MIMO

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. juni 2016; checks kræver 36 redigeringer .

MIMO ( engelsk Multiple Input Multiple Output ) er en metode til rumlig signalkodning , der giver dig mulighed for at øge båndbredden på kanalen, hvor datatransmission og datamodtagelse udføres af systemer med flere antenner. Sende- og modtageantennerne er adskilt, så korrelationen mellem naboantenner er svag.

Definition af MIMO-systemer

I moderne kommunikationssystemer, såsom cellulære kommunikationssystemer , højhastigheds- lokalnetværk osv., er der behov for at øge gennemstrømningen . Gennemløbet kan øges ved at udvide båndbredden . Imidlertid er anvendeligheden af disse metoder begrænset på grund af biosikkerhedskrav, begrænset strømforsyningskapacitet (i mobile enheder) og elektromagnetisk kompatibilitet . Derfor, hvis disse tilgange i kommunikationssystemer ikke giver den nødvendige dataoverførselshastighed , så kan det være effektivt at bruge adaptive antennearrays med svagt korrelerede antenneelementer. Kommunikationssystemer med sådanne antenner kaldes MIMO-systemer. [1] [2]

MIMO-kanal

I det generelle tilfælde observeres inter-symbol interferens og frekvensselektivitet i kanalen [3] , men i mange tilfælde er pulsvarigheden i trådløse kommunikationssystemer meget større end forsinkelserne af signaler, der ankommer til modtagerantennen, hvilket gør det muligt at negligere inter-symbol interferens i kanalen. Frekvensselektivitet skal også tages i betragtning [3] , for eksempel i kommunikationssystemer i IEEE 802.11-standarden [4] , hvor OFDM- teknologi anvendes . Men i nogle situationer er det muligt at bruge en kanalmodel uden frekvensselektivitet.

Matematisk model af MIMO

Overvej et MIMO-system med N sende- og M modtageantenner (antenneelementer). Egenskaberne for MIMO-kanalen, der forbinder det n'te sendeelement med det m'te modtagende element, er beskrevet af komplekse kanalkoefficienter , der danner en N × M kanalmatrix . Deres værdier ændrer sig tilfældigt over tid på grund af tilstedeværelsen af flervejssignaludbredelse. Hvis en $h_{nm}$ $\mathbf {H}$

{\vec {s))

er vektoren af transmitterede signaler;

{\vec {z))

er vektoren af iboende støj af antennens modtagende elementer;

{\vec {x}}

er den modtagne meddelelsesvektor,

så skrives signalet på den modtagende side som følger:

{\vec {x}}=\mathbf {H} \cdot \ {\vec {s}}+{\vec {z}}.

Matrixen betragtes som normaliseret. $\mathbf {H}$

Signalbehandling på den modtagende side af et MIMO-system

Blandt signalbehandlingsalgoritmerne på den modtagende side er:

algoritmer baseret på den maksimale sandsynlighed metode ( maximum sandsynlighed , ML);
algoritmer baseret på metoden med minimumsstandardafvigelser (MSCE);
algoritmer baseret på nul-forsving-metoden ( ZF ) .

Der er også en opdeling i ortogonale og ikke-ortogonale kodnings-/afkodningsmetoder.

Hovedopgaven for enhver metode er at finde løsninger blandt alle mulige med den mindste euklidiske afstand mellem det transmitterede symbol og en af de mulige løsninger. $(2^{K})$

MMSE-metoden involverer afkodning af det modtagne signal i henhold til formlen

{\widehat {\mathbf {\Theta } }}=({\mathbf {H} \mathbf {H} ^{-1}}-2\sigma ^{2}\cdot \mathbf {I} ) \cdot \mathbf {H} ^{'}\mathbf {Y} .

Nul-forcing-metoden involverer afkodning i henhold til formlen

{\widehat {\mathbf {\Theta } }}=(\mathbf {H} \mathbf {H} ^{-1})\cdot \mathbf {H} ^{'}\mathbf {Y} .

Den maksimale sandsynlighedsmetode er baseret på at finde den mindste afstand fra det modtagne symbol til en af de mulige signalkonstellationsværdier . Blind søgning er den sværeste, da antallet af operationer her er proportional med [ klargør (ingen kommentar angivet) ] , hvor K er manipulationens mangfoldighed.

For at reducere den beregningsmæssige kompleksitet af denne opgave er afkodning opdelt i 2 faser:

"Blød" afkodning, det vil sige at bringe det modtagne symbol til en af løsningerne, givet at . $2^{G}$ $G>K$
"Hård afkodning", det vil sige at bestemme den endelige løsning ved at finde den mindste diskrete Hamming-afstand mellem de "bløde" og "hårde" løsninger.

Spatiotemporal kodningsmetoder

Blokmetoder til rumtidskodning

Forenklet er princippet for blokkodning at opdele datastrømmen i blokke og gentransmittere blokken med forskellige tidsintervaller. På denne måde overholdes princippet om gentagne gange at sende data, og støjimmuniteten for MIMO-ordningen som sådan forbedres. Blokkoderne giver dog ikke energiforstærkningen af støjimmunitetskodning (EEC). Det enkleste og mest almindelige skema er det såkaldte Alamouti-skema, ifølge hvilket dataene i koderen er fordelt i overensstemmelse med matrixen

\mathbf {H} ={\begin{pmatrix}x_{1}&x_{2}\\-x_{2}^{*}&x_{1}^{*}\\\end{pmatrix)) .

Således sender den første antenne symbolerne ( ) og ( ) i en række, den anden - ( ) og ( ). Nogle gange, især inden for informationsteknologi og telekommunikation, bruges en transponeret matrix H. Kodehastigheden her er 1, det vil sige, at denne ordning ikke giver en gevinst i dataoverførselshastigheden, men kan bruges til at forhindre de negative effekter af fading (her antages det, at begge antenner ikke samtidig kan være i "dårlige" positioner mht. interferens). $x_{1}$ $-x_{2}^{{*}}$ $x_{2}$ $x_{1}^{{*}}$

Afkodning sker i henhold til maksimumsandsynlighedsordningen.

Gitter rum-tid kodning

Gennemløbet af systemet som helhed og dets bitfejlrate (BER) bestemmes også i høj grad af de valgte afkodningsalgoritmer. Alle større afkodningsalgoritmer er baseret på følgende mulige principper:

princippet om maksimal sandsynlighed;
princippet om mindste gennemsnitlig kvadratfejl;
princip om nulstilling (ZF - nul forcering);
princippet om trellis-kodning (udtrykt ved at tildele hver overgang fra et tegn til et andet en unik sekvens af bit, dannet på basis af et tidligere kendt polynomium).

STTC-koderen er en kombination af en M-PSK- eller M-QAM-modulator og en trellis-koder med et givet polynomium (især en Viterbi-koder).

Ikke-ortogonale spatiotemporale kodningsmetoder

BLAST

BLAST (Bell Labs Space-Time Transformation) teknologi er designet til:

fordeling af modulerede datastrømme over flere antenne-feeder-veje i transceiveren;
fordeling af indkommende modulerede signaler over tidsvinduer.

Der er to typer BLAST-algoritmer:

BLAST-algoritme med diagonal tidsvinduetildeling (D-BLAST)

Fordelen ved denne metode er muligheden for at "sprede" dataene fra en kanal ikke kun over rumlige og frekvenskanaler, men også over tidsintervaller. En lignende algoritme bruges i Wi-Max- systemer .

Ulemperne ved denne algoritme er:

tilstedeværelsen af tidstab ved begyndelsen og slutningen af transmissionen,
høj kompleksitet af implementering,
kodningsvanskeligheder.

BLAST-algoritme med vertikal slotallokering (V-BLAST)

Fordelene ved denne algoritme er:

intet tidstab
mindre kompleksitet
simpel codec struktur.

Varianter af rumlig multipleksing

Den rumlige adskillelse af underkanaler i MIMO-systemer kan implementeres på følgende måder:

Delay diversity metode.
Diversitetsmetode ved rumtidskodning (logisk udvikling af den første metode). [2]
Ortogonal blokkodningsmetode (især Alamouti ortogonal blokkodningsmetode) [2] .
Ortogonal kodningsmetode direkte spredt spektrum DSSS [2] .
Metoden til at indføre et diagramdannende kredsløb (DOS) [2] [5] .
Metoden til ortogonalt arrangement af frekvenserne af signaler (bærere) langs transmissionsvejene [2] .
Metode til ortogonal polarisationsadskillelse af signaler [2] .
En kombination af flere af disse metoder.

Tilgængelighed af feedback

MIMO-systemer kan klassificeres efter tilstedeværelsen eller fraværet af feedback [6] :

MIMO med en "open loop" ( engelsk open-loop ). I dette tilfælde bruges kanalestimaterne i den modtagende ende til at korrigere den forvrængning, der indføres af kanalen.
MIMO med en "lukket sløjfe" ( eng. closed-loop ). Her bliver disse estimater udover kanalestimatet ved modtagelsen og interferenskompensationen sendt til sendesiden via den såkaldte. omvendt ( engelsk feedback ) kanal. Baseret på den modtagne information omfordeler senderen effekten i sine transmissionsveje for at øge effekten af de veje, der sender over kanaler med en høj fadinghastighed, samt for at korrigere amplituden og fasen ved dannelse af antennestrålen .

Synkroniseringsproblemer

Den mest almindelige synkroniseringsmetode i OFDM -MIMO er pilotmetoden (underbærer).

Anvendelse af MIMO-teknologi

MIMO-teknologien har fundet praktisk anvendelse i trådløse LAN'er af IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac standarderne , såvel som i WiMAX og LTE trådløse netværk til mobil kommunikation .

Simulering af MIMO-kanaler

I det enkleste tilfælde (for Rayleigh-fading) kan MIMO-kommunikationskanalmodellering bestå i at fylde kanalmatrixen med tilfældige koefficienter med nul middelværdi og enhedsvarians. $\mathbf {H}$

Massiv MIMO

Massive MIMO er en teknologi, hvor antallet af brugerterminaler er meget mindre end antallet af basestations (mobilstation) antenner. [7]

Et træk ved Massive MIMO er brugen af multi-element digitale antenne arrays [8] , med antallet af antenneelementer 128, 256 eller mere. [9] For at forenkle hardwareimplementeringen og reducere omkostningerne ved sådanne multikanals digitale antennearrays er brugen af multimode fiberoptiske grænseflader i dem som en slags radiofotonik det eneste rimelige valg, ikke kun til modtagelse af signaler, men også for datatransmission.

Reduktionen i omkostningerne ved Massive MIMO-systemer i form af én kanal lettes ved brug af kombinerede metoder til decimering af ADC -prøver , der kombinerer et fald i dataankomsthastigheden med deres foreløbige (anti-aliasing) filtrering, frekvensskift og kvadratur. (I/Q) demodulation. [9] Derudover kan forenklingen af signalbehandling opnås ved adaptivt at ændre antallet af kanaler i Massive MIMO-systemet i henhold til interferenssituationen i luften. For at gøre dette bør der anvendes dynamisk klyngning af individuelle grupper af antenneelementer i et digitalt antennearray i subarrays. [ti]

Kredsløbsbasen for Massive MIMO-systemer er baseret på brugen af signalbehandlingsmoduler fra CompactPCI , PCI Express , OpenVPX , osv. [9] Massive MIMO-teknologi er en af nøgleteknologierne til implementering af 5G cellulære kommunikationssystemer [9] [11 ] og vil blive forbedret som 6G kommunikationssystemer . [12] [13]

Noter

↑ Flaksman A. G. Adaptiv rumlig behandling i multikanal informationssystemer. Dis. doktor i fysik og matematik Videnskaber. - M., 2005. - S. 5.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Slyusar, Vadim MIMO-systemer: konstruktionsprincipper og signalbehandling. . Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2005. - Nr. 8. S. 52-58. (2005). Hentet 31. maj 2014. Arkiveret fra originalen 3. april 2018. (ubestemt)
↑ 1 2 Flaksman A.G. Adaptiv rumlig behandling i multikanalinformationssystemer / Flaksman A.G.//Dis. Dr. fys.-matematik. Videnskaber. - M .: RSL 2005 (Fra det russiske statsbiblioteks midler), s. 29-30
↑ Vishnevsky, V. M. Trådløse bredbåndsnetværk til informationstransmission / V.V. M. Vishnevsky, A. I. Lyakhov, S. L. Portnoy, I. V. Shakhnovich. — M.: Technosfera, 2005—592 s.
↑ Slyusar, Vadim SMART antenner. Digitale antennesystemer (CAR). MIMO-systemer baseret på CAR. . I bogen "Trådløse bredbåndsnetværk til informationstransmission". / Vishnevsky V. M., Lyakhov A. I., Portnoy S. L., Shakhnovich I. V. - M .: Technosphere. – 2005. C. 498–569 (2005). Hentet 27. november 2018. Arkiveret fra originalen 29. august 2018. (ubestemt)
↑ Li Q., Lin XE Closed Loop Feedback i MIMO-systemer // Patent nr. US 7.236.748 B2-overdraget - Intel Corporation, Dato for patent - 26. juni 2007.
↑ TL Marzetta, ikke-samarbejdsvillig mobiltrådløs med ubegrænset antal basestationsantenner , IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, nr. 11, s. 3590-3600, nov. 2010.
↑ Slyusar V. I. Udvikling af kredsløb i Den Centralafrikanske Republik: nogle resultater. Del 1.// Den første mil. Last mile (tillæg til tidsskriftet "Electronics: Science, Technology, Business"). - Nr. 1. - 2018. - C. 72-77 [1] Arkivkopi af 17. marts 2018 på Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 Slyusar V. I. Udvikling af kredsløb i Den Centralafrikanske Republik: nogle resultater. Del 2.// Den første mil. Last mile (tillæg til tidsskriftet "Electronics: Science, Technology, Business"). - Nr. 2. - 2018. - C. 76-80 [2] Arkivkopi af 20. juni 2018 på Wayback Machine
↑ Slyusar V. I. Om spørgsmålet om adaptiv kanalkontrol af Massive MIMO-systemet // 17. videnskabelige og tekniske konference "Skabelse og modernisering af design og militærteknologi i moderne sind". — Chernigiv: Statens forsknings- og testcenter for Ukraines onde kræfter. — 07-08 forår 2017 - C. 328-329. [3] Arkiveret 2. april 2018 på Wayback Machine
↑ Stepanets I., Fokin G. Funktioner ved implementeringen af Massive MIMO i 5G-netværk. // First Mile. Last mile (tillæg til tidsskriftet "Electronics: Science, Technology, Business"). - nr. 1. - 2018. - C. 46-52.
↑ David K., Berndt H. (2018). 6G-vision og krav: Er der behov for Beyond 5G? IEEE Vehicular Technology Magazine, september 2018. - doi:10.1109/mvt.2018.2848498 [4] Arkiveret 28. november 2018 på Wayback Machine
↑ Steputin A.N., Nikolaev A.D. Mobilkommunikation på vej til 6G . — Infra-Engineering, 2017. Arkiveret 2. april 2022 på Wayback Machine

Litteratur

Bakulin M. G., Varukina L. A., Kreindelin V. B. MIMO-teknologi: principper og algoritmer. - M . : Hotline - Telecom, 2014. - 242 s. - ISBN 978-5-9912-0457-6 .
Speransky V. S., Evdokimov I. L. Simulering af OFDM-MIMO-signaler af 802.16 trådløse datatransmissionssystemer, Proceedings of the Moscow Technical University of Communications and Informatics. - M: MTUCI, 2007.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shloma A. M. Nye teknologier i mobile radiokommunikationssystemer. - M: Insvyazizdat, 2005.
Mavrychev EA Rumlig signalbehandling i kommunikationssystemer med antennesystemer. Dis. cand. tech. Videnskaber: - M., 2003.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shumov A. P. Forøgelse af informationsoverførselshastigheden og den spektrale effektivitet af trådløse kommunikationssystemer // Digital behandling af kommunikation, 1, 2006, s. 2-12
Slyusar V. I. MIMO-systemer: principper for konstruktion og signalbehandling // Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2005. - Nr. 8. - S. 52-58.