Moniantennitekniikoiden havainnollistaminen ohjelmistoradioilla

Abstract

Moniantennitekniikat ovat nykyään oleellinen osa langatonta tiedonsiirtoa. Niitä käytetään muun muassa mobiiliverkoissa sekä IoT-radiojärjestelmissä (engl. internet of things). Moniantennitekniikoista käytetään useasti termiä MIMO (engl. multiple input, multiple output), mikä tarkoittaa useamman vastaanotto- ja lähetysantennin järjestelmää. Moniantennitekniikoiden ideana on hyödyntää tilatason monimuotoisuutta missä yhtäaikaisesti ja samalla taajuudella mutta fyysisesti eri tilassa olevat signaalit kokevat erilaista vaimenemista ja vaihesiirtoa. Nämä vaimenemiset ja vaihesiirrot muodostavat moniantennijärjestelmän kanavatiedon.

Hyödyntämällä moniantennitekniikoille ominaisia keilanmuokkaus-, multipleksaus- sekä diversiteettitekniikoita voidaan saavuttaa suurempia bittinopeuksia sekä luotettavampia yhteyksiä kuin yksittäisen antennin järjestelmällä. Keilanmuokkauksen ideana on nostaa vastaanotetun signaalin voimakkuutta kohdistamalla lähetetyn signaalin teho useamman antennin avulla haluttuun suuntaan samalla vaimentaen signaalia muissa suunnissa. Multipleksauksella saadaan nostettua bittinopeutta, kun lähetetään eri antenneista eri dataa sisältäviä signaaleita, jotka erotellaan vastaanottimessa toisistaan kanavatiedon avulla. Diversiteettiä hyödyntämällä pystytään vähentämään bittivirheiden määrää, kun lähetetään samaa dataa eri tilassa, jolloin on todennäköisempää, että se pystytään vastaanottamaan ainakin yhtä reittiä pitkin luotettavasti. Näitä tekniikoita toteutetaan lukuisten koodausmenetelmien avulla, joissa suoritetaan signaalin prosessointia joko vastaanottimessa, lähettimessä tai molemmissa.

Tässä työssä on tutkittu 2x2-moniantennijärjestelmän toimintaa mittausjärjestelmän avulla, jonka fyysisessä toteutuksessa käytetään kahta NI USRP-2901-ohjelmistoradiota. Ohjelmistoradioista toinen toimii lähettimenä ja toinen vastaanottimena. Ohjelmistoradioita käyttämällä lähetettyyn signaaliin saadaan aidon etenemistien ja kohinan vaikutus. Ohjelmistoradioiden ohjelmisto on toteutettu LabVIEW-ohjelmakoodilla, jonka ansiosta mittaustuloksia pystytään visualisoimaan reaaliajassa. Tässä ohjelmakoodissa toteutettu mittausjärjestelmä toteuttaa multipleksausta nollaan pakottavalla vastaanottimella.

Mittausjärjestelmän LabVIEW-ohjelmakoodi rakentuu erillisistä lohkoista, jotka vastaavat digitaalisen kommunikaatiolinkin lohkoja. Moniantennitekniikoiden kannalta tärkeimpänä toimii lähettimen ja vastaanottimen MIMO-OFDM-lohko. Lähettimessä signaaliin lisätään opetusdata ja synkronointisekvenssi. Vastaanottimen vastaavassa lohkossa sama opetusdata tunnetaan, jolloin kanavan vaikutus voidaan estimoida vastaanotetun signaalin avulla. Estimoidun kanavatiedon avulla näytteistä demoduloidaan kaksi erillistä bittivirtaa. Vertailun vuoksi tässä työssä esitetty MIMO-mittausjärjestelmä on asetettu toimimaan myös yksittäisen lähetin- ja vastaanottoantennin tilanteessa. Tällöin kyseessä on tavallinen OFDM-järjestelmä. Mittausjärjestelmään on tässä työssä toteutettu laskurit signaali-kohinasuhdetta ja symbolivirhesuhteita varten.

Mittaustuloksista havaitaan, että käyttämällä kahta antennia kummassakin päässä saadaan pienempiä virhesuhteita samalla kokonaislähetysteholla, kun verrataan vastaavaa yhden antennin järjestelmää. Tuloksista nähdään myös, miten antenniväli, esteet sekä etenemisteiden erilaisuus vaikuttavat heikentävästi vastaanotetun signaalin laatuun. Voidaan myös todeta bittinopeuden kaksinkertaistuminen, kun signaalit saadaan onnistuneesti eroteltua toisistaan.