مقدمه ای بر تخمین کانال در سیستم های انبوه آنتنی

سیستم های انبوه آنتنی (یا مایمو حجیم) دارای مزایای بسیاری از قبیل راندمان طیفی بالا، راندمان انرژی بالا،  و یا سادگی پردازشهای در فرستنده و گیرنده ها هستند. ولی برای  رسیدن به بسیاری از این مزایا یک پیش نیاز مهم وجود دارد و آن این است که اطلاعات کانال بین تمامی کاربران و ایستگاه پایه معلوم باشد. همانطور که می دانیم در سیستم های انبوه آنتنی، ایستگاه پایه به تعداد بسیار زیاد آنتن مجهز شده است که این تعداد می‌تواند تا چند صد آنتن هم باشد. همچنین تعداد کاربران در این سیستم نیز بسیار بالا است. در نتیجه همانطور که در شکل زیر می بینید، تعداد ضرایب کانال یا بهره های کانال بین کاربران و و آنتنهای ایستگاه پایه بسیار زیاد است.

 

در سیستم های انبوه آنتنی مشابه سایر سیستم های بی سیم، برای بدست آوردن ضرایب کانال، می توان از سیگنال های راهنما یا پایلوت pilot در سمت فرستنده و روشهای تخمین مناسب در سمت گیرنده، استفاده کرد. ولی با توجه به زیاد بودن تعداد کانال ها در سیستم های انبوه آنتنی، حجم دیتای پایلوت که باید ارسال شود، بسیار زیاد است. از سوی دیگر باید دقت کرد، که تمامی کانالها باید هم در لینک فراسو یا uplink و هم لینک فروسو یا downlink تخمین زده شوند.

همانطور که در شکل زیر میبینید بین هر کاربر تک آنتنی و تمامی آنتن های ایستگاه پایه،  به تعداد آنتن های ایستگاه پایه که در اینجا M است، ضریب کانال وجود دارد که باید تخمین زده شوند. اگر بخواهیم این کانالها را در فراسو تخمین بزنیم، کافی است که هر کاربر یک سیگنال پایلوت با طول یک ارسال کند و آنگاه ایستگاه‌ پایه، با دریافت این سیگنال از کانالهای مختلف خود، تمامی M کانال را تخمین بزنند.

 

ولی اگر این تخمین در فروسو انجام شود، هر آنتن ایستگاه پایه باید یک پایلوت مجزا استفاده کند که همگی پایلوتها هم باید بر هم عمود باشند. در نتیجه تعداد پایلوت ها و اندازه آنها بسیار بزرگ خواهد شد. به همین دلیل در سیستم های انبوه آنتنی ارسال پایلوت در فراسو بسیار ساده­تر و کارآمدتر از فروسو خواهد بود.

 
تخمین کانال در سیستم های مسیو مایمو TDD و FDD

باید دقت داشت که در سیستم‌های انبوه آنتنی مشابه سایر شبکه های سلولی، کانال فروسو می­توانند از کانال فراسو متفاوت باشد. به بیان دقیقتر، اگر سیستم انبوه آنتنی در مد TDD عمل کند، کانال‌های فراسو و فروسو دارای خاصیت هم پاسخی هستند. به همین دلیل می‌توان با تخمین یکی از آنها به دیگری هم رسید. ولی در مد FDD این کانال ها متفاوت هستند و به همین دلیل تمامی ضرایب کانال بین ایستگاه پایه و کاربران باید در هر دو جهت فراسو و فروسو تخمین زده شوند.

نکته مهم دیگری که در سیستم‌های انبوه آنتنی وجود دارد این است که بسیاری از پردازش ها در سمت ایستگاه پایه انجام می شود و لذا لازم است که اطلاعات کانال در ایستگاه پایه موجود باشد. در سیستم های TDD ، ایستگاه پایه ابتدا با کمک پایلوت های ارسالی از سوی کاربران، کانال فراسو را تخمین می زند و از همان اطلاعات، برای تخمین فروسو هم استفاده می کند. در نتیجه در این حالت تعداد پایلوت ها یا طول آنها به اندازه تعداد کاربران است.

مطابق شکل زیر،  این پایلوت ها بخشی از فریم ارسالی را اشغال می کنند. هر چه تعداد کاربران در سیستم بیشتر باشد، طول بخش پایلوت هم بزرگتر می شود و لذا در سیستم های انبوه آنتنی، تعداد کاربران از یک حد مشخص نمی‌تواند بیشتر شود. چون در این صورت در فریم ارسالی فضایی برای ارسال دیتا باقی نمی ماند.

 

از سوی دیگر،  در حالت FDD ، همپاسخی کانال وجود ندارد. در این مد، کانالهای فراسو با پایلوت­هایی که از سمت کاربران ارسال می شود تخمین زده شده و ایستگاه پایه به آنها دسترسی پیدا می‌کند. ولی برای کانال فروسو لازم است که ایستگاه پایه به اندازه M پایلوت از روی تمامی آنتن های خود را به سمت کاربران موبایل ارسال کند و کاربران موبایل بعد از تخمین کانال فروسو، اطلاعات بدست آمده را به سمت ایستگاه پایه فیدبک کنند تا ایستگاه پایه بتواند در پردازش های بعدی از آنها استفاده کنند.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در مد FDD چون تعداد پایلوت ها بسیار زیاد است، طول بخش پایلوت در فریم فروسو بلند خواهد شد و در این فریم، حجم کمی برای ارسال دیتا باقی می ماند. اگر تعداد آنتن های ایستگاه پایه خیلی زیاد باشد که معمولا هم اینگونه فرض می شود، میتوان گفت که عملاً هیچ فضایی برای ارسال سیگنالهای دیتا باقی نمی‌ماند و این روش غیر عملی خواهد شد.

 

 به دلیل مباحثی که در بالا گفته شد، سیستمهای انبوه آنتنی در عمل بیشتر در مد TDD پیاده سازی می شود. ولی مد FDD نیز بسیار مورد توجه اپراتورهای موبایل است زیرا بسیاری از شبکه های فعلی در  این مد کار می کند و راه اندازی فناوری های جدید در این مد، برای اپراتورها مزایای بسیاری دارد.

 

سید محمد رضوی زاده

1399

 

پیوندها:

فیلم آموزشی مربوط به این مطلب را می‌توانید در اینجا یا در سایت آپارات ملاحظه فرمایید

 

Channel Estimation in Massive MIMO Systems

نسخه PDF این مقاله  

 

 

3 2 votes
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments