Múltiplas entradas múltiplas saídas (MIMO) é um sistema de antena que usa múltiplas antenas tanto na extremidade de transmissão quanto na extremidade de recepção para formar vários canais entre as extremidades de transmissão e recepção, a fim de aumentar significativamente a capacidade do canal.
Múltiplas entradas e múltiplas saídas é uma técnica de diversidade de antenas bastante complicada. Os efeitos de multipercurso afetarão a qualidade do sinal, portanto, os sistemas de antenas tradicionais precisam usar seus cérebros para eliminar os efeitos de multipercurso. Os sistemas MIMO, por outro lado, utilizam efeitos multipercurso para melhorar a qualidade da comunicação. No sistema MIMO, as partes transmissoras e receptoras utilizam múltiplas antenas que podem trabalhar simultaneamente para se comunicar. Os sistemas MIMO normalmente empregam técnicas complexas de processamento de sinais para aumentar significativamente a confiabilidade, o alcance e o rendimento. Usando essas técnicas, o transmissor envia vários sinais de radiofrequência simultaneamente e o receptor recupera os dados desses sinais. O sistema de comunicação sem fio MIMO é uma das principais tecnologias dos futuros sistemas de comunicação móvel e sem fio. Uma característica óbvia do sistema MIMO é que ele possui uma eficiência de utilização de espectro extremamente alta. Com base na utilização plena dos recursos do espectro existentes, os recursos espaciais são utilizados para obter ganhos em fiabilidade e eficácia. Acabar com a complexidade do processamento.
módulo chave
1. Modelagem de modelo de canal do sistema MIMO
O desempenho de um sistema MIMO depende muito do modelo do canal. Embora já existam modelos padronizados de propagação sem fio e muitos modelos de canais MIMO tenham sido fornecidos com base em um grande número de medições reais e trabalhos de pesquisa teórica, eles ainda não foram reconhecidos pela UIT. Modelo de canal MIMO padronizado reconhecido (3GPP formulou padrões de modelo de canal para MIMO). Portanto, compreender e dominar as características dos canais MIMO sem fio em ambientes internos e externos, estabelecendo modelos estáticos e modelos dinâmicos específicos de canais MIMO, é essencial para selecionar estruturas de sistema apropriadas e projetar excelentes algoritmos de processamento de sinal para concretizar os potenciais enormes canais dos sistemas MIMO. Capacidade, alcançar o desempenho esperado é fundamental.
2. Capacidade do sistema MIMO
Comparado com o sistema tradicional de antena única, o sistema MIMO melhorou muito em termos de desempenho e taxa de transmissão de dados. Primeiro, a Telestar e a Foschini conduziram uma análise aprofundada da capacidade do canal do sistema MIMO. Eles analisaram respectivamente o ruído gaussiano. A pesquisa sobre a capacidade do sistema MIMO nas seguintes condições mostra que, assumindo que as antenas são independentes umas das outras, o sistema multi-antena é significativamente melhorado em comparação com o sistema de antena única. No caso de conhecer as características de transmissão do canal, a pesquisa de Foschini mostra que: quando M=N, a capacidade do canal obtida aumenta proporcionalmente a N. Sob a mesma potência de transmissão e largura de banda de transmissão, a capacidade do canal do sistema é cerca de 40 vezes maior do que o sistema de entrada única e saída única (SISO).
3. Projeto de conjunto de antenas MIMO
Em geral, as antenas da estação base são erguidas no alto e o espalhamento de campo próximo ao redor do conjunto de antenas é relativamente fraco. Portanto, para obter sinais não correlacionados em diferentes elementos do arranjo, muitas vezes é necessário manter pelo menos 10 vezes o espaçamento de comprimento de onda entre os elementos do arranjo. Quando o número de antenas é grande, pode haver obstáculos para a montagem de line arrays de estações base. Para terminais móveis, devido aos abundantes dispersores de campo próximo, acredita-se geralmente que a distância entre os elementos da antena é superior a 1/2 comprimento de onda para tornar a correlação do sinal suficientemente fraca. O conjunto de antenas polarizadas pode usar estados de polarização mutuamente ortogonais na mesma posição espacial para perceber a aparente irrelevância dos elementos do conjunto, de modo que o tamanho do conjunto de antenas possa ser relativamente reduzido.
4. Processamento de sinal do sistema MIMO
Um sistema de comunicação de antenas de arranjo em um ambiente de desvanecimento enfrenta interferência co-canal e interferência inter-símbolo. Para se aproximar da capacidade de um sistema multiantenas, são necessárias boas técnicas de processamento de sinal. Métodos de detecção de sinais de alto desempenho e baixa complexidade ou métodos de detecção de juntas sempre foram um tema quente para os pesquisadores.
5. O problema da complexidade do sistema MIMO
Como o sinal no sistema MIMO é estendido ao espaço-tempo bidimensional, em comparação com o sistema de antena única, a complexidade da estimativa de canal, equalização de canal, decodificação e links de detecção aumentará com o número de antenas ou o aumento da ordem de modulação do sinal. A quantidade de cálculo do algoritmo afetará diretamente o atraso de processamento, o consumo de energia do dispositivo e o tempo de espera. Ao mesmo tempo, em aplicações práticas, um fator chave que limita os sistemas MIMO é o alto custo trazido por múltiplos links de radiofrequência. Para reduzir a complexidade computacional do "software", forneça métodos de processamento de sinal mais simples e eficazes e vários esquemas de codificação e decodificação de espaço-tempo para sistemas MIMO. Para reduzir o custo de "hardware", a seleção da antena é uma tecnologia muito crítica, que pode reduzir significativamente a complexidade de processamento e o custo de hardware, mantendo as vantagens da tecnologia MIMO, e é um foco de pesquisa para promover a aplicação prática de sistemas MIMO.
6. Diversidade e multiplexação de sistemas MIMO
A essência do sistema MIMO é fornecer ganho de diversidade e ganho de multiplexação. O primeiro garante a confiabilidade de transmissão do sistema e o último melhora a taxa de transmissão do sistema. A maior parte da literatura inicial concentrava-se no uso de diversidade de transmissão e multiplexação espacial isoladamente ou em combinação com codificação. Estudos demonstraram que sistemas multiantenas podem fornecer diversidade e multiplexação espacial ao mesmo tempo, e há uma compensação entre os dois. Vale a pena explorar a maximização do ganho do sistema utilizando racionalmente os dois modos de diversidade e multiplexação em sistemas MIMO.
7. Sistema MIMO multiusuário (multicélulas)
Teoricamente, o domínio de capacidade do sistema MIMO multiusuário foi resolvido, mas como fazer com que o domínio de capacidade atenda aos requisitos de taxa de transmissão de vários usuários ainda não está bem resolvido. Além disso, no canal de transmissão, devido à interferência entre antenas e entre usuários no sistema MIMO, como projetar o vetor de transmissão para eliminar a interferência co-canal entre os usuários, como fazer com que a capacidade do sistema e o controle de potência de a QoS específica de cada usuário quando a potência é limitada O problema de otimização e tecnologias relacionadas na presença de sistemas multiusuários multicélulas ainda são o foco da pesquisa.
Princípios Básicos da Tecnologia MIMO
A tecnologia MIMO refere-se ao uso de múltiplas antenas de transmissão e antenas receptoras na extremidade de transmissão e recepção, respectivamente, de modo que os sinais sejam transmitidos e recebidos através de múltiplas antenas na extremidade de transmissão e recepção, melhorando assim a qualidade da comunicação. Ele pode fazer uso total dos recursos espaciais, realizar múltiplas transmissões e múltiplas recepções por meio de múltiplas antenas e pode dobrar a capacidade do canal do sistema sem aumentar os recursos do espectro e a potência de transmissão da antena, mostrando vantagens óbvias e é considerada a próxima geração de dispositivos móveis. tecnologia de comunicação. A essência da tecnologia MIMO é fornecer ganho de diversidade espacial e ganho de multiplexação espacial para o sistema.
A extremidade transmissora mapeia o sinal de dados a ser enviado para múltiplas antenas através do mapeamento espaço-tempo, e a extremidade receptora realiza a decodificação espaço-tempo nos sinais recebidos por cada antena para recuperar o sinal de dados enviado pela extremidade transmissora. De acordo com diferentes métodos de mapeamento espaço-tempo, a tecnologia MIMO pode ser dividida em duas categorias: diversidade espacial e multiplexação espacial. Diversidade espacial refere-se ao uso de múltiplas antenas de transmissão para enviar sinais com a mesma informação através de diferentes caminhos e, ao mesmo tempo, obter múltiplos sinais de desvanecimento independentes do mesmo símbolo de dados no receptor, de modo a obter a confiabilidade de recepção melhorada por diversidade. Por exemplo, em um canal com desvanecimento Rayleigh lento, usando uma antena de transmissão e n antenas de recepção, o sinal transmitido passa por n caminhos diferentes. Se o desvanecimento entre as antenas for independente, o ganho máximo de diversidade pode ser obtido como n. Para a tecnologia de diversidade de transmissão, também é necessário usar o ganho de múltiplos caminhos para melhorar a confiabilidade do sistema. Em um sistema com m antenas transmissoras en antenas receptoras, se os ganhos de caminho entre pares de antenas forem independentes e com desvanecimento Rayleigh uniformemente distribuído, o ganho máximo de diversidade que pode ser obtido é mn. Atualmente, as tecnologias de diversidade espacial comumente usadas em sistemas MIMO incluem principalmente código de bloco de espaço-tempo (código de bloco de espaço-tempo, STBC) e tecnologias de formação de feixe. STBC é uma importante forma de codificação baseada na diversidade de transmissão, sendo o mais básico o esquema Alamouti projetado para duas antenas.
A parte mais importante do método STBC é fazer com que os vetores de sinal a serem transmitidos em múltiplas antenas sejam ortogonais entre si. O uso da tecnologia STBC pode atingir o efeito de diversidade total, ou seja, quando a tecnologia STBC é utilizada em um sistema com M antenas transmissoras e N antenas receptoras, o ganho máximo de diversidade é MN. A tecnologia Beamforming consiste em enviar os mesmos dados através de diferentes antenas de transmissão para formar feixes moldados direcionados a determinados usuários, melhorando assim efetivamente o ganho da antena. Para maximizar a intensidade do sinal do feixe direcionado ao usuário, a tecnologia de formação de feixe geralmente precisa calcular a fase e a potência dos dados enviados em cada antena de transmissão, também chamada de vetor de formação de feixe. Os métodos comuns de cálculo do vetor de formação de feixe incluem vetor de valor próprio máximo, algoritmo de MÚSICA, etc. O ganho máximo de diversidade de transmissão que pode ser obtido usando a tecnologia de formação de feixe para antenas de transmissão M é M. A tecnologia de multiplexação espacial consiste em dividir os dados a serem transmitidos em vários dados. fluxos e, em seguida, transmiti-los em diferentes antenas, aumentando assim a taxa de transmissão do sistema. O método de multiplexação espacial comumente usado é o código espaço-tempo em camadas verticais proposto pelos Bell Laboratories, ou seja, a tecnologia V-BLAST.
