Множинний вхід і множинний вихід (MIMO) — це антенна система, яка використовує кілька антен як на передавальній, так і на приймальній сторонах для формування кількох каналів між передавальною та приймальною сторонами з метою значного збільшення пропускної здатності каналу.
Маршрутизатор SOFTEL WIFI 6 ONU
Кілька входів-кілька виходів є досить складною технікою рознесення антен. Ефект багатопроменевості впливатиме на якість сигналу, тому традиційні антенні системи повинні використовувати свій мозок, щоб усунути ефект багатопроменевості. Системи MIMO, з іншого боку, використовують ефекти багатопроменевого поширення для покращення якості зв’язку. У системі MIMO передавальна та приймаюча сторони використовують кілька антен, які можуть працювати одночасно для зв’язку. Системи MIMO зазвичай використовують складні методи обробки сигналів для значного підвищення надійності, радіусу дії та пропускної здатності. Використовуючи ці методи, передавач надсилає декілька радіочастотних сигналів одночасно, а приймач відновлює дані з цих сигналів. Система бездротового зв'язку MIMO є однією з ключових технологій майбутніх систем мобільного та бездротового зв'язку. Очевидною особливістю системи MIMO є те, що вона має надзвичайно високу ефективність використання спектру. На основі повного використання існуючих ресурсів спектру космічні ресурси використовуються для отримання переваг у надійності та ефективності. Складність кінцевої обробки.
ключовий модуль
1. Моделювання моделі каналу системи MIMO
Продуктивність системи MIMO значною мірою залежить від моделі каналу. Хоча вже існують стандартизовані моделі бездротового розповсюдження та багато моделей каналів MIMO надано на основі великої кількості фактичних вимірювань і теоретичних досліджень, вони ще не визнані ITU. Визнана стандартизована модель каналу MIMO (3GPP сформулювала стандарти моделі каналу для MIMO). Таким чином, розуміння та оволодіння характеристиками бездротових каналів MIMO в приміщенні та на відкритому повітрі, створення статичних моделей і конкретних динамічних моделей каналів MIMO є важливими для вибору відповідних структур системи та розробки чудових алгоритмів обробки сигналів для реалізації потенційних величезних каналів систем MIMO. Ємність, досягнення очікуваної продуктивності має вирішальне значення.
2. Ємність системи MIMO
Порівняно з традиційною системою з однією антеною, система MIMO значно покращила як продуктивність, так і швидкість передачі даних. Спочатку Telestar і Foschini провели поглиблений аналіз пропускної здатності каналу системи MIMO. Вони відповідно проаналізували гаусівський шум. Дослідження пропускної здатності системи MIMO за наступних умов показує, що за припущення, що антени незалежні одна від одної, система з декількома антенами значно покращується порівняно з системою з однією антеною. Якщо знати характеристики передачі каналу, дослідження Фоскіні показують, що: коли M=N, отримана пропускна здатність каналу збільшується пропорційно N. За однакової потужності передачі та смуги пропускання пропускна здатність каналу системи приблизно в 40 разів вище, ніж у системі з одним входом і одним виходом (SISO).
3. Конструкція антенної решітки MIMO
Загалом антени базових станцій розташовуються високо, а розсіювання в ближньому полі навколо антенної решітки відносно слабке. Тому, щоб отримати некорельовані сигнали на різних елементах масиву, часто необхідно підтримувати щонайменше 10-кратний інтервал довжин хвиль між елементами масиву. Коли кількість антен велика, можуть виникнути перешкоди для встановлення лінійних решіток базових станцій. Для мобільних терміналів, через велику кількість розсіювачів ближнього поля, зазвичай вважається, що відстань між елементами антени перевищує 1/2 довжини хвилі, щоб зробити кореляцію сигналу досить слабкою. Поляризована антенна решітка може використовувати взаємно ортогональні стани поляризації в одній і тій же просторовій позиції, щоб реалізувати очевидну нерелевантність елементів решітки, так що розмір антенної решітки може бути відносно зменшений.
4. Обробка сигналів системи MIMO
Система зв’язку з антенною решіткою в середовищі з завмиранням стикається з перешкодами в одному каналі та міжсимвольними перешкодами. Щоб наблизитися до потужності багатоантенної системи, потрібні хороші методи обробки сигналу. Високоефективні, нескладні методи виявлення сигналу або методи спільного виявлення завжди були гарячою темою для дослідників.
5. Проблема складності системи MIMO
Оскільки сигнал у системі MIMO поширюється на двовимірний простір-час, у порівнянні з системою з однією антеною, складність оцінки каналу, вирівнювання каналу, декодування та виявлення зв’язків зростатиме зі збільшенням кількості антен або збільшення порядку модуляції сигналу. Обсяг розрахунку алгоритму безпосередньо впливає на затримку обробки, енергоспоживання пристрою та час очікування. Водночас у практичних застосуваннях ключовим фактором, що обмежує системи MIMO, є висока вартість кількох радіочастотних каналів. Щоб зменшити обчислювальну складність «програмного забезпечення», забезпечте простіші та ефективніші методи обробки сигналів і різні схеми просторово-часового кодування та декодування для систем MIMO. Для зменшення вартості «апаратного забезпечення» вибір антени є дуже важливою технологією, яка може значно зменшити складність обробки та вартість обладнання, зберігаючи переваги технології MIMO, і є центром досліджень для сприяння практичному застосуванню систем MIMO.
6. Рознесення та мультиплексування систем MIMO
Суть системи MIMO полягає в забезпеченні посилення рознесеності та мультиплексування. Перший гарантує надійність передачі системи, а другий покращує швидкість передачі системи. Більшість ранньої літератури зосереджена на використанні рознесеності передачі та просторового мультиплексування окремо або в поєднанні з кодуванням. Дослідження показали, що системи з декількома антенами можуть одночасно забезпечувати рознесення та просторове мультиплексування, і між ними існує компроміс. Варто дослідити, щоб максимізувати виграш системи шляхом раціонального використання двох режимів рознесення та мультиплексування в системах MIMO.
7. (Багатокоміркова) Багатокористувацька система MIMO
Теоретично область пропускної здатності багатокористувацької системи MIMO була вирішена, але як зробити так, щоб область пропускної здатності відповідала вимогам швидкості передачі різних користувачів, досі не вирішено. Крім того, у широкомовному каналі, через інтерференцію між антенами та між користувачами в системі MIMO, як спроектувати вектор передачі, щоб усунути інтерференцію каналу між користувачами, як зробити пропускну здатність системи та контроль потужності специфічний QoS кожного користувача, коли потужність обмежена. Проблема оптимізації та пов'язаних з нею технологій за наявності багатокоміркових багатокористувацьких систем все ще перебувають у центрі дослідження.
Основні принципи технології MIMO
Технологія MIMO означає використання кількох передавальних антен і приймальних антен на передавальному та приймальному кінцях відповідно, щоб сигнали передавалися та приймалися через декілька антен на передавальному та приймальному кінцях, таким чином покращуючи якість зв’язку. Він може повністю використовувати космічні ресурси, здійснювати численні передачі та численні прийоми через кілька антен і може подвоїти пропускну здатність системного каналу без збільшення ресурсів спектру та потужності передачі антени, демонструючи очевидні переваги, і розглядається як наступне покоління мобільного ядра. технологія спілкування. Суть технології MIMO полягає в забезпеченні посилення просторового рознесення та просторового мультиплексування для системи.
Передавальний кінець відображає сигнал даних, який потрібно надіслати до кількох антен за допомогою просторово-часового відображення, а приймальний кінець виконує просторово-часове декодування сигналів, отриманих кожною антеною, для відновлення сигналу даних, надісланого передавальною стороною. Відповідно до різних методів просторово-часового відображення технологію MIMO можна грубо розділити на дві категорії: просторове рознесення та просторове мультиплексування. Просторове рознесення стосується використання кількох передавальних антен для надсилання сигналів з однаковою інформацією різними шляхами та одночасного отримання кількох незалежно загасаючих сигналів того самого символу даних у приймачі, щоб отримати надійність прийому, покращену за рахунок різноманітність. Наприклад, у каналі з повільним завмиранням Релея, використовуючи одну передавальну антену та n приймальних антен, переданий сигнал проходить через n різних шляхів. Якщо завмирання між антенами є незалежним, максимальне посилення рознесеності можна отримати як n. Для технології рознесеного передавання також необхідно використовувати посилення кількох шляхів для підвищення надійності системи. У системі з m передавальними антенами та n приймальними антенами, якщо підсилення на трасі між парами антен є незалежним і рівномірно розподіленим завмиранням Релея, максимальний підсилення від рознесення, який можна отримати, становить mn. В даний час технології просторового рознесення, які зазвичай використовуються в системах MIMO, в основному включають просторово-часовий блоковий код (Space Time Block Code, STBC) і технології формування променя. STBC є важливою формою кодування, заснованою на рознесенні передачі, найосновнішою з яких є схема Alamouti, розроблена для двох антен.
Найважливіша частина методу STBC полягає в тому, щоб зробити вектори сигналів, що передаються через кілька антен, ортогональними одна одній. Використання технології STBC може досягти ефекту повного рознесення, тобто, коли технологія STBC використовується в системі з M передавальними антенами та N приймальними антенами, максимальний коефіцієнт рознесення становить MN. Технологія формування променя полягає в надсиланні тих самих даних через різні передавальні антени для формування променів певної форми, спрямованих на певних користувачів, таким чином ефективно покращуючи посилення антени. Щоб максимізувати силу сигналу променя, спрямованого на користувача, технологія формування променя зазвичай потребує розрахунку фази та потужності даних, що надсилаються на кожну передавальну антену, що також називається вектором формування променя. Загальні методи обчислення вектора формування променя включають вектор максимального власного значення, алгоритм MUSIC тощо. Максимальний приріст рознесеності передачі, який можна отримати за допомогою технології формування променя для M передавальних антен, становить M. Технологія просторового мультиплексування полягає в тому, щоб розділити дані, що передаються, на кілька даних потоків, а потім передавати їх на різні антени, тим самим збільшуючи швидкість передачі системи. Зазвичай використовуваним методом просторового мультиплексування є вертикально-шаровий просторово-часовий код, запропонований Bell Laboratories, тобто технологія V-BLAST.
