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Antenne attive e Beamforming

Lavoro nel settore TLC nel mondo dell'accesso radio mobile.

Da qualche anno con il 5G affronto questo tema che è centrale per lo sviluppo delle reti, con tutte le tematiche che ne conseguono, prima fra tutte la questione dell'esposizione ai campi EM.

Il tema è variegato e lo vedo pià dal punto di vista pratico che da quello matematico (mi sono laureato in Ing. El. oltre 25 anni fa).

Per chi vuol partecipare e condividere informazioni ed idee.

Grazie

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Alefcladigi88

Sicuramente l'argomento è di grande interesse 🙂 Hai dato una occhiata alla sezione del mio libro dove accenno alla questione, infilata nel capitolo sul MIMO? Probabilmente un tuo contributo di taglio divulgativo e non troppo analitico come il mio darebbe un bellissimo punto di vista! 

Un argomento che mi piace e interessa tantissimo... Sebbene, per lavoro, stia sulle reti IP che, a loro volta, stanno sui cavi sottomarini... la mia specializzazione è elettronica delle radiofrequenze... e amo veramente il mondo delle antenne, dei campi e della compatibilità elettromagnetica in generale. @sdellapenna se inizi a scrivere qualcosa, mi associo con piacere

Ciao, ho molte cose, tra cui 1 libro veramente ben fatto x cui ho chiesto alla mia azienda l'acquisto circa un paio di anni fa. Si tratta di "Avanced antenna systems for 5G network deployments", consigliatissimo anche se costa parecchio. Appena riesco con il lavoro metto un occhio sulla sezione mMIMO del libro di ALEF e recupero mie slide...tieni conto che ci sono informazioni che potrebbero essere riservate, perchè dei Vendor, per cui devo stare un po' (un bel po') attento

Alef and cladigi88 have reacted to this post.
Alefcladigi88

Allora... ho fatto le mie indagini, e.... le tue slide sono forse queste? Complimenti! Il capitolo del MIMO nel mio libro l'ho scritto in perfetta solitudine, non insegno quelle cose, e neanche lavoro per una azienda di TLC! ...eppure, sentivo che dovevo capirci qualcosa, ed ho faticato non poco per riuscire a mettere ordine nelle cose, esattamente a causa delle tante cose che si trovano in rete, ma tutte che danno per scontate tante altre cose. Ma di sicuro, un contributo da parte di chi con queste cose lavora, può essere prezioso!

Quelle slide fanno parte di una tesina per l'esame di "Reti mobili e multimediali"  a La Sapienza, corso del prof. Roveri di Ing. delle TLC al quale mi ero iscritto olte 10 anni fa per conseguire una seconda Laurea. Putroppo, per problemi di tempo dopo 3 esami ho dovuto abbandonare, non riuscendo a conciliare esigenze in famiglia ed a lavoro. Tuttavia, se non ricordo male, quelle sliede sono al netto delle tecniche di Massive MIMO (mMIMO) e riguardano la possibilità di trasmettere più streams di dati utilizzando "canali RF" più o meno scorrelati per ottenere un gain in diversity. A seconda del grado di correlazione si passa dalla "Transmit diversity" (alta correlazione) per "irrobustire" la ricezione (in sostanza, stesso stream di dati, ma differenti canali RF => miglior SINR e BLER) alla "Spatial diversity" (bassa correlazione) che, invece, permette un consistente incremento del trhoughput (stream dati differenti , in parellelo su canali RF distinti). Ma sul 5G ci sono le antenne attive e ci sono tanti dipoli (raggruppati nei cosidetti sub-array) che costruiscono dei diagrammi di TX (ed RX, perchè il beamforming è bidirezionale) che amplificano il concetto della "Spatial diversity" attraverso la creazione di canali RF su cui viene polarizzata maggiormente la potenza in TX (o in RX): il cosiddetto beamforming, che ha anche il pregio di ridurre le interferenze tra le direttrici di propagazione.

Dai ottimo! E' l'occasione buona per aprire un altro filone tematico di divulgazione! 

 

P.S.: @sdellapenna, nota di "folklore": lavoravamo (tu già non più da qualche mese...  io forse entro fine anno, chissà...) per la stessa azienda "madre"... 

Cita da sdellapenna su 14 Ottobre 2024, 9:55 ...la possibilità di trasmettere più streams di dati utilizzando "canali RF" più o meno scorrelati per ottenere un gain in diversity. A seconda del grado di correlazione si passa dalla "Transmit diversity" [...] alla "Spatial diversity" [...]
 
Caro Stefano,
ne convengo che è difficile entrare nei dettagli esplicativi nel riquadro di un messaggio del forum. Spesso il tradeoff tra diversità, multiplazione e beamforming (precoding) viene preso in blocco, ma ognuno di questi aspetti, per essere compreso, va affrontato isolatamente, e poi solo alla fine rimescolati - almeno, questa è stata la mia esperienza  🙂
 
Cita da sdellapenna su 14 Ottobre 2024, 9:55 ... Ma sul 5G ci sono le antenne attive [...] il cosiddetto beamforming...

Da parte mia ho studiato la questione al di fuori dalle architetture adottate dalle generazioni di reti radiomobili, poi mi è chiaro che invece chi ha a che fare con gli apparati, tenda ad attribuire questa o quella feature alla tecnologia, piuttosto che ad accademia e R&D.

Tra l'altro però il beamforming vorrebbe avere il collegamento in visibilità, ma (cito dalla mia intro) "nel caso di fading di Rayleigh ovvero di prevalenza dei cammini riflessi tale approccio perde di applicabilità, ma lo stesso termine è usato per intendere anche la tecnica del... Precoding" - a dir poco entusiasmante questo video https://youtu.be/XBb481RNqGw

In tutti i modi un testo free molto valido in cui mi sono imbattuto, viene citato nel post del blog in cui annunciai il capitolo sul MIMO, ed è

Emil Björnson, Jakob Hoydis and Luca Sanguinetti (2017), “Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency”, Foundations and Trends® in Signal Processing: Vol. 11, No. 3-4, pp 154–655. DOI: 10.1561/2000000093, Link: https://massivemimobook.com/wp/free-pdf/

cladigi88 ha reagito a questo messaggio.
cladigi88

Se @sdellapenna dovesse decidersi per aprire un filone editoriale sul tema, sono a disposizione per eventuale (se ben accetta dall'autore, chiaramente) collaborazione.

Ho iniziato a leggere la sesione che riguarda Beamforming (BF da ora in poi) e MU-MIMO, ma devo completarla. Tuttavia, nella sez. 21.6 su MU-MIMO, se ho ben interpretato il senso, ho letto che viene realizzata "settorializzando" l'array dell'antenna per assegnare le varie "parti" agli n UEs. In realtà la tecnica del MU-MIMO non viene implementata in questo modo: vengono sempre utilizzati tutti gli elementi di antenna per trasmissione ad ognuno degli n UEs. Una "settorializzazione" comporterebbe una perdita di copertura e direttività. E' il pattern di radiazione, sintetizzato attraverso un precoder che il gNb implementa tenendo conto di diversi fattori (misure dell'UE attraverso il sounding del canale con i CSI-RS o tecnica SRS in UL), che consente un co-scheduling degli UEs (che utilizzeranno gli stessi PRBs) e la trasmisszione dei vari segnali su "direzioni privilegiate" che esaltano il gain del singolo beam e riducono l'interferenza tra beams. In queste condizioni si sfrutta unn MIMO2x2 sulle 2 polarizzazioni del singolo k-esimo beam che serve il k-esimo UE. Complicato trovare 2 beams che contemporanemente servano lo stesso UE, minimizzando l'interferenza con gli altri.

Alef ha reagito a questo messaggio.
Alef

Salve Stefano!

ti ringrazio della osservazione, che mi da modo di rendere più chiaro il mio testo, che procede in modo incrementale, introducendo un concetto alla volta, nella speranza di sfatare il mito che certe cose siano... quasi incomprensibili, solo perché chi vi è più addentro a volte fatica a ragionare come qualcuno che si approccia per la prima volta all'argomento, in effetti complesso ed i cui concetti sono altamente interconnessi.

Come ti dovresti essere accorto se hai proseguito nella lettura, l'uso contemporaneo di tutte le antenne della BS per la trasmissione in downlink verso ciascun UE viene introdotto nella successiva sezione 21.6.1 Precodifica, sia adottando la tecnica dello Zero forcing che quella MMSE, proseguendo con l'introduzione degli argomenti correlati di controllo di potenza, prioritizzazione degli utenti, feedback limitato, quantizzazione del canale (di downlink e del precoder). Per poi illustrare (al 21.7.3) come gli aspetti di stima di canale e relativa trasmissione della CSI all'altro estremo, decadono quando si adotti un time division duplex anziché frequenze differenti per le due direzioni di trasmissione. Ma non so dire dove e quando questo cambio di approccio è avvenuto!

Ora aggiungerò una postilla nella sezione introduttiva: quando si dice dedicando ad ogni diverso terminale mobile UE_k una (o più) differente antenna di trasmissione della BS, aggiungerò (anche tutte!), mentre nel commentare la (21.64) in cui si usa una sola antenna di BS, specificherò che si tratta solo di un esempio per illustrare il concetto di SNIR.

Rimanendo nel contesto degli acronimi, nel tuo messaggio usi i termini gNb, SRS e PRBs, a cui non associo significato. Dal canto mio, ho scritto il capitolo tre anni fa ma non ho mai insegnato tali argomenti, ne intrattengo relazioni con il mondo degli operatori, degli appartati, e degli enti normativi. L'ho fatto perché, trovando in rete solo trattazioni molto specifiche di singoli aspetti (a parte forse i due testi citati nel post relativo), ho voluto cimentarmi nell'ambizioso compito di trovare una scaletta espositiva in grado di metterli tutti in fila.

Confesso che è stato però singolare constatare come nessuno dei miei colleghi, anche se autori di libri (commerciali) sull'argomento, mi abbia mai espresso qualsivoglia opinione su questo mio sforzo. Quindi, grazie di nuovo!

Basato sul lavoro di Thomas Belser