MIMO - MIMO

MIMO udnytter flervejsudbredelse til at multiplicere linkkapacitet.

I radio , multiple-input og flere udgange , eller MIMO ( / m aɪ m oʊ , m jeg m oʊ / ), er en fremgangsmåde til multiplikation kapaciteten af en radioforbindelse ved hjælp multipel transmission og modtagelse antenner til at udnytte flervejsudbredelse . MIMO er blevet et vigtigt element i trådløse kommunikationsstandarder, herunder IEEE 802.11n (Wi-Fi 4), IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5), HSPA+ (3G), WiMAX og Long Term Evolution (LTE). For nylig er MIMO blevet anvendt til strømledningskommunikation til tretrådsinstallationer som en del af ITU G.hn- standarden og HomePlug AV2-specifikationen.

På et tidspunkt henviste udtrykket "MIMO" trådløst til trådløs anvendelse af flere antenner på senderen og modtageren. I moderne brug refererer "MIMO" specifikt til en praktisk teknik til at sende og modtage mere end ét datasignal samtidigt over den samme radiokanal ved at udnytte flervejsudbredelse . Selvom dette "multipath" -fænomen kan være interessant, er det brugen af ortogonal frekvensdelingsmultiplexering til at kode de kanaler, der er ansvarlig for stigningen i datakapacitet. MIMO adskiller sig fundamentalt fra smarte antenneteknikker udviklet til at forbedre ydelsen af et enkelt datasignal, f.eks. Stråleformning og mangfoldighed .

Historie

Tidlig forskning

MIMO spores ofte tilbage til 1970'ernes forskningsartikler om multikanals digitale transmissionssystemer og interferens (krydstale) mellem trådpar i et kabelbundt: AR Kaye og DA George (1970), Branderburg og Wyner (1974) og W. van Etten (1975, 1976). Selvom disse ikke er eksempler på at udnytte flervejsspredning til at sende flere informationsstrømme, viste nogle af de matematiske teknikker til håndtering af gensidig interferens sig nyttige for MIMO -udvikling. I midten af 1980'erne tog Jack Salz på Bell Laboratories denne forskning et skridt videre og undersøgte multi-user-systemer, der opererede over "indbyrdes krydskoblede lineære netværk med additive støjkilder" såsom tidsdelingsmultiplexering og dobbeltpolariserede radiosystemer.

Metoder blev udviklet til at forbedre ydeevnen for cellulære radionetværk og muliggøre mere aggressiv frekvensgenbrug i begyndelsen af 1990'erne. Space-division multiple access (SDMA) bruger retningsbestemte eller smarte antenner til at kommunikere på samme frekvens med brugere forskellige steder inden for rækkevidde af den samme basestation. Et SDMA -system blev foreslået af Richard Roy og Björn Ottersten , forskere ved ArrayComm , i 1991. Deres amerikanske patent (nr. 5515378 udstedt i 1996) beskriver en metode til at øge kapaciteten ved hjælp af "en række modtageantenner på basestationen" med en "flere fjerntbrugere."

Opfindelse

Arogyaswami Paulraj og Thomas Kailath foreslog en SDMA-baseret invers multiplexing teknik i 1993. Deres amerikanske patent (nr. 5.345.599 udstedt i 1994) beskrev en metode til udsendelse ved høje datahastigheder ved at opdele et højhastigheds signal "i flere lavhastigheds signaler "skal transmitteres fra" rumligt adskilte sendere "og genoprettes af modtageantennearrayet baseret på forskelle i" ankomstretninger ". Paulraj blev tildelt den prestigefyldte Marconi -pris i 2014 for "sine banebrydende bidrag til udvikling af teori og anvendelser af MIMO -antenner ... hastighed WiFi og 4G mobile systemer - har revolutioneret højhastigheds trådløs. "

I et papir fra april 1996 og efterfølgende patent foreslog Greg Raleigh , at naturlig flervejsudbredelse kan udnyttes til at transmittere flere, uafhængige informationsstrømme ved hjælp af samlokaliserede antenner og flerdimensionel signalbehandling. Papiret identificerede også praktiske løsninger til modulering ( MIMO-OFDM ), kodning, synkronisering og kanalestimering. Senere samme år (september 1996) forelagde Gerard J. Foschini et papir, der også foreslog, at det er muligt at multiplicere kapaciteten af et trådløst link ved hjælp af det, forfatteren beskrev som "lagdelt rum-tid-arkitektur."

Greg Raleigh, VK Jones og Michael Pollack grundlagde Clarity Wireless i 1996 og byggede og testede et prototype MIMO-system. Cisco Systems erhvervede Clarity Wireless i 1998. Bell Labs byggede en laboratorieprototype, der demonstrerede sin V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) teknologi i 1998. Arogyaswami Paulraj grundlagde Iospan Wireless i slutningen af 1998 for at udvikle MIMO-OFDM-produkter. Iospan blev opkøbt af Intel i 2003. V-BLAST blev aldrig kommercialiseret, og hverken Clarity Wireless eller Iospan Wireless sendte MIMO-OFDM-produkter, før de blev erhvervet.

Standarder og kommercialisering

MIMO -teknologien er blevet standardiseret til trådløse LAN , 3G -mobiltelefonnetværk og 4G -mobilnetværk og er nu i udbredt kommerciel brug. Greg Raleigh og VK Jones grundlagde Airgo Networks i 2001 for at udvikle MIMO-OFDM chipsæt til trådløse LAN. Den Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) oprettede en arbejdsgruppe i slutningen af 2003 at udvikle et trådløst LAN standard levere mindst 100 Mbit / s af brugerens data throughput. Der var to store konkurrerende forslag: TGn Sync blev bakket op af virksomheder, herunder Intel og Philips , og WWiSE blev understøttet af virksomheder, herunder Airgo Networks, Broadcom og Texas Instruments . Begge grupper var enige om, at 802.11n-standarden ville være baseret på MIMO-OFDM med 20 MHz og 40 MHz kanalindstillinger. TGn Sync, WWiSE og et tredje forslag (MITMOT, bakket op af Motorola og Mitsubishi ) blev slået sammen for at skabe det, der blev kaldt det fælles forslag. I 2004 blev Airgo det første selskab til at sende MIMO-OFDM-produkter. Qualcomm erhvervede Airgo Networks i slutningen af 2006. Den endelige 802.11n -standard understøttede hastigheder på op til 600 Mbit/s (ved hjælp af fire samtidige datastrømme) og blev offentliggjort i slutningen af 2009.

Surendra Babu Mandava og Arogyaswami Paulraj grundlagde Beceem Communications i 2004 for at producere MIMO-OFDM chipsæt til WiMAX . Virksomheden blev opkøbt af Broadcom i 2010. WiMAX blev udviklet som et alternativ til mobilstandarder , er baseret på 802.16e- standarden og bruger MIMO-OFDM til at levere hastigheder op til 138 Mbit/s. Den mere avancerede 802,16m -standard muliggør downloadhastigheder på op til 1 Gbit/s. Et landsdækkende WiMAX-netværk blev bygget i USA af Clearwire , et datterselskab af Sprint-Nextel , der dækker 130 millioner tilstedeværelsespunkter (PoP) i midten af 2012. Sprint annoncerede efterfølgende planer om at implementere LTE (den cellulære 4G-standard), der dækker 31 byer i midten af 2013 og at lukke sit WiMAX-netværk inden udgangen af 2015.

Den første 4G-mobilstandard blev foreslået af NTT DoCoMo i 2004. Langsigtet udvikling (LTE) er baseret på MIMO-OFDM og udvikles fortsat af 3. Generations Partnership Project (3GPP). LTE angiver nedlinkhastigheder på op til 300 Mbit/s, uplinkhastigheder op til 75 Mbit/s og servicekvalitetsparametre som lav latenstid. LTE Advanced tilføjer understøttelse af picoceller, femtoceller og multi-carrier kanaler op til 100 MHz brede. LTE er blevet omfavnet af både GSM/UMTS og CDMA operatører.

De første LTE -tjenester blev lanceret i Oslo og Stockholm af TeliaSonera i 2009. Der er i øjeblikket mere end 360 LTE -netværk i 123 lande i drift med cirka 373 millioner forbindelser (enheder).

Funktioner

MIMO kan underopdeles i tre hovedkategorier: forkodning , rumlig multiplexering (SM) og mangfoldighedskodning .

Forkodning er multi-stream stråleformning i den smalleste definition. Mere generelt betragtes det som al rumlig behandling, der finder sted ved senderen. I (enkeltstrøm) stråleformning udsendes det samme signal fra hver af sendeantennerne med passende fase og vægtning, således at signaleffekten maksimeres ved modtagerindgangen. Fordelene ved stråleformning er at øge den modtagne signalforstærkning - ved at lade signaler udsendt fra forskellige antenner tilføje konstruktivt - og reducere flervejs falmende effekt. Ved udbredelse af synsfelt resulterer stråleformning i et veldefineret retningsmønster. Imidlertid er konventionelle stråler ikke en god analogi i mobilnetværk, der hovedsageligt er kendetegnet ved flervejsudbredelse . Når modtageren har flere antenner, kan sendestråleformeringen ikke samtidigt maksimere signalniveauet på alle modtagerantenner, og forkodning med flere strømme er ofte fordelagtig. Bemærk, at forkodning kræver kendskab til kanaltilstandsinformation (CSI) på senderen og modtageren.

Rumlig multiplexering kræver MIMO -antennekonfiguration. Ved rumlig multiplexering opdeles et højhastigheds-signal i flere lavere hastighedsstrømme, og hver strøm transmitteres fra en anden sendeantenne i den samme frekvenskanal. Hvis disse signaler ankommer til modtagerantennearrayet med tilstrækkeligt forskellige rumlige signaturer, og modtageren har nøjagtig CSI, kan den adskille disse strømme i (næsten) parallelle kanaler. Rumlig multiplexing er en meget kraftfuld teknik til at øge kanalkapaciteten ved højere signal-støj-forhold (SNR). Det maksimale antal rumlige strømme er begrænset af det mindste antal antenner på senderen eller modtageren. Rumlig multiplexering kan bruges uden CSI på senderen, men kan kombineres med forkodning, hvis CSI er tilgængelig. Rumlig multiplexering kan også bruges til samtidig transmission til flere modtagere, kendt som space-division multiple access eller multi-user MIMO , i hvilket tilfælde CSI er påkrævet på senderen. Planlægningen af modtagere med forskellige rumlige signaturer muliggør god adskillelse.

Mangfoldighedskodningsteknikker bruges, når der ikke er kanalkendskab ved senderen. I diversitetsmetoder transmitteres en enkelt strøm (i modsætning til flere strømme i rumlig multiplexing), men signalet kodes ved hjælp af teknikker kaldet rumtidskodning . Signalet udsendes fra hver af sendeantennerne med fuld eller nær ortogonal kodning. Mangfoldighedskodning udnytter den uafhængige fading i flere antenneforbindelser for at forbedre signaldiversiteten. Fordi der ikke er kanalkendskab, er der ingen stråleformning eller array -gevinst fra mangfoldighedskodning. Mangfoldighedskodning kan kombineres med rumlig multiplexering, når der er noget kanalviden tilgængelig hos modtageren.

Skemaer

Eksempel på en antenne til LTE med 2 port antennediversitet

Multi-antennetyper

Multi-antenne MIMO (eller enkeltbruger MIMO) teknologi er blevet udviklet og implementeret i nogle standarder, f.eks. 802.11n-produkter.

SISO /SIMO /MISO er særlige tilfælde af MIMO.
- Multi-input single-output (MISO) er et specielt tilfælde, når modtageren har en enkelt antenne.
- Single-input multiple-output (SIMO) er et specielt tilfælde, når senderen har en enkelt antenne.
- Single-input single-output (SISO) er et konventionelt radiosystem, hvor hverken sender eller modtager har flere antenner.
Primære enkeltbruger-MIMO-teknikker
- Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST), Gerard. J. Foschini (1996)
- Per Antenne Rate Control (PARC), Varanasi, Guess (1998), Chung, Huang, Lozano (2001)
- Selektiv pr. Antennefrekvenskontrol (SPARC), Ericsson (2004)
Nogle begrænsninger
- Den fysiske antenneafstand er valgt til at være stor; flere bølgelængder på basestationen. Antenneseparationen ved modtageren er stærkt pladsbegrænset i håndsæt, selvom avanceret antennedesign og algoritmeteknikker er til diskussion. Se: multi-user MIMO

Flerbrugertyper

For nylig er der kommet resultater af forskning om multi-user MIMO-teknologi. Mens fuld flerbruger-MIMO (eller netværks-MIMO) kan have et større potentiale, er forskningen om (delvis) multi-bruger MIMO (eller multi-user og multi-antenne MIMO) -teknologi praktisk taget mere aktiv.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)
- I de seneste 3GPP- og WiMAX- standarder behandles MU-MIMO som en af de kandidatteknologier, der kan anvendes i specifikationen af en række virksomheder, herunder Samsung, Intel, Qualcomm, Ericsson, TI, Huawei, Philips, Nokia og Freescale. For disse og andre virksomheder, der er aktive på markedet for mobile hardware, er MU-MIMO mere gennemførlig for mobiltelefoner med lav kompleksitet med et lille antal modtagelsesantenner, hvorimod enbruger SU-MIMO's højere brugergrad er bedre egnet til mere komplekse brugerenheder med flere antenner.
- Forbedret multiuser MIMO: 1) Anvender avancerede afkodningsteknikker, 2) Anvender avancerede forkodningsteknikker
- SDMA repræsenterer enten space-division multiple access eller super-division multiple access, hvor super understreger, at ortogonal division såsom frekvens og tidsdeling ikke bruges, men ikke-ortogonale tilgange såsom superpositionskodning bruges.
Kooperativ MIMO (CO-MIMO)
- Bruger flere nabostationer til at transmittere/modtage data i fællesskab til/fra brugere. Som et resultat forårsager nabostationer ikke intercellinterferens som i de konventionelle MIMO -systemer.
Makrodiversitet MIMO
- En form for rumdiversitetsordning, der bruger flere sende- eller modtagelsesbasestationer til at kommunikere sammenhængende med en eller flere brugere, som muligvis er fordelt i dækningsområdet, i samme tids- og frekvensressource.
- Senderne er langt fra hinanden i modsætning til traditionelle MIMO-ordninger for mikrodiversitet, såsom enkeltbruger-MIMO. I et multi-user macrodiversity MIMO-scenario kan brugerne også være langt fra hinanden. Derfor har hvert bestandslink i det virtuelle MIMO -link et særskilt gennemsnitligt link SNR . Denne forskel skyldes hovedsageligt de forskellige langsigtede kanalforringelser, såsom tab af stier og skygge-fading, som forskellige links oplever.
- Makrodiversitet MIMO -ordninger udgør hidtil usete teoretiske og praktiske udfordringer. Blandt mange teoretiske udfordringer er den måske mest fundamentale udfordring at forstå, hvordan de forskellige gennemsnitlige link -SNR'er påvirker den samlede systemkapacitet og individuelle brugerydelse i falmende miljøer.
MIMO Routing
- Routing en klynge af en klynge i hvert hop, hvor antallet af noder i hver klynge er større eller lig med en. MIMO-routing er forskellig fra konventionel (SISO) routing, da konventionelle routingprotokoller ruter node-by-node i hvert hop.
Massiv MIMO
- En teknologi, hvor antallet af terminaler er meget mindre end antallet af basestationsantenner (mobilstation). I et rigt spredningsmiljø kan de fulde fordele ved det massive MIMO-system udnyttes ved hjælp af enkle stråleformingsstrategier såsom maksimal forholdstransmission (MRT), maksimal forholdskombination (MRC) eller nulforcering (ZF). For at opnå disse fordele ved massiv MIMO skal nøjagtig CSI være tilgængelig perfekt. I praksis er kanalen mellem senderen og modtageren imidlertid estimeret ud fra ortogonale pilotsekvenser, der er begrænset af kanalens sammenhængstid. Vigtigst af alt, i en multicell-opsætning, vil genbrug af pilotsekvenser af flere co-channel-celler skabe pilotkontaminering. Når der er pilotkontaminering, forringes ydelsen af massiv MIMO ganske drastisk. For at lindre effekten af pilotforurening foreslår Tadilo E. Bogale og Long B. Le en simpel pilotopgave og kanalestimeringsmetode fra begrænsede træningssekvenser. I 2018 blev der imidlertid offentliggjort forskning af Emil Björnson, Jakob Hoydis og Luca Sanguinetti, der viser, at pilotforurening er løseligt, og at kapaciteten i en kanal altid kan øges, både i teori og i praksis, ved at øge antallet af antenner .

Ansøgninger

Tredje generation (3G) (CDMA og UMTS) gør det muligt at implementere rum-tid-transmitteringsdiversitetsordninger i kombination med at sende stråleformning på basestationer. Fjerde generation (4G) LTE og LTE Advanced definerer meget avancerede luftinterfaces, der i vid udstrækning er afhængige af MIMO -teknikker. LTE fokuserer primært på single-link MIMO afhængig af SpatialMultiplexing og space-time kodning, mens LTE-Advanced yderligere udvider designet til multi-user MIMO. I trådløse lokalnetværk (WLAN), IEEE 802.11n (Wi-Fi), er MIMO-teknologi implementeret i standarden ved hjælp af tre forskellige teknikker: valg af antenne, rumtidskodning og muligvis stråleformning.

Rumlig multiplexeringsteknikker gør modtagerne meget komplekse, og derfor kombineres de typisk med Orthogonal frekvensdelingsmultiplexering (OFDM) eller med Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) modulering, hvor de problemer, der skabes af en multi-path kanal, håndteres effektivt. IEEE 802.16e- standarden indeholder MIMO-OFDMA. IEEE 802.11n-standarden, der blev frigivet i oktober 2009, anbefaler MIMO-OFDM.

MIMO er også planlagt til at blive brugt i mobiltelefonistandarder som f.eks. De seneste 3GPP og 3GPP2 . I 3GPP tager High-Speed Packet Access plus (HSPA+) og Long Term Evolution (LTE) standarder hensyn til MIMO. For fuldt ud at understøtte mobilmiljøer foreslår MIMO-forskningskonsortier, herunder IST-MASCOT, at udvikle avancerede MIMO-teknikker, f.eks. Multi-user MIMO (MU-MIMO).

MIMO trådløse kommunikationsarkitekturer og behandlingsteknikker kan anvendes til at registrere problemer. Dette studeres i en sub-disciplin kaldet MIMO radar .

MIMO-teknologi kan bruges i ikke-trådløse kommunikationssystemer. Et eksempel er standardnetværksstandarden ITU-T G.9963 , som definerer et powerline-kommunikationssystem, der bruger MIMO-teknikker til at transmittere flere signaler over flere vekselstrømsledninger (fase, neutral og jord).

Matematisk beskrivelse

MIMO kanal model

I MIMO -systemer sender en sender flere streams af flere transmissionsantenner. Sendestrømmene går gennem en matrixkanal , der består af alle stier mellem senderantennerne ved senderen og modtageantenner ved modtageren. Derefter modtageren får det modtagne signal vektorer ved multiple modtager antenner og afkoder det modtagne signal vektorer i den oprindelige information. Et smalbånds fladt falmende MIMO -system er modelleret som: ${\ displaystyle N_ {t} N_ {r}}$ ${\ displaystyle N_ {t}}$ ${\ displaystyle N_ {r}}$

{\ displaystyle \ mathbf {y} = \ mathbf {H} \ mathbf {x} +\ mathbf {n}}

hvor og er henholdsvis modtage- og sendevektorerne og og er henholdsvis kanalmatricen og støjvektoren. ${\ displaystyle \ mathbf {y}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {x}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {n}}$

Ergodisk lukket loop (kanal er kendt, perfekt CSI ) og ergodisk open-loop (kanal er ukendt, ingen CSI) kapacitet. Antal sende- og modtageantenner er 4 ( ).

{\ displaystyle N_ {r} = N_ {t} = 4}

Med henvisning til oplysninger teori , den ergodic kanal kapacitet af MIMO systemer, hvor både senderen og modtageren har perfekte øjeblikkelig kanal tilstand oplysninger er

{\ displaystyle C _ {\ mathrm {perfect-CSI}} = E \ venstre [\ max _ {\ mathbf {Q}; \, {\ mbox {tr}} (\ mathbf {Q}) \ leq 1} \ log _ {2} \ det \ left (\ mathbf {I} +\ rho \ mathbf {H} \ mathbf {Q} \ mathbf {H} ^{H} \ right) \ right] = E \ left [\ log _ {2} \ det \ left (\ mathbf {I} +\ rho \ mathbf {D} \ mathbf {S} \ mathbf {D} \ right) \ right]}

hvor betegner hermitisk transponering og er forholdet mellem sendeeffekt og støjeffekt (dvs. transmitter SNR ). Den optimale signalkovarians opnås ved entydig værdienedbrydning af kanalmatricen og en optimal diagonal effektallokeringsmatrix . Den optimale strømfordeling opnås ved vandfyldning , dvs. ${\ displaystyle ()^{H}}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle \ mathbf {Q} = \ mathbf {VSV} ^{H}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {UDV} ^{H} \, = \, \ mathbf {H}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {S} = {\ textrm {diag}} (s_ {1}, \ ldots, s _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})}, 0, \ ldots, 0)}$

{\ displaystyle s_ {i} = \ venstre (\ mu -{\ frac {1} {\ rho d_ {i}^{2}}} \ højre)^{+}, \ quad {\ textrm {for}} \, \, i = 1, \ ldots, \ min (N_ {t}, N_ {r}),}

hvor er de diagonale elementer af , er nul, hvis dens argument er negativt, og er valgt sådan, at . ${\ displaystyle d_ {1}, \ ldots, d _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {D}}$ ${\ displaystyle (\ cdot)^{+}}$ ${\ displaystyle \ mu}$ ${\ displaystyle s_ {1} +\ ldots +s _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})} = N_ {t}}$

Hvis senderen kun har oplysninger om statistisk kanaltilstand , vil den ergodiske kanalkapacitet falde, da signalkovariansen kun kan optimeres med hensyn til den gennemsnitlige indbyrdes information som ${\ displaystyle \ mathbf {Q}}$

{\ displaystyle C _ {\ mathrm {statistical-CSI}} = \ max _ {\ mathbf {Q}} E \ venstre [\ log _ {2} \ det \ left (\ mathbf {I} +\ rho \ mathbf { H} \ mathbf {Q} \ mathbf {H} ^{H} \ right) \ right].}

Den rumlige korrelation af kanalen har en stærk indflydelse på ergodic kanalkapacitet med statistisk information.

Hvis senderen ikke har oplysninger om kanaltilstand, kan den vælge signalkovariansen for at maksimere kanalkapaciteten under værst tænkelige statistikker, hvilket betyder og følgelig ${\ displaystyle \ mathbf {Q}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {Q} = 1/N_ {t} \ mathbf {I}}$

{\ displaystyle C _ {\ mathrm {no-CSI}} = E \ venstre [\ log _ {2} \ det \ left (\ mathbf {I} +{\ frac {\ rho} {N_ {t}}} \ mathbf {H} \ mathbf {H} ^{H} \ right) \ right].}

Afhængigt af kanalens statistiske egenskaber er den ergodiske kapacitet ikke større end gange større end for et SISO -system. ${\ displaystyle \ min (N_ {t}, N_ {r})}$

MIMO -detektion

Et af hovedproblemerne i MIMO er at kende kanalmatrixen på modtageren. I praksis sender transmitteren i kommunikationssystemer et pilotsignal, og modtageren lærer kanalens tilstand (dvs. ) fra det modtagne signal og pilotsignalet . Der er flere algoritmer til estimering ud fra flere modtagne signaler og pilotsignalet , såsom nulforcerende, successiv interferensafbrydelse aka V-blast , Maksimal sandsynlighedsestimering (forudsat at støjen er Gaussisk) og for nylig Neural network MIMO Detection. Efterhånden som antallet af antenner ved senderen og modtageren vokser, bliver MIMO -detekteringsproblemet vanskeligere, og Neural -netværksmetoden bliver overlegen, især i tilfælde af funktionsnedsættelser. ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ ${\ displaystyle Y}$ ${\ displaystyle X}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ ${\ displaystyle Y}$ ${\ displaystyle X}$

Test

MIMO signaltest fokuserer først på sender/modtagersystemet. De tilfældige faser af underbærersignalerne kan producere øjeblikkelige effektniveauer, der får forstærkeren til at komprimere, hvilket øjeblikkeligt forårsager forvrængning og i sidste ende symbolfejl. Signaler med et højt PAR-forhold ( top-til-gennemsnit ) kan få forstærkere til at komprimere uforudsigeligt under transmission. OFDM-signaler er meget dynamiske, og komprimeringsproblemer kan være svære at opdage på grund af deres støjlignende karakter.

At kende signalkanalens kvalitet er også kritisk. En kanalemulator kan simulere, hvordan en enhed fungerer ved cellens kant, kan tilføje støj eller kan simulere, hvordan kanalen ser ud i hastighed. For fuldt ud at kvalificere ydelsen af en modtager kan en kalibreret sender, såsom en vektorsignalgenerator (VSG) og kanalemulator bruges til at teste modtageren under en række forskellige forhold. Omvendt kan senderens ydeevne under en række forskellige forhold verificeres ved hjælp af en kanalemulator og en kalibreret modtager, såsom en vektorsignalanalysator (VSA).

Forståelse af kanalen tillader manipulation af fasen og amplituden for hver sender for at danne en stråle. For korrekt at danne en stråle skal senderen forstå kanalens egenskaber. Denne proces kaldes kanalsounding eller kanalestimering . Et kendt signal sendes til den mobile enhed, der gør det muligt at opbygge et billede af kanalmiljøet. Den mobile enhed sender kanalkarakteristika tilbage til senderen. Senderen kan derefter anvende de korrekte fase- og amplitudejusteringer for at danne en stråle rettet mod den mobile enhed. Dette kaldes et lukket kredsløb MIMO-system. For stråleformning er det nødvendigt at justere faserne og amplituden for hver sender. I en stråleformer, der er optimeret til rumlig mangfoldighed eller rumlig multiplexing, sender hvert antenneelement samtidig en vægtet kombination af to datasymboler.

Litteratur

Hovedforskere

Papirer af Gerard J. Foschini og Michael J. Gans, Foschini og Emre Telatar har vist, at kanalkapaciteten (en teoretisk øvre grænse for systemgennemstrømning) for et MIMO -system øges, når antallet af antenner øges, proportionalt med den mindste antallet af sendeantenner og antallet af modtageantenner. Dette er kendt som multiplexingsgevinsten, og dette grundlæggende fund inden for informationsteori er det, der førte til en spurt af forskning på dette område. På trods af de enkle formeringsmodeller, der bruges i de førnævnte sædværker, er multiplexeringsforstærkningen en grundlæggende egenskab, der kan bevises under næsten enhver fysisk kanaludbredelsesmodel og med praktisk hardware, der er tilbøjelig til svigt i transceiver.

Papirer af Dr. Fernando Rosas og Dr. Christian Oberli har vist, at hele MIMO SVD-forbindelsen kan tilnærmes med gennemsnittet af SER for Nakagami-m-kanaler. Dette fører til karakterisering af egenkanaler for N × N MIMO-kanaler med N større end 14, hvilket viser, at den mindste egenkanal fordeler sig som en Rayleigh-kanal, de næste fire egenkanaler fordeler sig tæt som Nakagami-m-kanaler med m = 4, 9, 25 og 36 , og de N-5 tilbageværende egenkanaler har statistik, der ligner en additiv hvid gaussisk støj (AWGN) -kanal inden for 1 dB signal-til-støj-forhold. Det er også vist, at 75% af den samlede gennemsnitlige effektforøgelse for MIMO SVD -kanalen går til den øverste tredjedel af alle egenkanaler.

En lærebog af A. Paulraj, R. Nabar og D. Gore har udgivet en introduktion til dette område. Der er også mange andre hovedbøger tilgængelige.

Mangfoldighed - multiplexing afvejning

Der eksisterer en grundlæggende afvejning mellem overførselsdiversitet og rumlige multiplexeringsgevinster i et MIMO -system (Zheng og Tse, 2003). Især er opnåelse af høje rumlige multiplexingsgevinster yderst vigtig i moderne trådløse systemer.

Andre applikationer

I betragtning af MIMO's karakter er det ikke begrænset til trådløs kommunikation. Det kan også bruges til trådlinjekommunikation . For eksempel er en ny type DSL -teknologi (gigabit DSL) blevet foreslået baseret på bindemiddel -MIMO -kanaler.

Prøvetagningsteori i MIMO -systemer

Et vigtigt spørgsmål, der tiltrækker ingeniører og matematikere opmærksomhed, er, hvordan man bruger multi-output signaler på modtageren til at gendanne multi-input signaler på senderen. I Shang, Sun og Zhou (2007) er der etableret tilstrækkelige og nødvendige betingelser for at garantere fuldstændig genopretning af multi-input signaler.

Languages

In other projects