Multiple input multiple output (MIMO) on antennijärjestelmä, joka käyttää useita antenneja sekä lähetys- että vastaanottopäässä muodostamaan useita kanavia lähetys- ja vastaanottopään välille kanavakapasiteetin lisäämiseksi.
Multi-input multiple-output on melko monimutkainen antennidiversiteettitekniikka. Monitieefektit vaikuttavat signaalin laatuun, joten perinteisten antennijärjestelmien on käytettävä aivojaan monitievaikutusten eliminoimiseen. MIMO-järjestelmät puolestaan käyttävät monitietehosteita parantaakseen viestinnän laatua. MIMO-järjestelmässä lähettävät ja vastaanottavat osapuolet käyttävät useita antenneja, jotka voivat toimia samanaikaisesti kommunikoidakseen. MIMO-järjestelmät käyttävät tyypillisesti monimutkaisia signaalinkäsittelytekniikoita parantaakseen merkittävästi luotettavuutta, kantamaa ja suorituskykyä. Näitä tekniikoita käyttämällä lähetin lähettää useita radiotaajuisia signaaleja samanaikaisesti, ja vastaanotin palauttaa datan näistä signaaleista. Langaton MIMO-viestintäjärjestelmä on yksi tulevaisuuden matkaviestin- ja langattomien viestintäjärjestelmien avainteknologioista. MIMO-järjestelmän ilmeinen ominaisuus on sen erittäin korkea spektrin käyttötehokkuus. Olemassa olevien spektriresurssien täysimääräisen hyödyntämisen perusteella avaruusresursseja käytetään luotettavuuden ja tehokkuuden lisäämiseen. Loppukäsittelyn monimutkaisuus.
avainmoduuli
1. MIMO-järjestelmän kanavamallin mallinnus
MIMO-järjestelmän suorituskyky riippuu suurelta osin kanavamallista. Vaikka standardoituja langattomia etenemismalleja on jo olemassa ja monia MIMO-kanavamalleja on esitetty lukuisten todellisten mittausten ja teoreettisen tutkimustyön perusteella, ITU ei ole vielä tunnustanut niitä. Tunnustettu standardoitu MIMO-kanavamalli (3GPP on muotoillut kanavamallistandardit MIMO:lle). Siksi langattomien MIMO-kanavien ominaisuuksien ymmärtäminen ja hallitseminen sisä- ja ulkotiloissa, staattisten mallien ja erityisten dynaamisten MIMO-kanavien mallien luominen on olennaista sopivien järjestelmärakenteiden valinnassa ja erinomaisten signaalinkäsittelyalgoritmien suunnittelussa MIMO-järjestelmien mahdollisten valtavien kanavien toteuttamiseksi. Kapasiteetti, odotetun suorituskyvyn saavuttaminen on kriittistä.
2. MIMO-järjestelmän kapasiteetti
Perinteiseen yksiantenniseen järjestelmään verrattuna MIMO-järjestelmä on parantunut huomattavasti sekä suorituskyvyn että tiedonsiirtonopeuden suhteen. Ensin Telestar ja Foschini tekivät perusteellisen analyysin MIMO-järjestelmän kanavakapasiteetista. He analysoivat vastaavasti Gaussin kohinaa. Tutkimus MIMO-järjestelmän kapasiteetista seuraavissa olosuhteissa osoittaa, että olettaen, että antennit ovat toisistaan riippumattomia, moniantennijärjestelmä on huomattavasti parempi kuin yksiantennijärjestelmä. Jos kanavan lähetysominaisuudet tiedetään, Foschinin tutkimus osoittaa, että: kun M=N, saatu kanavakapasiteetti kasvaa suhteessa N:ään. Samalla lähetysteholla ja lähetyskaistanleveydellä järjestelmän kanavakapasiteetti on noin 40 kertaa korkeampi kuin yhden tulon yksilähtöjärjestelmä (SISO).
3. MIMO-antenniryhmän suunnittelu
Yleisesti ottaen tukiasemien antennit on pystytetty korkealle, ja lähikentän sironta antenniryhmän ympärillä on suhteellisen heikkoa. Siksi korreloimattomien signaalien saamiseksi eri ryhmäelementeillä on usein tarpeen säilyttää vähintään 10-kertainen aallonpituusetäisyys ryhmäelementtien välillä. Kun antenneja on paljon, tukiasemalinjaryhmien pystyttämisessä voi olla esteitä. Mobiilipäätelaitteiden runsaiden lähikenttäsirottimien vuoksi uskotaan yleisesti, että antennielementtien välinen etäisyys on yli 1/2 aallonpituudesta, jotta signaalikorrelaatio olisi riittävän heikko. Polarisoitu antenniryhmä voi käyttää keskenään ortogonaalisia polarisaatiotiloja samassa avaruudellisessa asemassa ryhmäelementtien näennäisen irrelevanssin toteuttamiseksi, jolloin antenniryhmän kokoa voidaan suhteellisesti pienentää.
4. MIMO-järjestelmän signaalinkäsittely
Ryhmäantenniviestintäjärjestelmä häipyvässä ympäristössä kohtaa yhteiskanavahäiriöitä ja symbolien välisiä häiriöitä. Jotta moniantennijärjestelmän kapasiteettia voitaisiin lähestyä, tarvitaan hyviä signaalinkäsittelytekniikoita. Suorituskykyiset, vähän monimutkaiset signaalintunnistusmenetelmät tai yhteishavaitsemismenetelmät ovat aina olleet tutkijoiden kuuma aihe.
5. MIMO-järjestelmän monimutkaisuusongelma
Koska MIMO-järjestelmän signaali laajenee kaksiulotteiseen aika-avaruuteen verrattuna yhden antennin järjestelmään, kanavan arvioinnin, kanavan tasauksen, dekoodauksen ja ilmaisulinkkien monimutkaisuus kasvaa antennien määrän tai signaalin modulaatiojärjestyksen lisääminen. Algoritmin laskennan määrä vaikuttaa suoraan käsittelyviiveeseen, laitteen virrankulutukseen ja valmiusaikaan. Samaan aikaan käytännön sovelluksissa keskeinen MIMO-järjestelmiä rajoittava tekijä on useiden radiotaajuuslinkkien tuomat korkeat kustannukset. "Ohjelmiston" laskennallisen monimutkaisuuden vähentämiseksi tarjota yksinkertaisempia ja tehokkaampia signaalinkäsittelymenetelmiä ja erilaisia tila-aikakoodaus- ja dekoodausmenetelmiä MIMO-järjestelmille. "Laitteistokustannusten" alentamiseksi antennin valinta on erittäin kriittinen tekniikka, joka voi vähentää huomattavasti käsittelyn monimutkaisuutta ja laitteistokustannuksia säilyttäen samalla MIMO-tekniikan edut, ja se on tutkimuksen painopiste edistää MIMO-järjestelmien käytännön soveltamista.
6. MIMO-järjestelmien monimuotoisuus ja multipleksointi
MIMO-järjestelmän ydin on tarjota diversiteettivahvistusta ja multipleksointivahvistusta. Ensimmäinen takaa järjestelmän siirtovarmuuden ja jälkimmäinen parantaa järjestelmän siirtonopeutta. Suurin osa varhaisesta kirjallisuudesta keskittyi lähetysdiversiteetin ja spatiaalisen multipleksoinnin käyttöön yksinään tai yhdessä koodauksen kanssa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että moniantennijärjestelmät voivat tarjota diversiteettiä ja spatiaalista multipleksausta samanaikaisesti, ja näiden kahden välillä on kompromissi. Järjestelmän hyötysuhteen maksimoimista kannattaa tutkia käyttämällä rationaalisesti kahta diversiteetti- ja multipleksointitilaa MIMO-järjestelmissä.
7. (Monisoluinen) Monen käyttäjän MIMO-järjestelmä
Teoreettisesti monen käyttäjän MIMO-järjestelmän kapasiteettialue on ratkaistu, mutta kuinka kapasiteettialue saadaan vastaamaan eri käyttäjien siirtonopeusvaatimuksia, ei ole vielä hyvin ratkaistu. Lisäksi lähetyskanavalla MIMO-järjestelmän antennien ja käyttäjien välisen häiriön vuoksi suunnitellaan lähetysvektori eliminoimaan käyttäjien väliset samankanavaiset häiriöt, miten järjestelmän kapasiteetista ja tehonsäädöstä saadaan kunkin käyttäjän oma QoS tehon ollessa rajallinen Optimointiongelma ja siihen liittyvät teknologiat monisoluisten monikäyttäjäjärjestelmien läsnä ollessa ovat edelleen tutkimuksen kohteena.
MIMO-tekniikan perusperiaatteet
MIMO-tekniikka viittaa useiden lähetysantennien ja vastaanottoantennien käyttöön lähetys- ja vastaanottopäässä, vastaavasti, niin että signaalit lähetetään ja vastaanotetaan useiden antennien kautta lähetys- ja vastaanottopäässä, mikä parantaa viestinnän laatua. Se voi hyödyntää avaruusresursseja täysimääräisesti, toteuttaa useita lähetyksiä ja vastaanottoja useiden antennien kautta ja kaksinkertaistaa järjestelmäkanavan kapasiteetin lisäämättä spektriresursseja ja antennin lähetystehoa, mikä osoittaa ilmeisiä etuja, ja sitä pidetään seuraavan sukupolven mobiilina. viestintätekniikka. MIMO-tekniikan ydin on tarjota järjestelmälle tilaa diversiteettivahvistusta ja tilamultipleksointivahvistusta.
Lähetyspää kartoittaa useille antenneille lähetettävän datasignaalin tila-aikakartoituksen avulla, ja vastaanottopää suorittaa tila-aikadekoodauksen kunkin antennin vastaanottamille signaaleille palauttaakseen lähetyspään lähettämän datasignaalin. Erilaisten aika-avaruuskartoitusmenetelmien mukaan MIMO-tekniikka voidaan jakaa karkeasti kahteen kategoriaan: avaruusdiversiteetti ja avaruusmultipleksointi. Tiladiversiteetillä tarkoitetaan useiden lähetysantennien käyttöä samoilla tiedoilla varustettujen signaalien lähettämiseen eri polkuja pitkin ja samalla useiden saman datasymbolin itsenäisesti häipyvien signaalien hankkimiseksi vastaanottimessa, jotta vastaanoton luotettavuus saadaan parannettua monimuotoisuus. Esimerkiksi hitaasti Rayleigh-häipyvässä kanavassa yhtä lähetysantennia ja n vastaanottoantennia käyttäen lähetetty signaali kulkee n eri polun kautta. Jos häipyminen antennien välillä on riippumaton, maksimi diversiteettivahvistus voidaan saada n:nä. Lähetysdiversiteettiteknologiassa on myös käytettävä useiden polkujen vahvistusta järjestelmän luotettavuuden parantamiseksi. Järjestelmässä, jossa on m lähetysantennia ja n vastaanottoantennia, jos etenemisvahvistukset antenniparien välillä ovat riippumattomia ja tasaisesti jakautuneita Rayleigh-häipymiä, maksimi diversiteettivahvistus, joka voidaan saada, on mn. Tällä hetkellä MIMO-järjestelmissä yleisesti käytettyjä avaruusdiversiteettitekniikoita ovat pääasiassa Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) ja keilanmuodostusteknologiat. STBC on tärkeä lähetysdiversiteettiin perustuva koodausmuoto, josta yksinkertaisin on kahdelle antennille suunniteltu Alamouti-malli.
STBC-menetelmän tärkein osa on tehdä useilla antenneilla lähetettävät signaalivektorit ortogonaalisesti toisiinsa nähden. STBC-tekniikalla voidaan saavuttaa täyden diversiteetin vaikutus, eli kun STBC-tekniikkaa käytetään järjestelmässä, jossa on M lähetysantennia ja N vastaanottoantennia, maksimi diversiteettivahvistus on MN. Säteenmuodostusteknologian tarkoituksena on lähettää sama data eri lähetysantennien kautta tietyille käyttäjille suunnattujen muotoiltujen säteiden muodostamiseksi, mikä parantaa tehokkaasti antennin vahvistusta. Käyttäjälle suunnatun säteen signaalin voimakkuuden maksimoimiseksi keilanmuodostustekniikan on yleensä laskettava kullakin lähetysantennilla lähetettävän datan vaihe ja teho, jota kutsutaan myös keilanmuodostusvektoriksi. Yleisiä keilanmuodostusvektorin laskentamenetelmiä ovat maksimiominaisarvovektori, MUSIC-algoritmi jne. Suurin lähetysdiversiteettivahvistus, joka voidaan saada käyttämällä keilanmuodostustekniikkaa M lähetysantennille, on M. Spatiaalinen multipleksointitekniikka on jakaa lähetettävä data useaan dataan ja lähettää ne sitten eri antenneilla, mikä lisää järjestelmän lähetysnopeutta. Yleisesti käytetty spatiaalinen multipleksointimenetelmä on Bell Laboratoriesin ehdottama vertikaalinen kerrostettu tila-aikakoodi eli V-BLAST-tekniikka.
