrayer vi undersöker får man en extremt bra vinkelupplösning, vilket gör att man kan särskilja både olika användare som är nära varandra som olika reflexpunkter som ligger nära varandra. Kan vi särskilja enskilda reflexpunkter finns det möjligeter att göra t.ex. kanalestimering på sätt som tidigare inte varit möjligt: att använda signalen på den s.k. upplänksfrekvensen (mobil till basstation) för att estimera, och kompensera, radiokanalens inverkan på den s.k. nedlänksfrekvensen (basstation till mobil). Detta skulle göra det möjligt att fokusera signalen till den tänkta mottagaren, även om olika frekvenser används, vilket kan vara en stor öppning för stora prestandaförbättringar i 4:e generationens mobilnät.
För att sammanfatta det hela så ser vi kommunikation med mycket stora arrayer som nästa stora steg inom trådlös och mobil kommunikation, ett steg som mycket lovande ut för att öka tillförlitligheten, öka genomströmningen, och därmed också både datahastighet och antalet användare. Vi vill i detta projekt ta ett helhetsgrepp för att utröna vad tekniken har att erbjuda i praktiken, vilken prestanda som kan uppnås och hur denna prestanda kan uppnås i praktiska system. Genom att kombinera de olika kompetenserna i konsortiet skapar vi en unik möjlighet för att kunna ta ett sådant helhetsgrepp.
Projektledare: Fredrik Tufvesson
Mikael Skoglund
Föreståndare: Erik Larsson
Deltagare: João Gouveia Vieira
Finansiär: Vetenskapsrådet (VR)

Vetenskapsrådet