Multiple input multiple output (MIMO) is een antennesysteem dat meerdere antennes gebruikt aan zowel de zendende als de ontvangende kant om meerdere kanalen te vormen tussen de zendende en ontvangende kant om de kanaalcapaciteit aanzienlijk te vergroten.
Meervoudige invoer met meerdere uitvoer is een nogal gecompliceerde techniek voor antennediversiteit. Multipath-effecten zullen de signaalkwaliteit beïnvloeden, dus traditionele antennesystemen moeten hun hersens gebruiken om multipath-effecten te elimineren. MIMO-systemen gebruiken daarentegen multipath-effecten om de communicatiekwaliteit te verbeteren. In het MIMO-systeem gebruiken de verzendende en ontvangende partijen meerdere antennes die tegelijkertijd kunnen werken om te communiceren. MIMO-systemen maken doorgaans gebruik van complexe signaalverwerkingstechnieken om de betrouwbaarheid, het bereik en de doorvoer aanzienlijk te verbeteren. Met behulp van deze technieken verzendt de zender meerdere radiofrequentiesignalen tegelijkertijd, en de ontvanger haalt de gegevens uit deze signalen terug. Het draadloze MIMO-communicatiesysteem is een van de sleuteltechnologieën van toekomstige mobiele en draadloze communicatiesystemen. Een voor de hand liggend kenmerk van het MIMO-systeem is dat het een extreem hoge spectrumgebruiksefficiëntie heeft. Op basis van het volledig benutten van bestaande spectrumbronnen worden ruimtevaartbronnen gebruikt om winst in betrouwbaarheid en effectiviteit te behalen. Maak een einde aan de complexiteit van de verwerking.
sleutelmodule
1. Modellering van MIMO-systeemkanaalmodellen
De prestaties van een MIMO-systeem zijn grotendeels afhankelijk van het kanaalmodel. Hoewel er al gestandaardiseerde modellen voor draadloze voortplanting bestaan en er veel MIMO-kanaalmodellen beschikbaar zijn gesteld op basis van een groot aantal daadwerkelijke metingen en theoretisch onderzoekswerk, zijn ze nog niet erkend door de ITU. Erkend gestandaardiseerd MIMO-kanaalmodel (3GPP heeft kanaalmodelstandaarden voor MIMO geformuleerd). Daarom is het begrijpen en beheersen van de kenmerken van draadloze MIMO-kanalen in binnen- en buitenomgevingen, het opstellen van statische modellen en specifieke dynamische modellen van MIMO-kanalen, essentieel voor het selecteren van geschikte systeemstructuren en het ontwerpen van uitstekende signaalverwerkingsalgoritmen om de potentiële enorme kanalen van MIMO-systemen te realiseren. Capaciteit, het behalen van de verwachte prestaties is van cruciaal belang.
2. Capaciteit van het MIMO-systeem
Vergeleken met het traditionele systeem met één antenne is het MIMO-systeem aanzienlijk verbeterd, zowel qua prestaties als qua datatransmissiesnelheid. Eerst voerden Telestar en Foschini een diepgaande analyse uit van de kanaalcapaciteit van het MIMO-systeem. Zij analyseerden respectievelijk de Gaussische ruis. Uit het onderzoek naar de capaciteit van het MIMO-systeem onder de volgende omstandigheden blijkt dat, onder de aanname dat de antennes onafhankelijk van elkaar zijn, het meerantennesysteem aanzienlijk verbeterd is ten opzichte van het enkelantennesysteem. Als we de transmissiekarakteristieken van het kanaal kennen, laat Foschini's onderzoek zien dat: wanneer M=N, de verkregen kanaalcapaciteit proportioneel toeneemt met N. Bij hetzelfde transmissievermogen en dezelfde transmissiebandbreedte zal de kanaalcapaciteit van het systeem is ongeveer 40 keer hoger dan die van het single-input single-out (SISO) systeem.
3. Ontwerp van MIMO-antenne-array
Over het algemeen worden basisstationantennes hoog opgesteld en is de nabije veldverstrooiing rond de antenne-array relatief zwak. Om niet-gecorreleerde signalen op verschillende array-elementen te verkrijgen, is het daarom vaak nodig om ten minste 10 maal de golflengteafstand tussen array-elementen te handhaven. Wanneer het aantal antennes groot is, kunnen er obstakels zijn bij het opzetten van line-arrays voor basisstations. Voor mobiele terminals wordt, vanwege de overvloedige nabije-veldverstrooiers, algemeen aangenomen dat de afstand tussen antenne-elementen meer dan 1/2 golflengte bedraagt om de signaalcorrelatie zwak genoeg te maken. De gepolariseerde antenne-array kan onderling orthogonale polarisatietoestanden op dezelfde ruimtelijke positie gebruiken om de schijnbare irrelevantie van de array-elementen te realiseren, zodat de grootte van de antenne-array relatief kan worden verkleind.
4. Signaalverwerking van MIMO-systeem
Een array-antennecommunicatiesysteem in een vervagende omgeving wordt geconfronteerd met co-kanaalinterferentie en inter-symboolinterferentie. Om de capaciteit van een meerantennesysteem te benaderen zijn goede signaalverwerkingstechnieken nodig. Hoogwaardige signaaldetectiemethoden met lage complexiteit of gezamenlijke detectiemethoden zijn altijd een hot topic geweest voor onderzoekers.
5. Het complexiteitsprobleem van het MIMO-systeem
Omdat het signaal in het MIMO-systeem wordt uitgebreid naar de tweedimensionale ruimte-tijd, vergeleken met het systeem met één antenne, zal de complexiteit van de kanaalschatting, kanaalegalisatie, decodering en detectiekoppelingen toenemen met het aantal antennes of de verhoging van de signaalmodulatievolgorde. De hoeveelheid algoritmeberekeningen heeft een directe invloed op de verwerkingsvertraging, het energieverbruik van het apparaat en de standby-tijd. Tegelijkertijd zijn in praktische toepassingen de hoge kosten die meerdere radiofrequentieverbindingen met zich meebrengen een sleutelfactor die MIMO-systemen beperkt. Om de computationele complexiteit van "software" te verminderen, moeten eenvoudiger en effectievere signaalverwerkingsmethoden en verschillende ruimte-tijdcoderings- en decoderingsschema's voor MIMO-systemen worden geboden. Voor het verlagen van de "hardware"-kosten is antenneselectie een zeer kritische technologie, die de verwerkingscomplexiteit en hardwarekosten aanzienlijk kan verminderen met behoud van de voordelen van MIMO-technologie, en is een onderzoeksfocus om de praktische toepassing van MIMO-systemen te bevorderen.
6. Diversiteit en multiplexing van MIMO-systemen
De essentie van het MIMO-systeem is het bieden van diversiteitswinst en multiplexingwinst. De eerste garandeert de transmissiebetrouwbaarheid van het systeem, en de laatste verbetert de transmissiesnelheid van het systeem. Het merendeel van de vroege literatuur concentreerde zich op het gebruik van zenddiversiteit en ruimtelijke multiplexing, alleen of in combinatie met codering. Studies hebben aangetoond dat systemen met meerdere antennes tegelijkertijd diversiteit en ruimtelijke multiplexing kunnen bieden, en er is een wisselwerking tussen beide. Het is de moeite waard om te onderzoeken hoe we de systeemwinst kunnen maximaliseren door rationeel gebruik te maken van de twee vormen van diversiteit en multiplexing in MIMO-systemen.
7. (Meercellig) MIMO-systeem voor meerdere gebruikers
Theoretisch is het capaciteitsdomein van het MIMO-systeem voor meerdere gebruikers opgelost, maar hoe het capaciteitsdomein kan voldoen aan de transmissiesnelheidsvereisten van verschillende gebruikers is nog steeds niet goed opgelost. Bovendien, in het omroepkanaal, als gevolg van de interferentie tussen antennes en tussen gebruikers in het MIMO-systeem, hoe moet de transmissievector worden ontworpen om de co-kanaalinterferentie tussen gebruikers te elimineren, hoe kan de systeemcapaciteit en de vermogensregeling van de specifieke QoS van elke gebruiker wanneer het vermogen beperkt is. Het probleem van optimalisatie en aanverwante technologieën in de aanwezigheid van multi-cell multi-user systemen vormen nog steeds de focus van onderzoek.
Basisprincipes van MIMO-technologie
MIMO-technologie verwijst naar het gebruik van meerdere zendantennes en ontvangstantennes aan respectievelijk de zendende en ontvangende kant, zodat signalen worden verzonden en ontvangen via meerdere antennes aan de zendende en ontvangende kant, waardoor de communicatiekwaliteit wordt verbeterd. Het kan volledig gebruik maken van ruimtebronnen, meerdere transmissies en meerdere ontvangsten via meerdere antennes realiseren, en kan de kanaalcapaciteit van het systeem verdubbelen zonder de spectrumbronnen en het antennetransmissievermogen te vergroten, wat duidelijke voordelen oplevert, en wordt beschouwd als de volgende generatie mobiele telefoons. technologie van communicatie. De essentie van MIMO-technologie is om ruimtediversiteitswinst en ruimtemultiplexwinst voor het systeem te bieden.
Het zendende uiteinde brengt het datasignaal in kaart dat naar meerdere antennes moet worden verzonden via ruimte-tijd-mapping, en het ontvangende uiteinde voert ruimte-tijd-decodering uit op de signalen die door elke antenne worden ontvangen om het door het zendende uiteinde verzonden datasignaal te herstellen. Volgens verschillende methoden voor het in kaart brengen van ruimte en tijd kan MIMO-technologie grofweg in twee categorieën worden verdeeld: ruimtediversiteit en ruimtemultiplexing. Ruimtediversiteit verwijst naar het gebruik van meerdere zendantennes om signalen met dezelfde informatie via verschillende paden te verzenden en tegelijkertijd meerdere onafhankelijk vervagende signalen van hetzelfde datasymbool bij de ontvanger te verkrijgen, om zo de betrouwbaarheid van de ontvangst te verbeteren door diversiteit. In een langzaam Rayleigh-fadingkanaal, waarbij gebruik wordt gemaakt van één zendantenne en n ontvangstantennes, passeert het verzonden signaal bijvoorbeeld n verschillende paden. Als de fading tussen de antennes onafhankelijk is, kan de maximale diversiteitsversterking worden verkregen als n. Bij zenddiversiteitstechnologie moet ook de versterking van meerdere paden worden gebruikt om de betrouwbaarheid van het systeem te verbeteren. In een systeem met m zendantennes en n ontvangstantennes, als de padversterkingen tussen antenneparen onafhankelijk zijn en uniform verdeelde Rayleigh-fading, is de maximale diversiteitsversterking die kan worden verkregen mn. Momenteel omvatten de technologieën voor ruimtediversiteit die gewoonlijk in MIMO-systemen worden gebruikt voornamelijk Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) en beamforming-technologieën. STBC is een belangrijke coderingsvorm gebaseerd op zenddiversiteit, waarvan de meest elementaire het Alamouti-schema is, ontworpen voor twee antennes.
Het belangrijkste onderdeel van de STBC-methode is om de signaalvectoren die op meerdere antennes moeten worden verzonden, orthogonaal ten opzichte van elkaar te maken. Het gebruik van STBC-technologie kan het effect van volledige diversiteit bereiken, dat wil zeggen dat wanneer de STBC-technologie wordt gebruikt in een systeem met M zendantennes en N ontvangstantennes, de maximale diversiteitswinst MN is. Beamforming-technologie is het verzenden van dezelfde gegevens door verschillende zendantennes om gevormde bundels te vormen die op bepaalde gebruikers zijn gericht, waardoor de antenneversterking effectief wordt verbeterd. Om de signaalsterkte van de naar de gebruiker gerichte straal te maximaliseren, moet de bundelvormingstechnologie gewoonlijk de fase en het vermogen berekenen van de gegevens die naar elke zendantenne worden verzonden, ook wel de bundelvormingsvector genoemd. Gebruikelijke methoden voor het berekenen van bundelvormingsvectoren omvatten maximale eigenwaardevector, MUSIC-algoritme, enz. De maximale zenddiversiteitsversterking die kan worden verkregen door gebruik te maken van de bundelvormingstechnologie voor M zendantennes is M. Ruimtelijke multiplextechnologie is het verdelen van de te verzenden gegevens in verschillende gegevens streams en verzend deze vervolgens op verschillende antennes, waardoor de transmissiesnelheid van het systeem wordt verhoogd. De algemeen gebruikte ruimtelijke multiplexmethode is de verticaal gelaagde ruimte-tijdcode voorgesteld door Bell Laboratories, dat wil zeggen de V-BLAST-technologie.
