Multiple input multiple output (MIMO) és un sistema d'antena que utilitza múltiples antenes tant a l'extrem de transmissió com a l'extrem receptor per formar múltiples canals entre els extrems de transmissió i recepció per tal d'augmentar molt la capacitat del canal.
La sortida múltiple d'entrada múltiple és una tècnica de diversitat d'antena força complicada. Els efectes de múltiples camins afectaran la qualitat del senyal, de manera que els sistemes d'antenes tradicionals han d'utilitzar el seu cervell per eliminar els efectes de múltiples camins. Els sistemes MIMO, d'altra banda, utilitzen efectes multipath per millorar la qualitat de la comunicació. En el sistema MIMO, les parts emissores i receptores utilitzen múltiples antenes que poden funcionar simultàniament per comunicar-se. Els sistemes MIMO solen emprar tècniques complexes de processament de senyal per millorar significativament la fiabilitat, l'abast i el rendiment. Mitjançant aquestes tècniques, el transmissor envia múltiples senyals de radiofreqüència simultàniament i el receptor recupera les dades d'aquests senyals. El sistema de comunicació sense fil MIMO és una de les tecnologies clau dels futurs sistemes de comunicació mòbil i sense fil. Una característica òbvia del sistema MIMO és que té una eficiència d'utilització de l'espectre extremadament alta. Sobre la base d'utilitzar plenament els recursos d'espectre existents, els recursos espacials s'utilitzen per obtenir guanys en fiabilitat i eficàcia. Finalitzar la complexitat del processament.
mòdul clau
1. Modelització del model de canal del sistema MIMO
El rendiment d'un sistema MIMO depèn en gran mesura del model de canal. Tot i que ja hi ha models de propagació sense fil estandarditzats i molts models de canal MIMO s'han proporcionat sobre la base d'un gran nombre de mesures reals i treballs de recerca teòrics, encara no han estat reconeguts per la UIT. Model de canal MIMO estandarditzat reconegut (3GPP ha formulat estàndards de model de canal per a MIMO). Per tant, comprendre i dominar les característiques dels canals MIMO sense fil en entorns interiors i exteriors, establir models estàtics i models dinàmics específics de canals MIMO, és essencial per seleccionar estructures de sistema adequades i dissenyar algorismes de processament de senyal excel·lents per realitzar els grans canals potencials dels sistemes MIMO. La capacitat, assolir el rendiment esperat és fonamental.
2. Capacitat del sistema MIMO
En comparació amb el sistema tradicional d'antena única, el sistema MIMO ha millorat molt tant pel que fa al rendiment com a la velocitat de transmissió de dades. Primer, Telestar i Foschini van realitzar una anàlisi en profunditat de la capacitat del canal del sistema MIMO. Van analitzar respectivament el soroll gaussià. La investigació sobre la capacitat del sistema MIMO en les condicions següents mostra que, en el supòsit que les antenes són independents entre si, el sistema multiantena millora significativament en comparació amb el sistema d'antena única. En el cas de conèixer les característiques de transmissió del canal, la investigació de Foschini mostra que: quan M=N, la capacitat del canal obtinguda augmenta proporcionalment a N. Amb la mateixa potència de transmissió i amplada de banda de transmissió, la capacitat del canal del sistema és unes 40 vegades superior a la del sistema de sortida única d'entrada única (SISO).
3. Disseny de matriu d'antenes MIMO
En general, les antenes de les estacions base s'aixequen en alt, i la dispersió del camp proper al voltant de la matriu d'antenes és relativament feble. Per tant, per obtenir senyals no correlacionats en diferents elements de la matriu, sovint és necessari mantenir almenys 10 vegades l'espai de longitud d'ona entre els elements de la matriu. Quan el nombre d'antenes és gran, pot haver-hi obstacles per muntar matrius de línies d'estació base. Per als terminals mòbils, a causa dels abundants dispersors de camp proper, generalment es creu que la distància entre els elements de l'antena és superior a 1/2 longitud d'ona per fer que la correlació del senyal sigui prou feble. La matriu d'antenes polaritzades pot utilitzar estats de polarització mútuament ortogonals a la mateixa posició espacial per adonar-se de l'aparent irrellevància dels elements de la matriu, de manera que la mida de la matriu d'antenes es pot reduir relativament.
4. Processament del senyal del sistema MIMO
Un sistema de comunicació d'antenes de matriu en un entorn que s'esvaeix s'enfronta a interferències de cocanal i interferències entre símbols. Per tal d'apropar-se a la capacitat d'un sistema multiantena, calen bones tècniques de processament de senyal. Els mètodes de detecció de senyals d'alt rendiment i de baixa complexitat o els mètodes de detecció conjunta sempre han estat un tema candent per als investigadors.
5. El problema de complexitat del sistema MIMO
Com que el senyal del sistema MIMO s'estén a l'espai-temps bidimensional, en comparació amb el sistema d'antena única, la complexitat dels enllaços d'estimació de canals, igualació de canals, descodificació i detecció augmentarà amb el nombre d'antenes o la augment de l'ordre de modulació del senyal. La quantitat de càlcul de l'algorisme afectarà directament el retard de processament, el consum d'energia del dispositiu i el temps d'espera. Al mateix temps, en aplicacions pràctiques, un factor clau que limita els sistemes MIMO és l'elevat cost que comporten múltiples enllaços de radiofreqüència. Per reduir la complexitat computacional del "programari", proporcioneu mètodes de processament de senyal més senzills i efectius i diversos esquemes de codificació i descodificació espai-temps per als sistemes MIMO. Per reduir el cost del "maquinari", la selecció d'antenes és una tecnologia molt crítica, que pot reduir considerablement la complexitat del processament i el cost del maquinari, mantenint els avantatges de la tecnologia MIMO, i és un focus de recerca per promoure l'aplicació pràctica dels sistemes MIMO.
6. Diversitat i multiplexació de sistemes MIMO
L'essència del sistema MIMO és proporcionar guany de diversitat i guany de multiplexació. El primer garanteix la fiabilitat de transmissió del sistema, i el segon millora la velocitat de transmissió del sistema. La major part de la literatura inicial es va centrar en l'ús de la diversitat de transmissió i la multiplexació espacial sols o en combinació amb la codificació. Els estudis han demostrat que els sistemes de múltiples antenes poden proporcionar diversitat i multiplexació espacial al mateix temps, i hi ha una compensació entre tots dos. Val la pena explorar per maximitzar el guany del sistema utilitzant racionalment els dos modes de diversitat i multiplexació en sistemes MIMO.
7. (Multicel·la) Sistema MIMO multiusuari
Teòricament, s'ha resolt el domini de capacitat del sistema MIMO multiusuari, però encara no està ben resolt com fer que el domini de capacitat compleixi els requisits de velocitat de transmissió de diversos usuaris. A més, al canal d'emissió, a causa de la interferència entre antenes i interusuaris en el sistema MIMO, com dissenyar el vector de transmissió per eliminar la interferència cocanal entre usuaris, com fer que la capacitat del sistema i el control de potència de la QoS específica de cada usuari quan la potència és limitada El problema de l'optimització i les tecnologies relacionades en presència de sistemes multicel·lulars multiusuari encara són el focus de la investigació.
Principis bàsics de la tecnologia MIMO
La tecnologia MIMO es refereix a l'ús de múltiples antenes de transmissió i antenes de recepció a l'extrem de transmissió i a l'extrem de recepció, respectivament, de manera que els senyals es transmeten i es reben a través de múltiples antenes a l'extrem de transmissió i a l'extrem de recepció, millorant així la qualitat de la comunicació. Pot fer un ús total dels recursos espacials, realitzar múltiples transmissions i recepcions múltiples a través de múltiples antenes i pot duplicar la capacitat del canal del sistema sense augmentar els recursos de l'espectre i la potència de transmissió de l'antena, mostrant avantatges evidents, i es considera la propera generació de mòbils. tecnologia de la comunicació. L'essència de la tecnologia MIMO és proporcionar un guany de diversitat espacial i un guany de multiplexació d'espai per al sistema.
L'extrem de transmissió mapeja el senyal de dades que s'ha d'enviar a múltiples antenes mitjançant un mapeig espai-temps, i l'extrem receptor realitza una descodificació espai-temps dels senyals rebuts per cada antena per recuperar el senyal de dades enviat per l'extrem de transmissió. Segons diferents mètodes de mapeig espai-temps, la tecnologia MIMO es pot dividir aproximadament en dues categories: diversitat espacial i multiplexació espacial. La diversitat espacial es refereix a l'ús de múltiples antenes de transmissió per enviar senyals amb la mateixa informació a través de diferents camins i, al mateix temps, obtenir múltiples senyals d'esvaïment independent del mateix símbol de dades al receptor, per tal d'obtenir la fiabilitat de la recepció millorada per diversitat. Per exemple, en un canal d'esvaïment lent de Rayleigh, utilitzant una antena de transmissió i n antenes de recepció, el senyal transmès passa per n camins diferents. Si l'esvaïment entre les antenes és independent, el guany de diversitat màxim es pot obtenir com n. Per a la tecnologia de diversitat de transmissió, també cal utilitzar el guany de múltiples camins per millorar la fiabilitat del sistema. En un sistema amb m antenes transmissores i n antenes receptores, si els guanys de camí entre parells d'antenes són independents i esvaeixen de Rayleigh uniformement, el guany de diversitat màxim que es pot obtenir és mn. Actualment, les tecnologies de diversitat espacial que s'utilitzen habitualment als sistemes MIMO inclouen principalment el codi de blocs espacials i temporals (Space Time Block Code, STBC) i tecnologies de formació de feix. STBC és una forma de codificació important basada en la diversitat de transmissió, el més bàsic dels quals és l'esquema Alamouti dissenyat per a dues antenes.
La part més important del mètode STBC és fer que els vectors de senyal que es transmetin en múltiples antenes siguin ortogonals entre si. L'ús de la tecnologia STBC pot aconseguir l'efecte de la diversitat total, és a dir, quan la tecnologia STBC s'utilitza en un sistema amb antenes de transmissió M i antenes de recepció N, el guany de diversitat màxim és MN. La tecnologia Beamforming consisteix a enviar les mateixes dades a través de diferents antenes de transmissió per formar feixos amb forma dirigits a determinats usuaris, millorant així efectivament el guany de l'antena. Per tal de maximitzar la força del senyal del feix dirigit a l'usuari, la tecnologia de formació de feix normalment necessita calcular la fase i la potència de les dades enviades a cada antena de transmissió, que també s'anomena vector de formació de feix. Els mètodes de càlcul de vectors de formació de feix comuns inclouen el vector de valor propi màxim, l'algoritme MUSIC, etc. El guany màxim de diversitat de transmissió que es pot obtenir mitjançant l'ús de la tecnologia de formació de feix per a antenes de transmissió M és M. La tecnologia de multiplexació espacial consisteix a dividir les dades que s'han de transmetre en diverses dades. fluxos, i després transmetre'ls a diferents antenes, augmentant així la velocitat de transmissió del sistema. El mètode de multiplexació espacial més utilitzat és el codi espai-temps en capes verticals proposat per Bell Laboratories, és a dir, la tecnologia V-BLAST.
