ترجمه مقاله دسترسی به CSI دقیق در فرستنده

3) تخمین کانال

قابلیت دسترسی به CSI دقیق در فرستنده، کلید عملیات پیش کدینگ دان لینک در سیستم های آنتن با مقیاس بزرگ جهت دستیابی به عملکرد سیستم بهینه می باشد. اینCSI از طریق پایلوت آپ لینک سیستم های مبتنی بر TDD و با فرض تقابل کانالی یا بازخورد به BSs توسط UEهای سیستم های مبتنی بر FDD بدست می آید. در این بخش، به بحث درباره برآورد کانال سیستم های TDD می پردازیم، درحالیکه بازخورد CSI در سیستم های FDD در بخش IV-C مورد بحث قرار گرفته است.

پروتکل TDD که به بهره برداری از تقابل کانالی می پردازد، در سیستم های آنتن بزرگ معروف است، سیستم هایی که پایلوت آپ لینک آن برای برآورد کانال و پیش کدینگ دان لینک و انتقال استفاده می شود. برای سیستم های MIMO عظیم موج میلیمتری، آگاهی از CSI در BS برای تحقق مالتی پلکس فاصله‌ای، بسیار مهم است و برای عملکرد بالای سیستم بحرانی می باشد. از آنجاییکه آپ لینک و دان لینک سیستم های TDD در باندهایی با فرکانس مشابه عمل می کنند، استفاده از پایلوت آپ لینک که تقاضا برای منابع فرکانس زمانی آنها به تعداد آنتن های دریافتی بستگی دارد، برای تخمین کانال عملی و واقعی است. با TDD، CSI با استفاده از آموزش آپ لینک پایلوت بدست می آید، چون ماتریس کانال دان لینک بعنوان همتای ماتریس کانال آپ لینک تلقی می شود.

پایلوت آپ لینک باید از یک ترمینال به ترمینال دیگر بصورت متعامد باشد. با این حال، در سیستم های MIMO چندسلولی، کمبود توالی پایلوت متعامد حاصل می شود. این کمبود در سیستم های عظیم MIMO به خاطر تعداد زیاد کاربران مشهودتر است و به خاطر فاصله منسجم کوتاهتر به مشکلات زیاد در MIMO عظیم موج میلیمتری منجر می شود. براساس [21]، حداکثر تعداد سیگنالهای راهنمای متعامد گسسته که بتوان به کاربران هر سلول تخصیص داد در (20) ارائه شده است.

با تعداد محدود توالیهای پایلوت متعامد، کاربران سلولهای مجاور از پایلوت هایی استفاده می کنند که دیگر متعامد بر سلولها نیستند، بنابراین به اثری با نام آلودگی پایلوت منجر می شوند. این نیز CSI بدست آمده در BS را تخریب کرده و بازده قابل حصول را کاهش می دهد.

کاربران سلولهای مجاور از پایلوت هایی که دارای فرکانس مشابه می باشند، مجددا استفاده می کنند و بدین ترتیب تداخل مستقیم ایجاد می کنند. برخلاف تداخل داخل سلولی، تداخل مستقیم ایجاد شده با افزایش آنتن های فرستنده ای که عملکرد سیستم را کاهش می دهد، ناپدید نمی شوند.

آلودگی پایلوت، چالشی برای سیستم های MIMO عظیم موج میلیمتری می باشد چون حدودی را بر کران بالای توان عملیاتی نرخ مجموع ایجاد می کند. برای اجتناب از آلودگی پایلوت داخل سلولی، انتقال پایلوت متعامد بکار گرفته می شود، ولی تعداد کاربرانی که می توان در سلولی با فاصله منسجم زمانبندی کرد را محدود می سازد.

در سیستم های پایلوت متعامد، زمان ارسال هر فاصله منسجم از  N سمبل به چهار مرحله همپوشان تقسیم می شود: آموزش کانال، داده های آپ لینک، زمان پردازش و داده های دان لینک که در تصویر 13 آمده است. در این قسمت، اگرچه داده های دان لینک و آپ لینک به حالت غیرمتعامد ارسال شده و توسط SDMA (دسترسی چندگانه تقسیم فضایی) جدا شده اند، سمبل های پایلوت باید به روش متعامد ارسال شده و فقط K کاربر محدود متناظر با تعداد پایلوت های مجاز را می توان زمانبندی کرد. تحت این شرایط، تعداد کاربران فعالی که می توان به آنها خدمات داد، به N/2 تنظیم شده است و تعداد کلی سمبل های داده که می توان ارسال کرد، =N2/4[137][N/2] *[N/2] می باشد.

چارچوب سطح داده و کنترل گسسته که در آن سیگنالهای کنترل توسط BS ماکروسل MIMO عظیم μWave با دامنه طولانی (برای تحرک موثر و دیگر سگینال دهی کنترل) ارسال می شوند، ضمن اینکه سیگنال داده ها توسط سلولهای کوچک MIMO عظیم موج میلیمتری برای ظرفیت بالا انتقال می یابند.

• سلولهای کوچک دوباندی یا دوگانه که در آن کاربران نزدیک توسط لینک های دسترسی موج میلیمتری تامین می شوند، و کاربران دور در باند فرکانس μWave تامین می شوند، و همچون سلول دینامیک عمل کرده و از مفهوم تنفس سلولی شبکه های قدیمی تقلید می کنند.
• بک هال کردن داخل باند که هر دو لینک بک هال و دسترسی در باند فرکانس موج میلیمتری مشابه برای کاهش هزینه و بهینه سازی سودمندی طیف دارند.
• ارتباطات خودرویی که در آن BSs ماکروسل μWave به کاربران بسیار متحرک و با دامنه طولانی خدمات می دهند.
• سلولهای مجازی که در آن کاربر، بویژه کاربر لبه سلولی، BS خود را بدون محدودشدن به نزدیک ترین BS همانند روش انتقال و ارتباط کاربر قدیمی مبتنی بر منطقه پوشش انتخاب می کند.

تحقق معماری تصویر 4 از طریق جستجوی بین لایه ای چند رشته ای برای 5G پیگیری می شود. مدیریت منابع بین اپراتور (یعنی اشتراک طیف، دسترسی و زیرساخت) در شبکه های موج میلیمتری در [225] بررسی شده است. تخصیص منابع و زمانبندی کاربر در BSs حالت دوگانه موج میلیمتری μWave با استفاده از اصول آگاهی جدید توسط سمیاری و همکارانش در [153] پیشنهاد شد.

آرایه آنتن

از نظر طرح انتقالی، شکل گیری پرتو، مالتی پلکس فاصله ای یا ترکیبی از هردو در سیستم های MIMO جهت بهبود عملکرد لینک های بی سیم از نظر بازده قابل حصول استفاده شده است. با شکل گیری پرتو، فازها و یا دامنه سیگنالهای ارسالی را می توان براساس محیط کانال و کاربرد مطلوب کنترل کرد. پژوهش گسترده درباره انواع شکل گیری پرتو و معماریها را می توان در [14] یافت و مرور سریع بر مقایسه شکل گیری پرتو دیجیتالی و ترکیبی با عملکرد سطح لینک مبتنی بر شبیه سازی را می توان در [97] یافت.

سه نوع معماری آرایه آنتن (شامل زنجیره RF) وجود دارد که در طول زمان تکامل یافته اند: کاملا دیجیتالی، کاملا آنالوگ و ترکیبی از دیجیتال- آنالوگ. پیاده سازی کاملا دیجیتالی از باند پایه دیجیتالی و فرانت اند RF در هر آنتن استفاده می کند که برای MIMO عظیم موج میلیمتری هزینه بر بوده و به خاطر محدودیت های فضایی غیرعملی است.

از طرف دیگر، آرایه کاملا آنالوگ تنها از زنجیره RF با شیفت دهنده فازی چندگانه آنالوگ استفاده می کند (PS). این آرایه دارای ساختار سخت افزاری ساده بوده ولی از عملکرد ضعیف سیستم رنج می برد. همچنین، دارای بازده آنتن پایین است چون فقط فازهای سیگنال را می توان کنترل کرد ولی دامنه آنها قابل کنترل نیست. طبق روند تحقیقات، رویکرد عملی تر آرایه هیبریدی عظیم می باشد که شامل چندین زیرآرایه آنالوگ با زنجیره دیجیتالی مربوطه می باشد.

در معماری آرایه هیبریدی عظیم، عناصر آنتن به زیرآرایه های آنالوگ گروه بندی می شوند. فقط یک PS به عنصر تک آنتن تخصیص داده می شود؛ تمام مولفه های دیگر توسط عناصر آنتن در هر زیرآرایه به اشتراک گذاشته می شوند. هر زیرآرایه فقط با یک ورودی دیجیتالی (در فرستنده) تغذیه شده و فقط یک سیگنال دیجیتالی بیرون می دهد (در گیرنده) و تمام سیگنالهای دیجیتالی زیرآرایه ها در پردازشگر دیجیتالی پردازش می شوند. بطور کلی، این ساختار هیبریدی ارائه شده در تصویر 9، باعث کاهش قابل توجه در هزینه، تعداد مولفه های سخت افزاری لازم و پیچیدگی سیستم می شود و عملکرد با معماری کاملا دیجیتال بهینه (ولی هزینه بر و غیرعملی) قابل قیاس است. نمونه های با عملکرد بالای آرایه های هیبریدی قبلا ساخته و تست شده اند.

بطور کلی، مصرف توان و هزینه بالا، استفاده از شکل گیری پرتو دیجیتالی برای سیستم های MIMO عظیم موج میلیمتری را با مشکل مواجه می سازد. شکل گیری پرتو هیبریدی با زنجیره RF کمتر از تعداد آنتن ها برای MIMO عظیم موج میلیمتری عملی بوده و تنها افت عملکرد قابل چشم پوشی را در مقایسه با شکل دهنده پرتو دیجیتالی نشان می دهد که برای سیستم های متعارف MIMO عملکرد بهینه ای دارد ولی عملا برای سیستم های MIMO عظیم موج میلیمتری غیرعملی است.

مالتی پلکس فاصله ای را می توان برای تقویت ظرفیت سیستم کانالهای MIMO عظیم موج میلیمتری بکار برد چون تعداد آنتن های UE و BS خیلی زیادتر از سیستم های متعارف می باشد و بازده ارسال را از طریق تقسیم سیگنالهای خروجی به چندین جریان افزایش می دهد که در آن هر جریان بطور همزمان و موازی در یک کانال و از طریق آنتن های مختلف ارسال می شود. در فرکانسهای μWave، سیگنالها به آسانی و توسط اشیاء فیزیکی پراکنده شده و به چندین سیگنال انعکاسی از پخش کننده های مختلف منجر می شوند. چنین محیط پخش غنی به نفع جریان داده موازی و مستقلی می باشد که بازده مالتی پلکس فاصله ای را افزایش می دهد.