A többszörös bemeneti többszörös kimenet (MIMO) egy olyan antennarendszer, amely több antennát használ mind az adó, mind a vevő végén, hogy több csatornát alakítson ki az adó- és vevővégek között a csatornakapacitás nagymértékű növelése érdekében.
A többszörös bemenetű többszörös kimenet meglehetősen bonyolult antenna-diverzitási technika. A többutas hatások befolyásolják a jel minőségét, ezért a hagyományos antennarendszereknek az agyukat kell használniuk a többutas hatások kiküszöbölésére. A MIMO rendszerek ezzel szemben többutas effektusokat használnak a kommunikáció minőségének javítására. A MIMO rendszerben az adó és a vevő fél több antennát használ, amelyek egyidejűleg tudnak kommunikálni. A MIMO rendszerek jellemzően összetett jelfeldolgozási technikákat alkalmaznak a megbízhatóság, a hatótávolság és az áteresztőképesség jelentős növelése érdekében. Ezekkel a technikákkal az adó egyszerre több rádiófrekvenciás jelet küld, és a vevő visszanyeri az adatokat ezekből a jelekből. A MIMO vezeték nélküli kommunikációs rendszer a jövő mobil és vezeték nélküli kommunikációs rendszereinek egyik kulcsfontosságú technológiája. A MIMO rendszer nyilvánvaló jellemzője, hogy rendkívül magas spektrumkihasználási hatékonysággal rendelkezik. A meglévő spektrumerőforrások teljes kihasználása alapján a térerőforrásokat a megbízhatóság és a hatékonyság növelésére használják fel. Vége a feldolgozás bonyolultságának.
kulcs modul
1. MIMO rendszercsatorna modellezés
A MIMO rendszer teljesítménye nagymértékben függ a csatornamodelltől. Bár léteznek már szabványosított vezeték nélküli terjedési modellek, és számos MIMO csatorna modell készült számos tényleges mérés és elméleti kutatómunka alapján, ezeket még nem ismerte el az ITU. Elismert szabványosított MIMO csatornamodell (a 3GPP csatornamodell-szabványokat fogalmazott meg a MIMO számára). Ezért a vezeték nélküli MIMO csatornák jellemzőinek megértése és elsajátítása beltéri és kültéri környezetben, a MIMO csatornák statikus modelljei és specifikus dinamikus modelljei elengedhetetlenek a megfelelő rendszerstruktúrák kiválasztásához és a kiváló jelfeldolgozó algoritmusok tervezéséhez a MIMO rendszerek potenciális hatalmas csatornáinak megvalósításához. A kapacitás, az elvárt teljesítmény elérése kritikus.
2. A MIMO rendszer kapacitása
A hagyományos egyantennás rendszerhez képest a MIMO rendszer nagymértékben javult mind a teljesítmény, mind az adatátviteli sebesség tekintetében. Először a Telestar és a Foschini mélyreható elemzést végzett a MIMO rendszer csatornakapacitásával kapcsolatban. Elemezték a Gauss-zajt. A MIMO rendszer kapacitásának kutatása az alábbi feltételek mellett azt mutatja, hogy feltételezve, hogy az antennák függetlenek egymástól, a többantennás rendszer jelentősen javult az egyantennás rendszerhez képest. A csatorna átviteli jellemzőinek ismerete esetén Foschini kutatásai azt mutatják, hogy: M=N esetén a kapott csatornakapacitás N-vel arányosan nő. Ugyanazon átviteli teljesítmény és átviteli sávszélesség mellett a rendszer csatornakapacitása körülbelül 40-szer magasabb, mint az egybemenetes különkimenetes (SISO) rendszeré.
3. MIMO antennatömb tervezése
Általában a bázisállomások antennáit magasan állítják fel, és az antennatömb körüli közeli térszórás viszonylag gyenge. Ezért ahhoz, hogy a különböző tömbelemeken korrelálatlan jeleket kapjunk, gyakran szükség van a tömbelemek közötti hullámhossztávolság legalább 10-szeresének fenntartására. Ha az antennák száma nagy, akadályokba ütközhet a bázisállomás vonaltömbök felállítása. A mobil terminálok esetében a bőséges közeli terelők miatt általában úgy gondolják, hogy az antennaelemek közötti távolság több, mint 1/2 hullámhossz ahhoz, hogy a jelkorreláció elég gyengébb legyen. A polarizált antennatömb kölcsönösen ortogonális polarizációs állapotokat használhat ugyanabban a térbeli helyzetben, hogy felismerje a tömbelemek látszólagos irrelevánsságát, így az antennatömb mérete viszonylag csökkenthető.
4. MIMO rendszer jelfeldolgozása
Az antennatömb kommunikációs rendszere elhalványuló környezetben szembesül a társcsatornás interferenciával és a szimbólumok közötti interferenciával. A többantennás rendszer kapacitásának megközelítéséhez jó jelfeldolgozási technikák szükségesek. A nagy teljesítményű, alacsony komplexitású jelészlelési módszerek vagy a közös detektálási módszerek mindig is forró téma volt a kutatók számára.
5. A MIMO rendszer komplexitási problémája
Mivel a MIMO rendszerben a jelet kiterjesztik a kétdimenziós téridőre, az egyantennás rendszerhez képest a csatornabecslés, a csatornakiegyenlítés, a dekódolás és az észlelési kapcsolatok bonyolultsága az antennák számával vagy a jelmodulációs sorrend növelése. Az algoritmus számításának mértéke közvetlenül befolyásolja a feldolgozási késleltetést, az eszköz energiafogyasztását és a készenléti időt. Ugyanakkor a gyakorlati alkalmazásokban a MIMO-rendszereket korlátozó kulcstényező a többszörös rádiófrekvenciás kapcsolat magas költsége. A "szoftverek" számítási bonyolultságának csökkentése érdekében egyszerűbb és hatékonyabb jelfeldolgozási módszereket, valamint különféle tér-idő kódolási és dekódolási sémákat biztosítsanak a MIMO rendszerek számára. A "hardver" költségének csökkentése érdekében az antenna kiválasztása nagyon kritikus technológia, amely nagymértékben csökkentheti a feldolgozás bonyolultságát és a hardverköltséget, miközben megőrzi a MIMO technológia előnyeit, és kutatási fókusz a MIMO rendszerek gyakorlati alkalmazásának elősegítése érdekében.
6. MIMO rendszerek sokfélesége és multiplexelése
A MIMO rendszer lényege, hogy diverzitáserősítést és multiplexelési erősítést biztosítson. Előbbi garantálja a rendszer átviteli megbízhatóságát, utóbbi pedig javítja a rendszer átviteli sebességét. A legtöbb korai irodalom az átviteli diverzitás és a térbeli multiplexelés használatára összpontosított önmagában vagy kódolással kombinálva. Tanulmányok kimutatták, hogy a többantennás rendszerek egyszerre képesek diverzitást és térbeli multiplexelést biztosítani, és a kettő között kompromisszum van. Érdemes megvizsgálni a rendszernyereség maximalizálását a kétféle diverzitás és multiplexelés racionális felhasználásával a MIMO rendszerekben.
7. (Többcellás) Többfelhasználós MIMO rendszer
Elméletileg a többfelhasználós MIMO rendszer kapacitástartománya megoldott, de még mindig nem tisztázott, hogy a kapacitástartomány hogyan feleljen meg a különböző felhasználók átviteli sebességi követelményeinek. Továbbá a műsorszórási csatornában a MIMO rendszerben az antennák és a felhasználók közötti interferenciák miatt hogyan kell megtervezni az átviteli vektort a felhasználók közötti társcsatorna-interferenciák kiküszöbölésére, hogyan lehet a rendszer kapacitását és teljesítményszabályozását elvégezni. minden felhasználó specifikus QoS, ha a teljesítmény korlátozott. A többcellás többfelhasználós rendszerek jelenlétében az optimalizálás és a kapcsolódó technológiák problémája még mindig a kutatás középpontjában áll.
A MIMO technológia alapelvei
A MIMO technológia több adóantenna és vevőantenna használatát jelenti az adó és a vevő oldalon, így a jelek adása és vétele több antennán keresztül történik az adó és a vevő oldalon, ezáltal javítva a kommunikáció minőségét. Teljes mértékben ki tudja használni a térerőforrásokat, többszörös adást és többszörös vételt valósít meg több antennán keresztül, és megkétszerezi a rendszercsatorna kapacitását anélkül, hogy növelné a spektrumerőforrásokat és az antenna átviteli teljesítményét, ami nyilvánvaló előnyöket mutat, és a mobileszközök következő generációjának tekinthető. kommunikációs technológia. A MIMO technológia lényege, hogy térdiverzitás-erősítést és térmultiplexelési erősítést biztosít a rendszer számára.
Az adóvég leképezi a több antennára küldendő adatjelet tér-idő leképezéssel, a vevővég pedig tér-idő dekódolást hajt végre az egyes antennák által vett jeleken, hogy visszanyerje az adóvég által küldött adatjelet. A különböző tér-idő leképezési módszerek szerint a MIMO technológia nagyjából két kategóriába sorolható: a térdiverzitás és a térmultiplexelés. A térdiverzitás arra utal, hogy több adóantennát használnak, hogy ugyanazt az információt tartalmazó jeleket küldjenek különböző utakon, és egyidejűleg ugyanazon adatszimbólum több, egymástól függetlenül elhalványuló jelét kapják meg a vevőn, hogy a vétel megbízhatóságát javítsák sokféleség. Például egy lassú Rayleigh fading csatornában, egy adóantenna és n vevőantenna használatával az átvitt jel n különböző úton halad át. Ha az antennák közötti fading független, a maximális diverzitáserősítés n-ként érhető el. Az átviteli diverzitás technológiája esetén a rendszer megbízhatóságának javítása érdekében több útvonal erősítését is felhasználni kell. Egy m adóantennával és n vevőantennával rendelkező rendszerben, ha az antennapárok közötti úterősítés független és egyenletesen elosztott Rayleigh-fading, akkor a maximálisan elérhető diverzitáserősítés mn. Jelenleg a MIMO rendszerekben általánosan használt térdiverzitási technológiák főként a Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) és a sugárformáló technológiákat foglalják magukban. Az STBC az adásdiverzitáson alapuló fontos kódolási forma, melynek legalapvetőbbje a két antennára tervezett Alamouti séma.
Az STBC módszer legfontosabb része a több antennán továbbítandó jelvektorok egymásra merőlegessé tétele. Az STBC technológia alkalmazásával a teljes diverzitás hatása érhető el, vagyis ha az STBC technológiát M adóantennával és N vevőantennával rendelkező rendszerben alkalmazzuk, a maximális diverzitáserősítés MN. A sugárformázó technológia célja, hogy ugyanazokat az adatokat különböző adóantennákon keresztül küldje el, hogy bizonyos felhasználók felé irányított alakos nyalábokat képezzen, ezáltal hatékonyan javítva az antenna erősítését. A felhasználó felé irányított sugár jelerősségének maximalizálása érdekében a sugárformáló technológiának általában ki kell számítania az egyes adóantennákon küldött adatok fázisát és teljesítményét, amelyet sugárformáló vektornak is neveznek. Az általános sugárformáló vektor számítási módszerek közé tartozik a maximális sajátérték vektor, a MUSIC algoritmus stb. Az M adóantenna sugárformázó technológiájával elérhető maximális adásdiverzitás-erősítés M. A térbeli multiplexelési technológia a továbbítandó adatokat több adatra osztja. streameket, majd különböző antennákon továbbítsák, ezáltal növelve a rendszer átviteli sebességét. Az általánosan használt térbeli multiplexelési módszer a Bell Laboratories által javasolt függőleges réteges tér-idő kód, vagyis a V-BLAST technológia.
