MIMO

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. června 2016; kontroly vyžadují 36 úprav .

MIMO ( anglicky Multiple Input Multiple Output ) je metoda prostorového kódování signálu , která umožňuje zvětšit šířku pásma kanálu, ve kterém je přenos a příjem dat prováděn pomocí systémů několika antén. Vysílací a přijímací anténa jsou odděleny, takže korelace mezi sousedními anténami je slabá.

Definice MIMO systémů

V moderních komunikačních systémech, jako jsou mobilní komunikační systémy , vysokorychlostní místní sítě atd., je potřeba zvýšit propustnost . Propustnost lze zvýšit rozšířením šířky pásma . Použitelnost těchto metod je však omezená z důvodu požadavků na biologickou bezpečnost, omezené kapacity napájení (v mobilních zařízeních) a elektromagnetické kompatibility . Pokud tedy v komunikačních systémech tyto přístupy neposkytují požadovanou rychlost přenosu dat , pak může být efektivní použít adaptivní anténní pole se slabě korelovanými anténními prvky. Komunikační systémy s takovými anténami se nazývají systémy MIMO. [1] [2]

MIMO kanál

V obecném případě je v kanálu pozorováno mezisymbolové rušení a frekvenční selektivita [3] , ale v mnoha případech je trvání pulsu v bezdrátových komunikačních systémech mnohem větší než zpoždění signálů přicházejících k přijímací anténě, což způsobuje, že možné zanedbat inter-symbolové rušení v kanálu. Frekvenční selektivitu je také třeba vzít v úvahu [3] , například u komunikačních systémů standardu IEEE 802.11 [4] , kde se používá technologie OFDM . V některých situacích je však možné použít kanálový model bez frekvenční selektivity.

Matematický model MIMO

Uvažujme systém MIMO s N vysílacími a M přijímacími anténami (anténními prvky). Vlastnosti MIMO kanálu spojujícího n-tý vysílací prvek s m-tým přijímacím prvkem jsou popsány komplexními kanálovými koeficienty , které tvoří N × M kanálovou matici . Jejich hodnoty se v průběhu času náhodně mění kvůli přítomnosti vícecestného šíření signálu. Pokud ${\displaystyle h_{nm))$ $\mathbf {H}$

{\vec {s))

je vektor přenášených signálů;

{\vec {z))

je vektor vlastního šumu přijímacích prvků antény;

{\vec {x}}

je vektor přijaté zprávy,

pak je signál na přijímací straně zapsán takto:

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

Matice je považována za normalizovanou. $\mathbf {H}$

Zpracování signálu na přijímací straně systému MIMO

Mezi algoritmy zpracování signálu na přijímací straně patří:

algoritmy založené na metodě maximální věrohodnosti ( maximální věrohodnost , ML);
algoritmy založené na metodě minimálních standardních odchylek (MSCE);
algoritmy založené na metodě nulového vynucování ( ZF ) .

Existuje také rozdělení na ortogonální a neortogonální metody kódování/dekódování.

Hlavním úkolem každé metody je najít řešení ze všech možných s co nejmenší euklidovskou vzdáleností mezi přenášeným symbolem a jedním z možných řešení. $(2^{K})$

Metoda MMSE zahrnuje dekódování přijatého signálu podle vzorce

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

Metoda vynucování nuly zahrnuje dekódování podle vzorce

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

Metoda maximální věrohodnosti je založena na nalezení minimální vzdálenosti od přijatého symbolu k jedné z možných hodnot konstelace signálu . Slepé vyhledávání je nejobtížnější, protože počet operací je zde úměrný [ objasnit (bez komentáře) ] , kde K je násobek manipulace.

Aby se snížila výpočetní náročnost tohoto úkolu, je dekódování rozděleno do 2 fází:

"Měkké" dekódování, tedy přivedení přijatého symbolu do jednoho z řešení, vzhledem k tomu, že . $2^{G}$ $G>K$
„Tvrdé dekódování“, tedy určení konečného řešení nalezením nejmenší diskrétní Hammingovy vzdálenosti mezi „měkkým“ a „tvrdým“ řešením.

Metody časoprostorového kódování

Blokové metody časoprostorového kódování

Zjednodušeně řečeno, princip blokového kódování spočívá v rozdělení datového toku do bloků a opětovném přenosu bloku v různých časových intervalech. Tímto způsobem je dodržen princip opakovaného odesílání dat a je zlepšena odolnost proti šumu MIMO schématu jako takového. Blokové kódy však neposkytují energetický zisk kódování odolnosti proti rušení (EEC). Nejjednodušším a nejběžnějším schématem je tzv. Alamoutiho schéma, podle kterého jsou data v kodéru distribuována v souladu s maticí

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

První anténa tedy vysílá symboly ( ) a ( ) za sebou, druhá - ( ) a ( ). Někdy, zejména v informačních technologiích a telekomunikacích, se používá transponovaná matice H. Kódová rychlost je zde 1, to znamená, že toto schéma nezvýší rychlost přenosu dat, ale lze jej použít k zabránění negativním účinkům vyblednutí. (zde se předpokládá, že obě antény nemohou být současně ve "špatných" polohách z hlediska rušení). $x_{1}$ $-x_{2}^{{*}}$ $x_{2}$ $x_{1}^{{*}}$

Dekódování probíhá podle schématu maximální věrohodnosti.

Časoprostorové kódování mřížky

Propustnost systému jako celku a jeho bitová chybovost (BER) jsou také do značné míry určeny zvolenými dekódovacími algoritmy. Všechny hlavní dekódovací algoritmy jsou založeny na následujících možných principech:

zásada maximální pravděpodobnosti;
princip minimální střední kvadratické chyby;
princip nulování (ZF - zero forceing);
princip mřížkového kódování (vyjádřený přiřazením ke každému přechodu z jednoho znaku do druhého jedinečné sekvence bitů, vytvořené na základě dříve známého polynomu).

Kodér STTC je kombinací modulátoru M-PSK nebo M-QAM a mřížkového kodéru s daným polynomem (zejména Viterbiho kodér).

Metody neortogonálního časoprostorového kódování

BLAST

Technologie BLAST (Bell Labs Space-Time Transformation) je určena pro:

distribuce modulovaných datových toků přes několik cest antény-napáječe transceiveru;
distribuce příchozích modulovaných signálů přes časové sloty.

Existují dva typy algoritmů BLAST:

Algoritmus BLAST s diagonálním přidělováním časového slotu (D-BLAST)

Výhodou této metody je možnost "rozložení" dat jednoho kanálu nejen po prostorových a frekvenčních kanálech, ale i v časových intervalech. Podobný algoritmus se používá v systémech Wi-Max .

Nevýhody tohoto algoritmu jsou:

přítomnost časových ztrát na začátku a na konci přenosu,
vysoká náročnost implementace,
potíže s kódováním.

Algoritmus BLAST s vertikální alokací slotů (V-BLAST)

Výhody tohoto algoritmu jsou:

žádná časová ztráta
menší složitost
jednoduchá struktura kodeku.

Varianty prostorového multiplexování

Prostorové oddělení subkanálů v systémech MIMO lze implementovat následujícími způsoby:

Metoda zpožděné diverzity.
Metoda diverzity časoprostorovým kódováním (logický vývoj první metody). [2]
Metoda ortogonálního blokového kódování (zejména metoda ortogonálního blokového kódování Alamouti) [2] .
Metoda ortogonálního kódování přímé rozprostřené spektrum DSSS [2] .
Způsob zavedení obvodu tvořícího schéma (DOS) [2] [5] .
Metoda ortogonálního uspořádání frekvencí signálů (nosičů) podél přenosových cest [2] .
Metoda ortogonální polarizační separace signálů [2] .
Kombinace několika těchto metod.

Dostupnost zpětné vazby

MIMO systémy lze klasifikovat podle přítomnosti nebo nepřítomnosti zpětné vazby [6] :

MIMO s „otevřenou smyčkou“ ( anglicky open-loop ). V tomto případě se odhady kanálu na přijímacím konci použijí ke korekci zkreslení způsobeného kanálem.
MIMO s "uzavřenou smyčkou" ( angl. closed-loop ). Zde jsou kromě odhadu kanálu, při příjmu a kompenzaci rušení, tyto odhady přenášeny na vysílací stranu prostřednictvím tzv. reverzní ( anglicky zpětná vazba ) kanál. Na základě přijatých informací vysílač přerozděluje výkon ve svých vysílacích cestách, aby zvýšil výkon cest vysílajících přes kanály s vysokou rychlostí zeslabování a také korigoval amplitudu a fázi při vytváření paprsku antény .

Problémy se synchronizací

Nejběžnější synchronizační metodou v OFDM -MIMO je metoda pilotní (subnosné).

Aplikace MIMO technologie

Technologie MIMO našla praktické uplatnění v bezdrátových sítích LAN standardů IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac a také v bezdrátových sítích WiMAX a LTE pro mobilní komunikaci .

Simulace MIMO kanálů

V nejjednodušším případě (pro Rayleighovo slábnutí) může modelování komunikačního kanálu MIMO sestávat z vyplnění matice kanálu náhodnými koeficienty s nulovou střední a jednotkovou odchylkou. $\mathbf {H}$

Masivní MIMO

Massive MIMO je technologie, ve které je počet uživatelských terminálů mnohem menší než počet antén základnové stanice (mobilní stanice). [7]

Charakteristickým rysem Massive MIMO je použití víceprvkových digitálních anténních polí [8] s počtem anténních prvků 128, 256 nebo více. [9] Za účelem zjednodušení hardwarové implementace a snížení nákladů na takováto vícekanálová digitální anténní pole je použití multimódových optických rozhraní v nich jako druhu radiofotoniky jedinou rozumnou volbou nejen pro příjem signálů, ale také pro přenos dat.

Snížení nákladů na Massive MIMO systémy z hlediska jednoho kanálu je usnadněno použitím kombinovaných metod decimace vzorků ADC , které kombinují snížení rychlosti příchodu dat s jejich předběžným (antialiasingovým) filtrováním, frekvenčním posunem a kvadraturou. (I/Q) demodulace. [9] Zjednodušení zpracování signálu lze navíc dosáhnout adaptivní změnou počtu kanálů v systému Massive MIMO podle situace rušení ve vzduchu. K tomu by mělo být použito dynamické shlukování jednotlivých skupin anténních prvků digitálního anténního pole do subarrays. [deset]

Základ obvodů Massive MIMO systémů je založen na použití modulů pro zpracování signálu CompactPCI , PCI Express , OpenVPX atd. [9] Technologie Massive MIMO je jednou z klíčových technologií pro implementaci 5G celulárních komunikačních systémů [9] [11 ] a budou vylepšeny jako komunikační systémy 6G . [12] [13]

Poznámky

↑ Flaksman A. G. Adaptivní prostorové zpracování ve vícekanálových informačních systémech. Dis. Doktor fyziky a matematiky vědy. - M., 2005. - S. 5.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Slyusar, Vadim MIMO systémy: konstrukční principy a zpracování signálů. . Elektronika: věda, technika, obchod. - 2005. - č. 8. S. 52-58. (2005). Získáno 31. 5. 2014. Archivováno z originálu 3. 4. 2018. (neurčitý)
↑ 1 2 Flaksman A.G. Adaptivní prostorové zpracování ve vícekanálových informačních systémech / Flaksman A.G.//Dis. Dr. fyz. vědy. - M .: RSL 2005 (Z fondů Ruské státní knihovny), s. 29-30
↑ Vishnevsky, V. M. Širokopásmové bezdrátové sítě pro přenos informací / V.V. M. Višněvskij, A. I. Ljachov, S. L. Portnoj, I. V. Šachnovič. — M.: Technosfera, 2005—592 s.
↑ Antény Slyusar, Vadim SMART. Digitální anténní pole (CAR). MIMO systémy založené na CAR. . V knize "Širokopásmové bezdrátové sítě pro přenos informací". / Vishnevsky V. M., Ljachov A. I., Portnoy S. L., Shakhnovich I. V. - M .: Technosphere. – 2005. C. 498–569 (2005). Získáno 27. listopadu 2018. Archivováno z originálu 29. srpna 2018. (neurčitý)
↑ Li Q., Lin XE Zpětná vazba s uzavřenou smyčkou v systémech MIMO // Patent č. US 7 236 748 B2 Nabyvatel - Intel Corporation, Datum patentu - 26. června 2007.
↑ TL Marzetta, Nekooperativní celulární bezdrátová síť s neomezeným počtem antén základnových stanic , IEEE Trans. Wireless Commun., sv. 9, č. 11, str. 3590-3600, listopad 2010.
↑ Slyusar V. I. Vývoj obvodů ve Středoafrické republice: některé výsledky. Část 1.// První míle. Poslední míle (Dodatek k časopisu "Electronics: Science, Technology, Business"). - č. 1. - 2018. - C. 72-77 [1] Archivní kopie ze dne 17. března 2018 na Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 Slyusar V. I. Vývoj obvodů ve Středoafrické republice: některé výsledky. Část 2.// První míle. Poslední míle (Dodatek k časopisu "Electronics: Science, Technology, Business"). - č. 2. - 2018. - C. 76-80 [2] Archivní kopie z 20. června 2018 na Wayback Machine
↑ Slyusar V. I. K problematice adaptivního řízení kanálu systému Massive MIMO // 17. vědeckotechnická konference „Tvorba a modernizace konstrukční a vojenské techniky v moderních myslích“. — Černigiv: Státní výzkumné a testovací středisko zlých sil Ukrajiny. — 07-08 jaro 2017 - C. 328-329. [3] Archivováno 2. dubna 2018 na Wayback Machine
↑ Stepanets I., Fokin G. Vlastnosti implementace Massive MIMO v sítích 5G. // First Mile. Poslední míle (Dodatek k časopisu "Electronics: Science, Technology, Business"). - č. 1. - 2018. - C. 46-52.
↑ David K., Berndt H. (2018). 6G vize a požadavky: Je potřeba něco víc než 5G? IEEE Vehicular Technology Magazine, září 2018. - doi:10.1109/mvt.2018.2848498 [4] Archivováno 28. listopadu 2018 na Wayback Machine
↑ Steputin A.N., Nikolaev A.D. Mobilní komunikace na cestě k 6G . — Infra-Engineering, 2017. Archivováno 2. dubna 2022 na Wayback Machine

Literatura

Bakulin M. G., Varukina L. A., Kreindelin V. B. Technologie MIMO: principy a algoritmy. - M . : Horká linka - Telecom, 2014. - 242 s. - ISBN 978-5-9912-0457-6 .
Speransky V. S., Evdokimov I. L. Simulace signálů OFDM-MIMO systémů bezdrátového přenosu dat 802.16, Sborník Moskevské technické univerzity komunikací a informatiky. - M: MTUCI, 2007.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shloma A. M. Nové technologie v mobilních radiokomunikačních systémech. - M: Insvyazidat, 2005.
Mavrychev EA Prostorové zpracování signálu v komunikačních systémech s anténními poli. Dis. cand. tech. Vědy: - M., 2003.
Bakulin M. G., Kreindelin V. B., Shumov A. P. Zvýšení rychlosti přenosu informací a spektrální účinnosti bezdrátových komunikačních systémů // Digitální zpracování komunikací, 1, 2006, s. 2-12
Slyusar V. I. MIMO systémy: principy konstrukce a zpracování signálů // Elektronika: věda, technologie, obchod. - 2005. - č. 8. - S. 52-58.