Multiple input multiple output (MIMO) är ett antennsystem som använder flera antenner vid både sändningsänden och mottagningsänden för att bilda flera kanaler mellan sändnings- och mottagningsändarna för att kraftigt öka kanalkapaciteten.
Multiple-input multiple-output är en ganska komplicerad antenndiversitetsteknik. Flervägseffekter kommer att påverka signalkvaliteten, så traditionella antennsystem måste använda sina hjärnor för att eliminera flervägseffekter. MIMO-system, å andra sidan, använder flervägseffekter för att förbättra kommunikationskvaliteten. I MIMO-systemet använder de sändande och mottagande parterna flera antenner som kan arbeta samtidigt för att kommunicera. MIMO-system använder vanligtvis komplexa signalbehandlingstekniker för att avsevärt förbättra tillförlitlighet, räckvidd och genomströmning. Genom att använda dessa tekniker sänder sändaren flera radiofrekvenssignaler samtidigt, och mottagaren återställer data från dessa signaler. MIMO trådlösa kommunikationssystem är en av nyckelteknologierna för framtida mobila och trådlösa kommunikationssystem. En uppenbar egenskap hos MIMO-systemet är att det har extremt hög spektrumutnyttjandeeffektivitet. Baserat på att man fullt ut utnyttjar befintliga spektrumresurser, används rymdresurser för att uppnå vinster i tillförlitlighet och effektivitet. Slutbearbetningskomplexitet.
nyckelmodul
1. Modellering av MIMO-systemkanalmodeller
Prestandan hos ett MIMO-system beror till stor del på kanalmodellen. Även om det redan finns standardiserade trådlösa utbredningsmodeller och många MIMO-kanalmodeller har tillhandahållits på grundval av ett stort antal faktiska mätningar och teoretiskt forskningsarbete, har de ännu inte erkänts av ITU. Erkänd standardiserad MIMO-kanalmodell (3GPP har formulerat kanalmodellstandarder för MIMO). Därför är det viktigt att förstå och bemästra egenskaperna hos trådlösa MIMO-kanaler i inomhus- och utomhusmiljöer, etablera statiska modeller och specifika dynamiska modeller av MIMO-kanaler, för att välja lämpliga systemstrukturer och designa utmärkta signalbehandlingsalgoritmer för att realisera de potentiella enorma kanalerna i MIMO-system Kapacitet, att uppnå förväntad prestanda är avgörande.
2. MIMO-systemets kapacitet
Jämfört med det traditionella enantennsystemet har MIMO-systemet förbättrats avsevärt både vad gäller prestanda och dataöverföringshastighet. Först genomförde Telestar och Foschini en djupgående analys av MIMO-systemets kanalkapacitet. De analyserade det Gaussiska bruset. Forskningen om MIMO-systemets kapacitet under följande förhållanden visar att, under antagandet att antennerna är oberoende av varandra, är multiantennsystemet avsevärt förbättrat jämfört med enkelantennsystemet. När det gäller att känna till kanalens överföringsegenskaper visar Foschinis forskning att: när M=N ökar den erhållna kanalkapaciteten proportionellt mot N. Under samma överföringseffekt och överföringsbandbredd, systemets kanalkapacitet är cirka 40 gånger högre än för single-input single-out (SISO)-systemet.
3. Design av MIMO antennuppsättning
I allmänhet är basstationsantenner högt uppsatta och närfältsspridningen runt antennuppsättningen är relativt svag. För att erhålla okorrelerade signaler på olika arrayelement är det därför ofta nödvändigt att upprätthålla åtminstone 10 gånger våglängdsavståndet mellan arrayelementen. När antalet antenner är stort kan det finnas hinder för att bygga upp basstationslinjematriser. För mobilterminaler, på grund av de rikliga närfältsspridarna, antas det allmänt att avståndet mellan antennelementen är mer än 1/2 våglängd för att göra signalkorrelationen tillräckligt svag. Den polariserade antennuppsättningen kan använda ömsesidigt ortogonala polarisationstillstånd vid samma rumsliga position för att realisera den uppenbara irrelevansen hos gruppelementen, så att storleken på antenngruppen kan reduceras relativt.
4. Signalbehandling av MIMO-system
Ett array-antennkommunikationssystem i en tonande miljö möter samkanalinterferens och inter-symbolinterferens. För att närma sig kapaciteten hos ett flerantennsystem krävs goda signalbehandlingstekniker. Högpresterande, lågkomplexa signaldetekteringsmetoder eller gemensamma detektionsmetoder har alltid varit ett hett ämne för forskare.
5. MIMO-systemets komplexitetsproblem
Eftersom signalen i MIMO-systemet utökas till den tvådimensionella rum-tiden, jämfört med enkelantennsystemet, kommer komplexiteten för kanaluppskattning, kanalutjämning, avkodning och detektionslänkar att öka med antalet antenner eller ökning av signalmoduleringsordningen. Mängden algoritmberäkning kommer direkt att påverka bearbetningsfördröjningen, enhetens strömförbrukning och standbytid. Samtidigt, i praktiska tillämpningar, är en nyckelfaktor som begränsar MIMO-system den höga kostnaden för flera radiofrekvenslänkar. För att minska beräkningskomplexiteten hos "mjukvara", tillhandahåll enklare och effektivare signalbehandlingsmetoder och olika rymdtidskodnings- och avkodningsscheman för MIMO-system. För att minska "hårdvarukostnaden" är antennval en mycket kritisk teknik, som avsevärt kan minska bearbetningskomplexiteten och hårdvarukostnaden samtidigt som MIMO-teknikens fördelar bibehålls, och är ett forskningsfokus för att främja den praktiska tillämpningen av MIMO-system.
6. Mångfald och multiplexering av MIMO-system
Kärnan i MIMO-systemet är att tillhandahålla diversitetsförstärkning och multiplexeringsförstärkning. Det förra garanterar systemets överföringssäkerhet och det senare förbättrar systemets överföringshastighet. Det mesta av den tidiga litteraturen fokuserade på användningen av överföringsdiversitet och rumslig multiplexering enbart eller i kombination med kodning. Studier har visat att multi-antennsystem kan ge mångfald och rumslig multiplexering samtidigt, och det finns en avvägning mellan de två. Det är värt att undersöka för att maximera systemvinsten genom att rationellt utnyttja de två mångfaldssätten och multiplexering i MIMO-system.
7. (Multi-cell) MIMO-system för flera användare
Teoretiskt har kapacitetsdomänen för multianvändar-MIMO-systemet lösts, men hur man får kapacitetsdomänen att möta olika användares krav på överföringshastighet är fortfarande inte väl löst. Dessutom, i sändningskanalen, på grund av inter-antenn och inter-användarinterferens i MIMO-systemet, hur man designar överföringsvektorn för att eliminera samkanalinterferensen mellan användare, hur man gör systemkapaciteten och effektstyrningen av varje användares specifika QoS när kraften är begränsad Problemet med optimering och relaterade teknologier i närvaro av flercellssystem för flera användare är fortfarande i fokus för forskningen.
Grundläggande principer för MIMO-teknik
MIMO-teknik hänvisar till användningen av flera sändningsantenner och mottagningsantenner vid sändningsänden respektive mottagningsänden, så att signaler sänds och tas emot genom flera antenner vid sändningsänden och mottagningsänden, vilket förbättrar kommunikationskvaliteten. Den kan utnyttja rymdresurser fullt ut, realisera flera sändningar och flera mottagningar genom flera antenner och kan fördubbla systemkanalkapaciteten utan att öka spektrumresurserna och antennsändningseffekten, vilket visar uppenbara fördelar och betraktas som nästa generation av mobila enheter. kommunikationsteknik. Kärnan i MIMO-tekniken är att tillhandahålla rymddiversitetsförstärkning och rymdmultiplexförstärkning för systemet.
Den sändande änden mappar datasignalen som ska sändas till flera antenner genom rum-tid-mappning, och den mottagande änden utför rum-tidsavkodning på de signaler som tas emot av varje antenn för att återställa datasignalen som sänds av den sändande änden. Enligt olika metoder för kartläggning av rum och tid kan MIMO-tekniken grovt delas in i två kategorier: rymddiversitet och rymdmultiplexering. Rymddiversitet hänvisar till användningen av flera sändningsantenner för att skicka signaler med samma information genom olika vägar, och samtidigt erhålla flera oberoende fädningssignaler av samma datasymbol vid mottagaren, för att erhålla mottagningens tillförlitlighet förbättrad av mångfald. Till exempel, i en långsam Rayleigh-fadingkanal, med användning av en sändarantenn och n mottagarantenner, passerar den sända signalen genom n olika vägar. Om fädningen mellan antennerna är oberoende kan den maximala diversitetsförstärkningen erhållas som n. För överföringsdiversitetsteknologi är det också att använda förstärkningen av flera vägar för att förbättra systemets tillförlitlighet. I ett system med m sändarantenner och n mottagningsantenner, om vägvinsterna mellan antennpar är oberoende och likformigt fördelad Rayleigh-fädning, är den maximala diversitetsförstärkningen som kan erhållas mn. För närvarande inkluderar rymddiversitetsteknologier som vanligtvis används i MIMO-system huvudsakligen Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) och strålformningsteknologier. STBC är en viktig kodningsform baserad på sändningsdiversitet, varav den mest grundläggande är Alamouti-schemat designat för två antenner.
Den viktigaste delen av STBC-metoden är att göra signalvektorerna som ska sändas på flera antenner ortogonala mot varandra. Användningen av STBC-teknologi kan uppnå effekten av full diversitet, det vill säga när STBC-teknologin används i ett system med M sändarantenner och N mottagarantenner, är den maximala diversitetsförstärkningen MN. Beamforming-teknologi är att skicka samma data genom olika sändningsantenner för att bilda formade strålar riktade till vissa användare, och därigenom förbättra antennförstärkningen effektivt. För att maximera signalstyrkan hos strålen som riktas till användaren behöver strålformningstekniken vanligtvis beräkna fasen och effekten av data som skickas på varje sändarantenn, vilket också kallas strålformningsvektorn. Vanliga beräkningsmetoder för strålformande vektor inkluderar maximal egenvärdesvektor, MUSIC-algoritm, etc. Den maximala sändningsdiversitetsförstärkningen som kan erhållas genom att använda strålformningstekniken för M sändarantenner är M. Spatial multiplexeringsteknik är att dela upp data som ska sändas i flera data strömmar och sedan sända dem på olika antenner, vilket ökar systemets överföringshastighet. Den vanligen använda spatiala multiplexeringsmetoden är den vertikala skiktade rum-tidskoden som föreslås av Bell Laboratories, det vill säga V-BLAST-teknologi.
