Multiple input multiple output (MIMO) è un sistema di antenna che utilizza più antenne sia all'estremità di trasmissione che a quella di ricezione per formare più canali tra le estremità di trasmissione e di ricezione al fine di aumentare notevolmente la capacità del canale.
L'uscita multipla a ingressi multipli è una tecnica di diversità dell'antenna piuttosto complicata. Gli effetti multipercorso influenzeranno la qualità del segnale, quindi i sistemi di antenne tradizionali devono usare il cervello per eliminare gli effetti multipercorso. I sistemi MIMO, d'altra parte, utilizzano effetti multipercorso per migliorare la qualità della comunicazione. Nel sistema MIMO, le parti trasmittenti e riceventi utilizzano più antenne che possono funzionare simultaneamente per comunicare. I sistemi MIMO utilizzano tipicamente tecniche complesse di elaborazione del segnale per migliorare significativamente l'affidabilità, la portata e la velocità effettiva. Utilizzando queste tecniche, il trasmettitore invia più segnali in radiofrequenza contemporaneamente e il ricevitore recupera i dati da questi segnali. Il sistema di comunicazione wireless MIMO è una delle tecnologie chiave dei futuri sistemi di comunicazione mobile e wireless. Una caratteristica ovvia del sistema MIMO è che ha un'efficienza di utilizzo dello spettro estremamente elevata. Sulla base del pieno utilizzo delle risorse dello spettro esistenti, le risorse spaziali vengono utilizzate per ottenere guadagni in affidabilità ed efficacia. Terminare la complessità dell'elaborazione.
modulo chiave
1. Modellazione del modello di canale del sistema MIMO
Le prestazioni di un sistema MIMO dipendono in gran parte dal modello di canale. Sebbene esistano già modelli standardizzati di propagazione wireless e molti modelli di canali MIMO siano stati forniti sulla base di un gran numero di misurazioni effettive e di lavori di ricerca teorica, essi non sono ancora stati riconosciuti dall'ITU. Modello di canale MIMO standardizzato riconosciuto (3GPP ha formulato standard di modello di canale per MIMO). Pertanto, comprendere e padroneggiare le caratteristiche dei canali MIMO wireless in ambienti interni ed esterni, stabilire modelli statici e modelli dinamici specifici dei canali MIMO, è essenziale per selezionare strutture di sistema appropriate e progettare eccellenti algoritmi di elaborazione del segnale per realizzare i potenziali enormi canali dei sistemi MIMO. La capacità, il raggiungimento delle prestazioni previste è fondamentale.
2. Capacità del sistema MIMO
Rispetto al tradizionale sistema ad antenna singola, il sistema MIMO è notevolmente migliorato sia in termini di prestazioni che di velocità di trasmissione dei dati. Innanzitutto, Telestar e Foschini hanno condotto un'analisi approfondita della capacità del canale del sistema MIMO. Hanno analizzato rispettivamente il rumore gaussiano. La ricerca sulla capacità del sistema MIMO nelle seguenti condizioni mostra che, partendo dal presupposto che le antenne siano indipendenti l'una dall'altra, il sistema ad antenna multipla è significativamente migliorato rispetto al sistema ad antenna singola. Nel caso in cui si conoscano le caratteristiche di trasmissione del canale, la ricerca di Foschini mostra che: quando M=N, la capacità del canale ottenuta aumenta proporzionalmente a N. A parità di potenza di trasmissione e larghezza di banda di trasmissione, la capacità di canale del sistema è circa 40 volte superiore a quello del sistema SISO (single input single out).
3. Progettazione di un array di antenne MIMO
In generale, le antenne delle stazioni base sono montate in alto e la diffusione del campo vicino attorno alla schiera di antenne è relativamente debole. Pertanto, per ottenere segnali non correlati su diversi elementi della matrice, è spesso necessario mantenere almeno 10 volte la spaziatura delle lunghezze d'onda tra gli elementi della matrice. Quando il numero di antenne è elevato, potrebbero esserci ostacoli alla costruzione di line array di stazioni base. Per i terminali mobili, a causa degli abbondanti diffusori del campo vicino, si ritiene generalmente che la distanza tra gli elementi dell'antenna sia superiore a 1/2 lunghezza d'onda per rendere la correlazione del segnale sufficientemente debole. La schiera di antenne polarizzate può utilizzare stati di polarizzazione reciprocamente ortogonali nella stessa posizione spaziale per realizzare l'apparente irrilevanza degli elementi della schiera, in modo che la dimensione della schiera di antenne possa essere relativamente ridotta.
4. Elaborazione del segnale del sistema MIMO
Un sistema di comunicazione con antenne a schiera in un ambiente in dissolvenza deve affrontare interferenze co-canale e interferenze inter-simboli. Per avvicinarsi alla capacità di un sistema multi-antenna, sono necessarie buone tecniche di elaborazione del segnale. I metodi di rilevamento del segnale ad alte prestazioni e a bassa complessità o i metodi di rilevamento congiunto sono sempre stati un argomento scottante per i ricercatori.
5. Il problema della complessità del sistema MIMO
Poiché il segnale nel sistema MIMO è esteso allo spazio-tempo bidimensionale, rispetto al sistema ad antenna singola, la complessità della stima del canale, dell'equalizzazione del canale, della decodifica e dei collegamenti di rilevamento aumenterà con il numero di antenne o il numero di antenne. incremento dell’ordine di modulazione del segnale. La quantità di calcolo dell'algoritmo influirà direttamente sul ritardo di elaborazione, sul consumo energetico del dispositivo e sul tempo di standby. Allo stesso tempo, nelle applicazioni pratiche, un fattore chiave che limita i sistemi MIMO è il costo elevato comportato da più collegamenti a radiofrequenza. Per ridurre la complessità computazionale del "software", fornire metodi di elaborazione del segnale più semplici ed efficaci e vari schemi di codifica e decodifica spazio-temporali per i sistemi MIMO. Per ridurre il costo "hardware", la selezione dell'antenna è una tecnologia molto critica, che può ridurre notevolmente la complessità di elaborazione e il costo dell'hardware mantenendo i vantaggi della tecnologia MIMO, ed è un focus di ricerca per promuovere l'applicazione pratica dei sistemi MIMO.
6. Diversità e multiplexing dei sistemi MIMO
L'essenza del sistema MIMO è fornire guadagno di diversità e guadagno di multiplexing. Il primo garantisce l'affidabilità di trasmissione del sistema e il secondo migliora la velocità di trasmissione del sistema. La maggior parte della prima letteratura si concentrava sull'uso della diversità di trasmissione e del multiplexing spaziale da soli o in combinazione con la codifica. Gli studi hanno dimostrato che i sistemi multi-antenna possono fornire diversità e multiplexing spaziale allo stesso tempo, ed esiste un compromesso tra i due. Vale la pena esplorare per massimizzare il guadagno del sistema utilizzando razionalmente le due modalità di diversità e multiplexing nei sistemi MIMO.
7. Sistema MIMO multiutente (multicella).
Teoricamente, il dominio di capacità del sistema MIMO multiutente è stato risolto, ma non è ancora ben risolto come far sì che il dominio di capacità soddisfi i requisiti di velocità di trasmissione dei vari utenti. Inoltre, nel canale di trasmissione, a causa dell'interferenza tra antenne e tra utenti nel sistema MIMO, come progettare il vettore di trasmissione per eliminare l'interferenza co-canale tra gli utenti, come rendere la capacità del sistema e il controllo della potenza di QoS specifica di ogni utente quando la potenza è limitata Il problema dell'ottimizzazione e delle tecnologie correlate in presenza di sistemi multicella e multiutente sono ancora al centro della ricerca.
Principi di base della tecnologia MIMO
La tecnologia MIMO si riferisce all'uso di più antenne trasmittenti e antenne riceventi rispettivamente all'estremità trasmittente e all'estremità ricevente, in modo che i segnali vengano trasmessi e ricevuti attraverso più antenne all'estremità trasmittente e all'estremità ricevente, migliorando così la qualità della comunicazione. Può sfruttare appieno le risorse spaziali, realizzare trasmissioni multiple e ricezioni multiple attraverso più antenne e può raddoppiare la capacità del canale del sistema senza aumentare le risorse dello spettro e la potenza di trasmissione dell'antenna, mostrando evidenti vantaggi ed è considerato la prossima generazione di telefoni cellulari. tecnologia della comunicazione. L'essenza della tecnologia MIMO è fornire guadagno di diversità spaziale e guadagno di multiplexing spaziale per il sistema.
L'estremità trasmittente mappa il segnale dati da inviare a più antenne attraverso la mappatura spazio-temporale e l'estremità ricevente esegue la decodifica spazio-temporale sui segnali ricevuti da ciascuna antenna per recuperare il segnale dati inviato dall'estremità trasmittente. Secondo diversi metodi di mappatura spazio-temporale, la tecnologia MIMO può essere approssimativamente divisa in due categorie: diversità spaziale e multiplexing spaziale. La diversità spaziale si riferisce all'uso di più antenne trasmittenti per inviare segnali con le stesse informazioni attraverso percorsi diversi e allo stesso tempo ottenere più segnali in dissolvenza indipendenti dello stesso simbolo di dati sul ricevitore, in modo da ottenere l'affidabilità della ricezione migliorata da diversità. Ad esempio, in un canale con dissolvenza lenta di Rayleigh, utilizzando un'antenna di trasmissione e n antenne di ricezione, il segnale trasmesso passa attraverso n percorsi diversi. Se l'attenuazione tra le antenne è indipendente, il massimo guadagno di diversità può essere ottenuto come n. Per la tecnologia della diversità di trasmissione, è anche necessario utilizzare il guadagno di percorsi multipli per migliorare l'affidabilità del sistema. In un sistema con m antenne trasmittenti e n antenne riceventi, se i guadagni del percorso tra le coppie di antenne sono indipendenti e uniformemente distribuiti in dissolvenza di Rayleigh, il massimo guadagno di diversità che può essere ottenuto è mn. Allo stato attuale, le tecnologie di diversità spaziale comunemente utilizzate nei sistemi MIMO includono principalmente il codice Space Time Block (Space Time Block Code, STBC) e le tecnologie di beamforming. STBC è un'importante forma di codifica basata sulla diversità di trasmissione, la più elementare delle quali è lo schema Alamouti progettato per due antenne.
La parte più importante del metodo STBC è fare in modo che i vettori del segnale vengano trasmessi su più antenne ortogonali tra loro. L'uso della tecnologia STBC può ottenere l'effetto della diversità completa, ovvero quando la tecnologia STBC viene utilizzata in un sistema con M antenne trasmittenti e N antenne riceventi, il guadagno di diversità massimo è MN. La tecnologia beamforming consiste nell'inviare gli stessi dati attraverso diverse antenne trasmittenti per formare fasci sagomati diretti a determinati utenti, migliorando così efficacemente il guadagno dell'antenna. Per massimizzare la potenza del segnale del raggio diretto all'utente, la tecnologia di beamforming solitamente necessita di calcolare la fase e la potenza dei dati inviati su ciascuna antenna di trasmissione, chiamata anche vettore di beamforming. I metodi comuni di calcolo del vettore di beamforming includono il vettore degli autovalori massimi, l'algoritmo MUSIC, ecc. Il guadagno massimo di diversità di trasmissione che può essere ottenuto utilizzando la tecnologia di beamforming per le antenne di trasmissione M è M. La tecnologia di multiplexing spaziale consiste nel dividere i dati da trasmettere in più dati flussi e quindi trasmetterli su antenne diverse, aumentando così la velocità di trasmissione del sistema. Il metodo di multiplexing spaziale comunemente utilizzato è il codice spazio-temporale a strati verticali proposto dai Bell Laboratories, ovvero la tecnologia V-BLAST.
