Множество входове и множество изходи (MIMO) е антенна система, която използва множество антени както в предавателния, така и в приемащия край, за да образува множество канали между предавателния и приемащия край, за да увеличи значително капацитета на канала.
Множество входове и множество изходи е доста сложна техника за разнообразие на антената. Многопътните ефекти ще повлияят на качеството на сигнала, така че традиционните антенни системи трябва да използват мозъка си за това как да премахнат многопътните ефекти. MIMO системите, от друга страна, използват многопътни ефекти за подобряване на качеството на комуникацията. В системата MIMO предаващата и приемащата страна използват множество антени, които могат да работят едновременно за комуникация. MIMO системите обикновено използват сложни техники за обработка на сигнали, за да подобрят значително надеждността, обхвата и пропускателната способност. Използвайки тези техники, предавателят изпраща множество радиочестотни сигнали едновременно, а приемникът възстановява данните от тези сигнали. Безжичната комуникационна система MIMO е една от ключовите технологии на бъдещите мобилни и безжични комуникационни системи. Очевидна характеристика на системата MIMO е, че тя има изключително висока ефективност на използване на спектъра. Въз основа на пълното използване на съществуващите ресурси на спектъра, космическите ресурси се използват за постигане на печалби в надеждността и ефективността. Сложност на крайната обработка.
ключов модул
1. Моделиране на канален модел на MIMO система
Производителността на MIMO система до голяма степен зависи от модела на канала. Въпреки че вече има стандартизирани модели на безжично разпространение и много модели на MIMO канали са предоставени въз основа на голям брой действителни измервания и теоретична изследователска работа, те все още не са признати от ITU. Признат стандартизиран MIMO канален модел (3GPP е формулирал стандарти за канален модел за MIMO). Следователно, разбирането и овладяването на характеристиките на безжичните MIMO канали във вътрешна и външна среда, установяването на статични модели и специфични динамични модели на MIMO канали, е от съществено значение за избора на подходящи системни структури и проектирането на отлични алгоритми за обработка на сигнали за реализиране на потенциалните огромни канали на MIMO системите Капацитетът, постигането на очакваната производителност е от решаващо значение.
2. Капацитет на MIMO система
В сравнение с традиционната система с една антена, системата MIMO е значително подобрена както по отношение на производителността, така и по отношение на скоростта на предаване на данни. Първо, Telestar и Foschini проведоха задълбочен анализ на капацитета на канала на системата MIMO. Те съответно анализираха шума на Гаус. Изследването на капацитета на системата MIMO при следните условия показва, че при предположението, че антените са независими една от друга, системата с множество антени е значително подобрена в сравнение със системата с една антена. В случай на познаване на характеристиките на предаване на канала, изследването на Foschini показва, че: когато M=N, полученият капацитет на канала се увеличава пропорционално на N. При една и съща мощност на предаване и честотна лента на предаване, капацитетът на канала на системата е около 40 пъти по-висока от тази на системата с един вход и един изход (SISO).
3. Проектиране на MIMO антенна решетка
Като цяло антените на базовата станция са издигнати високо и разсейването в близкото поле около антенната решетка е относително слабо. Следователно, за да се получат некорелирани сигнали на различни елементи на масива, често е необходимо да се поддържа поне 10 пъти разстоянието между дължината на вълната между елементите на масива. Когато броят на антените е голям, може да има пречки за изграждането на линейни масиви от базови станции. За мобилните терминали, поради изобилието от разпръсквачи в близко поле, обикновено се смята, че разстоянието между елементите на антената е повече от 1/2 дължина на вълната, за да направи корелацията на сигнала достатъчно слаба. Поляризираната антенна решетка може да използва взаимно ортогонални състояния на поляризация в една и съща пространствена позиция, за да реализира очевидната неуместност на елементите на решетка, така че размерът на антенната решетка може да бъде относително намален.
4. Обработка на сигнала на MIMO система
Комуникационна система с антенна решетка в среда на затихване се сблъсква с интерференция в един канал и смущения между символи. За да се доближи капацитетът на система с множество антени, са необходими добри техники за обработка на сигнала. Високоефективните, нискосложни методи за откриване на сигнали или съвместни методи за откриване винаги са били гореща тема за изследователите.
5. Проблемът със сложността на MIMO системата
Тъй като сигналът в системата MIMO е разширен до двумерното пространство-време, в сравнение със системата с една антена, сложността на оценката на канала, изравняването на канала, декодирането и връзките за откриване ще се увеличи с броя на антените или увеличаване на реда на модулация на сигнала. Размерът на изчислението на алгоритъма ще повлияе пряко на забавянето на обработката, консумацията на енергия на устройството и времето в режим на готовност. В същото време, в практическите приложения, ключов фактор, ограничаващ MIMO системите, е високата цена, причинена от множество радиочестотни връзки. За да намалите изчислителната сложност на „софтуера“, осигурете по-прости и по-ефективни методи за обработка на сигнали и различни схеми за кодиране и декодиране на пространство-време за MIMO системи. За намаляване на разходите за „хардуер“ изборът на антена е много критична технология, която може значително да намали сложността на обработката и разходите за хардуер, като същевременно запази предимствата на технологията MIMO, и е изследователски фокус за насърчаване на практическото приложение на системите MIMO.
6. Разнообразие и мултиплексиране на MIMO системи
Същността на системата MIMO е да осигури печалба от разнообразие и печалба от мултиплексиране. Първият гарантира надеждността на предаване на системата, а вторият подобрява скоростта на предаване на системата. По-голямата част от ранната литература се фокусира върху използването на предавателно разнообразие и пространствено мултиплексиране самостоятелно или в комбинация с кодиране. Проучванията показват, че системите с множество антени могат да осигурят разнообразие и пространствено мултиплексиране едновременно и има компромис между двете. Струва си да се проучи, за да се увеличи максимално системното усилване чрез рационално използване на двата режима на разнообразие и мултиплексиране в MIMO системи.
7. (Multi-cell) Многопотребителска MIMO система
Теоретично домейнът на капацитета на многопотребителската MIMO система е решен, но все още не е добре решен как домейнът на капацитет да отговаря на изискванията за скорост на предаване на различни потребители. Освен това, в канала за излъчване, поради смущенията между антените и между потребителите в системата MIMO, как да проектирате вектора на предаване, за да елиминирате смущенията в съвместния канал между потребителите, как да направите капацитета на системата и контрола на мощността на специфично QoS на всеки потребител, когато мощността е ограничена. Проблемът с оптимизацията и свързаните с нея технологии при наличието на многоклетъчни многопотребителски системи все още са в центъра на изследванията.
Основни принципи на технологията MIMO
Технологията MIMO се отнася до използването на множество предавателни антени и приемащи антени съответно в предавателния край и приемащия край, така че сигналите да се предават и приемат през множество антени в предавателния край и приемащия край, като по този начин се подобрява качеството на комуникацията. Той може да използва пълноценно космическите ресурси, да реализира множество предавания и множество приемания чрез множество антени и може да удвои капацитета на системния канал, без да увеличава ресурсите на спектъра и мощността на предаване на антената, показвайки очевидни предимства, и се счита за следващото поколение мобилни устройства. технология на комуникацията. Същността на технологията MIMO е да осигури печалба от пространствено разнообразие и печалба от пространствено мултиплексиране за системата.
Предавателният край картографира сигнала за данни, който да бъде изпратен към множество антени чрез пространствено-времево картографиране, а приемащият край извършва пространствено-времево декодиране на сигналите, получени от всяка антена, за да възстанови сигнала за данни, изпратен от предаващия край. Според различните методи за пространствено-времево картографиране, MIMO технологията може грубо да бъде разделена на две категории: пространствено разнообразие и пространствено мултиплексиране. Пространственото разнообразие се отнася до използването на множество предавателни антени за изпращане на сигнали с една и съща информация през различни пътища и в същото време получаване на множество независимо затихващи сигнали на един и същ символ на данни в приемника, така че да се получи надеждността на приемане, подобрена от разнообразие. Например, в канал с бавно затихване на Rayleigh, използващ една предавателна антена и n приемни антени, предаваният сигнал преминава през n различни пътя. Ако затихването между антените е независимо, максималното усилване на разнообразието може да се получи като n. За технологията за многообразие на предаване е също да се използва печалбата от множество пътища за подобряване на надеждността на системата. В система с m предавателни антени и n приемащи антени, ако усилването на пътя между двойките антени е независимо и равномерно разпределено затихване на Рейли, максималното усилване на разнообразието, което може да се получи, е mn. Понастоящем технологиите за пространствено разнообразие, които обикновено се използват в системите MIMO, включват главно пространствено-времеви блок код (Space Time Block Code, STBC) и технологии за формиране на лъч. STBC е важна кодираща форма, базирана на разнообразие на предаване, най-основната от които е схемата Alamouti, предназначена за две антени.
Най-важната част от метода STBC е да направи сигналните вектори да се предават на множество антени, ортогонални една на друга. Използването на технологията STBC може да постигне ефекта на пълно разнообразие, тоест, когато технологията STBC се използва в система с M предавателни антени и N приемащи антени, максималното усилване на разнообразието е MN. Технологията за формиране на лъчи е да изпраща едни и същи данни през различни предавателни антени, за да образува оформени лъчи, насочени към определени потребители, като по този начин ефективно подобрява усилването на антената. За да се увеличи максимално силата на сигнала на лъча, насочен към потребителя, технологията за формиране на лъч обикновено трябва да изчисли фазата и мощността на данните, изпратени на всяка предавателна антена, което също се нарича вектор за формиране на лъч. Общите методи за изчисление на вектор за формиране на лъч включват вектор на максимална собствена стойност, алгоритъм MUSIC и т.н. Максималното усилване на разнообразието на предаване, което може да се получи чрез използване на технологията за формиране на лъч за M предавателни антени, е M. Технологията за пространствено мултиплексиране е да разделя данните, които трябва да се предават, на няколко данни потоци и след това да ги предава на различни антени, като по този начин увеличава скоростта на предаване на системата. Често използваният метод за пространствено мултиплексиране е вертикално наслоен пространствено-времеви код, предложен от Bell Laboratories, тоест технологията V-BLAST.
