Multiple input multiple output (MIMO) er et antennesystem, der bruger flere antenner i både sendeenden og modtageenden til at danne flere kanaler mellem sende- og modtageenden for at øge kanalkapaciteten betydeligt.
Multiple-input multiple-output er en ret kompliceret antennediversitetsteknik. Multipath-effekter vil påvirke signalkvaliteten, så traditionelle antennesystemer er nødt til at bruge deres hjerner til at eliminere multipath-effekter. MIMO-systemer bruger på den anden side multipath-effekter til at forbedre kommunikationskvaliteten. I MIMO-systemet bruger de afsendende og modtagende parter flere antenner, der kan arbejde samtidigt for at kommunikere. MIMO-systemer anvender typisk komplekse signalbehandlingsteknikker til væsentligt at forbedre pålidelighed, rækkevidde og gennemløb. Ved at bruge disse teknikker sender senderen flere radiofrekvenssignaler samtidigt, og modtageren gendanner dataene fra disse signaler. MIMO trådløst kommunikationssystem er en af nøgleteknologierne i fremtidens mobile og trådløse kommunikationssystemer. Et indlysende træk ved MIMO-systemet er, at det har en ekstrem høj spektrumudnyttelseseffektivitet. På grundlag af fuld udnyttelse af eksisterende spektrumressourcer bruges rumressourcer til at opnå gevinster i pålidelighed og effektivitet. Slutbehandlingskompleksitet.
nøglemodul
1. MIMO system kanal model modellering
Ydeevnen af et MIMO-system afhænger i høj grad af kanalmodellen. Selvom der allerede findes standardiserede trådløse udbredelsesmodeller, og mange MIMO-kanalmodeller er blevet leveret på grundlag af et stort antal faktiske målinger og teoretisk forskningsarbejde, er de endnu ikke blevet anerkendt af ITU. Anerkendt standardiseret MIMO-kanalmodel (3GPP har formuleret kanalmodelstandarder for MIMO). Derfor er forståelse og beherskelse af egenskaberne ved trådløse MIMO-kanaler i indendørs og udendørs miljøer, etablering af statiske modeller og specifikke dynamiske modeller af MIMO-kanaler, afgørende for at vælge passende systemstrukturer og designe fremragende signalbehandlingsalgoritmer for at realisere de potentielle enorme kanaler i MIMO-systemer Kapacitet, at opnå den forventede ydeevne er kritisk.
2. MIMO-systemets kapacitet
Sammenlignet med det traditionelle enkeltantennesystem er MIMO-systemet markant forbedret både med hensyn til ydeevne og dataoverførselshastighed. Først gennemførte Telestar og Foschini en dybdegående analyse af MIMO-systemets kanalkapacitet. De analyserede henholdsvis den Gaussiske støj. Forskningen i MIMO-systemets kapacitet under følgende forhold viser, at under forudsætning af, at antennerne er uafhængige af hinanden, er multiantennesystemet væsentligt forbedret sammenlignet med enkeltantennesystemet. I tilfælde af at kende kanalens transmissionskarakteristika, viser Foschinis forskning, at: når M=N, øges den opnåede kanalkapacitet proportionalt med N. Under samme transmissionseffekt og transmissionsbåndbredde, systemets kanalkapacitet er omkring 40 gange højere end for single-input single-out (SISO) systemet.
3. Design af MIMO antenne array
Generelt er basestationsantenner opstillet højt, og nærfeltsspredningen omkring antennearrayet er relativt svag. For at opnå ukorrelerede signaler på forskellige array-elementer er det derfor ofte nødvendigt at opretholde mindst 10 gange bølgelængdeafstanden mellem array-elementer. Når antallet af antenner er stort, kan der være forhindringer for at opstille basestationslinearrays. For mobile terminaler, på grund af de rigelige nærfelts-spredninger, antages det generelt, at afstanden mellem antenneelementer er mere end 1/2 bølgelængde til at gøre signalkorrelationen svag nok. Det polariserede antennearray kan bruge indbyrdes ortogonale polarisationstilstande ved den samme rumlige position for at realisere den tilsyneladende irrelevans af arrayelementerne, således at størrelsen af antennearrayet kan reduceres relativt.
4. Signalbehandling af MIMO-system
Et array-antennekommunikationssystem i et fading-miljø står over for co-kanal interferens og inter-symbol interferens. For at nærme sig kapaciteten af et multi-antennesystem kræves gode signalbehandlingsteknikker. Højtydende signaldetekteringsmetoder med lav kompleksitet eller fælles detektionsmetoder har altid været et varmt emne for forskere.
5. MIMO-systemets kompleksitetsproblem
Da signalet i MIMO-systemet udvides til det todimensionelle rum-tid sammenlignet med enkeltantennesystemet, vil kompleksiteten af kanalestimeringen, kanaludligningen, afkodningen og detektionsforbindelserne stige med antallet af antenner eller forøgelse af signalmodulationsrækkefølgen. Mængden af algoritmeberegning vil direkte påvirke behandlingsforsinkelsen, enhedens strømforbrug og standbytid. På samme tid, i praktiske applikationer, er en nøglefaktor, der begrænser MIMO-systemer, de høje omkostninger forbundet med flere radiofrekvensforbindelser. For at reducere den beregningsmæssige kompleksitet af "software" skal du sørge for enklere og mere effektive signalbehandlingsmetoder og forskellige rum-tidskodnings- og afkodningsskemaer til MIMO-systemer. For at reducere "hardware"-omkostningerne er antennevalg en meget kritisk teknologi, som i høj grad kan reducere behandlingskompleksiteten og hardwareomkostningerne, samtidig med at fordelene ved MIMO-teknologi bevares, og er et forskningsfokus for at fremme den praktiske anvendelse af MIMO-systemer.
6. Diversitet og multipleksing af MIMO-systemer
Essensen af MIMO-systemet er at give diversitetsforstærkning og multipleksingforstærkning. Førstnævnte garanterer systemets transmissionspålidelighed, og sidstnævnte forbedrer systemets transmissionshastighed. Det meste af den tidlige litteratur fokuserede på brugen af transmitterende diversitet og rumlig multipleksing alene eller i kombination med kodning. Undersøgelser har vist, at multi-antennesystemer kan give diversitet og rumlig multipleksing på samme tid, og der er en afvejning mellem de to. Det er værd at undersøge for at maksimere systemgevinsten ved rationelt at bruge de to former for diversitet og multipleksing i MIMO-systemer.
7. (Multi-celle) Multi-user MIMO system
Teoretisk set er kapacitetsdomænet for multi-user MIMO-systemet blevet løst, men hvordan man får kapacitetsdomænet til at opfylde transmissionshastighedskravene fra forskellige brugere er stadig ikke godt løst. Desuden, i broadcast-kanalen, på grund af inter-antenne og inter-bruger interferens i MIMO-systemet, hvordan man designer transmissionsvektoren for at eliminere co-kanal interferens mellem brugere, hvordan man laver systemkapaciteten og effektstyringen af hver brugers specifikke QoS, når strømmen er begrænset. Problemet med optimering og relaterede teknologier i tilstedeværelsen af flercellede flerbrugersystemer er stadig i fokus for forskningen.
Grundlæggende principper for MIMO-teknologi
MIMO-teknologien refererer til brugen af flere sendeantenner og modtageantenner i henholdsvis sendeenden og modtageenden, således at signaler transmitteres og modtages gennem flere antenner i sendeenden og modtageenden, hvorved kommunikationskvaliteten forbedres. Det kan udnytte pladsressourcer fuldt ud, realisere flere transmissioner og flere modtagelser gennem flere antenner og kan fordoble systemkanalkapaciteten uden at øge spektrumressourcer og antennetransmissionseffekt, hvilket viser åbenlyse fordele og betragtes som den næste generation af mobil. kommunikationsteknologi. Essensen af MIMO-teknologi er at give rumdiversitetsforstærkning og rummultipleksing for systemet.
Sendeenden kortlægger datasignalet, der skal sendes til flere antenner gennem rum-tid-kortlægning, og modtageenden udfører rum-tids-dekodning på de signaler, der modtages af hver antenne, for at genvinde datasignalet sendt af sendeenden. Ifølge forskellige rum-tid-kortlægningsmetoder kan MIMO-teknologi groft opdeles i to kategorier: rumdiversitet og rummultipleksing. Rumdiversitet refererer til brugen af flere sendeantenner til at sende signaler med den samme information gennem forskellige veje, og samtidig opnå flere uafhængigt fading-signaler af det samme datasymbol på modtageren, for at opnå pålideligheden af modtagelsen forbedret med mangfoldighed. For eksempel, i en langsom Rayleigh-fading-kanal, ved at bruge en sendeantenne og n modtageantenner, passerer det transmitterede signal gennem n forskellige veje. Hvis fadingen mellem antennerne er uafhængig, kan den maksimale diversitetsforstærkning opnås som n. For transmissionsdiversitetsteknologi er det også at bruge forstærkningen af flere stier til at forbedre systemets pålidelighed. I et system med m sendeantenner og n modtageantenner, hvis vejforstærkningerne mellem antennepar er uafhængige og ensartet fordelt Rayleigh-fading, er den maksimale diversitetsforstærkning, der kan opnås, mn. På nuværende tidspunkt omfatter rumdiversitetsteknologier, der almindeligvis anvendes i MIMO-systemer, hovedsageligt Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) og stråleformende teknologier. STBC er en vigtig kodningsform baseret på transmissionsdiversitet, hvoraf den mest grundlæggende er Alamouti-skemaet designet til to antenner.
Den vigtigste del af STBC-metoden er at gøre signalvektorerne, der skal transmitteres på flere antenner, ortogonale i forhold til hinanden. Brugen af STBC-teknologi kan opnå effekten af fuld diversitet, det vil sige, når STBC-teknologien bruges i et system med M sendeantenner og N modtageantenner, er den maksimale diversitetsforstærkning MN. Beamforming-teknologi er at sende de samme data gennem forskellige sendeantenner for at danne formede stråler rettet mod visse brugere og derved effektivt forbedre antenneforstærkningen. For at maksimere signalstyrken af den stråle, der er rettet til brugeren, skal stråleformningsteknologien normalt beregne fasen og effekten af de data, der sendes på hver sendeantenne, som også kaldes stråleformningsvektoren. Almindelige metoder til beregning af stråleformende vektorer omfatter maksimal egenværdivektor, MUSIC-algoritme osv. Den maksimale transmissionsdiversitetsforstærkning, der kan opnås ved at bruge beamforming-teknologien til M sendeantenner, er M. Spatial multiplexing-teknologi er at opdele de data, der skal transmitteres, i flere data streams, og derefter transmittere dem på forskellige antenner, hvorved transmissionshastigheden for systemet øges. Den almindeligt anvendte spatiale multipleksingsmetode er den vertikale lagdelte rum-tidskode foreslået af Bell Laboratories, det vil sige V-BLAST-teknologi.
