Višestruki ulaz i višestruki izlaz (MIMO) je antenski sustav koji koristi više antena i na odašiljačkom i na prijemnom kraju za formiranje više kanala između odašiljačkog i prijamnog kraja kako bi se značajno povećao kapacitet kanala.
Višestruki ulaz-višestruki izlaz prilično je komplicirana tehnika antenske raznolikosti. Efekti višestaznosti utjecat će na kvalitetu signala, tako da tradicionalni antenski sustavi moraju upotrijebiti svoj mozak kako bi eliminirali efekte višestaznosti. MIMO sustavi, s druge strane, koriste multipath efekte za poboljšanje kvalitete komunikacije. U MIMO sustavu, odašiljačka i primajuća strana koriste više antena koje mogu raditi istovremeno za komunikaciju. MIMO sustavi obično koriste složene tehnike obrade signala za značajno povećanje pouzdanosti, dometa i propusnosti. Koristeći ove tehnike, odašiljač šalje više radiofrekventnih signala istovremeno, a prijamnik vraća podatke iz tih signala. MIMO bežični komunikacijski sustav jedna je od ključnih tehnologija budućih mobilnih i bežičnih komunikacijskih sustava. Očigledna značajka MIMO sustava je da ima izuzetno visoku učinkovitost korištenja spektra. Na temelju potpunog iskorištavanja postojećih resursa spektra, svemirski resursi se koriste za postizanje dobitaka u pouzdanosti i učinkovitosti. Složenost krajnje obrade.
ključni modul
1. Modeliranje modela kanala MIMO sustava
Performanse MIMO sustava uvelike ovise o modelu kanala. Iako već postoje standardizirani modeli bežične propagacije i mnogi modeli MIMO kanala su osigurani na temelju velikog broja stvarnih mjerenja i teoretskog istraživanja, ITU ih još nije priznao. Priznati standardizirani model MIMO kanala (3GPP je formulirao standarde modela kanala za MIMO). Stoga je razumijevanje i ovladavanje karakteristikama bežičnih MIMO kanala u unutarnjim i vanjskim okruženjima, uspostavljanje statičkih modela i specifičnih dinamičkih modela MIMO kanala, ključno za odabir odgovarajućih struktura sustava i dizajniranje izvrsnih algoritama za obradu signala kako bi se ostvarili potencijalni ogromni kanali MIMO sustava Kapacitet, postizanje očekivanih performansi je kritično.
2. Kapacitet MIMO sustava
U usporedbi s tradicionalnim sustavom s jednom antenom, MIMO sustav je uvelike poboljšan u pogledu performansi i brzine prijenosa podataka. Najprije su Telestar i Foschini proveli dubinsku analizu kapaciteta kanala MIMO sustava. Oni su analizirali Gaussov šum. Istraživanje kapaciteta MIMO sustava pod sljedećim uvjetima pokazuje da je, pod pretpostavkom da su antene neovisne jedna o drugoj, sustav s više antena značajno poboljšan u usporedbi sa sustavom s jednom antenom. U slučaju poznavanja karakteristika prijenosa kanala, Foschinijevo istraživanje pokazuje da: kada je M=N, dobiveni kapacitet kanala raste proporcionalno N. Pod istom snagom prijenosa i širinom pojasa prijenosa, kapacitet kanala sustava je oko 40 puta veći od sustava s jednim ulazom i izlazom (SISO).
3. Dizajn MIMO antenskog niza
Općenito, antene baznih stanica podignute su visoko, a raspršenje u blizini polja oko antenskog niza je relativno slabo. Stoga, kako bi se dobili nekorelirani signali na različitim elementima niza, često je potrebno održavati najmanje 10 puta veći razmak između valnih duljina između elemenata niza. Kada je broj antena velik, mogu postojati prepreke za postavljanje nizova linija baznih stanica. Za mobilne terminale, zbog obilja raspršivača u blizini polja, općenito se vjeruje da je udaljenost između elemenata antene veća od 1/2 valne duljine kako bi korelacija signala bila dovoljno slaba. Polarizirani antenski niz može koristiti međusobno ortogonalna polarizacijska stanja na istoj prostornoj poziciji kako bi se ostvarila prividna nebitnost elemenata niza, tako da se veličina antenskog niza može relativno smanjiti.
4. Obrada signala MIMO sustava
Komunikacijski sustav s antenskim nizom u okruženju s slabljenjem suočava se s interferencijom u jednom kanalu i smetnjom između simbola. Kako bi se približio kapacitetu sustava s više antena, potrebne su dobre tehnike obrade signala. Visokoučinkovite metode detekcije signala niske složenosti ili metode zajedničke detekcije uvijek su bile vruća tema za istraživače.
5. Problem složenosti MIMO sustava
Budući da je signal u MIMO sustavu proširen na dvodimenzionalni prostor-vrijeme, u usporedbi sa sustavom s jednom antenom, složenost estimacije kanala, izjednačavanja kanala, dekodiranja i veza detekcije povećavat će se s brojem antena ili povećanje reda modulacije signala. Količina izračuna algoritma izravno će utjecati na kašnjenje obrade, potrošnju energije uređaja i vrijeme čekanja. U isto vrijeme, u praktičnim primjenama, ključni faktor koji ograničava MIMO sustave je visoka cijena koju donose višestruke radiofrekvencijske veze. Kako bi se smanjila računalna složenost "softvera", osigurajte jednostavnije i učinkovitije metode obrade signala i različite sheme prostorno-vremenskog kodiranja i dekodiranja za MIMO sustave. Za smanjenje "hardverskih" troškova, odabir antene vrlo je kritična tehnologija, koja može uvelike smanjiti složenost obrade i troškove hardvera uz zadržavanje prednosti MIMO tehnologije, te je fokus istraživanja za promicanje praktične primjene MIMO sustava.
6. Raznovrsnost i multipleksiranje MIMO sustava
Bit MIMO sustava je osigurati dobitak raznolikosti i dobitak multipleksiranja. Prvi jamči pouzdanost prijenosa sustava, a drugi poboljšava brzinu prijenosa sustava. Većina rane literature bila je usmjerena na korištenje raznolikosti prijenosa i prostornog multipleksiranja samog ili u kombinaciji s kodiranjem. Studije su pokazale da sustavi s više antena mogu pružiti raznolikost i prostorno multipleksiranje u isto vrijeme, a između to dvoje postoji kompromis. Vrijedno je istražiti kako bi se maksimizirao dobitak sustava racionalnim korištenjem dvaju načina raznolikosti i multipleksiranja u MIMO sustavima.
7. (Multi-cell) Višekorisnički MIMO sustav
Teoretski, domena kapaciteta višekorisničkog MIMO sustava je riješena, ali još uvijek nije dobro riješeno kako domena kapaciteta zadovoljiti zahtjeve brzine prijenosa različitih korisnika. Nadalje, u kanalu emitiranja, zbog međuantenskih i međukorisničkih smetnji u MIMO sustavu, kako dizajnirati vektor prijenosa da se uklone smetnje u istom kanalu između korisnika, kako povećati kapacitet sustava i kontrolu snage specifičan QoS svakog korisnika kada je snaga ograničena Problem optimizacije i povezanih tehnologija u prisutnosti višećelijskih sustava za više korisnika još uvijek su u fokusu istraživanja.
Osnovna načela MIMO tehnologije
MIMO tehnologija odnosi se na korištenje više odašiljačkih antena i prijemnih antena na odašiljačkom i prijemnom kraju, tako da se signali odašilju i primaju preko višestrukih antena na odašiljačkom i prijamnom kraju, čime se poboljšava kvaliteta komunikacije. Može u potpunosti iskoristiti prostorne resurse, ostvariti višestruke prijenose i višestruke prijeme putem višestrukih antena i može udvostručiti kapacitet kanala sustava bez povećanja resursa spektra i snage prijenosa antene, pokazujući očite prednosti, te se smatra sljedećom generacijom mobilnih Jezgra tehnologija komunikacije. Bit MIMO tehnologije je osigurati dobitak prostorne raznolikosti i dobitak prostornog multipleksiranja za sustav.
Odašiljački kraj preslikava podatkovni signal koji se šalje višestrukim antenama kroz prostorno-vremensko preslikavanje, a prijemni kraj izvodi prostorno-vremensko dekodiranje signala koje prima svaka antena kako bi povratio podatkovni signal koji šalje odašiljački kraj. Prema različitim metodama mapiranja prostor-vremena, MIMO tehnologija može se grubo podijeliti u dvije kategorije: prostorna raznolikost i prostorno multipleksiranje. Raznolikost prostora odnosi se na korištenje više odašiljačkih antena za slanje signala s istom informacijom kroz različite putove, au isto vrijeme dobivanje više neovisno blijedih signala istog podatkovnog simbola na prijamniku, kako bi se postigla pouzdanost prijema poboljšana raznolikosti. Na primjer, u kanalu sa sporim Rayleighovim fedingom, koristeći jednu odašiljačku antenu i n prijemnih antena, odaslani signal prolazi kroz n različitih putova. Ako je feding između antena neovisan, maksimalni dobitak različitosti može se dobiti kao n. Za tehnologiju raznolikosti prijenosa, također je koristiti dobitak višestrukih staza za poboljšanje pouzdanosti sustava. U sustavu s m odašiljačkih antena i n prijemnih antena, ako su dobici putanje između parova antena neovisni i ravnomjerno raspoređeni Rayleigh feding, maksimalni dobitak različitosti koji se može postići je mn. Trenutno, tehnologije svemirske raznolikosti koje se obično koriste u MIMO sustavima uglavnom uključuju prostorno-vremenski blok kod (Space Time Block Code, STBC) i tehnologije oblikovanja snopa. STBC je važan oblik kodiranja koji se temelji na raznolikosti prijenosa, od kojih je najosnovniji Alamouti shema dizajnirana za dvije antene.
Najvažniji dio STBC metode je napraviti vektore signala koji će se odašiljati na više antena ortogonalno jedna na drugu. Korištenjem STBC tehnologije može se postići učinak pune raznolikosti, odnosno kada se STBC tehnologija koristi u sustavu s M odašiljačkih antena i N prijemnih antena, maksimalni dobitak raznolikosti je MN. Tehnologija oblikovanja snopa je slanje istih podataka kroz različite odašiljačke antene za formiranje oblikovanih snopova usmjerenih prema određenim korisnicima, čime se učinkovito poboljšava pojačanje antene. Kako bi se maksimizirala snaga signala snopa usmjerenog prema korisniku, tehnologija oblikovanja snopa obično treba izračunati fazu i snagu podataka poslanih na svakoj odašiljačkoj anteni, što se također naziva vektor za oblikovanje snopa. Uobičajene metode izračuna vektora oblikovanja snopa uključuju vektor maksimalne vlastite vrijednosti, algoritam MUSIC, itd. Maksimalni dobitak raznolikosti prijenosa koji se može postići upotrebom tehnologije oblikovanja snopa za M odašiljačkih antena je M. Tehnologija prostornog multipleksiranja dijeli podatke koji se prenose u nekoliko podataka streamove, a zatim ih odašiljati na različitim antenama, čime se povećava brzina prijenosa sustava. Često korištena metoda prostornog multipleksiranja je okomiti slojeviti prostorno-vremenski kod koji predlaže Bell Laboratories, odnosno V-BLAST tehnologija.
