Multiple input multiple output (MIMO) este un sistem de antenă care utilizează mai multe antene atât la capătul de transmisie, cât și la capătul de recepție pentru a forma mai multe canale între capetele de transmisie și de recepție pentru a crește considerabil capacitatea canalului.
Multiple-input multiple-output este o tehnică destul de complicată de diversitate a antenei. Efectele cu mai multe căi vor afecta calitatea semnalului, așa că sistemele tradiționale de antenă trebuie să-și folosească creierul pentru a elimina efectele pe căi multiple. Sistemele MIMO, pe de altă parte, folosesc efecte multipath pentru a îmbunătăți calitatea comunicației. În sistemul MIMO, părțile care transmit și cele care primesc folosesc mai multe antene care pot funcționa simultan pentru a comunica. Sistemele MIMO folosesc de obicei tehnici complexe de procesare a semnalului pentru a îmbunătăți în mod semnificativ fiabilitatea, raza de acțiune și debitul. Folosind aceste tehnici, emițătorul trimite mai multe semnale de frecvență radio simultan, iar receptorul recuperează datele din aceste semnale. Sistemul de comunicații fără fir MIMO este una dintre tehnologiile cheie ale viitoarelor sisteme de comunicații mobile și fără fir. O caracteristică evidentă a sistemului MIMO este că are o eficiență extrem de ridicată de utilizare a spectrului. Pe baza utilizării pe deplin a resurselor de spectru existente, resursele spațiale sunt utilizate pentru a obține câștiguri în fiabilitate și eficacitate. Încheiați complexitatea procesării.
modul cheie
1. Modelarea modelului de canal al sistemului MIMO
Performanța unui sistem MIMO depinde în mare măsură de modelul de canal. Deși există deja modele standardizate de propagare fără fir și multe modele de canale MIMO au fost furnizate pe baza unui număr mare de măsurători reale și a lucrărilor de cercetare teoretică, acestea nu au fost încă recunoscute de ITU. Model de canal MIMO standardizat recunoscut (3GPP a formulat standarde de model de canal pentru MIMO). Prin urmare, înțelegerea și stăpânirea caracteristicilor canalelor MIMO fără fir în medii interioare și exterioare, stabilirea modelelor statice și a modelelor dinamice specifice ale canalelor MIMO, este esențială pentru selectarea structurilor adecvate de sistem și proiectarea unor algoritmi excelenți de procesare a semnalului pentru a realiza potențialele canale uriașe ale sistemelor MIMO. Capacitatea, atingerea performanței așteptate este critică.
2. Capacitatea sistemului MIMO
În comparație cu sistemul tradițional cu o singură antenă, sistemul MIMO s-a îmbunătățit mult atât în ceea ce privește performanța, cât și rata de transmisie a datelor. În primul rând, Telestar și Foschini au efectuat o analiză aprofundată a capacității de canal a sistemului MIMO. Aceștia au analizat respectiv zgomotul gaussian. Cercetările privind capacitatea sistemului MIMO în următoarele condiții arată că, în ipoteza că antenele sunt independente unele de altele, sistemul multiantenă este semnificativ îmbunătățit în comparație cu sistemul cu o singură antenă. În cazul cunoașterii caracteristicilor de transmisie ale canalului, cercetările lui Foschini arată că: atunci când M=N, capacitatea canalului obținută crește proporțional cu N. Sub aceeași putere de transmisie și lățime de bandă de transmisie, capacitatea de canal a sistemului este de aproximativ 40 de ori mai mare decât cea a sistemului single-input single-out (SISO).
3. Proiectarea matricei de antene MIMO
În general, antenele stațiilor de bază sunt ridicate la înălțime, iar împrăștierea câmpului apropiat în jurul rețelei de antene este relativ slabă. Prin urmare, pentru a obține semnale necorelate pe diferite elemente ale matricei, este adesea necesar să se mențină distanța dintre lungimea de undă de cel puțin 10 ori între elementele matricei. Atunci când numărul de antene este mare, pot exista obstacole în ridicarea liniilor de stații de bază. Pentru terminalele mobile, din cauza dispersoarelor abundente în câmp apropiat, se crede în general că distanța dintre elementele antenei este mai mare de 1/2 lungime de undă pentru a face corelația semnalului suficient de slabă. Rețeaua de antenă polarizată poate folosi stări de polarizare reciproc ortogonale în aceeași poziție spațială pentru a realiza irelevanța aparentă a elementelor rețelei, astfel încât dimensiunea rețelei de antene poate fi relativ redusă.
4. Procesarea semnalului sistemului MIMO
Un sistem de comunicații cu antenă de tip matrice într-un mediu în decolorare se confruntă cu interferențe co-canal și interferențe între simboluri. Pentru a aborda capacitatea unui sistem cu mai multe antene, sunt necesare tehnici bune de procesare a semnalului. Metodele de detectare a semnalului de înaltă performanță, de complexitate scăzută sau metodele de detectare a comunității au fost întotdeauna un subiect fierbinte pentru cercetători.
5. Problema complexității sistemului MIMO
Deoarece semnalul din sistemul MIMO este extins la spațiu-timp bidimensional, în comparație cu sistemul cu o singură antenă, complexitatea legăturilor de estimare a canalului, egalizare a canalului, decodificare și detecție va crește odată cu numărul de antene sau cu creșterea ordinului de modulare a semnalului. Cantitatea de calcul al algoritmului va afecta direct întârzierea procesării, consumul de energie al dispozitivului și timpul de așteptare. În același timp, în aplicațiile practice, un factor cheie care limitează sistemele MIMO este costul ridicat adus de multiplele legături de frecvență radio. Pentru a reduce complexitatea computațională a „software-ului”, furnizați metode de procesare a semnalului mai simple și mai eficiente și diverse scheme de codare și decodare spațiu-timp pentru sistemele MIMO. Pentru reducerea costului „hardware”, selecția antenei este o tehnologie foarte critică, care poate reduce foarte mult complexitatea procesării și costul hardware, menținând în același timp avantajele tehnologiei MIMO și este un obiectiv de cercetare pentru a promova aplicarea practică a sistemelor MIMO.
6. Diversitatea și multiplexarea sistemelor MIMO
Esența sistemului MIMO este de a oferi câștig de diversitate și câștig de multiplexare. Primul garantează fiabilitatea transmisiei sistemului, iar cel de-al doilea îmbunătățește rata de transmisie a sistemului. Cea mai mare parte a literaturii timpurii s-a concentrat pe utilizarea diversității de transmisie și multiplexarea spațială singură sau în combinație cu codificare. Studiile au arătat că sistemele cu mai multe antene pot oferi diversitate și multiplexare spațială în același timp și există un compromis între cele două. Merită explorat pentru a maximiza câștigul sistemului prin utilizarea rațională a celor două moduri de diversitate și multiplexare în sistemele MIMO.
7. (Multi-cell) Sistem MIMO multi-utilizator
Teoretic, domeniul de capacitate al sistemului MIMO multi-utilizator a fost rezolvat, dar nu este încă bine rezolvat modul de a face ca domeniul de capacitate să îndeplinească cerințele privind rata de transmisie ale diferiților utilizatori. În plus, în canalul de difuzare, datorită interferenței inter-antenă și inter-utilizator în sistemul MIMO, cum să proiectați vectorul de transmisie pentru a elimina interferența co-canal dintre utilizatori, cum să faceți capacitatea sistemului și controlul puterii QoS specifică fiecărui utilizator atunci când puterea este limitată Problema optimizării și tehnologiile aferente în prezența sistemelor multi-celule multi-utilizator sunt încă în centrul cercetării.
Principiile de bază ale tehnologiei MIMO
Tehnologia MIMO se referă la utilizarea mai multor antene de transmisie și antene de recepție la capătul de transmisie și, respectiv, la capătul de recepție, astfel încât semnalele să fie transmise și recepționate prin mai multe antene la capătul de transmisie și la capătul de recepție, îmbunătățind astfel calitatea comunicației. Poate folosi pe deplin resursele spațiale, poate realiza transmisii multiple și recepții multiple prin mai multe antene și poate dubla capacitatea canalului sistemului fără a crește resursele de spectru și puterea de transmisie a antenei, prezentând avantaje evidente și este considerată următoarea generație de dispozitive mobile. tehnologie de comunicare. Esența tehnologiei MIMO este de a oferi un câștig de diversitate a spațiului și un câștig de multiplexare a spațiului pentru sistem.
Capătul de transmisie mapează semnalul de date care urmează să fie trimis la mai multe antene prin mapare spațiu-timp, iar capătul de recepție efectuează decodificare spațiu-timp pe semnalele primite de fiecare antenă pentru a recupera semnalul de date trimis de capătul de transmisie. Conform diferitelor metode de cartografiere spațiu-timp, tehnologia MIMO poate fi împărțită aproximativ în două categorii: diversitatea spațiului și multiplexarea spațiului. Diversitatea spațială se referă la utilizarea mai multor antene de transmisie pentru a trimite semnale cu aceeași informație pe căi diferite și, în același timp, pentru a obține mai multe semnale care se estompează independent ale aceluiași simbol de date la receptor, astfel încât să se obțină fiabilitatea recepției îmbunătățită prin diversitate. De exemplu, într-un canal de decolorare Rayleigh lent, folosind o antenă de transmisie și n antene de recepție, semnalul transmis trece prin n căi diferite. Dacă decolorarea dintre antene este independentă, câștigul de diversitate maxim poate fi obținut ca n. Pentru tehnologia de diversitate de transmisie, este, de asemenea, utilizarea câștigului de căi multiple pentru a îmbunătăți fiabilitatea sistemului. Într-un sistem cu m antene de transmisie și n antene de recepție, dacă câștigurile de cale între perechile de antene sunt independente și cu decolorare Rayleigh uniform distribuită, câștigul de diversitate maxim care poate fi obținut este mn. În prezent, tehnologiile de diversitate spațială utilizate în mod obișnuit în sistemele MIMO includ în principal codul blocului spațial-timp (Space Time Block Code, STBC) și tehnologiile de formare a fasciculului. STBC este o formă de codificare importantă bazată pe diversitatea de transmisie, dintre care cea mai de bază este schema Alamouti concepută pentru două antene.
Cea mai importantă parte a metodei STBC este de a face ca vectorii de semnal să fie transmis pe mai multe antene ortogonale între ele. Utilizarea tehnologiei STBC poate obține efectul diversității complete, adică atunci când tehnologia STBC este utilizată într-un sistem cu M antene de transmisie și N antene de recepție, câștigul de diversitate maxim este MN. Tehnologia Beamforming este de a trimite aceleași date prin diferite antene de transmisie pentru a forma fascicule în formă direcționate către anumiți utilizatori, îmbunătățind astfel eficient câștigul antenei. Pentru a maximiza puterea semnalului fasciculului direcționat către utilizator, tehnologia de formare a fasciculului trebuie de obicei să calculeze faza și puterea datelor trimise pe fiecare antenă de transmisie, care este numit și vector de formare a fasciculului. Metodele obișnuite de calcul al vectorului de formare a fasciculului includ vectorul cu valori proprii maxime, algoritmul MUSIC etc. Câștigul maxim de diversitate de transmisie care poate fi obținut prin utilizarea tehnologiei de formare a fasciculului pentru M antene de transmisie este M. Tehnologia de multiplexare spațială este de a împărți datele care urmează să fie transmise în mai multe date. fluxuri și apoi le transmite pe diferite antene, crescând astfel rata de transmisie a sistemului. Metoda de multiplexare spațială folosită în mod obișnuit este codul spațiu-timp stratificat vertical propus de Bell Laboratories, adică tehnologia V-BLAST.
