Multiple input multiple output (MIMO) er et antennesystem som bruker flere antenner både i sendeenden og mottakerenden for å danne flere kanaler mellom sende- og mottakerenden for å øke kanalkapasiteten betraktelig.
Multiple-input multiple-output er en ganske komplisert antennediversitetsteknikk. Multipath-effekter vil påvirke signalkvaliteten, så tradisjonelle antennesystemer må bruke hjernen til hvordan de kan eliminere multipath-effekter. MIMO-systemer, derimot, bruker flerveiseffekter for å forbedre kommunikasjonskvaliteten. I MIMO-systemet bruker sender- og mottakspartene flere antenner som kan fungere samtidig for å kommunisere. MIMO-systemer bruker vanligvis komplekse signalbehandlingsteknikker for å forbedre pålitelighet, rekkevidde og gjennomstrømning betydelig. Ved å bruke disse teknikkene sender senderen flere radiofrekvenssignaler samtidig, og mottakeren gjenoppretter dataene fra disse signalene. MIMO trådløst kommunikasjonssystem er en av nøkkelteknologiene til fremtidige mobile og trådløse kommunikasjonssystemer. Et åpenbart trekk ved MIMO-systemet er at det har ekstremt høy spektrumutnyttelseseffektivitet. På grunnlag av å utnytte eksisterende spektrumressurser fullt ut, brukes romressurser for å oppnå gevinster i pålitelighet og effektivitet. Sluttbehandlingskompleksitet.
nøkkelmodul
1. Modellering av MIMO-systemkanalmodeller
Ytelsen til et MIMO-system avhenger i stor grad av kanalmodellen. Selv om det allerede finnes standardiserte trådløse forplantningsmodeller og mange MIMO-kanalmodeller har blitt gitt på grunnlag av et stort antall faktiske målinger og teoretisk forskningsarbeid, har de ennå ikke blitt anerkjent av ITU. Anerkjent standardisert MIMO-kanalmodell (3GPP har formulert kanalmodellstandarder for MIMO). Derfor er det viktig å forstå og mestre egenskapene til trådløse MIMO-kanaler i innendørs og utendørs miljøer, etablere statiske modeller og spesifikke dynamiske modeller av MIMO-kanaler, for å velge passende systemstrukturer og utforme utmerkede signalbehandlingsalgoritmer for å realisere de potensielle enorme kanalene til MIMO-systemer Kapasitet, å oppnå forventet ytelse er kritisk.
2. Kapasiteten til MIMO-systemet
Sammenlignet med det tradisjonelle enkeltantennesystemet har MIMO-systemet forbedret seg betraktelig både når det gjelder ytelse og dataoverføringshastighet. Først gjennomførte Telestar og Foschini en dybdeanalyse av kanalkapasiteten til MIMO-systemet. De analyserte henholdsvis den gaussiske støyen. Forskningen på kapasiteten til MIMO-systemet under følgende forhold viser at, under forutsetning av at antennene er uavhengige av hverandre, er multiantennesystemet betydelig forbedret sammenlignet med enkeltantennesystemet. Når det gjelder å kjenne overføringsegenskapene til kanalen, viser Foschinis forskning at: når M=N, øker den oppnådde kanalkapasiteten proporsjonalt med N. Under samme overføringseffekt og overføringsbåndbredde, kanalkapasiteten til systemet er omtrent 40 ganger høyere enn for single-input single-out (SISO)-systemet.
3. Design av MIMO antenne array
Generelt er basestasjonsantenner reist høyt, og nærfeltspredningen rundt antennegruppen er relativt svak. Derfor, for å oppnå ukorrelerte signaler på forskjellige array-elementer, er det ofte nødvendig å opprettholde minst 10 ganger bølgelengdeavstanden mellom array-elementer. Når antallet antenner er stort, kan det være hindringer for oppreisning av basestasjonslinjematriser. For mobile terminaler, på grunn av de rikelig med nærfeltspredning, antas det generelt at avstanden mellom antenneelementene er mer enn 1/2 bølgelengde for å gjøre signalkorrelasjonen svak nok. Den polariserte antennegruppen kan bruke gjensidig ortogonale polarisasjonstilstander i samme romlige posisjon for å realisere den tilsynelatende irrelevansen til gruppeelementene, slik at størrelsen på antennegruppen kan reduseres relativt.
4. Signalbehandling av MIMO-system
Et array-antennekommunikasjonssystem i et fading-miljø står overfor co-kanal interferens og inter-symbol interferens. For å nærme seg kapasiteten til et multi-antennesystem kreves det gode signalbehandlingsteknikker. Signaldeteksjonsmetoder med høy ytelse og lav kompleksitet eller fellesdeteksjonsmetoder har alltid vært et hett tema for forskere.
5. Kompleksitetsproblemet til MIMO-systemet
Siden signalet i MIMO-systemet utvides til det todimensjonale rom-tid, sammenlignet med enkeltantennesystemet, vil kompleksiteten til kanalestimering, kanalutjevning, dekoding og deteksjonskoblinger øke med antall antenner eller økning av signalmodulasjonsrekkefølgen. Mengden av algoritmeberegning vil direkte påvirke behandlingsforsinkelsen, enhetens strømforbruk og standby-tid. På samme tid, i praktiske applikasjoner, er en nøkkelfaktor som begrenser MIMO-systemer de høye kostnadene ved flere radiofrekvensforbindelser. For å redusere beregningskompleksiteten til "programvare", gi enklere og mer effektive signalbehandlingsmetoder og forskjellige rom-tidskodings- og dekodingsskjemaer for MIMO-systemer. For å redusere "maskinvare"-kostnadene er antennevalg en svært kritisk teknologi, som i stor grad kan redusere prosesseringskompleksiteten og maskinvarekostnadene samtidig som fordelene med MIMO-teknologi opprettholdes, og er et forskningsfokus for å fremme den praktiske anvendelsen av MIMO-systemer.
6. Mangfold og multipleksing av MIMO-systemer
Essensen av MIMO-systemet er å gi diversitetsforsterkning og multipleksingforsterkning. Førstnevnte garanterer overføringssikkerheten til systemet, og sistnevnte forbedrer overføringshastigheten til systemet. Mesteparten av den tidlige litteraturen fokuserte på bruk av overføringsdiversitet og romlig multipleksing alene eller i kombinasjon med koding. Studier har vist at multi-antennesystemer kan gi mangfold og romlig multipleksing på samme tid, og det er en avveining mellom de to. Det er verdt å utforske for å maksimere systemgevinsten ved rasjonelt å bruke de to modusene for mangfold og multipleksing i MIMO-systemer.
7. (Multi-cell) Multi-user MIMO system
Teoretisk er kapasitetsdomenet til multi-user MIMO-systemet løst, men hvordan man får kapasitetsdomenet til å oppfylle kravene til overføringshastigheten til ulike brukere er fortsatt ikke godt løst. Videre, i kringkastingskanalen, på grunn av inter-antenne og inter-bruker interferens i MIMO-systemet, hvordan designe overføringsvektoren for å eliminere co-kanal interferens mellom brukere, hvordan gjøre systemkapasiteten og effektkontrollen til hver brukers spesifikke QoS når kraften er begrenset Problemet med optimalisering og relaterte teknologier i nærvær av flercellede flerbrukersystemer er fortsatt i fokus for forskning.
Grunnleggende prinsipper for MIMO-teknologi
MIMO-teknologi refererer til bruken av flere sendeantenner og mottaksantenner ved henholdsvis sendeenden og mottakerenden, slik at signaler sendes og mottas gjennom flere antenner ved sendeenden og mottakerenden, og dermed forbedrer kommunikasjonskvaliteten. Den kan utnytte plassressurser fullt ut, realisere flere sendinger og flere mottak gjennom flere antenner, og kan doble systemkanalkapasiteten uten å øke spektrumressursene og antennens overføringskraft, viser åpenbare fordeler, og regnes som neste generasjon mobil. teknologi for kommunikasjon. Essensen av MIMO-teknologi er å gi romdiversitetsforsterkning og plassmultipleksing for systemet.
Sendeenden kartlegger datasignalet som skal sendes til flere antenner gjennom rom-tid-kartlegging, og mottakerenden utfører rom-tidsdekoding på signalene mottatt av hver antenne for å gjenopprette datasignalet sendt av sendeenden. I henhold til ulike rom-tid-kartleggingsmetoder kan MIMO-teknologi grovt deles inn i to kategorier: romdiversitet og rommultipleksing. Romdiversitet refererer til bruken av flere sendeantenner for å sende signaler med samme informasjon gjennom forskjellige baner, og samtidig oppnå flere uavhengige fadingsignaler av samme datasymbol på mottakeren, for å oppnå påliteligheten til mottaket forbedret med mangfold. For eksempel, i en langsom Rayleigh-fading-kanal, ved bruk av én sendeantenne og n mottaksantenner, går det overførte signalet gjennom n forskjellige baner. Hvis fadingen mellom antennene er uavhengig, kan maksimal diversitetsforsterkning oppnås som n. For overføringsdiversitetsteknologi er det også å bruke gevinsten fra flere baner for å forbedre påliteligheten til systemet. I et system med m sendeantenner og n mottaksantenner, hvis baneforsterkningene mellom antenneparene er uavhengige og jevnt fordelt Rayleigh-fading, er den maksimale diversitetsforsterkningen som kan oppnås mn. For tiden inkluderer romdiversitetsteknologier som vanligvis brukes i MIMO-systemer hovedsakelig Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) og stråleformende teknologier. STBC er en viktig kodeform basert på overføringsdiversitet, den mest grunnleggende er Alamouti-skjemaet designet for to antenner.
Den viktigste delen av STBC-metoden er å gjøre signalvektorene som skal sendes på flere antenner ortogonale i forhold til hverandre. Bruk av STBC-teknologi kan oppnå effekten av full diversitet, det vil si at når STBC-teknologien brukes i et system med M sendeantenner og N mottaksantenner, er maksimal diversitetsforsterkning MN. Beamforming-teknologi er å sende de samme dataene gjennom forskjellige senderantenner for å danne formede stråler rettet mot visse brukere, og dermed effektivt forbedre antenneforsterkningen. For å maksimere signalstyrken til strålen som er rettet mot brukeren, trenger stråleformingsteknologien vanligvis å beregne fasen og kraften til dataene som sendes på hver senderantenne, som også kalles stråleformingsvektoren. Vanlige metoder for beregning av stråleformende vektorer inkluderer maksimal egenverdivektor, MUSIC-algoritme, etc. Den maksimale sendediversitetsforsterkningen som kan oppnås ved å bruke stråleformingsteknologien for M sendeantenner er M. Romlig multipleksingsteknologi er å dele opp dataene som skal overføres i flere data strømmer, og deretter overføre dem på forskjellige antenner, og dermed øke overføringshastigheten til systemet. Den ofte brukte romlige multipleksingsmetoden er den vertikale lagdelte romtidskoden foreslått av Bell Laboratories, det vil si V-BLAST-teknologi.
