Вы можете заметить, что в современных системах связи используется довольно много антенн. Например, на точках доступа Wi-Fi можно увидеть две, три и вплоть до шести антенн, а в более новых поколениях ― до восьми. А если мы говорим про переход в частотный диапазон 60 ГГц или другие высокие частоты, то антенн уже может быть больше тридцати. Возникает вопрос: зачем же нужны все эти антенны?
Различия проводной и беспроводной связи
В проводной связи у нас такого не было: были параллельные линии, которые друг другу не мешали. И если у нас есть несколько передатчиков, которые используют общую среду, то есть один провод, то они будут работать на разных частотах или будут разделены по времени. А в беспроводной связи это не так. На каждой антенне сигнал передается на одной и той же частоте в одно и то же время. При этом используется только один «провод» ― окружающий воздух. Как же передающие антенны друг другу не мешают? И в чем польза: неужели нельзя всю энергию поместить на одну антенну? Можно, но беспроводная линия связи обладает несколькими неприятными особенностями. У нее достаточно плохой канал ― в том смысле, что у нас достаточно много отражений и очень нестабильная связь. Может быть, что в одном месте ваш телефон показывает, что связь на три деления, а в другом месте, совсем рядом, ― что уже на два деления. Хотя, казалось бы, расстояние очень маленькое.
Дело в том, что сигнал очень редко приходит по одному лучу, и зачастую мы даже не видим напрямую точку доступа: она может быть в соседней комнате и отделена от нас стеной. Тогда мы видим отражение от потолка, от стен, от пола, и все эти разные отражения ― несколько разных лучей ― приходят в приемник и как-то интерферируют. Если вам повезет, они сложатся синфазно и друг друга усилят. Если не повезет, они сложатся в противоположной фазе и друг друга погасят, вплоть до того, что иногда мы можем получить нулевой сигнал. Такой эффект называется глубоким замиранием. Для того чтобы как-то бороться с этим, используется много антенн. Если антенны хотя бы чуть-чуть друг от друга разнесены, то мы можем говорить про то, что отражения будут достаточно разные, интерферировать они будут по-разному, и поэтому разные лучи будут достаточно независимы.
Применение множественных антенн
Когда и как начали использовать этот эффект? Одна из самых первых идей того, что можно сделать, если мы поставим несколько антенн: мы можем просто посмотреть, на какой из них сигнал мощнее. Тогда ее мы выбираем, а остальные просто отключаем. Через некоторое время мы снова смотрим: может быть, стоит переключиться на другую антенну. Такая конструкция часто используется на разных квадрокоптерах и других дронах, и в таком случае антенны ставят максимально по-разному. Понятно, что они получают совсем разный сигнал: когда-то он лучше на одной, когда-то на другой.
У большинства беспилотников все равно остается некоторый контрольный канал, канал для управления. И для этого канала у нас зачастую используется несколько антенн на коптере ― просто потому, что мы очень не хотим, чтобы пользователь неожиданно оказался в месте, где нет связи. Грубо говоря, если коптер неудачно повернется и у пользователя полностью пропадет возможность управлять им с пульта, это будет плачевно. В таком случае могут включиться алгоритмы, которые снова постараются вернуть коптер туда, где есть связь, но хотелось бы этого избежать. Поэтому зачастую на коптере просто ставятся две антенны, которые расположены друг к другу под углом 90 градусов. И тогда считается, что если хотя бы одна из них войдет все-таки в область глубокого замирания, то, скорее всего, вторая все-таки будет иметь какой-то сигнал, а этого сигнала может быть достаточно для управления.
Есть другой вариант, используемый в основном в радиолокации, ― это фазированные антенные решетки. Тогда у нас, наоборот, антенны абсолютно одинаковые, они стоят аккуратно геометрически в виде решетки, и если мы посмотрим на то, как на них поступает сигнал, то на них идет плоская волна. И в разные антенны она поступает с некоторыми задержками. Тогда если мы все эти задержки скомпенсируем и дальше сигнал просто сложим, то получим, что сам сигнал у нас усиливается, а сигнал, поступающий из других направлений, ослабится. Точнее, не ослабится, а намного слабее усилится.
Тогда отношение «сигнал ― шум» увеличится во столько раз, сколько у нас есть приемных антенн. Но чтобы такая схема работала, нам нужно, чтобы у нас был один луч, потому что, если у нас лучей много, мы можем выбрать только один из них. Но в настоящее время каждая антенна имеет свой собственный приемник, поэтому мы можем делать намного более сложные преобразования. Часто с их помощью можно увеличить отношение «сигнал ― шум» в произведение числа передающих и приемных антенн. Чтобы описать, что сейчас есть, нам нужно сначала сказать, какие бывают случаи. Бывает три случая в зависимости от того, кому известно состояние канала. Но для начала нужно пояснить, что называется состоянием канала и состоянием среды.
Взаимосвязь приемника и передатчика
По сути, для каждой пары из передающей и приемной антенны есть своя задержка и свое ослабление. Набор из всех задержек и всех ослаблений и есть состояние канала. Состояние среды ― взаимное расположение всего и вся, которое порождает состояние канала. Чаще всего состояние канала записывается в виде комплексной матрицы, где строки соответствуют передающим антеннам, столбцы ― приемным, модули отдельных элементов матрицы ― ослаблению, а фазы ― задержке.
Во-первых, бывает ситуация, когда у нас есть передатчик, приемник и никто из них не знает состояние среды или канала. В современных сетях связи, таких как мобильная связь, или Wi-Fi, или Bluetooth, это довольно редкий случай. Почти всегда приемник знает, какое состояние канала, потому что он измеряет его постоянно. Кроме того, если у нас приемник не будет знать состояние канала, то большинство современных методов связи просто не будут работать.
Затем есть случаи, когда приемник знает состояние канала просто потому, что он его измерил, но передатчик о нем не знает, потому что приемник не успел ему передать эту информацию. Если приемник знает о состоянии канала, то он знает, с какой фазой приходит сигнал на каждую из его антенн. Тогда он может повернуть этот сигнал, домножить на противоположную фазу и сложить все эти сигналы синфазно. Таким образом получается примерно такой же эффект, как в фазированной антенной решетке, и отношение «сигнал ― шум» будет улучшено.
Но что делать, если у нас много антенн у передатчика, который не знает состояние канала? Тогда приемник может посмотреть на целую матрицу передачи канала и попытаться установить, что же передавалось с каждой антенны. Такая схема называется BLAST (от Bell Labs Layered Algebraic SpaceTime Code), то есть это конструкция, которая была придумана в BellLabs, ― послойный алгебраический пространственно-временной код. К сожалению, если мы будем пытаться с такой матрицей работать, мы обнаружим, что часть символов у нас будет принята надежно, а часть ненадежно. И это довольно плохо, потому что мы хотим, чтобы у нас все символы были приняты, а не только часть.
В 1998 году Сиаваш Аламоути придумал свою замечательную конструкцию, которая позволяет передавать достаточно сложную комбинацию на передатчике, но при этом, даже если передатчик не знает состояние канала, он передает так же хорошо, как если бы он знал это состояние. И это было достаточно неожиданно, потому что думали, что знание состояния канала все же может дать некоторый выигрыш, но, как выяснилось, для двух антенн это не так. И сейчас эта схема используется действительно повсеместно. Она есть в стандартах Wi-Fi, LTE, она будет в стандарте 5G. К сожалению, доказано, что для трех или больше антенн такой схемы не существует. В этом случае используют различные субоптимальные схемы вроде модификаций BLAST.
И есть третий случай, когда и передатчик, и приемник знают состояние канала. Дело в том, что обычно состояние среды меняется довольно медленно. Грубо говоря, дверь, которая открыта или закрыта, может значительно изменить состояние канала, но она открывается или закрывается очень медленно относительно скорости света. И поэтому приемник после того, как он измерил канал, может передать это все измерение обратно передатчику. Например, мой телефон после того, как получил от базовой станции какое-то широковещательное сообщение, может отправить ей обратно слова о том, какой был канал. В этом случае сама базовая станция или передатчик может попытаться передать так, чтобы на приемнике был максимально мощный сигнал. Особенно такая схема популярна, когда у одной базовой станции есть много абонентов.
Направленная передача сигнала
Тогда мы можем пытаться передавать сигнал так, чтобы каждый из них получал свой сигнал и не получал сигналов, которые предназначены другим пользователям. Эта задача достаточно сильно усложняется, когда у каждого из них есть несколько антенн: если до этого это было просто некое обращение матрицы, то теперь нам нужно делать задачу численной оптимизации. Кроме того, зачастую далеко не всем пользователям мы можем одновременно передавать. У нас может получиться в некотором смысле плохая матрица, и два пользователя будут слышать друг друга, что бы мы ни делали. Даже если они не сидят рядом, вполне возможно, что так сошлись отражения, у них у обоих будет очень похожий канал.
Для решения этой задачи сейчас начинает активно использоваться технология Massive MIMO. В этом случае на базовой станции размещается очень много антенн, например восемьдесят. И если мы потом посмотрим на матрицу, которая там получается, эта матрица будет иметь размер, например, четыре строки и восемьдесят столбцов. То, насколько эти строчки между собой похожи, то есть, по сути, если мы их нарисуем в некоем многомерном пространстве ― это то, какой между ними угол, ― будет определять то, насколько хорошо мы можем передавать одному пользователю и при этом никак не мешать второму. И случайная матрица такого размера обладает очень хорошими свойствами. Матрица такого размера будет, скорее всего, иметь практически ортогональные строки, то есть строки, в многомерном пространстве находящиеся друг к другу под углом 90 градусов, и эти строки почти всегда будут линейно независимыми, а значит, дальнейшая передача будет намного лучше, потому что у разных пользователей будет достаточно разное состояние канала.
Направленная передача сигнала
К сожалению, работа с матрицами размера 4 на 80 довольно сложная с точки зрения вычислений. Поэтому сейчас активно разрабатываются разные алгоритмы оценки субоптимальных решений, чтобы эти восемьдесят антенн эффективно использовать для передачи большому числу пользователей. Сейчас это обсуждается в основном для включения в стандарт 5G, то есть мобильных сетей пятого поколения, в Wi-Fi это еще не попало, но, возможно, в ближайшее время это тоже будет рассмотрено. Главный смысл использования множественных антенн ― увеличение отношения «сигнал ― шум». У нас всегда есть возможность при фиксированном отношении «сигнал ― шум» увеличить надежность передаваемых символов, понизив их скорость, или, наоборот, увеличить скорость и понизить надежность.
С каждым новым поколением сетей связи пользователям требуется все больше ресурсов. Если раньше, когда был GSM или GPRS, пользователи даже не думали как-то пытаться передавать по нему видео, сейчас, когда у нас уже современные линии связи, люди любят смотреть видео с телефона. И чем больше таких людей, тем больше нагружена сеть. Вместе с нагрузкой сети растет и качество видео. И пока непонятно, как без увеличения числа антенн поднимать пропускную способность сети. Есть несколько подходов: можно уменьшать размер соты, можно увеличивать ширину полосы, но все это довольно ограниченные подходы. Но сейчас, когда вводится технология Massive MIMO, мы сможем сделать большой скачок в пропускной способности без изменения ширины полосы и не уменьшая значительно размер соты.
Кроме того, при переходе на высокие частоты, такие как 60 ГГц, использование большого числа антенн рассматривалось с самого начала. На этих частотах намного больше пропускная способность, потому что мы можем позволить себе более широкую полосу, и использование большого числа передающих и приемных антенн даст возможность подключаться на этой частоте очень большому числу пользователей одновременно. Таким образом, в сетях будущих поколений будет намного меньше проблем с увеличением качества видео, и мы сможем спокойно смотреть видео 4К на наших телефонах и не будем мешать другим пользователям делать то же самое.
