MIMO

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 25 juni 2016; kontroller kräver 36 redigeringar .

MIMO ( engelsk Multiple Input Multiple Output ) är en metod för rumslig signalkodning som gör att du kan öka kanalens bandbredd , där dataöverföring och datamottagning utförs av system med flera antenner. De sändande och mottagande antennerna är separerade så att korrelationen mellan intilliggande antenner är svag.

Definition av MIMO-system

I moderna kommunikationssystem, såsom cellulära kommunikationssystem , höghastighets lokala nätverk , etc., finns det ett behov av att öka genomströmningen . Genomströmningen kan ökas genom att utöka bandbredden . Tillämpligheten av dessa metoder är dock begränsad på grund av biosäkerhetskrav, begränsad strömförsörjningskapacitet (i mobila enheter) och elektromagnetisk kompatibilitet . Därför, om i kommunikationssystem dessa tillvägagångssätt inte tillhandahåller den erforderliga dataöverföringshastigheten , kan det vara effektivt att använda adaptiva antennuppsättningar med svagt korrelerade antennelement. Kommunikationssystem med sådana antenner kallas MIMO-system. [1] [2]

MIMO-kanal

I det allmänna fallet observeras inter-symbolinterferens och frekvensselektivitet i kanalen [3] , men i många fall är pulslängden i trådlösa kommunikationssystem mycket större än fördröjningarna av signaler som anländer till den mottagande antennen, vilket gör det möjligt att försumma inter-symbol interferens i kanalen. Frekvensselektivitet måste också beaktas [3] , till exempel i kommunikationssystem enligt IEEE 802.11-standarden [4] där OFDM -teknik används . I vissa situationer är det dock möjligt att använda en kanalmodell utan frekvensselektivitet.

Matematisk modell av MIMO

Tänk på ett MIMO-system med N sändnings- och M mottagarantenner (antennelement). Egenskaperna för MIMO-kanalen som förbinder det n :e sändningselementet med det m: te mottagande elementet beskrivs av komplexa kanalkoefficienter som bildar en N × M kanalmatris . Deras värden ändras slumpmässigt över tiden på grund av närvaron av flervägssignalutbredning. Om en ${\displaystyle h_{nm))$ $\mathbf {H}$

{\vec {s))

är vektorn för sända signaler;

{\vec {z))

är vektorn för inre brus hos antennens mottagande element;

{\vec {x}}

är den mottagna meddelandevektorn,

då skrivs signalen på den mottagande sidan enligt följande:

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

Matrisen anses vara normaliserad. $\mathbf {H}$

Signalbehandling på den mottagande sidan av ett MIMO-system

Bland signalbehandlingsalgoritmerna på den mottagande sidan finns:

algoritmer baserade på maximum likelihood- metoden ( maximal likelihood , ML);
algoritmer baserade på metoden för minimala standardavvikelser (MSCE);
algoritmer baserade på Zero Forcing Method ( ZF ) .

Det finns också en uppdelning i ortogonala och icke-ortogonala kodning/avkodningsmetoder.

Huvuduppgiften för varje metod är att hitta lösningar bland alla möjliga med det minsta euklidiska avståndet mellan den överförda symbolen och en av de möjliga lösningarna. $(2^{K})$

MMSE-metoden innefattar avkodning av den mottagna signalen enligt formeln

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

Nolltvingningsmetoden innebär avkodning enligt formeln

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

Maximal likelihood-metoden är baserad på att hitta det minsta avståndet från den mottagna symbolen till ett av de möjliga signalkonstellationsvärdena . Blind sökning är svårast, eftersom antalet operationer här är proportionellt mot [ klargöra (ingen kommentar tillhandahålls) ] , där K är mångfalden av manipulation.

För att minska beräkningskomplexiteten för denna uppgift är avkodningen uppdelad i två steg:

"Mjuk" avkodning, det vill säga föra den mottagna symbolen till en av lösningarna, givet att . $2^{G}$ $G>K$
"Hård avkodning", det vill säga att bestämma den slutliga lösningen genom att hitta det minsta diskreta Hamming-avståndet mellan de "mjuka" och "hårda" lösningarna.

Spatiotemporal kodningsmetoder

Blockmetoder för rumtidskodning

Förenklat är principen för blockkodning att dela upp dataströmmen i block och återsända blocket vid olika tidsintervall. På detta sätt observeras principen att upprepade gånger skicka data och brusimmuniteten för MIMO-schemat som sådant förbättras. Blockkoderna ger dock inte energivinsten för brusimmunitetskodning (EEC). Det enklaste och vanligaste schemat är det så kallade Alamouti-schemat, enligt vilket data i kodaren distribueras i enlighet med matrisen

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

Således sänder den första antennen symbolerna ( ) och ( ) i rad, den andra - ( ) och ( ). Ibland, i synnerhet inom informationsteknologi och telekommunikation, används en transponerad matris H. Kodhastigheten här är 1, det vill säga detta schema ger ingen vinst i dataöverföringshastighet, men kan användas för att förhindra de negativa effekterna av fading (här förutsätts att båda antennerna inte samtidigt kan vara i "dåliga" lägen vad gäller störningar). $x_{1}$ $-x_{2}^{{*}}$ $x_{2}$ $x_{1}^{{*}}$

Avkodning sker enligt schemat för maximal sannolikhet.

Lattice space-time coding

Genomströmningen av systemet som helhet och dess bitfelsfrekvens (BER) bestäms också till stor del av de valda avkodningsalgoritmerna. Alla större avkodningsalgoritmer är baserade på följande möjliga principer:

principen om maximal sannolikhet;
principen om minsta medelkvadratfel;
principen om nollställning (ZF - nollkraft);
principen för trelliskodning (uttryckt genom att tilldela varje övergång från ett tecken till ett annat en unik sekvens av bitar, bildad på basis av ett tidigare känt polynom).

STTC-kodaren är en kombination av en M-PSK- eller M-QAM-modulator och en trellis-kodare med ett givet polynom (i synnerhet en Viterbi-kodare).

Icke-ortogonala spatiotemporala kodningsmetoder

BLAST

BLAST - teknik (Bell Labs Space-Time Transformation) är designad för:

distribution av modulerade dataströmmar över flera antennmatarvägar hos transceivern;
distribution av inkommande modulerade signaler över tidsluckor.

Det finns två typer av BLAST-algoritmer:

BLAST-algoritm med diagonal tidsluckaallokering (D-BLAST)

Fördelen med denna metod är möjligheten att "sprida" data från en kanal inte bara över rumsliga och frekvenskanaler, utan också över tidsintervall. En liknande algoritm används i Wi-Max- system .

Nackdelarna med denna algoritm är:

förekomsten av tidsförluster i början och slutet av överföringen,
hög komplexitet i genomförandet,
kodningssvårigheter.

BLAST-algoritm med vertikal platsallokering (V-BLAST)

Fördelarna med denna algoritm är:

ingen tidsförlust
mindre komplexitet
enkel codec-struktur.

Varianter av rumslig multiplexering

Den rumsliga separationen av underkanaler i MIMO-system kan implementeras på följande sätt:

Delay diversity metod.
Mångfaldsmetod genom rum-tidskodning (logisk utveckling av den första metoden). [2]
Ortogonal blockkodningsmetod (särskilt Alamouti ortogonal blockkodningsmetod) [2] .
Ortogonal kodningsmetod direkt spridningsspektrum DSSS [2] .
Metoden för att introducera en diagramformande krets (DOS) [2] [5] .
Metoden för ortogonalt arrangemang av frekvenserna för signaler (bärvågor) längs överföringsvägarna [2] .
Metod för ortogonal polarisationsseparation av signaler [2] .
En kombination av flera av dessa metoder.

Tillgänglighet för feedback

MIMO-system kan klassificeras efter närvaro eller frånvaro av feedback [6] :

MIMO med en "open loop" ( engelska open-loop ). I detta fall används kanaluppskattningarna vid den mottagande änden för att korrigera distorsionen som introduceras av kanalen.
MIMO med en "closed loop" ( eng. closed-loop ). Här, förutom kanaluppskattningen, vid mottagning och störningskompensation, sänds dessa uppskattningar till sändningssidan via den sk. omvänd ( engelska feedback ) kanal. Baserat på den mottagna informationen omfördelar sändaren effekten i sina sändningsvägar för att öka effekten hos de vägar som sänder över kanaler med hög fädningshastighet, samt för att korrigera amplituden och fasen när antennstrålen bildas .

Synkroniseringsproblem

Den vanligaste synkroniseringsmetoden i OFDM -MIMO är pilotmetoden (underbärvåg).

Tillämpning av MIMO-teknik

MIMO-tekniken har funnit praktisk tillämpning i trådlösa LAN enligt IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac-standarderna , såväl som i trådlösa WiMAX- och LTE- nätverk för mobil kommunikation .

Simulering av MIMO-kanaler

I det enklaste fallet (för Rayleigh-fading) kan MIMO-kommunikationskanalmodellering bestå av att fylla kanalmatrisen med slumpmässiga koefficienter med noll medelvärde och enhetsvarians. $\mathbf {H}$

Massiv MIMO

Massive MIMO är en teknik där antalet användarterminaler är mycket mindre än antalet basstationsantenner (mobilstationer). [7]

En egenskap hos Massive MIMO är användningen av digitala antennuppsättningar med flera element [8] , med antalet antennelement 128, 256 eller fler. [9] För att förenkla hårdvaruimplementeringen och minska kostnaderna för sådana flerkanaliga digitala antennuppsättningar , är användningen av multimode fiberoptiska gränssnitt i dem som ett slags radiofotonik det enda rimliga valet, inte bara för att ta emot signaler, utan också för att dataöverföring.

Minskningen av kostnaden för massiva MIMO-system i termer av en kanal underlättas genom användningen av kombinerade metoder för decimering av ADC- sampler , som kombinerar en minskning av dataankomsthastigheten med deras preliminära (anti-aliasing) filtrering, frekvensförskjutning och kvadratur. (I/Q) demodulering. [9] Dessutom kan förenklingen av signalbehandling uppnås genom att adaptivt ändra antalet kanaler i Massive MIMO-systemet i enlighet med störningssituationen i luften. För att göra detta bör dynamisk klustring av individuella grupper av antennelement i en digital antennuppsättning till subarrayer användas. [tio]

Kretsbasen för Massive MIMO-system är baserad på användningen av signalbehandlingsmoduler från CompactPCI , PCI Express , OpenVPX , etc. [9] Massive MIMO-teknologi är en av nyckelteknologierna för att implementera 5G cellulära kommunikationssystem [9] [11 ] och kommer att förbättras som 6G-kommunikationssystem . [12] [13]

Anteckningar

↑ Flaksman A. G. Adaptiv rumslig bearbetning i flerkanaliga informationssystem. Dis. Doktor i fysik och matematik Vetenskaper. - M., 2005. - S. 5.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Slyusar, Vadim MIMO-system: konstruktionsprinciper och signalbehandling. . Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2005. - Nr 8. S. 52-58. (2005). Hämtad 31 maj 2014. Arkiverad från originalet 3 april 2018. (obestämd)
↑ 1 2 Flaksman A.G. Adaptiv rumslig bearbetning i flerkanaliga informationssystem / Flaksman A.G.//Dis. Dr. fys.-matte. Vetenskaper. - M .: RSL 2005 (Från det ryska statsbibliotekets medel), s. 29-30
↑ Vishnevsky, V. M. Trådlösa bredbandsnätverk för informationsöverföring / V.V. M. Vishnevsky, A. I. Lyakhov, S. L. Portnoy, I. V. Shakhnovich. — M.: Technosfera, 2005—592 sid.
↑ Slyusar, Vadim SMARTA antenner. Digitala antennmatriser (CAR). MIMO-system baserade på CAR. . I boken "Trådlösa bredbandsnät för informationsöverföring". / Vishnevsky V. M., Lyakhov A. I., Portnoy S. L., Shakhnovich I. V. - M .: Technosphere. – 2005. C. 498–569 (2005). Hämtad 27 november 2018. Arkiverad från originalet 29 augusti 2018. (obestämd)
↑ Li Q., Lin XE Closed Loop Feedback i MIMO-system // Patent nr US 7 236 748 B2 innehavare - Intel Corporation, patentdatum - 26 juni 2007.
↑ TL Marzetta, icke-samarbetande mobilt trådlöst med obegränsat antal basstationsantenner , IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, nr. 11, sid. 3590-3600, nov. 2010.
↑ Slyusar V. I. Utveckling av kretsar i Centralafrikanska republiken: några resultat. Del 1.// Första milen. Last mile (tillägg till tidskriften "Electronics: Science, Technology, Business"). - Nr 1. - 2018. - C. 72-77 [1] Arkivexemplar av 17 mars 2018 på Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 Slyusar V. I. Utveckling av kretsar i Centralafrikanska republiken: några resultat. Del 2.// Den första milen. Last mile (tillägg till tidskriften "Electronics: Science, Technology, Business"). - Nr 2. - 2018. - C. 76-80 [2] Arkivexemplar av 20 juni 2018 på Wayback Machine
↑ Slyusar V. I. Om frågan om adaptiv kanalkontroll av det massiva MIMO-systemet // 17:e vetenskapliga och tekniska konferensen "Skapande och modernisering av design och militärteknologi i moderna sinnen". — Chernigiv: Statens forsknings- och testcenter för de onda krafterna i Ukraina. — 07-08 våren 2017 - C. 328-329. [3] Arkiverad 2 april 2018 på Wayback Machine
↑ Stepanets I., Fokin G. Funktioner för implementeringen av Massive MIMO i 5G-nätverk. // First Mile. Last mile (tillägg till tidskriften "Electronics: Science, Technology, Business"). - Nr 1. - 2018. - C. 46-52.
↑ David K., Berndt H. (2018). 6G-vision och krav: Finns det något behov av Beyond 5G? IEEE Vehicular Technology Magazine, september 2018. - doi:10.1109/mvt.2018.2848498 [4] Arkiverad 28 november 2018 på Wayback Machine
↑ Steputin A.N., Nikolaev A.D. Mobilkommunikation på väg mot 6G . — Infra-Engineering, 2017. Arkiverad 2 april 2022 på Wayback Machine

Litteratur

Bakulin M. G., Varukina L. A., Kreindelin V. B. MIMO-teknik: principer och algoritmer. - M . : Hotline - Telecom, 2014. - 242 sid. - ISBN 978-5-9912-0457-6 .
Speransky V. S., Evdokimov I. L. Simulering av OFDM-MIMO-signaler för 802.16 trådlösa dataöverföringssystem, Proceedings of the Moscow Technical University of Communications and Informatics. - M: MTUCI, 2007.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shloma A. M. Nya teknologier i mobila radiokommunikationssystem. - M: Insvyazizdat, 2005.
Mavrychev EA Spatial signalbehandling i kommunikationssystem med antennuppsättningar. Dis. cand. tech. Vetenskaper: - M., 2003.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shumov A. P. Öka hastigheten för informationsöverföring och den spektrala effektiviteten hos trådlösa kommunikationssystem // Digital processing of communications, 1, 2006, sid. 2-12
Slyusar V. I. MIMO-system: principer för konstruktion och signalbehandling // Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2005. - Nr 8. - S. 52-58.