Multiple input multiple output (MIMO) je anténní systém, který využívá více antén na vysílacím i přijímacím konci k vytvoření více kanálů mezi vysílacím a přijímacím koncem, aby se výrazně zvýšila kapacita kanálu.
Multiple-input multiple-output je poměrně komplikovaná technika diverzity antény. Vícecestné efekty ovlivní kvalitu signálu, takže tradiční anténní systémy musí použít svůj mozek, jak eliminovat vícecestné efekty. MIMO systémy na druhé straně využívají vícecestné efekty ke zlepšení kvality komunikace. V systému MIMO používají vysílající a přijímající strany více antén, které mohou pro komunikaci pracovat současně. MIMO systémy typicky využívají složité techniky zpracování signálu k výraznému zvýšení spolehlivosti, dosahu a propustnosti. Pomocí těchto technik vysílá vysílač více radiofrekvenčních signálů současně a přijímač z těchto signálů získává data. Bezdrátový komunikační systém MIMO je jednou z klíčových technologií budoucích mobilních a bezdrátových komunikačních systémů. Zřejmým rysem systému MIMO je extrémně vysoká účinnost využití spektra. Na základě plného využití stávajících zdrojů spektra jsou vesmírné zdroje využívány k dosažení zvýšení spolehlivosti a účinnosti. Konec složitosti zpracování.
klíčový modul
1. Modelování kanálového modelu systému MIMO
Výkon MIMO systému do značné míry závisí na modelu kanálu. Ačkoli již existují standardizované modely bezdrátového šíření a mnoho modelů kanálů MIMO bylo poskytnuto na základě velkého počtu skutečných měření a teoretických výzkumných prací, nebyly dosud uznány ITU. Uznávaný standardizovaný kanálový model MIMO (3GPP formuloval standardy kanálového modelu pro MIMO). Pochopení a zvládnutí charakteristik bezdrátových MIMO kanálů ve vnitřním a venkovním prostředí, vytvoření statických modelů a specifických dynamických modelů MIMO kanálů je proto nezbytné pro výběr vhodných systémových struktur a navrhování vynikajících algoritmů zpracování signálu pro realizaci potenciálních obrovských kanálů MIMO systémů. Rozhodující je kapacita, dosažení očekávaného výkonu.
2. Kapacita MIMO systému
Ve srovnání s tradičním systémem s jednou anténou se systém MIMO výrazně zlepšil jak z hlediska výkonu, tak rychlosti přenosu dat. Telestar a Foschini nejprve provedli hloubkovou analýzu kapacity kanálu MIMO systému. Analyzovali Gaussův šum Výzkum kapacity systému MIMO za následujících podmínek ukazuje, že za předpokladu, že antény jsou na sobě nezávislé, je systém s více anténami výrazně vylepšen ve srovnání se systémem s jednou anténou. V případě znalosti přenosových charakteristik kanálu Foschiniho výzkum ukazuje, že: když M=N, získaná kapacita kanálu se zvyšuje úměrně k N. Při stejném vysílacím výkonu a šířce přenosového pásma se kapacita kanálu systému je asi 40krát vyšší než u systému single-input single-out (SISO).
3. Návrh MIMO anténního pole
Obecně platí, že antény základnových stanic jsou vztyčeny vysoko a rozptyl blízkého pole kolem anténního pole je relativně slabý. Proto, aby se získaly nekorelované signály na různých prvcích pole, je často nutné udržovat alespoň 10násobek rozestupu vlnových délek mezi prvky pole. Když je počet antén velký, mohou se vyskytnout překážky ve vztyčování linek základnových stanic. U mobilních terminálů se v důsledku hojného rozptylu blízkého pole obecně předpokládá, že vzdálenost mezi prvky antény je větší než 1/2 vlnové délky, aby byla korelace signálu dostatečně slabá. Polarizované anténní pole může využívat vzájemně ortogonální polarizační stavy ve stejné prostorové poloze k realizaci zjevné irelevance prvků pole, takže velikost anténního pole může být relativně zmenšena.
4. Zpracování signálů systému MIMO
Komunikační systém pole antény v prostředí slábnoucím se potýká s inter-kanálovým rušením a inter-symbolovým rušením. Aby se přiblížil kapacitě víceanténního systému, jsou vyžadovány dobré techniky zpracování signálu. Vysoce výkonné metody detekce signálu s nízkou složitostí nebo metody společné detekce byly vždy horkým tématem pro výzkumníky.
5. Problém složitosti MIMO systému
Vzhledem k tomu, že signál v systému MIMO je rozšířen do dvourozměrného časoprostoru ve srovnání se systémem s jednou anténou, bude složitost odhadu kanálu, ekvalizace kanálu, dekódování a detekčního spojení narůstat s počtem antén nebo zvýšení řádu modulace signálu. Rozsah výpočtu algoritmu přímo ovlivní zpoždění zpracování, spotřebu energie zařízení a pohotovostní dobu. Současně v praktických aplikacích je klíčovým faktorem omezujícím MIMO systémy vysoké náklady, které přináší více radiofrekvenčních spojů. Pro snížení výpočetní složitosti "softwaru" poskytněte jednodušší a efektivnější metody zpracování signálu a různá časoprostorová kódovací a dekódovací schémata pro MIMO systémy. Pro snížení „hardwarových“ nákladů je výběr antény velmi kritickou technologií, která může výrazně snížit složitost zpracování a náklady na hardware při zachování výhod MIMO technologie a je výzkumným zaměřením na podporu praktické aplikace MIMO systémů.
6. Diverzita a multiplexování MIMO systémů
Podstatou systému MIMO je poskytovat zisk diverzity a zisk multiplexování. První z nich zaručuje spolehlivost přenosu systému a druhý zlepšuje přenosovou rychlost systému. Většina rané literatury se zaměřovala na použití přenosové diverzity a prostorového multiplexování samostatně nebo v kombinaci s kódováním. Studie ukázaly, že systémy s více anténami mohou současně poskytovat rozmanitost a prostorové multiplexování a mezi těmito dvěma existuje určitý kompromis. Stojí za to prozkoumat maximalizaci zisku systému racionálním využitím dvou režimů diverzity a multiplexování v systémech MIMO.
7. (Vícečlánkový) Systém MIMO pro více uživatelů
Teoreticky je kapacitní doména víceuživatelského MIMO systému vyřešena, ale jak zajistit, aby kapacitní doména vyhovovala požadavkům na přenosovou rychlost různých uživatelů, stále není dobře vyřešeno. Kromě toho, ve vysílacím kanálu, kvůli interanténnímu a meziuživatelskému rušení v systému MIMO, jak navrhnout přenosový vektor, aby se eliminovalo rušení na společném kanálu mezi uživateli, jak zajistit kapacitu systému a řízení výkonu specifické QoS každého uživatele při omezeném výkonu Problém optimalizace a souvisejících technologií v přítomnosti vícebuněčných víceuživatelských systémů jsou stále středem zájmu výzkumu.
Základní principy MIMO technologie
Technologie MIMO se týká použití více vysílacích antén a přijímacích antén na vysílacím a přijímacím konci, v tomto pořadí, takže signály jsou vysílány a přijímány prostřednictvím více antén na vysílacím a přijímacím konci, čímž se zlepšuje kvalita komunikace. Může plně využívat vesmírné zdroje, realizovat vícenásobné vysílání a vícenásobný příjem prostřednictvím více antén a může zdvojnásobit kapacitu kanálů systému bez zvýšení zdrojů spektra a vysílacího výkonu antény, což ukazuje zjevné výhody a je považováno za novou generaci mobilních zařízení. technologie komunikace. Podstatou technologie MIMO je poskytnout systému zisk prostorové diverzity a zisk prostorového multiplexování.
Vysílací konec mapuje datový signál, který má být poslán do více antén, pomocí časoprostorového mapování, a přijímací konec provádí časoprostorové dekódování signálů přijatých každou anténou, aby obnovil datový signál vyslaný vysílacím koncem. Podle různých metod časoprostorového mapování lze technologii MIMO zhruba rozdělit do dvou kategorií: prostorová diverzita a prostorový multiplex. Prostorová diverzita se týká použití více vysílacích antén k odesílání signálů se stejnou informací různými cestami a současně k získání více nezávisle slábnoucích signálů stejného datového symbolu v přijímači, aby se dosáhlo spolehlivosti příjmu zlepšené o rozmanitost. Například v pomalém Rayleighově slábnoucím kanálu, při použití jedné vysílací antény a n přijímacích antén, prochází vysílaný signál n různými cestami. Pokud je únik mezi anténami nezávislý, lze získat maximální zisk diverzity jako n. Pro technologii přenosové diverzity je to také využití zisku více cest ke zlepšení spolehlivosti systému. V systému s m vysílacími anténami a n přijímacími anténami, pokud jsou zisky cesty mezi páry antén nezávislé a rovnoměrně rozložené Rayleighovo slábnutí, maximální zisk diverzity, kterého lze dosáhnout, je mn. V současnosti mezi technologie prostorové diverzity běžně používané v systémech MIMO patří především prostorový časový blokový kód (Space Time Block Code, STBC) a technologie beamforming. STBC je důležitá forma kódování založená na diverzitě vysílání, z nichž nejzákladnější je schéma Alamouti navržené pro dvě antény.
Nejdůležitější částí metody STBC je zajistit, aby byly signálové vektory přenášeny na více antén navzájem ortogonálních. Použitím technologie STBC lze dosáhnout efektu plné diverzity, to znamená, že když je technologie STBC použita v systému s M vysílacími anténami a N přijímacími anténami, maximální zisk diverzity je MN. Technologie Beamforming spočívá v odesílání stejných dat přes různé vysílací antény, aby se vytvořily tvarované paprsky směrované k určitým uživatelům, čímž se účinně zlepšuje zisk antény. Aby se maximalizovala síla signálu paprsku směrovaného k uživateli, potřebuje technologie formování paprsku obvykle vypočítat fázi a výkon dat odeslaných na každou vysílací anténu, což se také nazývá vektor formování paprsku. Mezi běžné metody výpočtu vektoru tvarování paprsku patří vektor maximálního vlastního čísla, algoritmus MUSIC atd. Maximální zisk diverzity vysílání, kterého lze dosáhnout použitím technologie tvarování paprsku pro M vysílacích antén, je M. Technologie prostorového multiplexování spočívá v rozdělení přenášených dat do několika dat. streamy, a poté je vysílat na různých anténách, čímž se zvyšuje přenosová rychlost systému. Běžně používanou metodou prostorového multiplexování je vertikální vrstvený časoprostorový kód navržený Bell Laboratories, tedy technologie V-BLAST.
