Технология формирования луча (beamforming)

Одним из видов антенн по конструктивному исполнению являются фазированные антенные решётки (ФАР), представляющие из себя матрицу излучающих элементов, соединённых между собой, как на рисунке 10. Особенность ФАР заключается в том, что, подавая на излучающие элементы сигналы с разными параметрами амплитуды и фазы, можно формировать различные диаграммы направленности. Таким образом, динамически меняя подводимые к излучающим поверхностям сигналы, можно управлять диаграммой направленности в режиме реального времени.

Рисунок 10 - Пример схемы ФАР

Основываясь на способности ФАР динамически изменять диаграмму направленности, была реализована технология формирования луча, использование которой имеет ряд преимуществ относительно антенн с фиксированной диаграммой направленности.

Рассмотрим пример, в котором к сектору базовой станции подключено два абонента и в раскрыве сектора наблюдается помеха, рисунок 11. При использовании сектора с фиксированной диаграммой направленности помеха будет оказывать негативное воздействие, ухудшая производительность базовой станции. В случае, если помеха широкополосная, то смена частотного канала не принесёт результатов, а поиск источника помех на местности является достаточно комплексной задачей, решение которой может носить длительный характер.

Рисунок 11 - Пример воздействия помехи на сектор с фиксированной диаграммой направленности

Заменим секторную антенну на устройство с технологией формирования луча, рисунок 12.

Рисунок 12 - Пример воздействия помехи на сектор с технологией формирования луча: а - обслуживание CPE1, б - обслуживание CPE2

Технология формирования луча позволяет сформировать узкую диаграмму направленности в направлении конкретного абонента, а со временем переориентировать главный лепесток в сторону других клиентских устройств. Наблюдается улучшение производительности беспроводной системы за счёт двух факторов: снижается восприимчивость к локальным помехам на сектор и увеличивается энергетика канала в сторону каждого из абонентов за счёт перераспределения энергии сектора в более узкий луч диаграммы направленности. Важным дополнением является то, что использование технологии формировании луча не требует поддержки данной технологии со стороны абонентских устройств.

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности систем связи или повышения надёжности, можно использовать реализации схем, в которых передача и приём осуществляются несколькими антеннами. Соседние антенны в подобных схемах необходимо изолировать для снижения корреляции за счёт пространственного, поляризационного и др. методов разнесения. Данная технология называется MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Для пояснения принципов технологии MIMO рассмотрим схему на рисунке 13. Передатчик и приёмник используют по две антенны разной поляризации - вертикальной и горизонтальной. На передающей стороне исходный поток данных делится на два подпотока, каждый из которых отправляется в свой канал обработки и, впоследствии, передаётся через отдельную антенну. В приёмнике реализуется обратный процесс - один подпоток данных принимается через антенну горизонтальной поляризации, другой - через антенну вертикальной поляризации. После подпотоки объединяются в единый поток данных и передаются на дальнейшие звенья обработки.

Рисунок 13 - Пример использования схемы MIMO с двумя потоками

Рассмотренная на рисунке 13 схема увеличивает пропускную способность канала связи в два раза. Возможна реализация сценария использования нескольких антенн для повышения надёжности связи - в этом случае подпотоки данных передаются на меньшей скорости, сохраняя общую пропускную способность системы, либо поток данных не делится на подпотоки, а дублируется в каждом из каналов связи.

На рисунке 13 представлена схема MIMO с двумя потоками данных, но следует иметь в виду, что число потоков данных может быть произвольным и зависит от числа антенн.