Wiele wejść i wyjść (MIMO) to system antenowy, który wykorzystuje wiele anten zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej, tworząc wiele kanałów między końcami nadawczymi i odbiorczymi, co znacznie zwiększa przepustowość kanału.
Wiele wejść i wiele wyjść to dość skomplikowana technika dywersyfikacji anteny. Efekty wielościeżkowe będą miały wpływ na jakość sygnału, dlatego tradycyjne systemy antenowe muszą wykazać się dużą pomysłowością, aby wyeliminować efekty wielościeżkowe. Z drugiej strony systemy MIMO wykorzystują efekty wielościeżkowe w celu poprawy jakości komunikacji. W systemie MIMO strona nadawcza i odbiorcza korzystają z wielu anten, które mogą pracować jednocześnie w celu komunikacji. Systemy MIMO zazwyczaj wykorzystują złożone techniki przetwarzania sygnału, aby znacznie zwiększyć niezawodność, zasięg i przepustowość. Korzystając z tych technik, nadajnik wysyła jednocześnie wiele sygnałów o częstotliwości radiowej, a odbiornik odzyskuje dane z tych sygnałów. System komunikacji bezprzewodowej MIMO jest jedną z kluczowych technologii przyszłości systemów komunikacji mobilnej i bezprzewodowej. Oczywistą cechą systemu MIMO jest to, że ma on niezwykle wysoką efektywność wykorzystania widma. W oparciu o pełne wykorzystanie istniejących zasobów widma, zasoby kosmiczne są wykorzystywane w celu uzyskania poprawy niezawodności i efektywności. Koniec ze złożonością przetwarzania.
moduł klucza
1. Modelowanie modelu kanałów systemu MIMO
Wydajność systemu MIMO w dużej mierze zależy od modelu kanału. Chociaż istnieją już ujednolicone modele propagacji sygnału bezprzewodowego i wiele modeli kanałów MIMO zostało opracowanych na podstawie dużej liczby rzeczywistych pomiarów i teoretycznych prac badawczych, nie zostały one jeszcze uznane przez ITU. Uznany znormalizowany model kanału MIMO (3GPP sformułowało standardy modeli kanałów dla MIMO). Dlatego zrozumienie i opanowanie charakterystyki bezprzewodowych kanałów MIMO w środowiskach wewnętrznych i zewnętrznych, ustalenie modeli statycznych i konkretnych modeli dynamicznych kanałów MIMO jest niezbędne do wybrania odpowiednich struktur systemu i zaprojektowania doskonałych algorytmów przetwarzania sygnału w celu wykorzystania potencjalnych ogromnych kanałów systemów MIMO Wydajność i osiągnięcie oczekiwanej wydajności ma kluczowe znaczenie.
2. Pojemność systemu MIMO
W porównaniu z tradycyjnym systemem z jedną anteną, system MIMO uległ znacznej poprawie zarówno pod względem wydajności, jak i szybkości transmisji danych. Najpierw Telestar i Foschini przeprowadzili dogłębną analizę przepustowości kanałów systemu MIMO. Odpowiednio przeanalizowali szum Gaussa. Badania wydajności systemu MIMO w poniższych warunkach pokazują, że przy założeniu niezależności anten od siebie, system wieloantenowy ulega znacznej poprawie w porównaniu z systemem jednoantenowym. W przypadku znajomości charakterystyki transmisji kanału badania Foschiniego pokazują, że: gdy M=N uzyskana przepustowość kanału wzrasta proporcjonalnie do N. Przy tej samej mocy transmisji i szerokości pasma transmisji przepustowość kanału systemu jest około 40 razy większa niż w przypadku systemu z pojedynczym wejściem i pojedynczym wyjściem (SISO).
3. Projekt układu antenowego MIMO
Ogólnie rzecz biorąc, anteny stacji bazowych są montowane wysoko, a rozpraszanie bliskiego pola wokół układu antenowego jest stosunkowo słabe. Dlatego też, aby uzyskać nieskorelowane sygnały na różnych elementach układu, często konieczne jest utrzymanie co najmniej 10-krotności odstępu długości fal pomiędzy elementami układu. W przypadku dużej liczby anten mogą wystąpić przeszkody w budowie szyków liniowych stacji bazowych. W przypadku terminali mobilnych, ze względu na dużą liczbę rozpraszaczy bliskiego pola, ogólnie uważa się, że odległość między elementami anteny jest większa niż 1/2 długości fali, aby korelacja sygnału była wystarczająco słaba. Spolaryzowany układ antenowy może wykorzystywać wzajemnie ortogonalne stany polaryzacji w tym samym położeniu przestrzennym, aby uświadomić sobie oczywistą nieistotność elementów układu, dzięki czemu można stosunkowo zmniejszyć rozmiar układu antenowego.
4. Przetwarzanie sygnałów systemu MIMO
System komunikacji z antenami macierzowymi w zanikającym środowisku jest narażony na zakłócenia międzykanałowe i interferyjne. Aby osiągnąć wydajność systemu wieloantenowego, wymagane są dobre techniki przetwarzania sygnału. Wysokowydajne i mało złożone metody wykrywania sygnałów lub metody wykrywania połączeń zawsze były gorącym tematem dla badaczy.
5. Problem złożoności systemu MIMO
Ponieważ sygnał w systemie MIMO jest rozciągnięty do dwuwymiarowej czasoprzestrzeni w porównaniu z systemem jednoantenowym, złożoność estymacji kanału, wyrównywania kanałów, dekodowania i łączy detekcyjnych będzie rosła wraz z liczbą anten lub zwiększenie rzędu modulacji sygnału. Ilość obliczeń algorytmu będzie miała bezpośredni wpływ na opóźnienie przetwarzania, zużycie energii przez urządzenie i czas czuwania. Jednocześnie w praktycznych zastosowaniach kluczowym czynnikiem ograniczającym systemy MIMO są wysokie koszty związane z wieloma łączami częstotliwości radiowej. Aby zmniejszyć złożoność obliczeniową „oprogramowania”, należy zapewnić prostsze i bardziej efektywne metody przetwarzania sygnału oraz różne schematy kodowania i dekodowania przestrzenno-czasowego dla systemów MIMO. Aby zmniejszyć koszty „sprzętu”, wybór anteny jest technologią bardzo krytyczną, która może znacznie zmniejszyć złożoność przetwarzania i koszty sprzętu, zachowując jednocześnie zalety technologii MIMO, i jest przedmiotem badań mających na celu promowanie praktycznego zastosowania systemów MIMO.
6. Różnorodność i multipleksacja systemów MIMO
Istotą systemu MIMO jest zapewnienie wzmocnienia różnorodności i wzmocnienia multipleksowania. To pierwsze gwarantuje niezawodność transmisji systemu, a to drugie poprawia szybkość transmisji systemu. Większość wczesnej literatury skupiała się na wykorzystaniu różnorodności transmisji i multipleksowania przestrzennego samodzielnie lub w połączeniu z kodowaniem. Badania wykazały, że systemy wieloantenowe mogą jednocześnie zapewniać różnorodność i multipleksację przestrzenną, przy czym istnieje kompromis między nimi. Warto zbadać, jak zmaksymalizować zysk systemu poprzez racjonalne wykorzystanie dwóch trybów różnorodności i multipleksowania w systemach MIMO.
7. (Wielokomórkowy) system MIMO dla wielu użytkowników
Teoretycznie dziedzina pojemności systemu MIMO dla wielu użytkowników została rozwiązana, ale w dalszym ciągu nie jest dobrze rozwiązane, w jaki sposób sprawić, by dziedzina pojemności spełniała wymagania dotyczące szybkości transmisji różnych użytkowników. Ponadto, w kanale nadawczym, ze względu na zakłócenia międzyantenowe i między użytkownikami w systemie MIMO, jak zaprojektować wektor transmisji, aby wyeliminować zakłócenia między użytkownikami w ramach wspólnego kanału, jak zapewnić przepustowość systemu i kontrolę mocy Specyficzna jakość QoS każdego użytkownika, gdy moc jest ograniczona. Problem optymalizacji i powiązane technologie w obecności wielokomórkowych systemów dla wielu użytkowników są nadal w centrum badań.
Podstawowe zasady technologii MIMO
Technologia MIMO odnosi się do wykorzystania wielu anten nadawczych i anten odbiorczych odpowiednio po stronie nadawczej i odbiorczej, dzięki czemu sygnały są przesyłane i odbierane przez wiele anten po stronie nadawczej i odbiorczej, poprawiając w ten sposób jakość komunikacji. Może w pełni wykorzystać zasoby kosmiczne, realizować wielokrotne transmisje i wielokrotne odbiory za pośrednictwem wielu anten i może podwoić przepustowość kanału systemowego bez zwiększania zasobów widma i mocy nadawczej anteny, wykazując oczywiste zalety i jest uważany za technologię mobilną nowej generacji. technologia komunikacji. Istotą technologii MIMO jest zapewnienie systemowi wzmocnienia różnorodności przestrzeni i wzmocnienia multipleksowania przestrzeni.
Strona nadawcza odwzorowuje sygnał danych, który ma być wysłany do wielu anten poprzez mapowanie przestrzenno-czasowe, a koniec odbiorczy wykonuje dekodowanie przestrzenno-czasowe sygnałów odbieranych przez każdą antenę w celu odzyskania sygnału danych wysłanego przez koniec nadawczy. Według różnych metod mapowania czasoprzestrzeni technologię MIMO można z grubsza podzielić na dwie kategorie: różnorodność przestrzeni i multipleksowanie przestrzeni. Różnorodność przestrzenna odnosi się do wykorzystania wielu anten nadawczych do przesyłania sygnałów zawierających tę samą informację różnymi drogami i jednoczesnego otrzymywania w odbiorniku wielu niezależnie zanikających sygnałów tego samego symbolu danych, tak aby uzyskać niezawodność odbioru poprawioną poprzez różnorodność. Na przykład w kanale Rayleigha o powolnym zanikaniu, przy użyciu jednej anteny nadawczej i n anten odbiorczych, transmitowany sygnał przechodzi n różnymi ścieżkami. Jeśli zanik między antenami jest niezależny, maksymalny zysk różnorodności można uzyskać jako n. W przypadku technologii dywersyfikacji transmisji należy również wykorzystać wzmocnienie wielu ścieżek w celu poprawy niezawodności systemu. W systemie z m anten nadawczych i n anten odbiorczych, jeśli wzmocnienia ścieżki między parami anten są niezależne i równomiernie rozłożone zanikanie Rayleigha, maksymalny zysk ze zróżnicowania, jaki można uzyskać, wynosi mn. Obecnie technologie różnorodności przestrzennej powszechnie stosowane w systemach MIMO obejmują głównie kod bloków czasoprzestrzennych (kod bloków czasoprzestrzennych, STBC) i technologie kształtowania wiązki. STBC to ważna forma kodowania oparta na różnorodności transmisji, z których najbardziej podstawowym jest schemat Alamouti zaprojektowany dla dwóch anten.
Najważniejszą częścią metody STBC jest zapewnienie, aby wektory sygnału, które mają być transmitowane przez wiele anten, były względem siebie ortogonalne. Zastosowanie technologii STBC pozwala uzyskać efekt pełnej dywersyfikacji, czyli w przypadku zastosowania technologii STBC w systemie z M anten nadawczych i N odbiorczych maksymalny zysk dywersyfikacji wynosi MN. Technologia kształtowania wiązki polega na wysyłaniu tych samych danych przez różne anteny nadawcze w celu utworzenia ukształtowanych wiązek skierowanych do określonych użytkowników, co skutecznie poprawia zysk anteny. Aby zmaksymalizować siłę sygnału wiązki skierowanej do użytkownika, technologia kształtowania wiązki zwykle wymaga obliczenia fazy i mocy danych przesyłanych na każdej antenie nadawczej, co nazywa się również wektorem kształtowania wiązki. Typowe metody obliczania wektorów kształtowania wiązki obejmują wektor maksymalnej wartości własnej, algorytm MUSIC itp. Maksymalne wzmocnienie różnorodności transmisji, które można uzyskać dzięki zastosowaniu technologii kształtowania wiązki dla anten nadawczych M, wynosi M. Technologia multipleksowania przestrzennego polega na dzieleniu danych do przesłania na kilka danych strumienie, a następnie przesyłać je na różnych antenach, zwiększając w ten sposób szybkość transmisji systemu. Powszechnie stosowaną metodą multipleksowania przestrzennego jest zaproponowany przez firmę Bell Laboratories pionowy warstwowy kod czasoprzestrzenny, czyli technologia V-BLAST.
