1

Tråd: Bra om MIMO, diversitet och multipath

Den länkade artikeln är det bästa jag sett i ämnet varför jag klistrar den. Eventuella kommentarer kan ges i nya trådar som länkar till denna.

http://www.google.co.uk/url?sa=t&rc … l2X9SHzjVg

Det finns en besvärande oklarhet. Det framgår av detta och andra dokument att då signalförhållandena så medger, separat dataströmmar (kallas layers) kan sändas över vardera sändarantennerna vilket är innebörden av MIMO. I mottagaren tas strömmarna R0 och R1 som sänts över basstationsantennerna Tx0 och Tx1 in av mottagarantennerna Rx0 och Rx1. Mottagaren kan skilja på dataströmmarna genom att referenssignalerna i vardera dataströmmen är olika.

När signal/brusförhållandena inte räcker för MIMO kan överföringen ändå förbättras genom att den enda dataström som sänds via de båda antennerna kommer fram på olia vägar och vid spridda tidpunkter vilket ger både spatial och temporal diversitet. Detta kan då utnyttjas för att rekonstruera dataströmmen. Men skiljer det fortfarande i referenssymbolerna för dataströmmen i den mån den sänds över den ena eller andra sändarnantennen? Utan referenssymboler kan mottagaren inte skilja på om en signal kommer från Tx0 som är vinklad si och Tx1 som är vinklad så.

Bilden nedan visar signalnivåer i routern AVM6840. Fyra värden för RSRP visas för de 2x2 möjliga kombinationerna av Tx och Rx. Men tekniken är här open loop MIMO (framgår av annan routersida) vilket inte innebär dubbla dataströmmar. För RSRQ visas bara två värden, nämligen de som ges för den dataström som sänds över Tx0, mottagen över endera av de båda mottagarantennerna. Bilden ger intryck av att mottagaren kan skilja på signalerna över de båda sändarantennerna eftersom RSRP visas för alla. Varför ges då inte RSRQ för signalen över Tx1?

Det här är intressant för den som vill försöka optimera mottagningen separat för två antennerer som vinklats 90 grader i förhållande till varandra. Vardera antennen syftar då till att ta emot signal från respektive sändarantenn i samma polarisationsplan. Vilket signalvärde är relevant?

Förutom RSRP är möjligen signal/interferens/brus-förhållandet intressantare än RSRQ:

Why is the CINR the relevant value to assess the channel quality, and not RSRQ?

Ur ínfo om scanner för mätning av LTE NÄT:

According to 3GPP RSRQ is defined as:

Reference Signal Received Quality (RSRQ) is defined as the ratio N×RSRP/(E-UTRA carrier RSSI), where N is the number of RB’s of the E-UTRA carrier RSSI measurement bandwidth. The measurements in the numerator and denominator shall be made over the same set of resource blocks.
This definition shows, that RSRQ depends on the data traffic in the observed cell. In practice however in absence of intersymbol interference, the quality of the channel and the ability of the receiver to decode the data does not depend on the data traffic from the own cell, but the data traffic from neighboring cells, causing interference.
As an example let’s consider an eNodeB without neighbors, so without intercell interference. According to our calculations in the previous section the RSRQ in the cell without data traffic will be -6.02dB, while with data traffic increasing it will decrease down to -10.79 dB. So RSRQ shows a 4.8 dB variation although the actual capability of the receiver to decode the data has not changed.
Therefore RSRQ does not help to assess the channel quality.
CINR however provides an objective reference of the channel quality: the scanner decodes the signal, separates noise and interference (both intercell and intersymbol), and provides an accurate CINR value, independent of the traffic in the observed cell. The CINR value is an objective criteria to assess the channel quality

Kontentan är att RSRQ försämras med ökande trafik i den egna cellen vilket vi inte kan göra något åt. Däremot mäter inte RSRQ graden av interferens från andra celler. Den interferensen kan påverkas med riktantenner. CINR visas bara i mätutrustning för LTE. Men SINR som visas i AVM6840 omfattar också interferens och brus och bör därför vara användbart som substitut för CINR. Notera att SINR är ett positivt värde som stiger ju bättre signalen hörd över interferens och brus. Men i bilden nedan är det osäkert om värdena är sanna eftersom de bara kan uppmätas om olika referenssymboler skickas över de två sändarantennerna.

Inlägget redigeras när ökad klarhet vunnits.


http://i.imgur.com/QtWiS.png

den här patentansökan innehåller beskrivning av hur referenssignalerna i blocken r0 och R1 relaterar till sändarnantennerna Tx0 och Tx1

http://www.faqs.org/patents/app/20120099632

[0011] According to ETSI TS 136 214 V8.7.0, section 5.1.1, "Reference signal received power (RSRP) is defined as the linear average over the power contributions (in Watts) of the resource elements that carry cell-specific reference signals within the considered measurement frequency bandwidth. For RSRP determination the cell-specific reference signals R0 according to ETSI TS 136 211 V8.9.0, section 6.10.1 shall be used. If the UE can reliably detect that R1 is available it may use R1 in addition to R0 to determine RSRP." ETSI TS 136 211 V8.9.0, section 6.10.1 defines cell-specific reference symbols as shown in FIG. 2. An eNB may utilize 1, 2, or 4 transmit (Tx) antennas, each sending a certain pattern of cell-specific reference symbols. R0 and R1 represent the mapping of reference symbols in a resource block for a first and second Tx antenna, respectively, such as defined by the cited standard for an eNB using two Tx antennas

Men det är inte helt klart att två skilda dataströmmar är en förutsättning för att R1 ska sändas eller om det räcker med att det finns två sändarantenner. Inte heller, är det klart om RSRQ ska bestämmas för den signal över Tx1 som bär R1 referenssymbolerna. AVM6840 gör det inte.


Enligt LTE standardens krav ska mottagande User equipment ´(dvs router, modem, telefon) klara av att mäta RSRP. RSRQ mm från upp tillo 8 celler i samma frekvensband samtidigt och rapportera resultatet till basstationen inom 200 milliesekunder:

Avsnitt 0016 when no measurement gaps are activated, the UE shall be capable of performing RSRP and RSRQ measurements for 8 identified intra-frequency cells, and the UE physical layer shall be capable of reporting measurements to higher layers with the measurement period of 200 ms

Standardens definitioner återfinns genom att googla på:  ETSI TS 136 214 V8.7.0

Edit: Data som sänds över sändarantennerna ges referenssignaler som gör att mottagaren (UE) kan identifiera över vilken av cellens antenner som signalen sänds och mäta Reference signal Received Power, RSRP avseende varje sändarantenn. Det kan gälla en till fyra antenner. Eftersom UE har två antenner blir det dubbla antalet signalvärden. 

http://i.imgur.com/eY8htui.png


Så här ser det ut i AVM6840 real time monitor och spannet mellan starkaste och svagaste RSRP är här ca tio dBm.

http://i.imgur.com/DBlz3bP.png

LTE testare på 4G 2600, 1800, 900, 800 med Fritzbox AVM6840, AVM6842, AVM 6820,  E3276 plus Dovado Tiny, netgear AC785 s, ZTE MF93D, B593, diverse antenner. 3G med Vololink VA 125, Galaxy S4, Nokia lumia 920, Iphone 6 +,Ipad 3. AVM7930 för ADSL

2

Sv: Bra om MIMO, diversitet och multipath

Bygger vidare på denna tekniktråd

Den här länkade uppsatsen är inte lättillgänglig men innehåller väsentlig info som beskriver samband mellan signalnivå och interferens, fr a i utkanten av celler och í gränszoner mellan celler. Intressant är uppgiften att det finns en optimal bandbredd för viss överföringshastighet, ger visst perspektiv åt LTE med 5MHz bandbredd, vanligt i USA och på 900 i Sverige.

Notera att de lägger större vikt vid SINR än vid RSRQ för bedöming av länkkvalitet.  Den enda konsumentutrustning som visar SINR är AVMs LTE routrar som använder Altairchip. Om nu "I", dvs interferens, kan mätas över varje Rx antennport undras varför inte RSSI och RSRQ anges för Tx ant 1, att utreda vidare. Systemet använder bara (medelvärdet av) RSRQ som en av flera parametrar för att kolla när det är dags för cellbyte. Det finns inget behov av RSRQ för alla 2x2 antennkombinationer.

Den intressanta aspekten är LTE i interferensbegränsade situationer, eftersom det så gott som alltid finns flera celler som hörs från samma operatör och på samma band. Det finns ett kraftigt samband mellan den datahastighet en användare kan få tillgång till och belastningen på nätet. Vilket användare av 4G 900 redan vet. I praktiken minskas den användbara cellarean för en given datahastighet. Figurerna 4 och 5 är talande. 

Cellplaneringen måste gå ut på att undvika för stort överlapp mellan celler. Om sektorantennerna vinklas ned för att minska cellarean sjunker signalstyrkan i utkanten men med riktantenner mot basen kan signalstyrkan höjas utan tillskott av interferens från grannceller så länge riktverkan hjälper (detta diskuteras inte eftersom cellplaneringen inte utgår från vad användarna vidtar för åtgärder för att förbättra sin länkkvalitet).

Från sid 8 finns en bra och begriplig genomgång av diversitet kontra Mimo och övertygande resonemang om varför det är bra med två antenner, under förutssättning att de inte fångar upp samma polarisering. Bör studeras av dem som förenklat konstaterar att det är att slänga pengarna i sjön att skaffa en andra antenn.

CQI styr valet av modulationshastighet och med nuvarande kat 3 användaruntrustning kan man uppnå max datahastighet redan utan MIMO, förutsatt att det snabbaste modulationssättet kan användas.

För att styra om sändaren ska slå över från diversitet till MIMO skickar UE PMI (Predcoding matrix index) - och då, om inte tidigare) borde routern visa "closed loop MIMO" vilket jag aldrig sett.

Instick: Här är mer om open versus closed loop MIMO:

http://embedded-computing.com/article-id/?3973

CQi rapportering är inget krav för diversitetssändning som sådan men eftersom CQI styr basstationens moduleringssätt för olika hastigheter så är det viktigt ändå. Facit är alltså att open Loop innebär diversitersmottatning och då bör antennerna skiljas åt ett par våglängder.

S.k. beamforming används inte än. Det kräver fasstyrda stora arrayantenner på basstationen.

Vid 2x2 MIMO är det nödvändigt att sändarantenner och mottagarantenner matchar varandras polarisationsplan och att den ena dataströmmen inte fångas upp av den andra mottagarantennen. Cross polarization isolation är därför viktigt. Om den är 15 dB kan hastigheten dubblas men om isoleringsgraden bara är 10 dB sjunker möjligheten till dubbla snabba dataströmmar kraftigt. Tyvärr lämnar de flesta tillverkare av bl a panelantenner inte uppgift om korspolariseringsisoleringen. Billuiga patchantenner från Kina kan misstänkas ha dåliga värden och om de redovisas kan de vara bluff.

Enligt artikeln är det sällan som två åtskilda dataströmmar kan sändas med högsta fart i båda. I praktiken blir farten ofta lägre i den andra subkanalen (varför den då inte blir lägre i båda står inte klart för mig).
Då är det effektivare att använda diversitet och plocka fram bästa signal ur en enda dataström (varvid man avstår från "channel coding" som alltså innebär att man delat upp dataströmmen på två separata subkanaler över vardera sändarantennen Tx0 och Tx1).

Dual stream transmission (över två subkanaler) är bara möjlig om SINR för den andra subkanalen är tilltäckligt hög. Således inget tal om RSRQ där.

På sid 12 diskuteras kontroll av användarutrutningens sändareffekt. Detta är av intresse för dem som undrar varför en bättre placerad router kan öka DL hastighet men sänka UL. Det finns en optimal signalstyrka från UE sett ut basstationens synpunkt. Bättre SINR i den änden höjer inte upploadfarten men kan göra att angränsande celler  kräver att UE sändarstyrka ska sänkas eftersom störnivån ökar. Det användaren kan försöka är att sätta en en bra antenn på den antennport som har hand om enbart nedladdning och en lite sämre på den som UE sänder på. Systemet strävar att optimera datahastigheten för hela systemet och inte för den enskilde användaren.

http://www.eceltd.com/lte_rf_wp_2010Feb23.pdf

Nedanstående bild visar realtidsmonitorn i AVM6840. Man ser tydligt att SINR och RSRQ inte samvarierar. Därför borde SINR användas för att maxa antennriktning sedan man hittat bra läge med RSRP. Desstutom ges inte RSRQ för de signaler som kommer från den andra sändarantennen Tx1. Fast allra bäst är nog att kolla SINR under olika tider på dygnet och sedan rikta antennerna med högsta datagenomströmning på DL respektive UL som kriterium - detta med hjälp av DU-meters realtidsgraf. Tack till Sam som påpekat detta.

http://i.imgur.com/Y4tfRGw.png

LTE testare på 4G 2600, 1800, 900, 800 med Fritzbox AVM6840, AVM6842, AVM 6820,  E3276 plus Dovado Tiny, netgear AC785 s, ZTE MF93D, B593, diverse antenner. 3G med Vololink VA 125, Galaxy S4, Nokia lumia 920, Iphone 6 +,Ipad 3. AVM7930 för ADSL

3

Sv: Bra om MIMO, diversitet och multipath

en til bra artikel om de olika Mimo varianterna

http://www.tsiwireless.com/docs/whitepa … %20LTE.PDF

den här bilden åskådliggör hur dubbla och separerade antenner med låg inbördes korrelation kan fördubbla farten under förutsättning att polarisationsplanen är olika och att det inte är direktsikt till basstationen. Den korrelation som bildtexten avser är korrelationen mellan sändarantenner och mottagarantenner. MiMo med dubbla datatströmmar (Rank 2 or two physical layers vilket är fikonspråk för dubbla separate dataströmmar) och fördubblad fart over enkel dataström förutsätter "spatial multiplexing" vilket kan uppnås genom att de utsända signalerna når mottagaren som multipath med viss tidsfördröjning och rätt stor spridningsvinkel (angular spread) in till routerantennerna.

http://i.imgur.com/awxBQS7.jpg

I princip fordras reflexrik stadsmiljö för att spatial multiplexing ska fungera och eftersom användarenheten hela tiden underrättar basen om hur signalen tas emot meddelst Closed Loop för optimering av kodning och modulation så är det viktigt att användaren inte rör sig för fort (annars blir kodningsinformationen inaktuell). Vidare krävs bra signal i förhållande till interferens och brus (SINR ska vara högt). Här blir polariseringsåtskillnad viktig så att antennerna fångar upp varsin sändarantenns signaler.

Vid direktsikt kan spatial multiplexing inte förekomma eftersom den direkta signalen dominerar (korrelationen Mimo in mimo ut blir för hög)  Men vid god SINR kan snabbaste modulation användas och farten bli hög ändå.

Altt det hä missas om man har dåliga antenner eller bara en antenn.

LTE testare på 4G 2600, 1800, 900, 800 med Fritzbox AVM6840, AVM6842, AVM 6820,  E3276 plus Dovado Tiny, netgear AC785 s, ZTE MF93D, B593, diverse antenner. 3G med Vololink VA 125, Galaxy S4, Nokia lumia 920, Iphone 6 +,Ipad 3. AVM7930 för ADSL

4

Sv: Bra om MIMO, diversitet och multipath

Den här länkade artikeln från Agilent går in på hur möjligheten till MIMO med dubbla dataströmmar påverkas av korrelationen mellan signalerna från de två sändarantennerna till de två mottagarantennerna. SIgnalbrusförhållande är mycket viktigt, men möjligheten till Mimo försämras om signalseparationen är dålig vilket visas av Condition Number, vilket är en parameter som kan mätas i testutrustning. Det hela blir lite lurigt. Man kan få högt SINR med två antenner med högt gain, men om båda har samma polarisation eller är dåligt åtskilda försämras CN och möjligheten till viss mimofunktion kan bara uppnås genom ytterligare höjning av SINR.
De faktorer som pajar MiMo är hög interferens, dålig polariseringsåtskillnad, överhörning mellan i och för sig olika polariserade antenner på sändar- och mottagarsidan (otillräckligt avstånd t ex mellan poynting logperiodiska antenner) samt slutligen otillräcklig vinkelspridning. Med angular spread avses egentligen delay spread eftersom mottagaren inte kan veta från vilken riktning dignalen kom. Om den utsända signalen splittras upp i olika reflekterade signaler nära masten kan de nå mottagaren inom en snäv vinkel men ändå med tillräcklig delay spread (olika ankomsttider) för att medge Mimo genom spatial multiplexing. Spridningen hjälper mottagaren att skilja på signalerna från respektive sändarantenn.

http://cp.literature.agilent.com/litweb … 4759EN.pdf

Det går inte att få fram något mätvärde som visar CN ur de chipsets som används i konsumentutrustning så vitt jag sett hittills. Vad man gör är att rigga upp mätutrustning så att man kan se hur LTE mottagaren klarar olika nivåer av SINR och varierande condition Number.

En indirekt hint fås om man kan se att SINR delas så att det går upp för den antenn som är rätt polariserad och ned för den som är "fel". Detta kräver att man får ut SINR för alla fyra kombinationerna av sändarantenner och mottagarantenner, i litteraturen benämnt h00, h01, h10, h11. Informationen finns i alla chipset, även i qualcomm's,  men det går inte att nå den med t ex Android utan man måste gå direkt på chipset med designad firmware, vilket mätspecialisterna gör. AVM är de enda som visar h00-h11.

Gapet mellan t ex h00 och h01 skulle då ge en antydan om graden av uncorrelation beroende på polarisation och överhörning. Däremot förblir delay spread okänd - om man inte lägger ut >300 tkr på en mätscanner för LTE. Så det finns ett dilemma. Kanske har jag i min strävan att öka SINR tagit till en antenn med så hög riktverkan att jag inte får med önskade multipathsignaler som kommer från sidorna.

Å andra sidan bör ökad SINR leda till förbättrad möjlighet att avkoda de signaler som ändå fås in så det är svårt att veta hur avvägningen blir.

Nästa frågeställning blir då hur en högförstärkande antenns riktverkan bör se ut för att både få med multipath och ge högt SINR. Finns det störande andra celler i närheten är det enkelt. Loben bör vara smal i horisontalled för att ta bort de andra cellerna. Men ligger de andra cellerna bakom antennen kan man vilja ha en mycket bred lob i horisontalled och smal i vertikalled, som en vanlig basstationsantenn. De kan t ex ha 65 graders vinkel mellan -3dB punkterna i horisontalled men bara 4 grader i vertikalled och max 21 dBi gain. Reservation för att man multipath underifrån kanske också är viktigt - men dessa borde ge mindre delay spread än de från sidan kommande.

För den som vill ta in signaler från en mast som ligger säg en mil bort är det primära att få bästa möjliga SINR på den direkta signalen, dvs högsta möjliga riktverkan, gärna med parabolantenn. Att få till dubbla dataströmmar är sekundärt. Hög SINR medger högt Channel Quality Index, CQI, meddelat från mottagaren till sändaren och då kan modulationsmetoden stegas upp till den snabbaste som brusnivån medger viljet är snabbt nog även om man bara har diversitymottagning. Men om man ändå har SINR bättre än säg 20 dB kan man börja fundera på bredare antennlob i horisontalplanet. Det är först över de nivåerna separata dataströmmar blir aktuella och det är förmodligen svårt att nå så högt vid stora avstånd eftersom andra celler bortom den man anslutit till bidrar till brusnivån.

Det går att mäta delay spread för inkommande signaler men dessa scanners kostar också flera hundra tusen. Det finns en uppsats från KTH där man mätt CN för att få en uppfattning om möjligheten till mimomottagning på tåg. Använd utrustning var en testscanner från Rhode & Schwartz. Länken visar bara abstract, uppsatsen går inte att få fram.

Den här infon från R&S visar hur mimo kan funka vid svagare signal vid line of sight medan det funkar sämre även om signalen är starkare pga försämrat CN. Dessutom är CN frekvensberoende över det använda bandet (men det kan åtgärdas genom att basstationen skiftar använt frekvensområde).

http://www.rohde-schwarz.be/file_18543/ … E_MIMO.pdf

De värden man skulle vilja ha för bedömning av förhållandena på en given lokalisation är CN, delay spread i graf och RSRP+SINR för h00-h11. Men det får man inte eftersom UE inte räknar ut CN. Då closed loop mimo används rapporteras CQI, Rank index RI och Precoding Matrix indicator PMI. Rank index talar om huruvida mottagaren kan urskilja två separerade dataströmmar och PMI åtekopplar info till sändaren som hjälper denna att förkoda signalerna så att separationen h00-h11 blir bättre, dvs CN närmare 1. Närmare bestämt fördelas dataströmmarna över vardera sändaren så att SINR optimeras för båda. Annars kan SINR vara bra för en dataström och dålig för en annan. PMI anges i ett begränsat antal steg, 16, och att redovisa värdet vore till ring nytta för användaren. Rank Index vore intressant för att veta om flera separata dataströmmar uppnås (egentligen begärs av UE). RI kan vara 1-4, 1 för en dataström och 2 för två separa dataströmmar osv.

http://lteuniversity.com/get_trained/ex … n-lte.aspx

http://highfrequencyelectronics.com/Arc … Becker.pdf

CQI rapporteras t ex i Galaxy S3 men inte i S4. Rank Index eller PMI har jag inte sett visat. AVMs visar om closed loop mimo föreliggeralternativt open loop men det innebär bara att återkoppling av info sker. Det kan förekomma även vid diversity-mottagning.

Här är en länk om closed loop versus open loop

http://highfrequencyelectronics.com/Arc … Becker.pdf

LTE testare på 4G 2600, 1800, 900, 800 med Fritzbox AVM6840, AVM6842, AVM 6820,  E3276 plus Dovado Tiny, netgear AC785 s, ZTE MF93D, B593, diverse antenner. 3G med Vololink VA 125, Galaxy S4, Nokia lumia 920, Iphone 6 +,Ipad 3. AVM7930 för ADSL

5

Sv: Bra om MIMO, diversitet och multipath

Ibland är det bra med korrelerade antenner, ibland inte

http://www.google.co.uk/url?sa=t&rc … 2401,d.ZGU

LTE testare på 4G 2600, 1800, 900, 800 med Fritzbox AVM6840, AVM6842, AVM 6820,  E3276 plus Dovado Tiny, netgear AC785 s, ZTE MF93D, B593, diverse antenner. 3G med Vololink VA 125, Galaxy S4, Nokia lumia 920, Iphone 6 +,Ipad 3. AVM7930 för ADSL