В этой статье не будет дежурных фраз про увеличение спектральной эффективности и уменьшение задержки (latency). Вместо этого я расскажу про развитие технологии OFDM-MIMO и о том, какие идеи двигали это развитие. При этом постараюсь обойтись без формул. Тем не менее, статья написана не совсем в духе “LTE для чайников”, но предполагает наличие у читателя базовых знаний по цифровой обработке сигналов, OFDM и MIMO. 

Примерно к 2005 году разработчикам сотовой связи стало понятно, что MIMO это практический, а не теоретический, путь повышения пропускной способности. Стоит пояснить, что на профессиональном жаргоне MIMO означает возможность передачи нескольких потоков, а не использование множества антенн для создания направленного излучения (beamforming) или использование пространственных свойств радиоканала для повышения надёжности (diversity). То, что MIMO повышает пропускную способность в теории, было известно задолго до 2005 года, но та же теория объясняет, что для этого необходимы, как минимум, два условия: высокое соотношение сигнал/шум и независимость (некоррелированность) каналов между различными парами передающая-приёмная антенна. Противники MIMO, а тогда таких было довольно много, утверждали, что в реальной жизни ни одно из этих условий выполнено не будет, сигнал/шум будет низкий поскольку передавать (или принимать) хотят все и сразу, а каналы будут сильно коррелированы, потому что антенны (на одном устройстве) находятся близко друг к другу. Однако апологеты MIMO, которые, к слову, ныне считаются отцами-основателями, всё больше и больше убеждались в обратном.

Следствием этого стал повышенный интерес к технологии OFDM. Как известно, OFDM позволяет избавиться от свёртки в уравнении, которое описывает связь между переданными символами и принятым сигналом, в результате MIMO становится гораздо проще и нагляднее. Конечно, чтобы это работало, параметры OFDM должны быть подобраны соответствующим образом, но здесь мы не будем углубляться в подробности.

Итак, примерно в 2007 году заинтересованные компании, договорившись между собой, начали разработку нового стандарта связи, который с самого начала (в отличие от предыдущих стандартов) предполагал использование MIMO и был основан на OFDM. Этот новый стандарт получил название LTE.

Первым делом появилась концепция антенного порта, которая освободила приёмник от необходимости знать как устроена антенная решётка на передатчике и сколько там физических антенн. Антенный порт совсем не обязательно является физической антенной, а определён опорным сигналом (Reference Signal, сокращённо RS). Например, если один RS передаётся с двух физических антенн, то эти две физические антенны являются одним портом. И наоборот, если два разных RS передаются с одной физической антенны, то эта одна антенна представляет собой два антенных порта.

Во времена рождения LTE два порта было уже много, а четыре – очень много. Поэтому первые версии стандарта поддерживали один, два или четыре порта. Эти порты определялись так называемыми CRS (Common, они же Cell-Specific RS). Общими они были названы потому, что любое приёмное устройство может их идентифицировать в результате выполнения начальной синхронизации. На CRS были основаны шесть (из семи в первой версии LTE) различных режимов передачи (Transmission Mode, TM). Каждая TM имеет как длинное название, так и, для краткости, номер, TM1, TM2 и т. д.

ТМ1 это режим передачи с одного порта. Базовых станций, использующих этот режим, в природе не существует, ну или почти не существует.

TM2 это небезызвестная схема Аламути. О ней стоит рассказать чуть подробнее. Оригинальная статья Аламути, 1998, если не ошибаюсь, года была написана очень простым языком: если передавать вот так, и применить довольно примитивный метод приёма, получим улучшение в 3 дБ, т.е. в два раза. Схема вызвала огромный интерес, и за неё взялись корифеи (сам Аламути в те времена таковым не являлся). Одной из проблем схемы было то, что она определена для двух передающих антенн, а очень хотелось обобщить её на большее их количество. Все эти попытки закончились тем, что один из авторитетов строго доказал, что подобной схемы с размерностью больше чем два не существует. Поэтому в LTE для случая четырёх портов схема была применена в комбинации с FSTD (Frequency Shift Transmit Diversity), что представляет собой попеременное выключение поднесущих, передаваемых с определённых портов. Отметим также, что схема Аламути не является MIMO в том смысле, о котором я говорил выше, поскольку предполагает передачу только одного потока.

Прежде чем описывать следующие TM, необходимо рассказать ещё об одном принципе. Дело в том, что для эффективной работы MIMO, кроме двух уже упомянутых условий, необходимо ещё знание пространственных свойств канала на передатчике (базовой станции). Строго говоря, эти знания есть только на приёмнике. Нужно передать их на другой конец в как можно более компактном виде. Для этого в LTE был разработан механизм CSI (Channel State Information). Хорошо работающий CSI очень важен, например одной из причин, по которым в своё время не взлетел WiMAX, была плохая, если не сказать никакая, продуманность этого механизма. Принцип CSI можно пояснить следующим рисунком:

UE (User Equipment или, попросту телефон) сначала оценивает канал используя RS, а затем передаёт его пространственные характеристики в формате, определённом стандартом. Эта посылка называется CSI Report. В начальных версиях стандарта CSI Report состоял из максимум трёх чисел. Это CQI (Channel Quality Indicator), RI (Rank Indicator) и PMI (Precoding Matrix Indicator). CQI можно рассматривать как соотношение сигнал/шум, которое приёмник телефона может обеспечить. Это соотношение зависит не только от качества канала между передающими и приёмными антеннами, но и от многих других факторов, таких как число приёмных антенн, качество аналоговых цепей, и алгоритм приёма, реализованный в телефоне. Понятно, что телефоны разных производителей, и даже из разных продуктовых линеек одного производителя, будут выдавать существенно разный CQI. Таким образом, CQI в CSI Report присутствует всегда, в отличие от двух других полей, которые нужны только в режимах MIMO. RI это число пространственных потоков которые приёмник может разделить. Так же, как и CQI, RI сильно зависит от алгоритма приёмника. PMI определяет прекодер, который, по мнению UE, должна применить базовая станция. Прекодер это матрица преобразования передаваемых символов в антенные порты, размер этой матрицы – число портов на RI. Набор прекодеров фиксирован стандартом и называется кодовой книгой, а PMI это один или несколько индексов, определяющих выбор прекодера из кодовой книги.

Немного разобравшись с CSI, можно продолжить разговор о режимах передачи.

TM3 это так называемый Open Loop MIMO. Open Loop он потому, что для него не нужен PMI. Прекодер определяется рангом (RI) и устроен так, что искусственно создаёт частотную селективность, различную для разных пространственных потоков. Несколько лет с момента развёртывания LTE сетей, этот режим, благодаря своей простоте, был самым часто используемым MIMO режимом.

TM4 – Closed Loop MIMO. Как нетрудно догадаться из предыдущего описания, Closed Loop означает наличие PMI, т.е. эффективный MIMO канал, с которым предстоит работать приёмнику (телефону), определяет (точнее рекомендует) сам приёмник. В процессе эволюции коммерческих сетей LTE, этот режим обошёл TM3 по востребованности, поскольку способен обеспечивать большие скорости передачи данных.

TM5 – то же самое что TM4, но разные потоки предназначаются разным UE. Это так называемое MU-MIMO, MU означает Multi User. Предыдущие MIMO режимы, таким образом, можно назвать SU (Single User) MIMO. TM5 может работать только в идеализированных условиях, поэтому на практике не используется. Скорее, он был нужен разработчикам LTE просто чтобы задекларировать поддержку MU-MIMO.

TM6 – снова то же самое что TM4, но с ограничением в один пространственный поток. Честно говоря, никто не понял зачем разработчики сделали этот режим как отдельный, такая же как в TM6 функциональность может быть обеспечена TM4.

Следующий, и последний в первой версии LTE, режим TM7 основан на другом типе RS, так называемых UERS. UE здесь означает UE-specific. Разработан этот режим был в основном для того, чтобы поддержать уже появившиеся к тому времени базовые станции с восемью портами. Как видно, уже тогда разработчикам стало понятно, что путь использования CRS – тупиковый, поскольку не масштабируется на большее количество портов. Уже при четырёх CRS портах, расходы на CRS, т.е. занятые ими ресурсы, превышают 20% от общего числа ресурсов, и дальнейшее увеличение этих расходов было бы расточительством. UERS, в отличие от CRS, появляются только там, где есть данные. Например, если полоса системы составляет 10 МГц, а передача данных для определённого телефона осуществляется только в кусочке этой полосы, например 3 МГц, то UERS будут находится только в этом кусочке 3 МГц. Другим преимуществом UERS является то, что они прекодируются так же, как данные. В предыдущих режимах канал для демодуляции данных состоял из двух компонент: канала, соответствующего CRS, и прекодера. Теперь, при использовании UERS, телефон сразу оценивает комбинацию этих двух компонент. Причём портов на базовой станции может быть сколь угодно много, на вычислительную сложность демодулятора это никак не повлияет. Но есть и проблема: откуда же базовая станция узнает какой применить прекодер? Узнать это она может только если восходящий (UpLink, UL) и нисходящий (DownLink, DL) каналы одинаковые, по крайней мере по пространственным свойствам. Это возможно только в TDD (Time Division Duplexing), т.е. когда UL и DL находятся на одной частоте. Таким образом TM7 была разработана только для TDD, хотя в стандарте, конечно же, никаких явных указаний на это нет. Ещё одна проблема TM7 это: как (делая какие предположения) телефон должен вычислять CQI? В предыдущих режимах UE делал это зная обе компоненты (CRS канал и прекодер), теперь прекодер неизвестен. Было решено, что CQI должен вычисляться как для TM2, хотя реальное качество канала при применении TM7 должно оказываться гораздо лучше. Это означает, что на базовой станции должен быть механизм, способный оценить эту разницу. Вследствие всех этих проблем, в ТМ7 с самого начала закладывалась возможность поддержки только одного потока.

Во второй версии LTE, это был 3GPP Release-9, появилась TM8 – обобщение TM7 для MIMO. TM8 унаследовала оба недостатка TM7: возможность работы только в TDD и несоответствие CSI условиям которые возникнут при передаче данных. Тем не менее, TM8 стал первым режимом поддерживающим и SU- и MU- MIMO (с возможностью переключения межу ними “на лету”), широко применённым на практике. Это стало возможным благодаря, в первую очередь, улучшенной конструкции UERS, которая позволяла быстро, т.е. без переключения TM, менять число портов, а в случае MU позволяла UE детектировать MU интерференцию и более-менее эффективно с ней бороться.

Тем временем число портов на базовой станции продолжало расти, и этот факт необходимо было использовать не только в TDD, но и в FDD (Frequency Division Duplexing). Для этого пришлось определить ещё один новый тип RS, который был назван CSI-RS. Как следует из названия, эти RS предназначены для вычисления CSI. Как и UERS в TM7/8, CSI-RS были определены как UE-Specific. В связи с этим термин UERS был заменён на DMRS (DeModulation RS). Появился новый режим TM9, основанный на CSI-RS и DMRS. Этот режим избавился от проблем TM7/8, в то же время унаследовав их преимущества. Это произошло в Release-10, который получил метку LTE-Advanced (сокращённо LTE-A).

Наконец последний режим передачи, TM10, также известный как CoMP (Coordinative Multi-Point),  был предназначен для облегчения борьбы с межсотовой интерференцией. Все предыдущие режимы были сфокусированы на внутри-сотовой интерференции, а интерференция из соседних сот рассматривалась как неизбежное зло. Конечно, вопросам “усреднения” этой последней уделялось внимание, но и только то. Теперь же появился ещё один новый тип RS, - CSI-IM. Выглядели они точно так же, как CSI-RS, но предназначались для измерения не полезного сигнала, а интерференции (IM в названии означает Interference Measurement). Вместе с этим появилась и концепция CSI процесса. Концепция эта заключалась в том, что телефону может быть назначено несколько пар CSI-RS и CSI-IM, по каждой из которых он должен слать отдельный CSI Report. Каждая такая пара, вместе с конфигурацией CSI Report, и есть CSI процесс. Это позволяло сети определить с какой из базовых станций в данный момент лучше передавать данные, и какая из них при этом будет создавать наиболее сильную интерференцию. Изначально также планировалась возможность передавать данные одному UE сразу с нескольких базовых станций. Эта функциональность является наиболее заманчивой, поскольку позволяет превратить интерференцию в полезный сигнал и таким образом сильно облегчить жизнь телефону. Однако такая совместная передача не была реализована по нескольким причинам. Главной из них было то, что задачу приёма с нескольких базовых станций сильно усложняло наличие CRS у каждой из них. Требовались продвинутые алгоритмы и, соответственно, высокая вычислительная сложность. Такие алгоритмы были реализованы некоторыми производителями, но это, конечно же, существенно сказалось на цене. В результате, TM10 не получила широкого распространения на практике, хотя статей и диссертаций на тему CoMP было написано великое множество.

Подводя итог, можно сказать что самым популярным MIMO режимом в системах LTE стал TM4, а в системах с поддержкой LTE-A – TM9.

Дальнейшее развитие LTE/LTE-A было нацелено, в первую очередь, на улучшение функциональности MU-MIMO. Вопрос с SU-MIMO был более-менее закрыт, поскольку в телефон, просто в силу его размеров, нельзя засунуть больше четырёх антенн (цифровых портов). Напротив, число портов на базовой станции всё ещё можно продолжать увеличивать. Так в LTE Release-13 CSI появилась поддержка двумерных антенных решёток (все предыдущие версии подразумевали линейные решётки). Также появились абстракции управления «лучами», формируемыми большими антенными решётками. Эта версия LTE получила метку LTE-Advanced Pro. В LTE Release-14 появились гораздо более сложная кодовая книга, позволяющая базовой станции лучше предсказывать MU интерференцию. Все эти изменения отразились, в основном, на формате и механизмах CSI. Конечно, изменялись и другие разделы стандарта, и некоторые из них – довольно сильно, но CSI, наверное, претерпел наиболее бурное развитие. Тем не менее, эволюция CSI продолжается и по сей день, уже в стандарте NR.

Как раз к появлению Release-14 всем стало понятно, что ограничения, налагаемые первыми версиями, блокируют дальнейшее развитие. Как мы видели, MIMO превратилось в M-MIMO (Massive-MIMO, т.е. MIMO c большим количеством портов), при этом стандарт обязан был сохранять обратную совместимость, т.е. поддерживать устройства Release-8, которые знать ничего не знают ни про какие UERS, CSI-RS и DMRS. Тогда было принято решение пожертвовать этой обратной совместимостью, т.е. создать новый стандарт. Этот новый стандарт получил название NR (New Radio) и метку 5G.

Как LTE c самого начала предполагал поддержку MIMO, так NR c самого начала предполагал поддержку M-MIMO. Так же как LTE, NR использовал OFDM, поскольку ничего лучше не придумали (да и не предвидится). Это означало, что многие концепции LTE можно переиспользовать, что и было сделано. Наиболее удачными из них, в контексте M-MIMO, были, как мы видели, CSI-RS и DMRS. Эти сигналы и стали основой физического уровня NR. Отпала необходимость поддержки аж десяти режимов передачи, вместо них в NR определён один единственный, по сути он является тем, что в LTE называлось TM9. Ну или TM10, как уже сказано он отличается от TM9 в основном механизмом CSI. Отпала также необходимость использования CRS, вместе с этим ушли и все проблемы, с ними связанные, т.е. большое количество занимаемых CRS ресурсов и порождаемая ими межсотовая интерференция.

Поддержка M-MIMO также позволила включить в стандарт так называемый миллиметровый диапазон, соответствующий несущим частотам 28 ГГц и выше. «Традиционный» диапазон (всё что ниже 7 ГГц) в стандарте назвали FR1 (FR означает Frequency Range), а миллиметровый – FR2. На таких высоких частотах направленное излучение не просто желательно, а необходимо из-за сильного затухания сигнала при распространении, поскольку длина волны мала. Но это же является и преимуществом. Малая длина волны означает что физические антенны тоже будут небольшими, что позволяет поставить их в телефон много, и, таким образом, делать излучение хорошо направленным. В то же время, появляется проблема надёжности управления «лучом». Поскольку «луч» теперь очень узкий, его стало относительно легко «потерять», а вместе с этим потерять и связь. Для облегчения задачи отслеживания «луча», потребовалось определить в стандарте соответствующие процедуры.

Был существенно переработан механизм CSI. Уже в LTE Release-13, CSI стал очень громоздким и неоправданно сложным, в Release-14 ситуация только усугубилась. В NR механизм CSI сделали куда более понятным и гибким, что сильно улучшило его функциональность. Появились разные типы CSI-RS, не будем их здесь перечислять, думаю, что эта статья и так уже перегружена информацией. Поясним только, что эти разные типы CSI-RS можно рассматривать как сигналы для измерения различных свойств канала, например медленно и быстро меняющихся.

В дополнение к старым, тем что использовались в LTE, появились новые параметры OFDM, в первую очередь для поддержки миллиметрового диапазона. Как нетрудно догадаться, свойства канала там существенно отличаются от тех, что имеются в FR1 (7 ГГц и ниже), следовательно нужны и другие параметры. Набор этих параметров тоже сделали гибким, что позволило в обоих диапазонах лучше адаптировать радиосети к таким условиям как размер соты и мобильность пользователей.

Очень коротко перечислим и некоторые другие нововведения. В восходящем канале, снова в дополнение к использовавшемуся в LTE SC-OFDM (SC означает Single Carrier, по-другому этот формат ещё называют DFT-s-OFDM, DFT-s это DFT-spread), появился и обычный OFDM, такой же как в нисходящем канале. Для лучшего различия с DFT-s-OFDM, обычный OFDM так же называют CP-OFDM (CP - Cyclic Prefix). Помехоустойчивый код был поменян с использовавшегося в LTE турбо-кода на LDPC (Low Density Parity Check). Это изменение тоже можно рассматривать как шаг в сторону большей гибкости и универсальности системы. Некоторые авторы книг по помехоустойчивому кодированию утверждают, что турбо-коды являются всего лишь частным случаем LDPC.

Как видим, при переходе от LTE к NR революции не произошло. В отличие от изменений, произошедших при переходе от 2G (GSM) к 3G (WCDMA), и от 3G к 4G (LTE). Те изменения были действительно революционными, менялись сами принципы, на которых строились радиосети. Сейчас же можно сказать, что NR это хорошо оптимизированная LTE. По-простому, всю плохо работающую функциональность LTE выкинули, а всю хорошо работающую – сделали более гибкой. Да, обратная совместимость потеряна, произошёл ряд существенных изменений, но все они вместе взятые на революцию не тянут. Тем не менее, случилось качественное улучшение, и, наверное, хорошо, что этого улучшения удалось добиться эволюционным путём.

Эволюция не останавливается, на момент написания этой статьи (март 2023) в 3GPP идёт обсуждение Release-18. Среди предлагаемых изменений большая часть по-прежнему направлена на улучшения поддержки MIMO. Так, например, речь идёт о том, чтобы сделать, наконец, возможной одновременную передачу одному UE с нескольких базовых станций, для чего необходим соответствующий CSI. Кроме того, в Release-18 должно увеличиться максимально возможное число пространственных потоков в MU, т.е. число «непересекающихся» DMRS портов.

На этом, пожалуй, можно закончить. Если будет интерес со стороны читателей, то в следующих статьях я могу подробнее рассказать и про OFDM, и про MIMO, и про RS, и про CSI, да много про что, из того что здесь упомянуто, можно написать отдельную статью. При желании, – даже с формулами и картинками, т.е., соответственно, с более наглядными пояснениями и глубоким анализом.