הקדמה
הצימאון שלנו לנתוני מובייל במהירות גבוהה אינו יודע שובע. כאשר אנו מרווים את הספקטרום הזמין של תדרי רדיו (RF) באזורים עירוניים צפופים, ברור יותר ויותר שיש צורך להגדיל את יעילות משלוח וקבלת הנתונים מתחנות המבוססות על רשתות אלחוטיות.
תחנות בסיס המכילות מספר רב של אנטנות המתקשרות בו זמנית עם מסופי משתמש המפוזרים במרחב על אותו מקור תדר והמנצלות הפצה על נתיבים מרובים, הינן אופציה אחת להשגת החיסכון ביעילות. טכנולוגיה זאת נקראת לעתים קרובות massive MIMO (כניסות מרובות ויציאות מרובות מאסיביות) . יכול להיות ששמעתם הזכרה של הביטוי “עיצוב אלומה” (beamforming) בשימוש במספר רב של אנטנות אך הדבר מעלה את השאלה …מהו בעצם עיצוב אלומה?
עיצוב אלומה לעומת כניסות ויציאות מרובות מסיביות
איור 1
עיצוב אלומה מסורתי
עיצוב אלומה הינן מילים בעלות משמעות שונה למשתמשים שונים. עצוב אלומה הינה היכולת לסגל את דפוס הקרינה של מערך האנטנות לתרחיש מסוים. בתחום התקשורת הסלולארית, אנשים רבים רואים בעיצוב אלומה כניווט של אונה של כח בכיוון מסוים לכיוון המשתמש, כמוראה בציור מס. 1 משרעת ומעברי מופע יחסיים מיושמים בכל אנטנה בכדי לאפשר לאותות היוצאים ממערך האנטנה להתאגד באופן קוהרנטי לזווית שידור /קבלה מסוימת ולבטל אחד את השני כלפי אותות אחרים. הסביבה המרחבית שבה נמצאים המערך והמשתמש אינם נלקחים באופן כללי בחשבון. זה אכן עיצוב אלומה אך זהו רק יישום ספציפי אחד שלה.
כניסות מרובות ויציאות מרובות מסיביות (Massive MIMO) יכול להיחשב כצורה של עיצוב אלומה, במובן היותר כללי של המושג, אך הוא שונה מהתצורה המסורתית. הביטוי “מסיבי” פשוט מתייחס למספר הרב של האנטנות במערך האנטנות בתחנת הבסיס. “כניסות ויציאות מרובות”, מתייחס לעובדה שמספר רב של משתמשים במרחב, מקבלים שירות על ידי מערך האנטנות באותו זמן ובאותם משאבי תדר. הביטוי “כניסות ויציאות מסיביות מרובות” מאשר גם שבמערכות בעולם האמיתי, נתונים המועברים בין אנטנה למסוף משתמש – ובכיוון ההפוך – עוברים סינון על ידי הסביבה המקיפה אותם. האות יכול להיות מוקפץ מבניינים ומכשולים פיזיים אחרים ולהשתקפויות אלו יהיה עיכוב, הנחתה וכיוון הגעה משלהן, כמוראה באיור מס. 2. יכול להיות שגם לא קיים קו ראייה ישיר בין האנטנה לבין מסוף המשתמש. מתברר שנתיבי התמסורת הלא- ישירים הללו יכולים להירתם ככוח לשימוש לדברים טובים.
איור 2: סביבה מרובת-נתיבים בין מערך האנטנות והמשתמש
בכדי לנצל את הנתיבים המרובים יש לאפיין את התיעול המרחבי בין אלמנטי האנטנות ומסופי המשתמש. בספרות, מענה זה נקרא בדרך כלל מידע על מצב הערוצים (CSI- Channel State Information). מצב הערוצים הינו באופן אפקטיבי אוסף של פונקציות תמסורת מרחביות בין כל אנטנה לכל מסוף משתמש. מידע מרחבי זה נאסף במטריצה (H) כמוראה באיור מס. 3. החלק הבא במאמר בוחן את הקונספט של המידע על מצב הערוצים ופירוט מורחב יותר על האופן בו הוא נאסף. המידע על מצב הערוצים משמש להצפין ולפענח באופן דיגיטאלי את המידע הנשלח והמתקבל על ידי מערך האנטנות.
איור 3. מידע על מצב הערוצים הנדרש לצורך אפיון מערכת ריבוי כניסות ויציאות מאסיבי (MIMO)
אפיון הערוץ המרחבי בין תחנת הבסיס למשתמש
אנלוגיה מעניינת הינה לתאר פיצוץ של בלון בנקודה אחת וקול הפיצוץ או ההדף, מוקלטים בנקודה שנייה, כמוראה באיור 4. הקול המוקלט בעמדת המיקרופון הינו תגובת דחף מרחבי המכילה מידע ייחודי עבור המיקום המדויק של הבלון והמיקרופון בסביבה הרלוונטית. הקול המוקפץ ממכשולים בדרך מונחת ומעוכב בהשוואה לקול העובר בנתיב הראשי.
איור 4: אנלוגיה קולית להדגמת אפיון מרחבי של ערוץ
אם נרחיב את האנלוגיה להשוואה למקרה של האנטנה ומסוף/מערך המשתמשים, אנו צריכים יותר בלונים, כמוראה באיור 5. שימו לב שכדי לאפיין את הערוץ בין כל בלון למיקרופון, עלינו לפוצץ כל בלון בזמן נפרד כך שהמיקרופון לא יקליט את ההשתקפויות בחפיפה עבור מספר בלונים. יש לאפיין גם את הכיוון השני, כפי שמוראה באיור 6. ברגע זה, כל ההקלטות יכולות להתבצע ביחד. זוהי בהחלט הורדה משמעותית של רמת בזבוז הזמן!
בחלל תדרי הרדיו, נעשה שימוש באותות פיילוט לצורך אפיון הערוצים המרחביים בין האנטנות ומסופי המשתמשים, המשמעות הינה שהערוץ הינו זהה לשני הכיוונים. הדבר מיוצג במערכת הפועלת במצב של חלוקת זמן כפולה (TDD – Time Division Duplex). במצב של חלוקת זמן כפולה התשדורות אל (העלאה) ומהאנטנות (הורדה) משתמשות באותו משאב תדר. הנחת ההדדיות משמעותה שיש צורך באפיון הערוץ רק בכיוון אחד. ערוץ ההעלאה הינו בחירה המובנת מאליה שכן רק אות פיילוט אחד צריך להישלח ממסוף המשתמש והוא מתקבל על ידי כל אלמנטי האנטנות. המורכבות של הערכת הערוץ הינה פרופורציונאלית למספר מסופי המשתמשים ולמספר האנטנות במערך. הדבר הינו בעל חשיבות מרכזית בהתחשב בכך שמסופי המשתמשים עשויים להיות בתנועה כך שהערכת הערוץ תידרש להיות מבוצעת לעיתים קרובות. יתרון נוסף של אפיון על בסיס תשדורת העלאה הינו שכל העומס הכבד של הערכת הערוצים ועיבוד האותות, מבוצע בתחנת הבסיס ולא בצד המשתמש.
אם כך, כעת נקבע הקונספט לאיסוף מידע על מצב הערוצים (CSI) , כיצד מידע זה מיושם לאותות נתונים לאפשר קיום אותות רבים ביחסים מורכבים במרחב? סינון מתוכנן בהתבסס על המידע על סטטוס הערוצים לצורך קידוד מקדים של המידע הנשלח ממערך האנטנות כך שאותות בעלי מספר רב של נתיבים יתווספו באופן קוהרנטי במיקום מסופי המשתמשים. סינון כזה יכול לשמש גם לצירוף לינארי של הנתונים המתקבלים במסלולי תדר הרדיו של מערך האנטנות כך שניתן יהיה לאתר ולעקוב אחר זרמי הנתונים ממשתמשים שונים. החלק הבא מציג נושא זה ביתר פירוט.
איור 5:. אנלוגיה קולית לקישור לאפיון ערוצים
עיבוד האותות המאפשר כניסות ויציאות מרובות מסיביות (MIMO)
בחלק הקודם תארנו כיצד מוערך המידע על מצב הערוצים (המבוטא על ידי מטריצה H). מטריצות גילוי וקידוד מקדים מחושבות בהתבסס על H. קיימות מספר שיטות לחישוב מטריצות אלו. מאמר זה מתמקד בסכמות לינאריות. דוגמאות לטכניקות לגילוי / קידוד מקדים לינארי הינן: יחס מירבי (MR-Maximum Ratio), אילוץ אפס (ZF – Zero Forcing) ושגיאת מינימום- ממוצע ריבועית (MMSE – Minimum-Mean-Square-Error). הנגזרות המלאות למשמעויות של מסנני הגילוי/ קידוד מקדים מהמידע על מצב הערוצים, לא נכללות במאמר זה אולם הקריטריון שעבורו הם עוברים אופטימיזציה וכן חסרונותיה ויתרונותיה של כל שיטה נדונים כאן. טיפול פרטני ומעמיק יותר בנושאים אלו יכול להמצא במראי המקום בסוף מאמר זה 1,2,3.
איור 6: אנלוגיה קולית לקישור כלפי מעלה של אפיון ערוץ.
איור 8 ואיור 9 מתארים איך עיבוד האות עובד בהעלאה ובהורדה בהתאם לשלוש השיטות הלינאריות שהוזכרו קודם לכן עבור קידוד מקדים, קיימת כנראה גם מטריצת כיול כלשהי בכדי לנרמל את העוצמה על פני שטח המערך שהושמט מטעמי פשטות.
סינון ביחס מקסימאלי, כפי שמרמז השם מכוון למיקסום של יחס אות-רעש (SNR-Signal-Noise Ration). זוהי הגישה הפשוטה ביותר מנקודת המבט של עיבוד אותות. מטריצת הגילוי/קידוד מקדים הינה שינוי מיקום מצומד של צימוד של מטריצת המידע על מצב האותות, H. החיסרון הגדול של שיטה זאת הינו שהיא מתעלמת מממשק המשתמש הפנימי.
אילוץ אפס לקידוד מקדים מנסה לפנות לבעיית ממשק המשתמש הפנימי על ידי תיכנון היות הקריטריון לאופטימיזציה מינימאלי עבורו. מטריצת הגילוי
איור 7: כל מסוף משתמש שולח אות פיילוט אנכי
קידוד מקדים הינה היפוך מדומה של מטריצת מצב האותות. חישוב המטריצה ההופכית המדומה הינו יקר יותר מבחינה מיחשובית מאשר חישוב הצימוד במקרה של שיטת היחס המקסימאלי. עם זאת, על ידי מיקוד כה אינטנסיבי במזעור הממשק, ההספק המתקבל אצל המשתמש סובל.
שיטת השגיאה הריבועית למינימום-ממוצע (MMSE) מנסה לייצר איזון בין קבלת הגבר האות המקסימאלי מצד אחד וצמצום הממשק מהצד השני. גישה הוליסטית זאת מגיעה עם מורכבות בעיבוד האותות כתג מחיר. שיטה זאת מציגה תנאי הסדר לאופטימיזציה – המסומן כ β באיורים 8 ו 9 – המאפשר את מציאת האיזון בין השונות המשותפת של הרעש ועצמת השידור. נושא זה מקבל בספרות גם את השם אילוץ אפס מוסדר (RZF – Regularized Zero Forcing).
איור 8: עיבוד אות העלאה. H מסמן את שינוי מיקום הצימוד.
זוהי אינה רשימה ממצה של טכניקות גילוי / קידוד מקדים , אך מספקת סקירה לגבי הגישות הלינאריות המרכזיות. קיימות גם טכניקות עיבוד אותות לא לינאריות כגון dirty paper coding וכן Successive Interference cancellation שיכולות להיות מיושמות לבעיה זאת. שיטות אלו מציעות יכולות אופטימאליות אך הינן מורכבות מאד ליישום. הגישות הלינאריות שהוצגו למעלה הינן מספיקות בדרך כלל לנושא ריבוי כניסות ויציאות מסיבי, כאשר מספר האנטנות גדל. השיטה של קידוד מקדים / גילוי תלויה בכח המחשוב הקיים, מספר האנטנות, מספר המשתמשים והשונות של הסביבה בה נמצאת המערכת. למערכי אנטנות גדולים בהם מספר האנטנות גדול באופן משמעותי ממספר המשתמשים שיטות היחס המקסימאלי עשויה להיות מספקת.
המכשולים המעשיים הקיימים במערכות אמיתיות עבור ריבוי מסיבי של כניסות ויציאות (Massive MIMO)
כאשר נושא ריבוי מסיבי של כניסות ויציאות מיושם בעולם האמיתי, קיימים עוד שיקולים מעשיים שיש לקחת בחשבון. נניח לצורך הדוגמא מערך אנטנות המכיל 32 ערוצי שידור (Tx) ו 32 ערוצי קבלה (Rx), הפועל ברוחב פס של 3.5 ג’יגה-הרץ. קיימים למעשה 64 64 ערוצי תדר רדיו שיש למקם והמרחק בין האנטנות הינו בקירוב 4.2 ס”מ בהינתן תדר ההפעלה. זוהי כמות גדולה של חומרה שיש להכניס בחלל קטן. כמו כן משמעות הדבר הינה שיש הרבה הספק מבוזבז מה שמעלה את הבעיה הבלתי נמנעת של טמפרטורה. משדרים מקלטים אנלוגיים משולבים מציעים פתרונות אפקטיביים ברמה גבוהה להרבה מנושאים אלו. ה AD9371 יידון בהרחבה בחלק הבא.
איור 9: עיבוד אות הורדה. T מסמן את שינוי המיקום * מסמן את הצימוד.
כפי שהוזכר קודם במאמר היישום של יחסי גומלין במערכת מביא להורדה דרסטית של עלויות התקורה בביצוע הערכה ועיבוד של האותות. איור 10 מציג את ערוץ השידור מהאנטנות למשתמש במערכת בעולם האמיתי. המערכת מופרדת לשלושה רכיבים. הערוץ באוויר (H), תגובת החומרה של תחנת הבסיס המשדרת נתיבי תדר רדיו (TBS), ותגובת החומרה של מקלט המשתמש הקולט את נתיבי תדר הרדיו (RUE).התשדורת מהמשתמש לתחנה הינה הופכית לנ”ל כאשר RBS מייצג את החומרה הקולטת בתחנת הבסיס ואילו TUE מייצג את משדר תדרי הרדיו של המשתמש המשדר את נתיב תדר הרדיו.
עיקרון ההדדיות פועל עבור הממשק האווירי הוא אינו פועל לגבי נתיבי החומרה. שרשראות אותות תדרי הרדיו מכניסות אי-דיוקים למערכת כתוצאה מעקבות אי-התאמות, סנכרון גרוע בין נתיבי תדרי הרדיו וסחיפת מופע הקשורה לשינויי טמפרטורה.
בשימוש בשעון ייחוס מסונכרן סטנדרטי עבור כל פעולות המתנד המקומי בנתיבי תדרי הרדיו וב SYSREF מסונכרן עבור אותות הבסיס הדיגיטאליים, האותות של JESD2048 יסיעו בפתרון נושאי זמני המתנה בין נתיבי תדרי הרדיו. למרות זאת, עדיין ייווצרו מצבים שרירותיים של חוסר התאמת מופע בין נתיבי תדרי הרדיו בהפעלת המערכת. סחיפת מופע הקשורה לנושאי טמפרטורה ממשיכה להשפיע בנושא זה וברור שנדרש כיול בשטח כאשר המערכת מופעלת בפעם הראשונה וכן באופן תקופתי לאחר מכן. הכיול מאפשר את היתרונות של ההדדיות כגון שמירה על מורכבות העיבוד של האות בתחנת הבסיס ושליחה רק של אותות האמורים להשמר. בדרך כלל ניתן לפשט כך שנדרש להתחשב רק בנתיבי תדרי הרדיו של תחנת הבסיס (TBS, RBS).
איור 10 : ערוצי תקשורת תחנה-משתמש בעולם האמיתי
קיימות מספר גישות לכיול מערכות אלו. שיטה אחת הינה שימוש באנמטנת ייחוס הממוקמת למול מערך האנטנות בכדי לכייל את ערוצי תדרי הרדיו הנשלחים והמתקבלים. קיימות תהיות האם הצבת אנטנה למול מערך האנטנות בצורה זאת תתאים לביצוע כיון מעשי של תחנת בסיס בשטח. שיטה אחרת הינה שימוש בצימוד הדדי בין האנטנות הקיימות במערך כמנגנון הכיול. שיטה זאת יכולה בהחלט להיות ברת-ביצוע. הגישה הישירה ביותר הינה כנראה להוסיף ערוצים מצומדים פסיבית ממש לפני האנטנות בתחנת הבסיס. הדבר אומנם מוסיף מורכבות בנושא החומרה אך מאפשר מנגנון כיול יציב וקשיח. בכדי לכיל את המערכת באופן מלא, אות נשלח מערוץ אחד המיועד לביצוע הכיול המתקבל על ידי כל נתיבי הקליטה של תדרי הרדיודרך החיבור הפסיבי המצומד. כל ערוץ תשדורת תדר רדיו שולח אות בתורו הנקלט על ידי נקודת הצימוד הפסיבית לפני כל אנטנה, נשלח חזרה למאחד אותות ואז לערוץ קליטה ייעודי לכיול. שינויי טמפרטורה הינם איטיים מטבעם ולא בעלי תדירות גבוהה כך שאין צורך לבצע את הכיול לעיתים קרובות שלא כמו אפיון הערוצים.
איור 11 : דיאגרמת בלוקים של ראש רדיו Tx, 32 Rx massive MIMO 32
הכוללת משדרים-מקלטים אנלוגיים מדגם AD9371 .
משדרים אנלוגיים וריבוי מסיבי של כניסות ויציאות
טווח המוצרים בתחום משדרים-מקלטים אנלוגיים משולבים מתאים במיוחד ביישומים בהם נדרשת צפיפות גבוהה של שרשראות אותות תדרי רדיו. AD9371 מכיל 2 ערוצי שידור, שני ערוצי קליטה ומקלט מאבחן כמו גם שלושה מעגלי נעילת מופע עבור יצירת תדרי רדיו וכל זה באריזה של 12×12 מ”מ. רמה ללא מתחרים זאת של שילוב מאפשרת ליצרן ליתור מערכות מורכבות תוך חיסכון ניכר בזמן ובעלויות.
יישום מערכת אפשרי המשלב מספר משדרי-מקלטים מדגם AD9371 מוצג באיור 11. זוהי מערכת של 32 העברות ו 32 קבלות עם 16 משדרי-מקלטים מדגם AD3971 שלושה מחוללי שעון מדגם AD9528 המספקים את שעוני מעגלי נעילת המופע ו JESD204B SYSREF למערכת. מכשיר ה AD9528 הינו מעגל נעילת מופע בעל שני שלבים עם יציאות LVDS/HSTL ועם גנרטור משולב JESD204B SYSREF לסנכרון של ציודים מרובים. מכשירי ה AD9528 מסודרים בקונפיגורציה של fanout buffer כאשר אחד משמש כמכשיר הראשי כאשר חלק מהיציאות שלו משמש להנעת כניסות השעון וכניסות ה SYSREF למכשירים המשניים (SLAVES). מכניזם כיול פאסיבי אפשרי כלול בתורה, מוראה בירוק וכתום באיור כאשר נעשה שימוש בערוצי שידור וקליטה ייעודיים לכיול של כל אותות השידור והקליטה דרך מפצל / מאחד כפי שתואר בחלק הקודם.
סיכום
ריבוב מרחבי של ריבוי כניסות ויציאות מסיביות (MIMO) הינו בעל פוטנציאל להפוך לגורם טכנולוגי משמעותי המשנה את כללי המשחק בתחום התקשורת הסלולרית, על ידי מתן האפשרות להגדלת נפח ויעילות תקשורת הסלולר באזורים עירוניים בעלי תחבורה סלולרית צפופה. הגיוון שמציג העיקרון של התפשטות במספר רב של ערוצים מנוצל לאפשר העברת נתונים בין תחנת בסיס לבין מספר רב של משתמשים בו-זמנית ובשימוש באותם משאבי תדר. בשל ההדדיות של הערוצים בין אנטנות תחנת הבסיס והמשתמשים, כל המורכבות של ביצוע עיבוד הנתונים יכולה להישאר בתחנת הבסיס ואפיון הערוצים יכול להתבצע בהעלאת הנתונים מהמשתמשים לבסיס. מכשירים אנלוגיים ממשפחת דגמי RadioVerse™ של מוצרי משדרים / מקלטים משולבים מאפשרת צפיפות גבוהה של נתיבי תדרי רדיו בחלל קטן כך שהם בהחלט מתאימים ליישום שך massive MIMO.
מקורות
1 Xiang Gao. Massive MIMO in Real Propagation Environments. Lund University, 2016.
2 Michael Joham, Josef A Nossek and Wolfgang Utschick. “Linear Transmit Processing in MIMO Communications Systems”. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 53, issue 8, Aug. 2005.
3 Hien Quoc Ngo, Massive MIMO: Fundamentals and System Design. Linkoping University, 2015.
על המחברת
קלייר מסטרסון [claire.masterson@analog.com]
הינה מהנדסת אפליקצית מערכות בצוות מערכות התקשורת בחברת Analog Devices Limerick, העובדת על יישום מערכות, פיתוח תוכנהופיתוח אלגוריתמים . קלייר הינה בעלת תואר שני ושלישי מ Trinity College בדבלין והצטרפה לחברת ADI בשנת 2011 לאחר סיום לימודיה
