Múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) es un sistema de antena que utiliza múltiples antenas tanto en el extremo transmisor como en el extremo receptor para formar múltiples canales entre los extremos transmisor y receptor para aumentar considerablemente la capacidad del canal.
Múltiples entradas y múltiples salidas es una técnica de diversidad de antenas bastante complicada. Los efectos de trayectorias múltiples afectarán la calidad de la señal, por lo que los sistemas de antena tradicionales tienen que usar su cerebro para eliminar los efectos de trayectorias múltiples. Los sistemas MIMO, por otro lado, utilizan efectos multitrayecto para mejorar la calidad de la comunicación. En el sistema MIMO, las partes transmisora y receptora utilizan múltiples antenas que pueden funcionar simultáneamente para comunicarse. Los sistemas MIMO suelen emplear técnicas complejas de procesamiento de señales para mejorar significativamente la confiabilidad, el alcance y el rendimiento. Utilizando estas técnicas, el transmisor envía múltiples señales de radiofrecuencia simultáneamente y el receptor recupera los datos de estas señales. El sistema de comunicación inalámbrica MIMO es una de las tecnologías clave de los futuros sistemas de comunicación móviles e inalámbricos. Una característica obvia del sistema MIMO es que tiene una eficiencia de utilización del espectro extremadamente alta. Partiendo de la plena utilización de los recursos espectrales existentes, se utilizan los recursos espaciales para obtener ganancias en confiabilidad y eficacia. Finalizar la complejidad del procesamiento.
módulo clave
1. Modelado del modelo de canal del sistema MIMO
El rendimiento de un sistema MIMO depende en gran medida del modelo de canal. Aunque ya existen modelos de propagación inalámbrica estandarizados y muchos modelos de canales MIMO se han proporcionado sobre la base de una gran cantidad de mediciones reales y trabajos de investigación teóricos, aún no han sido reconocidos por la UIT. Modelo de canal MIMO estandarizado reconocido (3GPP ha formulado estándares de modelo de canal para MIMO). Por lo tanto, comprender y dominar las características de los canales MIMO inalámbricos en entornos interiores y exteriores, establecer modelos estáticos y modelos dinámicos específicos de canales MIMO, es esencial para seleccionar estructuras de sistemas apropiadas y diseñar excelentes algoritmos de procesamiento de señales para aprovechar los enormes canales potenciales de los sistemas MIMO. Capacidad, lograr el rendimiento esperado es fundamental.
2. Capacidad del sistema MIMO
En comparación con el sistema tradicional de antena única, el sistema MIMO ha mejorado enormemente tanto en términos de rendimiento como de velocidad de transmisión de datos. Primero, Telestar y Foschini realizaron un análisis en profundidad de la capacidad de canales del sistema MIMO. Analizaron respectivamente el ruido gaussiano. La investigación sobre la capacidad del sistema MIMO en las siguientes condiciones muestra que, bajo el supuesto de que las antenas son independientes entre sí, el sistema de múltiples antenas mejora significativamente en comparación con el sistema de una sola antena. En el caso de conocer las características de transmisión del canal, la investigación de Foschini muestra que: cuando M=N, la capacidad del canal obtenida aumenta proporcionalmente a N. Bajo la misma potencia de transmisión y ancho de banda de transmisión, la capacidad del canal del sistema es aproximadamente 40 veces mayor que el del sistema de entrada única y salida única (SISO).
3. Diseño de conjunto de antenas MIMO
En general, las antenas de las estaciones base se instalan a gran altura y la dispersión del campo cercano alrededor del conjunto de antenas es relativamente débil. Por lo tanto, para obtener señales no correlacionadas en diferentes elementos de la matriz, a menudo es necesario mantener al menos 10 veces el espaciado de longitud de onda entre los elementos de la matriz. Cuando el número de antenas es grande, puede haber obstáculos para montar conjuntos de líneas de estaciones base. Para los terminales móviles, debido a los abundantes dispersores de campo cercano, generalmente se cree que la distancia entre los elementos de la antena es más de 1/2 longitud de onda para que la correlación de la señal sea lo suficientemente débil. El conjunto de antenas polarizadas puede utilizar estados de polarización mutuamente ortogonales en la misma posición espacial para realizar la aparente irrelevancia de los elementos del conjunto, de modo que el tamaño del conjunto de antenas pueda reducirse relativamente.
4. Procesamiento de señales del sistema MIMO
Un sistema de comunicación de antenas en un entorno de desvanecimiento se enfrenta a interferencias cocanal e interferencias entre símbolos. Para acercarse a la capacidad de un sistema de múltiples antenas, se requieren buenas técnicas de procesamiento de señales. Los métodos de detección de señales de alto rendimiento y baja complejidad o los métodos de detección conjunta siempre han sido un tema candente para los investigadores.
5. El problema de la complejidad del sistema MIMO.
Dado que la señal en el sistema MIMO se extiende al espacio-tiempo bidimensional, en comparación con el sistema de una sola antena, la complejidad de los enlaces de estimación de canal, ecualización de canal, decodificación y detección aumentará con el número de antenas o la aumento del orden de modulación de la señal. La cantidad de cálculo del algoritmo afectará directamente el retraso del procesamiento, el consumo de energía del dispositivo y el tiempo de espera. Al mismo tiempo, en aplicaciones prácticas, un factor clave que limita los sistemas MIMO es el alto coste que suponen los múltiples enlaces de radiofrecuencia. Para reducir la complejidad computacional del "software", proporcionar métodos de procesamiento de señales más simples y efectivos y varios esquemas de codificación y decodificación espacio-temporal para sistemas MIMO. Para reducir el costo de "hardware", la selección de antenas es una tecnología muy crítica, que puede reducir en gran medida la complejidad del procesamiento y el costo del hardware mientras se mantienen las ventajas de la tecnología MIMO, y es un foco de investigación para promover la aplicación práctica de los sistemas MIMO.
6. Diversidad y multiplexación de sistemas MIMO
La esencia del sistema MIMO es proporcionar ganancia de diversidad y ganancia de multiplexación. El primero garantiza la confiabilidad de la transmisión del sistema y el segundo mejora la velocidad de transmisión del sistema. La mayor parte de la literatura inicial se centró en el uso de la diversidad de transmisión y la multiplexación espacial solas o en combinación con la codificación. Los estudios han demostrado que los sistemas de múltiples antenas pueden proporcionar diversidad y multiplexación espacial al mismo tiempo, y existe un equilibrio entre ambas. Vale la pena explorar para maximizar la ganancia del sistema utilizando racionalmente los dos modos de diversidad y multiplexación en los sistemas MIMO.
7. Sistema MIMO multiusuario (multicelda)
Teóricamente, el dominio de capacidad del sistema MIMO multiusuario se ha resuelto, pero aún no está bien resuelto cómo hacer que el dominio de capacidad cumpla con los requisitos de velocidad de transmisión de varios usuarios. Además, en el canal de transmisión, debido a la interferencia entre antenas y entre usuarios en el sistema MIMO, cómo diseñar el vector de transmisión para eliminar la interferencia cocanal entre usuarios, cómo hacer que la capacidad del sistema y el control de potencia de la QoS específica de cada usuario cuando la potencia es limitada. El problema de la optimización y las tecnologías relacionadas en presencia de sistemas multiusuario de células múltiples siguen siendo el foco de la investigación.
Principios básicos de la tecnología MIMO
La tecnología MIMO se refiere al uso de múltiples antenas transmisoras y antenas receptoras en el extremo transmisor y receptor, respectivamente, de modo que las señales se transmiten y reciben a través de múltiples antenas en el extremo transmisor y receptor, mejorando así la calidad de la comunicación. Puede aprovechar al máximo los recursos espaciales, realizar múltiples transmisiones y múltiples recepciones a través de múltiples antenas y puede duplicar la capacidad del canal del sistema sin aumentar los recursos del espectro y la potencia de transmisión de la antena, lo que muestra ventajas obvias y se considera la próxima generación de dispositivos móviles. tecnología de la comunicación. La esencia de la tecnología MIMO es proporcionar ganancia de diversidad espacial y ganancia de multiplexación espacial para el sistema.
El extremo transmisor asigna la señal de datos que se enviará a múltiples antenas a través del mapeo espacio-temporal, y el extremo receptor realiza una decodificación espacio-temporal de las señales recibidas por cada antena para recuperar la señal de datos enviada por el extremo transmisor. Según los diferentes métodos de mapeo espacio-temporal, la tecnología MIMO se puede dividir aproximadamente en dos categorías: diversidad espacial y multiplexación espacial. La diversidad espacial se refiere al uso de múltiples antenas transmisoras para enviar señales con la misma información a través de diferentes caminos y, al mismo tiempo, obtener múltiples señales que se desvanecen independientemente del mismo símbolo de datos en el receptor, para obtener una confiabilidad de recepción mejorada por diversidad. Por ejemplo, en un canal con desvanecimiento lento de Rayleigh, utilizando una antena transmisora yn antenas receptoras, la señal transmitida pasa por n caminos diferentes. Si el desvanecimiento entre las antenas es independiente, la ganancia de diversidad máxima se puede obtener como n. Para la tecnología de diversidad de transmisión, también se utiliza la ganancia de múltiples rutas para mejorar la confiabilidad del sistema. En un sistema con m antenas transmisoras yn antenas receptoras, si las ganancias de camino entre pares de antenas son independientes y tienen desvanecimiento de Rayleigh distribuido uniformemente, la ganancia de diversidad máxima que se puede obtener es mn. En la actualidad, las tecnologías de diversidad espacial comúnmente utilizadas en los sistemas MIMO incluyen principalmente el código de bloque de tiempo espacial (STBC) y tecnologías de formación de haces. STBC es una forma de codificación importante basada en la diversidad de transmisión, la más básica de las cuales es el esquema Alamouti diseñado para dos antenas.
La parte más importante del método STBC es hacer que los vectores de señal que se transmitirán en múltiples antenas sean ortogonales entre sí. El uso de la tecnología STBC puede lograr el efecto de diversidad total, es decir, cuando la tecnología STBC se usa en un sistema con M antenas transmisoras y N antenas receptoras, la ganancia de diversidad máxima es MN. La tecnología de formación de haces consiste en enviar los mismos datos a través de diferentes antenas transmisoras para formar haces moldeados dirigidos a ciertos usuarios, mejorando así de manera efectiva la ganancia de la antena. Para maximizar la intensidad de la señal del haz dirigido al usuario, la tecnología de formación de haces generalmente necesita calcular la fase y la potencia de los datos enviados en cada antena transmisora, lo que también se denomina vector de formación de haces. Los métodos comunes de cálculo del vector de formación de haces incluyen el vector de valor propio máximo, el algoritmo de MÚSICA, etc. La ganancia máxima de diversidad de transmisión que se puede obtener utilizando la tecnología de formación de haces para M antenas de transmisión es M. La tecnología de multiplexación espacial consiste en dividir los datos que se transmitirán en varios datos. transmisiones y luego transmitirlas en diferentes antenas, aumentando así la velocidad de transmisión del sistema. El método de multiplexación espacial comúnmente utilizado es el código espacio-temporal en capas verticales propuesto por Bell Laboratories, es decir, la tecnología V-BLAST.
