10. Přenosové formáty (modulace, mnohonásobný přístup) mobilních systémů dalších genarací Mobilní buňkové sítě první generace (l G) a zejména druhé generace (2G) byly v minulých dvou desítiletích v celosvětovém měřítku v podstatě velice úspěšné. Neustále rostoucí požadavky uživatelů na rozšiřování sortimentu služeb, zvyšování jejich kvality a zejména potom potřeba rychlého rádiového (bezdrátového) připojení na Internet, však výrazně stimulovaly vývoj sítí třetí generace (3G). S jejich nasazením se původně počítalo těsně po roce 2000. Počáteční optimistické předpoklady o nástupu tohoto komunikačního prostředku se však naplňují obtížně a se značným zpožděním, a to z celé řady důvodů: Světovým standardizačním orgánům se nepodařilo prosadit jednotný globální standard 3 G, takže do praxe nastupuje pět hlavních, vzájemně neslučitelných variant. Licence na provozování sítí 3 G ve většině států světa představují i pro finančně silné operátory sítí 2G velké břemeno, a proto řada z nich raději setrvává u svých rozvinutých systémů 2G. Ty mohou díky neustálému evolučnímu zdokonalování v řadě ukazatelů konkurovat sítím 3G, které zatím ještě nedosahují vytčených přenosových rychlostí 2 Mbit/s, nýbrž musí se spokojit s rychlostmi mnohem nižšími a navíc zaostávají i v některých dalších původně slibovaných parametrech. (tak například většina již provozovaných systémů 3 G zaručuje uživatelům na sestupné trase zatím jen přenosovou rychlost 384 kbit/s a na vzestupné trase dokonce pouze 64 kbit/s, a to i u stacionárních účastníků). Uvedené problémy standardů mobilní komunikace třetí generace by měly vyřešit - a navíc dokonalejší služby poskytnout - standardy čtvrté a vyšších generací. Ty se začínají souborně označovat také zkratkou B3G, vzniklou z anglického pojmu „Beyond 3 G", tedy standardy které přicházejí po standardech třetí generace. Často se však vyskytuje i zkratka „NGN", tj. sítě příští generace (Next Generation Networks), nebo i zkratka „NGWS" (Next Generation Wireless Systems). Ty budou v první fázi výsledkem konvergence dosavadních fixních a mobilních telekomunikací, Internetu a sektoru zábavní elektroniky, postupně ovšem budou procházet dalším zdokonalováním a rozšiřováním o další komunikační systémy. Koordinací jejich vývoje se zabývá Mobilní fórum pro 4. generaci 4GMF (Fourth Generation Mobile Forum), na tomto procesu se však podílí i Výzkumné fórum pro bezdrátový svět WWRF (Wireless World Research Forum), Internetové fórum IETF (Internet Engineering Task Forum) a další orgány. Názory všech těchto institucí na systémy B3G se zatím poněkud liší, všeobecně se však předpokládá, že jednotný standard by mohl být dokončen v roce 2007 a nástup uvažovaných systémů do praxe by se mohl začít uskutečňovat po roce 2010. Standardy B3G by měly aplikovat inovované rádiové rozhraní, umožňující přenosové rychlosti 100 Mbit/s nebo i více, v porovnání s předchozími standardy by však u nich měla být zlepšena i řada dalších parametrů. V prvé vývojové fázi bude optimální cestou ke splnění těchto náročných cílů heterodynní standard B3G, který bude v maximální možné míře využívat současné pozemní i družicové mobilní sítě. Ve vzdálenější budoucnosti se však počítá se zcela novou technologií, neboť neustále rostoucí požadavky na sortiment i jakost požadovaných služeb by nemohly současné standardy, ani po výrazných inovacích, již splnit. 2. Požadavky kladené na mobilní sítě B3G Přestože zveřejnění základního standardu pro systémy B3G lze očekávat až za několik roků, je již v současné době prakticky jisté, že mobilní systémy B3G se budou vyznačovat následujícími vlastnostmi: Globální pokrytí a dokonalá terminálová a personální mobilita: Od systémů B3G se očekává, že budou schopné plnit vytčené náročné technické požadavky, a to takovým způsobem, aby bylo každému uživateli systému zaručeno „vždy nejlepší spojení" (koncepce ABC tj. always best connected). Ve kterékoliv světové lokalitě by tedy měly zajistit dokonalou terminálovou a personální konektivitu, odpovídající požadovaným službám, s dokonalým „bezešvým" systémem předávání - tj. předávání bez přerušení (seamless handover/roaming). Přitom bude výhodné, aby páteřová síť B3G byla důsledně založena na protokolu Internet (IP protocol). Internet totiž disponuje již dnes technicky i ekonomicky velice úspěšnou globálně rozvětvenou infrastrukturou, která je navíc přístupná k postupné konvergenci s prostředky pro mobilní komunikaci. Širokopásmové služby: Systémy B3G musí pokrývat nejen běžné telekomunikační služby (hovor, data), ale i široké spektrum technicky náročnějších širokopásmových multimediálních služeb. Ke
splnění těchto cílů musí disponovat ve stacionárním režimu přenosovou rychlostí nejméně l00Mbit/s, u cestujících uživatelů potom rychlostí alespoň 20 Mbit/s. Mobilní terminály musí zvládat velmi široký rozsah aplikací, nabízených fixními složkami sítě. Musí mít zejména k dispozici video s vysokou rozlišovací schopností, které společně s ostatními atributy této nové generace poskytne uživatelům zdání dokonalé virtuální reality. Podporu multimedií musí mj. zajišťovat i dokonalý systém kvality dálkových služeb QoS (end-to-end teleservices). Personalizace služeb: V současné době je základní trh mobilní komunikace ve vyspělých zemích již téměř saturován. Operátoři sítí B3G proto budou hledat nové uživatele ve velice rozdílných a často i značně odlehlých lokalitách a také v rozličných profesních sférách i v různých ekonomických vrstvách obyvatelstva. S ohledem na to poskytovatelé služeb budou muset nabízet výrazně personalizované a zákaznicky orientované služby. K uspokojení těchto požadavků bude nutná v rámci B3G stále těsnější kooperace všech aktuálních mobilních sítí, zejména pak sítí buňkových, lokálních sítí WLAN a personálních sítí WPAN. Současně bude docházet i ke konvergenci mobilních sítí se systémy digitálního rozhlasového a zejména televizního vysílání. Nízké pořizovací a provozní náklady: Sítě B3G budou muset podporovat rychlý přenos velkých objemů dat ale i další „klasické" aplikace za nižší ceny, než umožňují systémy 3G. Toho lze dosáhnout jedině využitím nejmodernějších radiokomunikačních technologií v oblasti jejich mobilních terminálů i fixní infrastruktury. Klíčový význam zde bude mít zejména co nejširší aplikace principů softwarového rádia, která je schopna zajistit každému účastníkovi systému pomoci jediného mobilního terminálu všechny různorodé služby. Žádoucí bude ovšem i snižování cen poskytovaných služeb. Důležitou roli přitom bude hrát strategie národních regulačních orgánů při přidělování licencí na využívání nedostatkového frekvenčního spektra, která by měla sledovat harmonizaci často protichůdných požadavků privátních operátorů na straně jedné a zájmů státu na straně druhé. 3. Výchozí systémy mobilních sítí B3G Všechny dosavadní buňkové i ostatní systémy 3. generace představují ve světě mobilní komunikace nové kvality, i když se u nich projevuje tendence navazovat a to hlavně v oblasti technologické, na systémy předchozích generací. U heterogenních systémů B3G má snaha o využití systémů druhé a zejména třetí generace zcela zásadní význam. Technologický základ zde budou poskytovat především buňkové sítě 3 G využívající svůj pozemský i družicový sektor (T-UMTS, SUMTS aj.), jejichž předností je schopnost zajistit mobilním účastníkům globální mobilní služby. Dále to budou lokální sítě WLAN (hlavně IEEE 802.11 a Hiperlan), které především umožní levný rádiový přístup na Internet a Ethemet a případně i do jiných velmi rychlých fixních sítí, a to bez náročné infrastruktury vyžadované u buňkových systémů 3G. V tomto procesu se však uplatní i personální sítě WPAN (bluetooth, UWB), které sice mají omezený prostorový dosah, avšak zabezpečují rychlý přístup k personalizovaným službám, v režimu ad hoc dokonce bez fixní infrastruktury a často v bezlicenčních frekvenčních pásmech. Do rodiny B3G však budou zařazeny i zcela nové, zatím jen vyvíjené systémy, jako je například mobilní širokopásmový systém MBS (mobile broadband systém), který sice neusiluje o totální územní pokrytí, avšak díky využití nových velmi širokých pásem v okolí 40 GHz a 60 GHz zřejmě překoná v přenosových rychlostech všechny výše zmíněné technologie. Připomeňme, že sítě WLAN, WPAN a MBS náleží do společné třídy BRAN (broadband rádio access network). V integrované síti B 3 G se uplatní i další nové technické prostředky. Z nich spíše jen namátkou připomeňme metropolitní sítě WMAN, využívající technologii „základnových stanic" umístěných na bezpilotních stratosférických letadlech UAV (unmanned air vehicles), která bude podstatně levnější, než klasická družicová technika ap. Se systémy B3G bude nepochybně těsně spolupracovat také navigační systém GPS. 4. Technologie Jednotlivé mobilní systémy, které společně vytvářejí heterogenní síť, musí být postupně technologicky modernizovány, neboť jedině potom mohou plnit náročné úkoly standardu B3G. Dále jsou stručně popisovány některé perspektivní techniky zpracování signálu, které se při tomto inovačním procesu uplatní. 4.1 Řetězové kódy
Základní principy řetězových kódů (concatenated codes) jsou známé již několik desítek let, avšak jejich využití v sítích B3G bude velice aktuální. Řetězový kodér vzniká kaskádním řazením několika dílčích kodérů s dopřednou korekcí chyb FEC (forward error correction), přičemž blíže k rádiovému kanálu se nacházejí tzv. vnitřní úrovně (inner layer) kódování a dále od kanálu jsou vnější úrovně (outer layer) kódování; řetězový dekodér má potom podobnou koncepci. Při tomto uspořádání je výsledná efektivní délka kódu celého řetězce, které je úměrný kódový zisk, mnohem větší než u libovolného složkového kódu. Navíc kódování i dekódování lze realizovat poměrně jednoduchými dílčími obvody. Korekční kapacitu shluků chyb je možné zlepšit systémem překladačů, vložených mezi jednotlivé stupně kodéru a odpovídajících inverzních překladačů, použitých v dekodéru. Ve vnitřních i ve vnějších kodérech FEC je možné aplikovat jak konvoluční, tak blokové kódy, některé kombinace však budou vykazovat pozoruhodné přednosti. Tak například blokové ReedovySolomonovy kódy (RSC) se vyznačují výraznou korekční kapacitou shluků chyb, nelze však u nich aplikovat efektivní dekódovací algoritmus s měkkým rozhodováním. Naproti tomu u konvolučních kódů (CC) se sekvenčním nebo Viterbiho dekódováním je použití měkkého rozhodování při dekódování snadné. To vede v gaussovských kanálech AWGN v porovnání s tvrdým rozhodováním, ke zvýšení kódového zisku o cca 2 až 3 dB. Konvoluční kódy však mají tendenci při horších poměrech signál/šum generovat shluky chyb a kromě toho se u nich obtížněji dosahují vyšší rychlosti kódování. Vhodnou kombinací kódů obou typů je potom možné vytvořit velice účinný řetězový kód, u něhož jsou v souhrnu zmíněné nedostatky eliminovány. Ve vnitřním kodeku bude zřejmě výhodné použít CC kód, ve vnějším kodeku potom RSC kód. Konvoluční kód v dekodéru s Viterbiho dekódováním a s měkkým rozhodováním „vyčistí" kanál od chyb. Případné shluky chyb jím vytvářené potom opraví vnější RSC dekodér. Jeho funkci může podpořit ještě použití překladače v kodéru a inverzního překladače v dekodéru. Typický řetězový kód uvažovaného typu je úspěšně použit například v kosmických misích Galileo. 4.2 Turbo kódy Objev turbo kódů těsně po roce 1990 je nepochybně jedním z nejvýznamnějších mezníků ve vývoji digitální rádiové komunikace posledních let. Tyto kódy vykazují i při vysokých datových rychlostech velký kódový zisk, a to při podstatně menší realizační složitosti, než by měly kódy konvenčního typu se stejnými vlastnostmi. Díky tomu a dalším svým parametrům potom mohou turbo kódy zajistit při velmi malém poměru signál/šum, blízkém Shannonovu limitu (Eb/No=-1,6 dB), nízkou bitovou chybovost BER řádu 10'5 až 10'7. Další předností turbo kódů je to, že u nich neexistuje limit pro snižování chybovosti při nízkých hodnotách BER (error floor), který je naopak typický pro jiné varianty kanálových kódů. V dekodérech turbo kódů je aplikován princip iterace, který umožňuje zvětšováním počtu iteračních kroků snižovat výslednou chybovost. Přitom se však zvětšuje i potřebná procesní doba, takže uvažované kódy jsou vhodné hlavně pro aplikace nevyžadující zpracování signálu ve věrném reálném čase, tedy zejména pro různé datové a multimediální přenosy apod. K dekódování turbo kódů se v praxi používají dva algoritmy. Prvním z nich je výše zmíněný Viterbiho algoritmus SOVA. Druhým je iterativní algoritmus MAP (maximum a posteriori), označovaný také jako algoritmus resp. dekodér s měkkým vstupem a výstupem SISO (soft in - soft out), který je složitější avšak funkčně lepší. 4.3 Adaptivní modulace a kódování Pod pojmem adaptivní modulace a kódování AMC (adaptive modulation and codíng) se rozumí změna typu modulace a ochraného kanálového kódování FEC (tj. přenosového formátu) vysílače, realizovaná v souladu s okamžitými variacemi parametrů rádiového kanálu. Parametry kanálu mohou být odhadovány s využitím zpětné vazby zavedené od přijímače k vysílači. To potom umožní například u buňkových mobilních systémů mobilním stanicím nacházejícím se těsně u základnové stanice využívat mnohastavové modulace a vyšší kódové rychlosti (např. modulaci 64-QAM a turbo kód s rychlostí R = 3/4), což vede při dané šířce pásma k vysokým bitovým přenosovým rychlostem. Naproti tomu uživatelům pohybujícím se v blízkosti hranic buněk jsou přidělovány modulace nižších řádů a pomalejší kódy (modulace QPSK a turbo kód s rychlostí R = 1/2), které sice umožňují jen nižší přenosové rychlosti, avšak poskytují systému vyšší imunitu vůči šumu a interferencím. K optimalizaci přenosu v kanálu s proměnnými parametry lze kromě typu modulace a kódování dynamicky měnit i další přenosové parametry, zejména výstupní výkon vysílačů, šířku rádiového pásma, tréningovou periodu ekvalizérů aj. Všechna tato opatření se obecně označují také jako
adaptace rádiového spoje LA flink adaptation). Systémy AMC lze obecně rozdělit do dvou tříd. První z nich jsou systémy pomalého AMC, které kontrolují řízené přenosové parametry na základě středního útlumu rádiového kanálu. Ten je závislý hlavně na vzdálenosti přijímače od vysílače. Z uvedených důvodů je metoda rychlého AMC vhodná pro systémy s časovým duplexem TDD, kde se totiž signál na sestupné trase DL i na vzestupné trase ÚL přenáší na téže nosné vlně, čímž se eliminuje závislost parametrů kanálu na její frekvenci. Odhady se přitom musí neustále dostatečně rychle aktualizovat, neboť daný kanál může být i Časově proměnný. U popisované koncepce se potřebné operace realizují za pomoci dvou pro tento účel vyhrazených kódových slov CE a MC, vkládaných do středu každého přijímaného slotu Rx rámce TDMA/TDD. Slovo MC (modulation and coding estimation word) je určeno k odhadu právě přijímaného typu modulace a kódování. Předpokládejme, že určitý systém používá například modulace QPSK, 16-QAM, 64-QAM a 256-QAM. Údaje o těchto modulacích jsou zakódovány například Walshovým kódem. Zjištěním vzájemné korelace mezi skutečně přijatým zakódovaným vzorkem a všemi těmito zakódovanými „kandidátskými" typy se potom vybere ten z nich, který vykazuje největší vzájemnou korelaci a tedy se nejvíce podobá vzorku přijatému. Na takto zjištěný typ modulace se potom nastaví parametry demodulátoru pro přijatý časový slot. Podobně se zjistí i aktuální typ kanálového kódování, na který se nastaví dekodér přijímače. Slovo CE (channel estimation word) slouží k odhadu parametrů kanálu, zejména profilu PDP a poměru SIR. Je-li přitom doba mezi přijímaným a odpovídajícím vysílaným slotem kratší, než doba koherence daného kanálu, budou parametry tohoto kanálu téměř konstantní, takže jejich odhad provedený pro sestupnou trasu bude platný i pro následující vzestupnou trasu a naopak. Velice progresivní typ adaptivní modulace a kódování byl vyvinut pod názvem Modems for High-Order Modulation Schemes (MHOMS) tj. Modemy pro modulace vyšších řádů, v rámci technologického výzkumného programu Evropské kosmické agentury ESA. Uvažované modemy používají kruhové konstelační diagramy vicestavových modulací M-APSK (m-amplitude phase shift keying), které vykazují menší změny amplitudy modulovaného signálu, než obvyklé čtvercové konstelace M-QAM (m-quadrature amplitudě modulation). Tím se omezuje vznik parazitních postranních laloků spektra modulovaného signálu v důsledku nelinearit koncových zesilovačů ve vysílačích. Modemy MHOMS jsou určeny především pro využití v družicovém segmentu mobilních systémů B3G, kde budou schopné například v módu s nejvyšší spektrální účinností přenášet data rychlostí až l Gbit/s. Jejich hlavní parametry jsou uvedeny na obrázku 6e. 4.4 Adaptivní hybridní ARQ Kromě ochrany rádiového přenosu založené na kanálových kódech s dopřednou korekcí chyb FEC (samoopravných kódech), je možné přenos zabezpečit také systémem automatického opakování chybně přenesených paketů ARQ (automatic repeat query). U systému ARQ jsou ve vysílači periodicky přidávány k datovým bitům ještě redundandní bity, které se v přijímači využívají k detekci případných chyb. Pokud přijímač zjistí, že určitý paket byl přenesen chybně, vyšle na zpětném kanálu k vysílači žádost o jeho opakované vysílám. Redundandní bity lze ve vysílači nejjednodušeji generovat na bázi parity, existují však i složitější metody. Systém ARQ může být ještě doplněn kódem FEC, čímž se vytvoří hybridní systém ARQ. U starších variant ARQ byl typ kódu FEC fixní. U moderních adaptivních verzí ARQ se typ kódu FEC přizpůsobuje okamžitým parametrům časově proměnného rádiového kanálu. Touto technikou se, v porovnání s jednoduchými systémy AMC nebo ARQ, dále zvýší propustnost a tedy i provozní kapacita rádiového kanálu. 4.5MCCDMA Mezi perspektivní metody mnohonásobného přístupu u mobilních systémů třetí a dalších generací nesporně náleží mnohonásobný přístup s kódovým dělením s přímým rozprostřením spektra DSCDMA a dále ortogonální frekvenční multiplex OFDM. Jak ukazuje vývoj z posledních let, obě tyto techniky je možné vhodně kombinovat a tím získat kvalitativně nový přenosový formát, značený obecně symbolem MC-CDMA (multi carrier - code division multiple access), s řadou pozoruhodných vlastností. U přístupu DS-CDMA se ve vysílači vstupní datový signál s bitovou rychlostí fb násobí v časové oblasti podstatně rychlejší pseudonáhodnou nebo ortogonální posloupností o čipové rychlosti fch. Tím se podstatně rozšíří jeho frekvenční spektrum, a to přímo úměrně činiteli rozprostření SF = fch/fb. Širší frekvenční pásmo obsazené tímto signálem umožní výrazně zmenšit spektrální výkonovou hustotu vysílaného signálu, což ztěžuje jeho detekci neautorizovanými uživateli a dále snižuje úroveň elektromagnetického smogu. Pokud je přístup CDMA použit v buňkových mobilních sítích, přináší v
porovnání s přístupem FDMA nebo TDMA několikanásobné zvětšení provozní kapacity, neboť dovoluje opakování stejných frekvencí v sousedních buňkách. Kromě toho umožňuje realizaci tzv. měkkého předávání a nabízí měkké omezení přenosové kapacity. Systémy OFDM jsou jednou z kategorií systémů s mnoha nosnými vlnami MC (multi carrier), u níž subnosné vlny vytvářejí ortogonální soustavu, takže jejich modulační spektra se mohou vzájemně částečně překrývat, aniž by se rušila. Ve vysílači OFDM se vstupní sériový modulační datový tok s relativně vysokou bitovou rychlostí fb v sériově-paralelním převodníku SPC převádí na N pomalejších paralelních toků, tvořících v souhrnu symbol OFDM. Jednotlivé N-krát prodloužené bity tohoto symbolu se modulují na N subnosných vln s různými frekvencemi f0, f1,…,fN-1. Takto vytvořený signál se přenáší rádiovým kanálem a v přijímači se potom z něho demodulací a zpětným paralelně-sériovým převodem PSC získává původní rychlý sériový datový tok. Pokud je délka prodloužených bitů podstatně větší, než rozptyl zpoždění daného rádiového kanálu, bude tento systém vykazovat výrazně zvýšenou inherentní imunitu vůči intersymbolovým interferencím způsobeným mnohocestným šířením; tuto imunitu lze dále zlepšit doplněním symbolů OFDM o tzv. cyklický prefix. Přirozenou odolnost systému OFDM je možné interpretovat také ve frekvenční oblasti, kde se totiž širokopásmový kanál s frekvenčně selektivními úniky transformuje na větší počet úzkopásmových subkanálů s plochými úniky. Proti potlačení některých subnosných vlivem úniku lze v systému OFDM aplikovat ještě ochranné kanálové kódováni a prokládání. Jelikož subnosné vlny tvoří ortogonální soustavu, je systém OFDM spektrálně podstatně účinnější, než běžný multiplex FDM. Modulaci a demodulaci většího počtu subnosných vln je možné efektivně implementovat pomocí monolitických procesorů IFFT a FFT. Systémy MC CDMA si v podstatě zachovávají specifické přednosti obou výchozích formátů CDMA a OFDM. Jejich významnou předností je to, že eliminují efekty mnohocestného šíření a dosahují frekvenční diverzitu využitím ekonomické techniky zpracování signálů ve frekvenční oblasti (levné monolitické procesory FFT atd.), tedy bez komplikované implementace přijímačů RAKE, které řeší dané problémy v méně schůdné časové oblasti. Navíc potom nabízejí možnost vytvoření adaptivního systému MC-CDMA (adaptive multicarrier CDMA), u něhož se prostřednictvím jeho adaptivního zatížení v časové a frekvenční oblasti dosahuje zvýšení přenosové kapacity. 4.6 Systémy MIMO Účinným prostředkem proti potlačení efektů způsobených mnohocestným šířením a z toho vyplývajícími úniky signálu, je diverzitní rádiový přenos. Pod tímto pojmem se obecně rozumí vytvoření více přenosových kanálů mezi vysílačem a přijímačem, jejichž úniky jsou vzájemně co nejslaběji korelované. První diverzitní systémy využívaly prostorovou diverzitu SIMO (single input multiple output), s jedinou vysílací anténou a s více přijímacími anténami, vzdálenými od sebe nejméně asi o jednu vlnovou délku. Dalším vývojovým stupněm byly systémy MISO (multiple input single output), s více prostorově separovanými vysílacími a s jedinou přijímací anténou. Nejnovější variantou jsou systémy MIMO (multiple input - multiple output). Ty využívají vysílač a přijímač s více vysílacími i přijímacími anténami, které jsou opět prostorově od sebe vzdálené. Každá vysílací anténa si vynucuje použití samostatného modulátoru a kodéru ve vysílači, podobná je situace i v přijímači. Prostorová lokalizace těchto samostatných bloků však není důležitá, v praxi ovšem bude výhodné, aby se nacházely v těsné blízkosti svých antén. Počet přijímacích antén n musí být nejméně roven počtu vysílacích antén m, často je však větší. U systémů MIMO vysílá každá z vysílacích antén simultánně na nosných vlnách s toutéž frekvencí a ve stejném frekvenčním pásmu tentýž datový signál. Každá z přijímacích antén přijímá určité repliky vysílaných signálů, přicházející k ní od každé vysílací antény obecně po více cestách šíření, vzniklých odrazem resp. rozptylem vysílaných signálů od různých překážek. Tyto repliky musí přijímač ve vstupním procesoru selektivně separovat, samostatně demodulovat a dekódovat a poté konstruktivně kombinovat, čímž se vytvoří výsledný výstupní datový signál. K selektivnímu rozlišení přijímaných signálů musí být signály každého dílčího vysílače vhodně kódovány určitými specifickými kódy, tak aby byly vzájemně pokud možno ortogonální. Nejjednodušší kódování spočívá v zavedení časového ofsetu mezi jednotlivými vysílanými signály. Tím se vytvoří systém MIMO s prostorově časovou diverzitou ST (space time MIMO). V praxi se však uplatňují i jiné kódovací strategie, aplikující na vysílané signály různý frekvenční ofset, různé ortogonální rozprostírací kódy, ortogonální pilotní sekvence, nebo i různé typy modulací. Všechny tři uvedené typy diversity (SIMO, MÍSO, MIMO) jsou účinným prostředkem pro potlačení úniků v rádiovém kanálu. Systémy MIMO však navíc vykazují další zcela zásadní přednost. Umělé vytvoření více cest šíření, ve spojení s přirozeným mnohocestným šířením totiž výrazně zvětšuje přenosovou kapacitu kanálu MIMO, v porovnání s konvenčním systémem s jediným
vysílačem a s jediným přijímačem SISO (single input - single output), a to zhruba přímo úměrně počtu vysílacích a přijímacích antén. V této souvislosti je však nutné zdůraznit, že příčinou uvedeného zvětšení není samotný větší počet antén, nýbrž jejich interakce s objekty v oblasti šíření, které odrážejí resp. rozptylují vysílané rádiové vlny. Pokud by tedy systém MIMO byl použit například v kosmickém prostředí, kde existují jen přímé trasy šíření, ke zvětšení přenosové kapacity by zde vůbec nedocházelo. Na rozdíl od systémů DS-CDMA, které realizují expanzi frekvenčního spektra signálu, se u systému MIMO s prostorově časovou diverzitou žádné rozšíření šířky pásma rádiového kanálu nevyžaduje, neboť zde zvětšení kapacity je důsledkem expanze signálu v prostorové oblasti; rovněž se nemusí zvyšovat výkon vysílače a také se neprodlužuje Čas potřebný k přenosu určitého objemu informací. Zvýšení kapacity je však skutečně pozoruhodné. Tak například konvenční systém SISO s modulací 16 QAM má spektrální účinnost okolo 4 bit/s/Hz. Určitý systém MIMO s prostorově časovou diverzitou v konkrétním provedení BLAST (Bell Labs layered space time), vykazuje v buňkových strukturách např. při použití 5 vysílačů a 7 přijímačů, s toutéž modulací 16 QAM a při průměrném poměru SNR = 20 dB spektrální účinnost 20 bit/s/Hz, tedy 5 krát vyšší; při poměru SNR = 35 dB je účinnost dokonce téměř 40 bit/s/Hz. Ve stejných poměrech se potom zvětšuje i přenosová kapacita uvažovaných systémů. Tyto hodnoty jsou ovšem u konvenčních systémů bez diverzity MIMO naprosto nedosažitelné. Systémy MIMO naleznou určité uplatnění již u přicházejících buňkových standardů 3G a u lokálních sítí WLAN (IEEE 802. l In). Naplno potom budou rozvinuty u sítí B3G, kde budou jedním z hlavních prostředků umožňujících překonání vytyčené minimální přenosové rychlostí 100 Mbit/s 6. Literatura [1] http://www.b3g.org [2] sborník přednášek RADIOKOMUNIKACE 2005. str.121-139. Pardubice, listopad 2005 [3] Žalud V.: Moderní Radioelektronika. 1. vyd. Praha 2000, BEN-technická literatura,
