Multiple input multiple output (MIMO) je anténny systém, ktorý využíva viacero antén na vysielacom aj prijímacom konci na vytvorenie viacerých kanálov medzi vysielacím a prijímacím koncom, aby sa výrazne zvýšila kapacita kanála.
Viacnásobný vstup s viacerými výstupmi je pomerne komplikovaná technika diverzity antény. Viaccestné efekty ovplyvnia kvalitu signálu, takže tradičné anténne systémy musia použiť svoj mozog na to, ako eliminovať viaccestné efekty. Na druhej strane systémy MIMO využívajú viaccestné efekty na zlepšenie kvality komunikácie. V systéme MIMO používajú vysielajúce a prijímajúce strany viacero antén, ktoré môžu na komunikáciu pracovať súčasne. Systémy MIMO zvyčajne využívajú zložité techniky spracovania signálu na výrazné zvýšenie spoľahlivosti, dosahu a priepustnosti. Pomocou týchto techník vysielač vysiela viacero rádiofrekvenčných signálov súčasne a prijímač získava dáta z týchto signálov. Bezdrôtový komunikačný systém MIMO je jednou z kľúčových technológií budúcich mobilných a bezdrôtových komunikačných systémov. Samozrejmou vlastnosťou systému MIMO je extrémne vysoká účinnosť využitia spektra. Na základe plného využitia existujúcich zdrojov frekvenčného spektra sa vesmírne zdroje využívajú na dosiahnutie zvýšenia spoľahlivosti a efektívnosti. Koniec zložitosti spracovania.
kľúčový modul
1. Modelovanie kanálového modelu systému MIMO
Výkon systému MIMO do značnej miery závisí od modelu kanála. Hoci už existujú štandardizované modely bezdrôtového šírenia a mnoho modelov kanálov MIMO bolo poskytnutých na základe veľkého počtu skutočných meraní a teoretických výskumných prác, ITU ich ešte neuznala. Uznávaný štandardizovaný kanálový model MIMO (3GPP sformuloval štandardy kanálového modelu pre MIMO). Pochopenie a zvládnutie charakteristík bezdrôtových MIMO kanálov vo vnútorných a vonkajších prostrediach, vytvorenie statických modelov a špecifických dynamických modelov MIMO kanálov je preto nevyhnutné pre výber vhodných systémových štruktúr a navrhnutie vynikajúcich algoritmov spracovania signálu na realizáciu potenciálnych obrovských kanálov MIMO systémov. Rozhodujúca je kapacita, dosiahnutie očakávaného výkonu.
2. Kapacita systému MIMO
V porovnaní s tradičným systémom s jednou anténou sa systém MIMO výrazne zlepšil z hľadiska výkonu aj rýchlosti prenosu dát. Po prvé, Telestar a Foschini vykonali hĺbkovú analýzu kanálovej kapacity systému MIMO. Analyzovali Gaussov šum. Výskum kapacity MIMO systému za nasledujúcich podmienok ukazuje, že za predpokladu, že antény sú na sebe nezávislé, je systém s viacerými anténami výrazne vylepšený v porovnaní so systémom s jednou anténou. V prípade poznania prenosových charakteristík kanála Foschiniho výskum ukazuje, že: keď M=N, získaná kapacita kanála sa zvyšuje úmerne k N. Pri rovnakom prenosovom výkone a šírke prenosového pásma je kapacita kanála systému je asi 40-krát vyššia ako v prípade systému s jedným vstupom a jedným výstupom (SISO).
3. Návrh anténneho poľa MIMO
Antény základňových staníc sú vo všeobecnosti vztýčené vysoko a rozptyl blízkeho poľa okolo anténneho poľa je relatívne slabý. Preto, aby sa získali nekorelované signály na rôznych prvkoch poľa, je často potrebné udržiavať aspoň 10-násobok rozostupu vlnových dĺžok medzi prvkami poľa. Keď je počet antén veľký, môžu sa vyskytovať prekážky pri budovaní radov základných staníc. V prípade mobilných terminálov sa vzhľadom na početné rozptylovače blízkeho poľa všeobecne verí, že vzdialenosť medzi prvkami antény je väčšia ako 1/2 vlnovej dĺžky, aby bola korelácia signálu dostatočne slabá. Polarizované anténne pole môže využívať vzájomne ortogonálne polarizačné stavy v rovnakej priestorovej polohe na realizáciu zjavnej irelevantnosti prvkov poľa, takže veľkosť poľa antén môže byť relatívne zmenšená.
4. Spracovanie signálu systémom MIMO
Komunikačný systém poľovej antény v slabnúcom prostredí čelí rušeniu medzi kanálmi a rušeniu medzi symbolmi. Aby sa priblížil kapacite viacanténneho systému, sú potrebné dobré techniky spracovania signálu. Vysokovýkonné metódy detekcie signálu s nízkou zložitosťou alebo metódy detekcie kĺbov boli vždy horúcou témou pre výskumníkov.
5. Problém zložitosti systému MIMO
Keďže signál v systéme MIMO je rozšírený na dvojrozmerný časopriestor v porovnaní so systémom s jednou anténou, zložitosť odhadu kanálov, vyrovnávania kanálov, dekódovania a detekčných spojov sa bude zvyšovať s počtom antén alebo zvýšenie rádu modulácie signálu. Rozsah výpočtu algoritmu priamo ovplyvní oneskorenie spracovania, spotrebu energie zariadenia a pohotovostný čas. V praktických aplikáciách je zároveň kľúčovým faktorom obmedzujúcim MIMO systémy vysoké náklady, ktoré prináša viacero rádiofrekvenčných spojení. Na zníženie výpočtovej zložitosti „softvéru“ poskytnite jednoduchšie a efektívnejšie metódy spracovania signálu a rôzne schémy časopriestorového kódovania a dekódovania pre systémy MIMO. Na zníženie nákladov na „hardvér“ je výber antény veľmi kritickou technológiou, ktorá môže výrazne znížiť zložitosť spracovania a náklady na hardvér pri zachovaní výhod technológie MIMO a je výskumným zameraním na podporu praktickej aplikácie systémov MIMO.
6. Diverzita a multiplexovanie MIMO systémov
Podstatou systému MIMO je poskytnúť zisk diverzity a zisk multiplexovania. Prvý z nich zaručuje spoľahlivosť prenosu systému a druhý zlepšuje prenosovú rýchlosť systému. Väčšina ranej literatúry sa zameriavala na použitie diverzity prenosu a priestorového multiplexovania samostatne alebo v kombinácii s kódovaním. Štúdie ukázali, že systémy s viacerými anténami môžu súčasne poskytovať rozmanitosť a priestorové multiplexovanie a medzi nimi existuje kompromis. Stojí za to preskúmať maximalizáciu zisku systému racionálnym využívaním dvoch režimov diverzity a multiplexovania v systémoch MIMO.
7. (Viacbunkový) Systém MIMO pre viacerých používateľov
Teoreticky je kapacitná doména viacužívateľského MIMO systému vyriešená, ale stále nie je dobre vyriešené, ako dosiahnuť, aby kapacitná doména spĺňala požiadavky na prenosovú rýchlosť rôznych užívateľov. Okrem toho, vo vysielacom kanáli, v dôsledku medzianténneho a medziužívateľského rušenia v systéme MIMO, ako navrhnúť prenosový vektor, aby sa eliminovalo rušenie spoločného kanála medzi používateľmi, ako zabezpečiť kapacitu systému a riadenie výkonu špecifická QoS každého užívateľa, keď je výkon obmedzený Problém optimalizácie a súvisiacich technológií v prítomnosti viacbunkových systémov pre viacerých používateľov sú stále stredobodom výskumu.
Základné princípy technológie MIMO
Technológia MIMO sa týka použitia viacerých vysielacích antén a prijímacích antén na vysielacom konci a prijímacom konci, v tomto poradí, takže signály sa vysielajú a prijímajú prostredníctvom viacerých antén na vysielacom konci a prijímacom konci, čím sa zlepšuje kvalita komunikácie. Dokáže plne využívať vesmírne zdroje, realizovať viacnásobné vysielanie a viacnásobný príjem prostredníctvom viacerých antén a môže zdvojnásobiť kapacitu kanála systému bez zvýšenia zdrojov spektra a výkonu antény, čo ukazuje zjavné výhody a považuje sa za ďalšiu generáciu mobilných zariadení. technológie komunikácie. Podstatou technológie MIMO je poskytnúť systému zisk priestorovej diverzity a zisk priestorového multiplexovania.
Vysielací koniec mapuje dátový signál, ktorý má byť odoslaný do viacerých antén, prostredníctvom časopriestorového mapovania a prijímací koniec vykonáva časopriestorové dekódovanie signálov prijatých každou anténou, aby sa obnovil dátový signál vyslaný vysielacím koncom. Podľa rôznych metód časopriestorového mapovania možno technológiu MIMO rozdeliť zhruba do dvoch kategórií: priestorová diverzita a priestorový multiplex. Priestorová diverzita sa vzťahuje na použitie viacerých vysielacích antén na odosielanie signálov s rovnakými informáciami cez rôzne cesty a súčasne na získanie viacerých nezávisle slabnúcich signálov rovnakého dátového symbolu v prijímači, aby sa dosiahla spoľahlivosť príjmu zlepšená o rozmanitosť. Napríklad v pomalom Rayleighovom slabnúcom kanáli, pri použití jednej vysielacej antény a n prijímacích antén, prenášaný signál prechádza n rôznymi cestami. Ak je zoslabovanie medzi anténami nezávislé, maximálny zisk diverzity možno získať ako n. Pre technológiu prenosovej diverzity je tiež potrebné využiť zisk viacerých ciest na zlepšenie spoľahlivosti systému. V systéme s m vysielacími anténami a n prijímacími anténami, ak sú zisky dráhy medzi pármi antén nezávislé a rovnomerne rozložené Rayleighovo zoslabovanie, maximálny zisk diverzity, ktorý možno dosiahnuť, je mn. V súčasnosti technológie priestorovej diverzity bežne používané v systémoch MIMO zahŕňajú najmä priestorový časový blokový kód (Space Time Block Code, STBC) a technológie vytvárania lúčov. STBC je dôležitá forma kódovania založená na diverzite vysielania, z ktorých najzákladnejšia je schéma Alamouti navrhnutá pre dve antény.
Najdôležitejšou časťou metódy STBC je zabezpečiť, aby boli signálové vektory prenášané na viacerých anténach navzájom ortogonálne. Použitím technológie STBC možno dosiahnuť efekt plnej diverzity, to znamená, že keď sa technológia STBC použije v systéme s M vysielacími anténami a N prijímacími anténami, maximálny zisk diverzity je MN. Technológia Beamforming je posielať rovnaké dáta cez rôzne vysielacie antény, aby vytvorili tvarované lúče nasmerované na určitých používateľov, čím sa efektívne zlepší zisk antény. Aby sa maximalizovala intenzita signálu lúča smerujúceho k používateľovi, technológia formovania lúča zvyčajne potrebuje vypočítať fázu a výkon údajov odosielaných na každej vysielacej anténe, čo sa tiež nazýva vektor formovania lúča. Bežné metódy výpočtu vektora vytvárania lúča zahŕňajú vektor maximálnej vlastnej hodnoty, algoritmus MUSIC atď. Maximálny zisk diverzity prenosu, ktorý je možné dosiahnuť použitím technológie formovania lúča pre M vysielacích antén, je M. Technológia priestorového multiplexovania je rozdelenie dát, ktoré sa majú preniesť, do niekoľkých dát streamy a potom ich prenášať na rôznych anténach, čím sa zvyšuje prenosová rýchlosť systému. Bežne používaná metóda priestorového multiplexovania je vertikálny vrstvený časopriestorový kód navrhnutý spoločnosťou Bell Laboratories, teda technológia V-BLAST.
