פיתוח מערכות MIMO מורכבות

הדרישות התובעניות להעברת נתונים ברשתות אלחוטיות דרבנו את החוקרים לחפש טכנולוגיות חדשות כדי להגדיל את קיבולת הרשתות ושיפור יכולותיהן. יש הסכמה כוללת בין מומחי התעשייה כי הדרישות לקצבי העברת מידע ימשיכו לעבור את היצעי הקיבולת הקיימים היום וגם של הרשתות המתוכננות לעתיד הקרוב. השאלה כיום היא לא אם זה יקרה, אלא מתי זה יקרה. ספקי השירותים האלחוטיים שוקדים על שדרוג הרשתות ל-4G LTE,

ל-LTE-Advanced () ואף מעבר לזה, תוך כדי הצגת חידושים כגון תאים קטנים, רשתות הטרוגניות וארגון ספקי תשתית בצבירים על פי תחזיות 3GPP. אולם ברור שהנתיב הטכנולוגי הנוכחי לא יוכל לענות על הדרישות העתידיות. בכדי להתמודד עם האתגר, אימץ גוף התקינה של 3GPP כמטרה את הגדלת קיבולת הנתונים פי אלף עד שנת 2020, תוך כדי הכרה שהדבר מצריך שימוש ברעיונות מהפכניים.
אחת הגישות למתן מענה לאתגר זה היא הטמעת תחנות בסיס בעלות מערך אנטנות גדול מאוד, המשלב מכלולי מקמ”ש מרובים. גישה זו מכונה (1). היא נבדלת מהטופולוגיות הנוכחיות והיא תוכל להוות את המפתח לאתגר קיבולת הנתונים. אולם גישה זו מעוררת שאלה חשובה אחרת, הקשורה ליעילות ולהיתכנות פרישה רחבה של מערכות כאלה. הבעיה היא יצירת אב טיפוס הכולל מאות אנטנות, שיוכל לתת תשובה נכונה לשאלה האם הגישה הזו אכן עובדת במציאות.

מה זה בעצם MIMO?
גישת MIMO מתבססת על שימוש בריבוי נתיבים בכדי להגדיל את אמינות ויעילות קצב העברת הנתונים של חולית תקשורת נתונים ספרתית, ושימוש במספר ערוצי תקשורת המתקיימים בין אנטנות נפרדות. מערכות תקשורת יציבות משתמשות בהתפשטות מרובת נתיבים – טכנולוגיה שהיא בפני עצמה אתגר לא קל – תוך ניצול מערכות MIMO בטכנולוגיות שונות, כגון קידוד זמן-מרחב, ו/או שונות מרחבית (2). תקן התקשורת הסלולארית לדור הרביעי (4G) מגדיר תצורת מערכת בת 8 אנטנות לכל היותר. היישומים העכשוויים המבוססים על תקן IEEE 802.11n/ac הם המשתמשים המובילים בטכנולוגיות MIMO באופן מעשי.
כעקרון, שימוש במספר גדול יותר של אנטנות יניב מספר גדול יותר של אפשרויות התפשטות גלים וישפר את ביצועי המערכת, במונחי קצב נתונים ו/או אמינות הערוץ. אולם הקצב הכולל של העברת נתונים בערוץ מוגבל בהתאם למשפט שנון – הארטלי. אחת הדרכים להגדיל את תפוקת רשת בעלת משתמשים רבים היא השימוש ב- (multi-user MIMO), טכנולוגיה המאפשרת גישה סימולטנית למספר גדול של משתמשים לאותם משאבים של תדר-זמן, אך הם מופרדים באמצעות המימד המרחבי, הנוצר על ידי ריבוי אנטנות.

יותר אנטנות = יותר קיבול, יותר אמינות
הגדלה נוספת של מערכות MU-MIMO תביא אותנו לקטגוריה המכונה Massive MIMO, טכנולוגיה שמאפשרת הגדלת קיבולת הנתונים של תחנת הבסיס, שיפור אמינותה ויעילותה האנרגטית. הדבר נובע מהורדת עוצמת השידור הכוללת של תחנת הבסיס. באופן תיאורטי ההספק המשודר מכל אנטנה במערך יכול להיות קטן מההספק המשודר על ידי אנטנה בודדת הנותנת כיסוי לתא בגודל דומה באותם קצבי שידור.
ההספק הכולל הוא
– ההספק הכללי המשודר אל התא
– הספק של אנטנה אחת
– מספר אנטנות שידור
לטופולוגיית Massive MIMO יש יכולת פוטנציאלית להקטנת ההספק הכללי המשודר לאזור מוגדר בהשוואה להספק הדרוש למקמ”ש בעל אנטנה אחת הנותן מענה דומה באיכותו לתא שטח זהה. היכולת הזו נובעת מהיכולת של תא בסיס בתצורת Massive MIMO למקד את האנרגיה המשודרת למשתמש מסוים, ובכך להגדיל את דרגת החופש. בנוסף, גדלה ההסתברות שהביטים הנכונים ישודרו אל המקלט במערכת מרובת אנטנות. רואים זאת בנוסחה לחישוב הסתברות ניתוקי תקשורת בערוץ:
Outage Probability
SNR – יחס אות לרעש
מספר אנטנות שידור
מספר אנטנות שידור
מספר אנטנות קליטה
ככל שמספר האנטנות של המערכת גדל, ההסתברות של ניתוקי תקשורת פוחתים ואמינות המערכת עולה (2). מערכי MIMO עתירי אנטנות מבוססים על הגישות הבסיסיות ועל התיאוריה שהטמעת מערכי אנטנות של מאות אנטנות משפרת את היעילות בהשוואה למערכות MIMO המספקות תקשורת מנקודה לנקודה. למערכת שכזו יש יתרונות הנובעים מהאפשרות לעיצוב אלומת השידור הראשית ואונות הצד, דבר שמתבטא בהפחתת ההספק השידור הנדרש.
אולם מערכות Massive MIMO מציבות אתגרים. אחד מהם הוא הצורך למצוא דרך לשדר את המידע על מצב הערוץ מהמקלט אל המשדר בכדי לבצע קידוד מקדים. במערך בן מאות אנטנות מספר אותות הפיילוט הדרושים בכדי להגדיר את מצב הערוץ ממש אינו מעשי. לפיכך מימוש מערכות Massive MIMO הוא בעל ערך שימושי רק במערכות חלוקת זמן דו כיווניות (TDD) המבוססות על תכונת ההדדיות של הערוץ אך עדיין נחוצה בחינה נוספת של גישה זו. ישנם מחקרים ראשוניים המראים שלרעש הטרמי במערכת עתירת אנטנות יש השפעה פחותה ואילו לתופעות ההתאבכות יש חשיבות יתרה. אתגרים אלה, ואחרים, יכולים להיחקר בעולם של צורות גל אמיתיות באבי טיפוס שיפותחו ויפעלו במציאות.

בניית אב-טיפוס של מערכת Massive MIMO
בניית אב טיפוס של מערכת Massive MIMO דורש עבודה מקדימה רבה ותכנון קפדני. רוב החוקרים רואים בתכנון מערכת MIMO בת שתי אנטנות אתגר גדול למדי. בתחילת תכנון אב טיפוס של Massive MIMO יש לשרטט את דיאגרמת המערכת (ראה איור 2). לצורך הדוגמא נבחר N=128 עבור תחנת הבסיס על מנת ליצור תצורה של 128×128 אנטנות. נניח שמספר המשתמשים הוא M, והם משתמשים באנטנות SISO.
בעת תכנון המערכת צריך להביא בחשבון מספר רב של גורמים, וביניהם מקדמי ה-RF כגון הספק השידור, הפרעות בין ערוצים סמוכים, הסתגלות למיסוכי ספקטרום וכד’. אולם השיקול העיקרי הוא הגדלת קצב שידור הנתונים אל ומכל אנטנה. מאיור 2 עולה שאחד האתגרים שמציבה המערכת הוא שילוב כל האותות הנקלטים במערכת עיבוד אותות משותפת. מערכות Massive MIMO נבדלות ממערכות תקשורת המיישמות SISO בכך שהן דורשות קצב העברת נתונים הגדול בסדרי גודל בין המשדרים למקלטים ותחנת הבסיס בהשוואה לקיים כיום. ישנה אפשרות לעבד את הנתונים באופן מבוזר, בצמוד לאנטנה. אך על מנת לשחזר את האותות או לבצע קידוד מוקדם עבור המשתמשים השונים, זרם המידע מכל אנטנה חייב להתלכד בנקודה משותפת כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר. בחינה קפדנית של הדרישות מהמערכת מאפשרת לאתר את המרכיבים הבסיסים שלה. כך ניתן לכמת את קצבי הנתונים ולאתר חלופות בעלות השפעה על תכנון המערכת, על האינטגרציה, ההספק והמחיר.

הפרמטרים הבסיסים של המערכת
מערכת רדיו SISO טיפוסית מתוארת באיור 3. בדיאגרמה זו אות ה-RF עובר המרת תדר, סינון והגברה לפני המרתו למידע ספרתי. בשידור התהליך הפוך. מערכת Massive MIMO מטמיעה בתוכה מאות תהליכי SISO מעין אלה. על מנת לנצל ציוד מן המדף, במטרה להפחית עלויות ולהאיץ את תהליך הפיתוח של אב הטיפוס, נצא מתוך הנחה שכל דגימת I ו-Q הנה בת 16 סיביות. מספר הסיביות הקובע את התחום הדינמי בגישה זו יספיק לצורכי אב הטיפוס. הפחתת הרזולוציה עלולה לגרום להקטנת קצב הנתונים, במיוחד בעת שילוב מספר ערוצים כה גדול. למרות ששימוש ב-16 סיביות מגדיל את נתיב האותות ואת הדרישה לתפוקה גדולה יותר, הרי שמוצרים מן המדף יכולים להתמודד עם דרישות אלה בקלות וללא צורך בהתאמות מיוחדות.
השיקול הבא הוא קצב הדגימה. כל ממיר ADC בשרשרת המקלטים חייב לדגום את האות, אחרי ההמרה, בקצב הגדול מרוחב הפס של הערוץ וזאת לפי משפט נייקוויסט. בדוגמא זו נתמקד בדרישות LTE כבסיס לתכנון, ולפיכך כל אות המיועד לדגימה, אחרי ההמרה, יהיה בקצב של 30.72MS/s. למעשה הממיר יכול לבצע דגימת יתר של האות על מנת להגדיל את הרזולוציה, או להעלות את רמת עיבוד האות על מנת להמיר את קצב הנתונים לקצב כזה שדרגת עיבוד אותות רגילה תוכל לטפל בו. את קצב תפוקת הנתונים אפשר לחשב בדרך הבאה:
(2 samples) (16 bits per sample or
2 bytes/s) (sample rate)
בדוגמא שלנו קצב הנתונים המשולבים הוא:
(2 samples) (2 bytes/s) (30.72) =
122.88MB/s
נחשב את קצב הנתונים האפקטיבי הנדרש למערכת Massive MIMO:
Total System Throughput (TST) = (Throughput rate/channel) (number of antennas)
TST = (122.88 MB/s) (128)
TST = 15.7 GB/s
באופן זה, אם כל הערוצים משודרים או נקלטים באופן סימולטני, תפוקת הנתונים של יחידת העיבוד המרכזית תהיה
15.7GB/s. לפיכך נדרשת יחידת עיבוד מרכזית המסוגלת לעבוד בקצב שכזה.
מניתוח זה עולים שני אתגרים. הראשון – אין הרבה טכנולוגיות זולות הזמינות מן המדף שמסוגלות להתמודד עם דרישה שכזו. השני – קצב הנתונים מחייב חיפוש אלטרנטיבות שיאפשרו לחלק את מטלת עיבוד האות, כולל פיצול עיבוד האות ועיבוד מקבילי. סקירת הטכנולוגיות הזמינות לצורך מימוש אב טיפוס שכזה מראה שקיימים ערוצים טוריים מהירים שיש להם פוטנציאל לשמש כבסיס לבניית אב הטיפוס.
כמה מהפתרונות הזמינים כיום משתמשים בקוד פתוח , רובם מנצלים את ארכיטקטורת PXIe, המבוססת על תקן PCIe. אחד הנתונים החשובים שיש להתחשב בהם הוא גודל ההשהיה (Latency) בין פעולת השידור לקליטה. בערוצי שידור חד כיוונים להשהיה חשיבות פחותה, אך באב טיפוס ממשי של TDD Massive MIMO להשהיה חשיבות קריטית, אחרת הקידוד המוקדם בערוץ היורד עלול להתבסס על נתוני ערוץ שתוקפם כבר פג. נתוני ההשהיה הניתנים כאן הנם מקורבים. באופן כללי ההשהיה באפיקי אתרנט אינם דטרמיניסטיים והם יכולים להשתנות בטווח רחב. מצד שני, עלויות הטמעת אתרנט הן נמוכות יותר. יש לציין כי הדור השלישי של PCIe הבשל להטמעה מופיע רק עתה, ולפיכך אין נתונים בדוקים על ביצועיו. בדרך כלל מפורסמים ערכי הביצועים המרביים, אך מסתבר כי הערכים הטיפוסיים המממשים של המערכות הללו הנם פונקציה של מחיר המערכת, של גודל ליבת ה- IP ושל ההספק. יש להתייחס אל הנתונים המפורסמים כאל ערכי הכוונה, ורק מימושים בודדים יאפשרו להשיג את הביצועים המרביים הנקובים.
איור 4 מראה מערכת לדוגמא, המבוססת על PXIe. בדוגמא זו משתמשים בעשרה סלי כרטיסי PXIe כדי להשיג מערכת Massive MIMO בת 128 אנטנות. למערכת שני סלי כרטיסים המתפקדים כ”מסטר” לצורך שילוב הנתונים, ושמונה סלים משועבדים המשרתים 128 מקמ”שי RF מסוג NI 5791 RF שיכולים לפעול בתחומי התקשורת התאית. שדרת הנתונים מבוססת על PCI Express Gen 2×8 המאפשרת ללכוד ולשדר נתונים ברוחב סרט של 20MHz בתחום ה-RF בחלוקה מתאימה.

סיכום
Massive MIMO הנה אחת רק טכנולוגיה אחת מתוך כמה טכנולוגיות הנמצאות במחקר לצורך מענה על דרישות מערכות התקשורת של הדור החמישי. יש להיות ערוכים להיווצרות צוואר בקבוק בין התיאוריה לבין התקינה. הפרמטרים של מערכות Massive MIMO דוחפות את מעטפת הביצועים של מערכות הבדיקה הדרושות לבחון את התיאוריה ולהאצת הפיכתה למסחרית. למרות שיש הרבה טכנולוגיות מסחריות זמינות, טכנולוגיית PCI express מהווה את הצירוף האופטימלי של יכולת עיבוד נתונים בקצבים גבוהים והשהיה נמוכה עבור מערכות המיועדות לבדיקת היעילות של מערכות Massive MIMO באופן מעשי. כמובן שבניית מערכת שלמה דורשת עבודה נוספת, אך אחד מהאתגרים המרכזיים שכרוכים בבניית מערכת שכזו קשור לאנליזה זהירה של קצב תפוקת אותות המערכת, ההשהיה ותהליכי עיבוד האות שהוזכרו כאן.

References
1. F. Rusek, D. Persson, B.K. Lau, E.G. Larsson, T.L. Marzetta, O. Edfors and F. Tufvesson, Scaling up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays, IEEE Signal Process Mag., Vol. 3 No. 1, pp. 40-46, Jan. 2013.
2. A. Paulraj, R. Nabar and D. Gore, Introduction to Space-Time Communications. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.
3. www.pcisig.com/specifications/pciexpress/resources/PCIe_3_0_External_FAQ_Nereus.pdf.
4. www.xilinx.com/technology/protocols/pciexpress.htm