Multiple Input Multiple Output (MIMO) ist ein Antennensystem, das mehrere Antennen sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite verwendet, um mehrere Kanäle zwischen der Sende- und der Empfangsseite zu bilden und so die Kanalkapazität erheblich zu erhöhen.
Multiple-Input-Multiple-Output ist eine ziemlich komplizierte Antennen-Diversity-Technik. Mehrwegeeffekte wirken sich auf die Signalqualität aus, daher müssen herkömmliche Antennensysteme ihr Gehirn einsetzen, um Mehrwegeeffekte zu beseitigen. MIMO-Systeme hingegen nutzen Mehrwegeeffekte, um die Kommunikationsqualität zu verbessern. Im MIMO-System verwenden die sendende und empfangende Partei mehrere Antennen, die gleichzeitig arbeiten können, um zu kommunizieren. MIMO-Systeme nutzen typischerweise komplexe Signalverarbeitungstechniken, um Zuverlässigkeit, Reichweite und Durchsatz deutlich zu verbessern. Mithilfe dieser Techniken sendet der Sender mehrere Hochfrequenzsignale gleichzeitig und der Empfänger stellt die Daten aus diesen Signalen wieder her. Das drahtlose MIMO-Kommunikationssystem ist eine der Schlüsseltechnologien zukünftiger mobiler und drahtloser Kommunikationssysteme. Ein offensichtliches Merkmal des MIMO-Systems ist seine extrem hohe Spektrumnutzungseffizienz. Auf der Grundlage der vollständigen Nutzung vorhandener Spektrumsressourcen werden Weltraumressourcen genutzt, um Zuverlässigkeits- und Effektivitätsgewinne zu erzielen. Beenden Sie die Verarbeitungskomplexität.
Schlüsselmodul
1. Modellierung des MIMO-Systemkanalmodells
Die Leistung eines MIMO-Systems hängt weitgehend vom Kanalmodell ab. Obwohl es bereits standardisierte drahtlose Ausbreitungsmodelle gibt und viele MIMO-Kanalmodelle auf der Grundlage einer Vielzahl tatsächlicher Messungen und theoretischer Forschungsarbeiten bereitgestellt wurden, wurden sie von der ITU noch nicht anerkannt. Anerkanntes standardisiertes MIMO-Kanalmodell (3GPP hat Kanalmodellstandards für MIMO formuliert). Daher ist das Verständnis und die Beherrschung der Eigenschaften drahtloser MIMO-Kanäle in Innen- und Außenumgebungen sowie die Erstellung statischer Modelle und spezifischer dynamischer Modelle von MIMO-Kanälen für die Auswahl geeigneter Systemstrukturen und die Entwicklung hervorragender Signalverarbeitungsalgorithmen zur Realisierung der potenziell großen Kanäle von MIMO-Systemen von entscheidender Bedeutung Kapazität, das Erreichen der erwarteten Leistung ist entscheidend.
2. Kapazität des MIMO-Systems
Im Vergleich zum herkömmlichen Einzelantennensystem hat sich das MIMO-System sowohl hinsichtlich der Leistung als auch der Datenübertragungsrate erheblich verbessert. Zunächst führten Telestar und Foschini eine eingehende Analyse der Kanalkapazität des MIMO-Systems durch. Sie analysierten jeweils das Gaußsche Rauschen. Die Untersuchungen zur Kapazität des MIMO-Systems unter den folgenden Bedingungen zeigen, dass unter der Annahme, dass die Antennen voneinander unabhängig sind, das Mehrantennensystem im Vergleich zum Einzelantennensystem deutlich verbessert ist. Wenn man die Übertragungseigenschaften des Kanals kennt, zeigt die Forschung von Foschini Folgendes: Wenn M=N ist, erhöht sich die erhaltene Kanalkapazität proportional zu N. Bei gleicher Übertragungsleistung und Übertragungsbandbreite erhöht sich die Kanalkapazität des Systems ist etwa 40-mal höher als beim Single-Input-Single-Out-System (SISO).
3. Design des MIMO-Antennenarrays
Im Allgemeinen werden Basisstationsantennen hoch aufgestellt und die Nahfeldstreuung um das Antennenarray herum ist relativ schwach. Um unkorrelierte Signale auf verschiedenen Array-Elementen zu erhalten, ist es daher häufig erforderlich, mindestens den zehnfachen Wellenlängenabstand zwischen Array-Elementen einzuhalten. Wenn die Anzahl der Antennen groß ist, kann es beim Aufbau von Basisstations-Line-Arrays zu Hindernissen kommen. Bei mobilen Endgeräten wird aufgrund der zahlreichen Nahfeldstreuer allgemein davon ausgegangen, dass der Abstand zwischen den Antennenelementen mehr als die Hälfte der Wellenlänge beträgt, um die Signalkorrelation schwach genug zu machen. Das polarisierte Antennenarray kann zueinander orthogonale Polarisationszustände an derselben räumlichen Position verwenden, um die scheinbare Irrelevanz der Array-Elemente zu realisieren, sodass die Größe des Antennenarrays relativ reduziert werden kann.
4. Signalverarbeitung des MIMO-Systems
Ein Array-Antennen-Kommunikationssystem ist in einer Schwundumgebung mit Gleichkanalstörungen und Intersymbolstörungen konfrontiert. Um die Kapazität eines Mehrantennensystems zu erreichen, sind gute Signalverarbeitungstechniken erforderlich. Hochleistungsfähige Signaldetektionsmethoden mit geringer Komplexität oder gemeinsame Detektionsmethoden sind seit jeher ein heißes Thema für Forscher.
5. Das Komplexitätsproblem des MIMO-Systems
Da das Signal im MIMO-System im Vergleich zum Einzelantennensystem auf die zweidimensionale Raumzeit ausgedehnt wird, nimmt die Komplexität der Kanalschätzung, Kanalentzerrung, Dekodierung und Erkennungsverbindungen mit der Anzahl der Antennen zu Erhöhung der Signalmodulationsordnung. Der Umfang der Algorithmusberechnung wirkt sich direkt auf die Verarbeitungsverzögerung, den Stromverbrauch des Geräts und die Standby-Zeit aus. Gleichzeitig sind in praktischen Anwendungen die hohen Kosten, die durch mehrere Hochfrequenzverbindungen entstehen, ein entscheidender Faktor, der MIMO-Systeme einschränkt. Um die Rechenkomplexität von „Software“ zu reduzieren, stellen Sie einfachere und effektivere Signalverarbeitungsmethoden und verschiedene Raum-Zeit-Kodierungs- und Dekodierungsschemata für MIMO-Systeme bereit. Zur Reduzierung der „Hardware“-Kosten ist die Antennenauswahl eine sehr wichtige Technologie, die die Verarbeitungskomplexität und Hardwarekosten erheblich reduzieren kann und gleichzeitig die Vorteile der MIMO-Technologie beibehält, und ein Forschungsschwerpunkt zur Förderung der praktischen Anwendung von MIMO-Systemen.
6. Diversität und Multiplexing von MIMO-Systemen
Das Wesentliche des MIMO-Systems ist die Bereitstellung von Diversity-Gewinn und Multiplexing-Gewinn. Ersteres garantiert die Übertragungszuverlässigkeit des Systems und letzteres verbessert die Übertragungsrate des Systems. Der Großteil der frühen Literatur konzentrierte sich auf die Verwendung von Sendediversität und räumlichem Multiplexing allein oder in Kombination mit Codierung. Studien haben gezeigt, dass Mehrantennensysteme gleichzeitig Diversität und räumliches Multiplexing bieten können, und es gibt einen Kompromiss zwischen beiden. Es lohnt sich, den Systemgewinn zu maximieren, indem man die beiden Modi Diversity und Multiplexing in MIMO-Systemen sinnvoll nutzt.
7. (Mehrzelliges) Mehrbenutzer-MIMO-System
Theoretisch wurde die Kapazitätsdomäne des Mehrbenutzer-MIMO-Systems gelöst, aber wie die Kapazitätsdomäne den Übertragungsratenanforderungen verschiedener Benutzer gerecht werden kann, ist noch nicht vollständig geklärt. Darüber hinaus muss im Rundfunkkanal aufgrund der Interferenzen zwischen Antennen und Benutzern im MIMO-System der Übertragungsvektor so gestaltet werden, dass Gleichkanalinterferenzen zwischen Benutzern vermieden werden, und wie werden die Systemkapazität und die Leistungssteuerung angepasst? die spezifische QoS jedes Benutzers, wenn die Leistung begrenzt ist. Das Problem der Optimierung und verwandter Technologien beim Vorhandensein von Mehrzellen-Mehrbenutzersystemen steht immer noch im Mittelpunkt der Forschung.
Grundprinzipien der MIMO-Technologie
Unter MIMO-Technologie versteht man die Verwendung mehrerer Sendeantennen und Empfangsantennen auf der Sende- bzw. Empfangsseite, sodass Signale über mehrere Antennen auf der Sende- und Empfangsseite gesendet und empfangen werden, wodurch die Kommunikationsqualität verbessert wird. Es kann die Raumressourcen voll ausnutzen, mehrere Übertragungen und mehrere Empfänge über mehrere Antennen realisieren und die Kanalkapazität des Systems verdoppeln, ohne die Spektrumsressourcen und die Antennenübertragungsleistung zu erhöhen, was offensichtliche Vorteile bietet und als die nächste Generation mobiler Geräte gilt Technologie der Kommunikation. Der Kern der MIMO-Technologie besteht darin, dem System Raumdiversitätsgewinn und Raummultiplexgewinn zu verleihen.
Das sendende Ende ordnet das an mehrere Antennen zu sendende Datensignal durch Raum-Zeit-Zuordnung zu, und das empfangende Ende führt eine Raum-Zeit-Dekodierung der von jeder Antenne empfangenen Signale durch, um das vom sendenden Ende gesendete Datensignal wiederherzustellen. Nach verschiedenen Raum-Zeit-Kartierungsmethoden lässt sich die MIMO-Technologie grob in zwei Kategorien einteilen: Raumdiversität und Raummultiplexing. Raumdiversität bezieht sich auf die Verwendung mehrerer Sendeantennen, um Signale mit denselben Informationen über unterschiedliche Pfade zu senden und gleichzeitig mehrere unabhängig voneinander verblassende Signale desselben Datensymbols am Empfänger zu erhalten, um so eine verbesserte Empfangszuverlässigkeit zu erzielen Diversität. Beispielsweise durchläuft das übertragene Signal in einem langsamen Rayleigh-Fading-Kanal mit einer Sendeantenne und n Empfangsantennen n verschiedene Pfade. Wenn das Fading zwischen den Antennen unabhängig ist, kann der maximale Diversity-Gewinn als n erhalten werden. Bei der Transmit-Diversity-Technologie geht es auch darum, den Gewinn mehrerer Pfade zu nutzen, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern. In einem System mit m Sendeantennen und n Empfangsantennen beträgt der maximal erreichbare Diversity-Gewinn mn, wenn die Pfadgewinne zwischen Antennenpaaren unabhängig und gleichmäßig verteiltes Rayleigh-Fading sind. Zu den derzeit in MIMO-Systemen üblicherweise verwendeten Space-Diversity-Technologien gehören hauptsächlich Space-Time-Block-Code (Space-Time-Block-Code, STBC) und Beamforming-Technologien. STBC ist eine wichtige Codierungsform, die auf Sendediversität basiert. Die grundlegendste davon ist das Alamouti-Schema, das für zwei Antennen entwickelt wurde.
Der wichtigste Teil des STBC-Verfahrens besteht darin, die auf mehreren Antennen zu übertragenden Signalvektoren orthogonal zueinander zu machen. Durch die Verwendung der STBC-Technologie kann der Effekt einer vollständigen Diversität erzielt werden. Das heißt, wenn die STBC-Technologie in einem System mit M Sendeantennen und N Empfangsantennen verwendet wird, beträgt der maximale Diversitätsgewinn MN. Bei der Beamforming-Technologie werden dieselben Daten über verschiedene Sendeantennen gesendet, um geformte Strahlen zu bilden, die an bestimmte Benutzer gerichtet sind, wodurch der Antennengewinn effektiv verbessert wird. Um die Signalstärke des auf den Benutzer gerichteten Strahls zu maximieren, muss die Beamforming-Technologie normalerweise die Phase und Leistung der an jeder Sendeantenne gesendeten Daten berechnen, was auch als Beamforming-Vektor bezeichnet wird. Zu den gängigen Berechnungsmethoden für Beamforming-Vektoren gehören der maximale Eigenwertvektor, der MUSIC-Algorithmus usw. Der maximale Sendediversitätsgewinn, der durch die Verwendung der Beamforming-Technologie für M-Sendeantennen erzielt werden kann, ist M. Die räumliche Multiplexing-Technologie besteht darin, die zu übertragenden Daten in mehrere Daten aufzuteilen Streams zu übertragen und sie dann auf verschiedenen Antennen zu übertragen, wodurch die Übertragungsrate des Systems erhöht wird. Die häufig verwendete räumliche Multiplexmethode ist der von Bell Laboratories vorgeschlagene vertikal geschichtete Raum-Zeit-Code, also die V-BLAST-Technologie.
