MIMO- MIMO

MIMO nutzt die Mehrwegeausbreitung, um die Verbindungskapazität zu vervielfachen.

In Radio , mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen oder MIMO ( / m m , m í m / ), ist ein Verfahren zum Multiplizieren der Kapazität eines Funkverbindung mehrere Sende- und Empfangs Verwendung Antennen nutzen Mehrwegausbreitung . MIMO ist zu einem wesentlichen Element der drahtlosen Kommunikationsstandards geworden, darunter IEEE 802.11n (Wi-Fi 4), IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5), HSPA+ (3G), WiMAX und Long Term Evolution (LTE). In jüngerer Zeit wurde MIMO als Teil des ITU G.hn- Standards und der HomePlug AV2-Spezifikation auf die Powerline -Kommunikation für Dreidrahtinstallationen angewendet.

Früher bezog sich der Begriff "MIMO" in der Funktechnik auf die Verwendung mehrerer Antennen am Sender und am Empfänger. In der modernen Verwendung bezieht sich "MIMO" speziell auf eine praktische Technik zum gleichzeitigen Senden und Empfangen von mehr als einem Datensignal über denselben Funkkanal durch Ausnutzung der Mehrwegeausbreitung . Obwohl dieses "Mehrwege"-Phänomen interessant sein kann, ist es die Verwendung von orthogonalem Frequenzmultiplex zum Codieren der Kanäle, die für die Erhöhung der Datenkapazität verantwortlich ist. MIMO unterscheidet sich grundlegend von intelligenten Antennentechniken, die entwickelt wurden, um die Leistung eines einzelnen Datensignals zu verbessern, wie beispielsweise Beamforming und Diversity .

Geschichte

Frühe Forschung

MIMO wird oft auf Forschungsarbeiten aus den 1970er Jahren zu mehrkanaligen digitalen Übertragungssystemen und Interferenz (Übersprechen) zwischen Adernpaaren in einem Kabelbündel zurückgeführt: AR Kaye und DA George (1970), Branderburg und Wyner (1974) und W. van Etten (1975, 1976). Obwohl dies keine Beispiele für die Ausnutzung der Mehrwegeausbreitung sind, um mehrere Informationsströme zu senden, erwiesen sich einige der mathematischen Techniken zum Umgang mit gegenseitiger Interferenz als nützlich für die MIMO-Entwicklung. Mitte der 1980er Jahre ging Jack Salz von den Bell Laboratories mit dieser Forschung einen Schritt weiter und untersuchte Mehrbenutzersysteme, die über "gegenseitig kreuzgekoppelte lineare Netzwerke mit additiven Rauschquellen" wie Zeitmultiplex und dual polarisierte Funksysteme betrieben werden.

In den frühen 1990er Jahren wurden Methoden entwickelt, um die Leistung von Mobilfunknetzen zu verbessern und eine aggressivere Frequenzwiederverwendung zu ermöglichen. Space-Division Multiple Access (SDMA) verwendet gerichtete oder intelligente Antennen, um auf derselben Frequenz mit Benutzern an verschiedenen Orten innerhalb der Reichweite derselben Basisstation zu kommunizieren. Ein SDMA-System wurde 1991 von Richard Roy und Björn Ottersten , Forschern bei ArrayComm , vorgeschlagen. Ihr US-Patent (Nr. 5515378, erteilt im Jahr 1996) beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Kapazität unter Verwendung von "einem Array von Empfangsantennen an der Basisstation" mit a "Vielzahl von Remote-Benutzern."

Erfindung

Arogyaswami Paulraj und Thomas Kailath schlugen 1993 eine SDMA-basierte inverse Multiplexing-Technik vor. Ihr US-Patent (Nr. 5,345,599, erteilt 1994) beschrieb ein Verfahren zum Senden mit hohen Datenraten durch Aufteilen eines Hochratensignals „in mehrere Signale mit niedriger Rate“. von "räumlich getrennten Sendern" gesendet und von der Empfangsantennengruppe basierend auf Unterschieden in "Ankunftsrichtungen" wiederhergestellt werden. Paulraj erhielt 2014 den renommierten Marconi-Preis für „seine bahnbrechenden Beiträge zur Entwicklung der Theorie und Anwendung von MIMO-Antennen. … Speed-WLAN und 4G-Mobilsysteme – hat das Hochgeschwindigkeits-WLAN revolutioniert."

In einer Veröffentlichung vom April 1996 und einem nachfolgenden Patent schlug Greg Raleigh vor, dass die natürliche Mehrwegeausbreitung ausgenutzt werden kann, um mehrere unabhängige Informationsströme unter Verwendung von am selben Ort angeordneten Antennen und mehrdimensionaler Signalverarbeitung zu übertragen. Das Papier identifizierte auch praktische Lösungen für Modulation ( MIMO-OFDM ), Codierung, Synchronisation und Kanalschätzung. Später in diesem Jahr (September 1996) legte Gerard J. Foschini ein Papier vor, das auch vorschlug, die Kapazität einer drahtlosen Verbindung zu vervielfachen, indem der Autor eine "geschichtete Raum-Zeit-Architektur" verwendet.

Greg Raleigh, VK Jones und Michael Pollack gründeten 1996 Clarity Wireless und bauten und testeten einen Prototyp eines MIMO-Systems. Cisco Systems erwarb Clarity Wireless im Jahr 1998. Bell Labs baute 1998 einen Laborprototyp, der seine V-BLAST-Technologie (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) demonstrierte. Arogyaswami Paulraj gründete Ende 1998 Iospan Wireless, um MIMO-OFDM-Produkte zu entwickeln. Iospan wurde 2003 von Intel übernommen. V-BLAST wurde nie kommerzialisiert und weder Clarity Wireless noch Iospan Wireless lieferten vor der Übernahme MIMO-OFDM-Produkte.

Standards und Kommerzialisierung

Die MIMO-Technologie wurde für Wireless LANs , 3G- Mobilfunknetze und 4G- Mobilfunknetze standardisiert und ist heute weit verbreitet im kommerziellen Einsatz. Greg Raleigh und VK Jones gründeten 2001 Airgo Networks , um MIMO-OFDM- Chipsätze für drahtlose LANs zu entwickeln. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat Ende 2003 eine Arbeitsgruppe eingerichtet, um einen Wireless-LAN-Standard zu entwickeln, der einen Benutzerdatendurchsatz von mindestens 100 Mbit/s liefert. Es gab zwei große konkurrierende Vorschläge: TGn Sync wurde von Unternehmen wie Intel und Philips unterstützt , und WWiSE wurde von Unternehmen wie Airgo Networks, Broadcom und Texas Instruments unterstützt . Beide Gruppen waren sich einig, dass der 802.11n-Standard auf MIMO-OFDM mit 20-MHz- und 40-MHz-Kanaloptionen basieren würde. TGn Sync, WWiSE und ein dritter Vorschlag (MITMOT, unterstützt von Motorola und Mitsubishi ) wurden zusammengeführt, um den sogenannten gemeinsamen Vorschlag zu erstellen. 2004 war Airgo das erste Unternehmen, das MIMO-OFDM-Produkte auslieferte. Qualcomm erwarb Airgo Networks Ende 2006. Der endgültige 802.11n-Standard unterstützte Geschwindigkeiten von bis zu 600 Mbit/s (bei Verwendung von vier gleichzeitigen Datenströmen) und wurde Ende 2009 veröffentlicht.

Surendra Babu Mandava und Arogyaswami Paulraj gründeten Beceem Communications im Jahr 2004, um MIMO-OFDM-Chipsätze für WiMAX zu produzieren . Das Unternehmen wurde 2010 von Broadcom übernommen. WiMAX wurde als Alternative zu Mobilfunkstandards entwickelt, basiert auf dem 802.16e- Standard und verwendet MIMO-OFDM für Geschwindigkeiten von bis zu 138 Mbit/s. Der fortschrittlichere 802,16m-Standard ermöglicht Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s. In den USA wurde von Clearwire , einer Tochtergesellschaft von Sprint-Nextel , ein landesweites WiMAX-Netzwerk aufgebaut , das bis Mitte 2012 130 Millionen Points of Presence (PoP) abdeckte . Sprint kündigte daraufhin Pläne an, bis Mitte 2013 LTE (den 4G-Mobilfunkstandard) in 31 Städten einzusetzen und sein WiMAX-Netzwerk bis Ende 2015 abzuschalten.

Der erste 4G-Mobilfunkstandard wurde 2004 von NTT DoCoMo vorgeschlagen . Long Term Evolution (LTE) basiert auf MIMO-OFDM und wird weiterhin vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) weiterentwickelt. LTE spezifiziert Downlink-Raten bis 300 Mbit/s, Uplink-Raten bis 75 Mbit/s und Dienstgüteparameter wie niedrige Latenz. LTE Advanced bietet Unterstützung für Picozellen, Femtozellen und Multi-Carrier-Kanäle mit einer Breite von bis zu 100 MHz. LTE wird sowohl von GSM/UMTS- als auch von CDMA-Betreibern angenommen.

Die ersten LTE-Dienste wurden 2009 von TeliaSonera in Oslo und Stockholm eingeführt. Derzeit sind mehr als 360 LTE-Netze in 123 Ländern mit rund 373 Millionen Verbindungen (Geräten) in Betrieb.

Funktionen

MIMO kann in drei Hauptkategorien unterteilt werden: Vorcodierung , Spatial Multiplexing (SM) und Diversity-Codierung .

Die Vorcodierung ist Multistream - Beamforming in der engsten Definition. Allgemeiner ausgedrückt wird es als jede räumliche Verarbeitung angesehen, die am Sender stattfindet. Beim (Single-Stream-)Beamforming wird das gleiche Signal von jeder der Sendeantennen mit geeigneter Phasen- und Verstärkungsgewichtung ausgesendet, so dass die Signalleistung am Empfängereingang maximiert wird. Die Vorteile von Beamforming bestehen darin, die Verstärkung des empfangenen Signals zu erhöhen – indem von verschiedenen Antennen emittierte Signale konstruktiv addiert werden – und den Mehrwege-Fading-Effekt zu reduzieren. Bei der Ausbreitung in Sichtlinie führt die Strahlformung zu einem wohldefinierten Richtungsmuster. Herkömmliche Strahlen sind jedoch keine gute Analogie in zellularen Netzwerken, die hauptsächlich durch Mehrwegeausbreitung gekennzeichnet sind . Wenn der Empfänger mehrere Antennen hat, kann die Sendestrahlformung nicht gleichzeitig den Signalpegel an allen Empfangsantennen maximieren, und die Vorcodierung mit mehreren Strömen ist oft von Vorteil. Beachten Sie, dass die Vorcodierung die Kenntnis von Kanalzustandsinformationen (CSI) am Sender und am Empfängererfordert.

Räumliches Multiplexing erfordert eine MIMO-Antennenkonfiguration. Beim räumlichen Multiplexing wird ein Signal mit hoher Rate in mehrere Ströme mit niedrigerer Rate aufgeteilt und jeder Strom wird von einer anderen Sendeantenne im gleichen Frequenzkanal übertragen. Wenn diese Signale mit ausreichend unterschiedlichen räumlichen Signaturen am Empfängerantennen-Array ankommen und der Empfänger eine genaue CSI hat, kann er diese Ströme in (fast) parallele Kanäle aufteilen. Räumliches Multiplexen ist eine sehr leistungsfähige Technik zum Erhöhen der Kanalkapazität bei höheren Signal-Rausch-Verhältnissen (SNR). Die maximale Anzahl von Spatial Streams wird durch die kleinere der Antennen am Sender oder Empfänger begrenzt. Räumliches Multiplexen kann ohne CSI am Sender verwendet werden, kann aber mit Vorcodierung kombiniert werden, wenn CSI verfügbar ist. Räumliches Multiplexen kann auch für die gleichzeitige Übertragung an mehrere Empfänger verwendet werden, bekannt als Raummultiplex-Vielfachzugriff oder Mehrbenutzer-MIMO , wobei in diesem Fall CSI am Sender erforderlich ist. Das Scheduling von Empfängern mit unterschiedlichen räumlichen Signaturen ermöglicht eine gute Trennbarkeit.

Diversity-Codierungstechniken werden verwendet, wennbeim Senderkeine Kanalkenntnis vorhanden ist. Bei Diversity-Verfahren wird ein einzelner Strom (im Gegensatz zu mehreren Strömen beim räumlichen Multiplexen) übertragen, das Signal wird jedoch mit Techniken codiert, die als Raum-Zeit-Codierung bezeichnet werden . Das Signal wird von jeder der Sendeantennen mit vollständiger oder nahezu orthogonaler Codierung ausgesendet. Die Diversity-Codierung nutzt das unabhängige Fading in den mehreren Antennenverbindungen, um die Signaldiversität zu verbessern. Da keine Kanalkenntnis vorhanden ist, gibt es keine Strahlformung oder Array-Verstärkung durch Diversity-Codierung. Diversity-Codierung kann mit räumlichem Multiplexing kombiniert werden, wenn beim Empfänger etwas Kanalwissen verfügbar ist.

Formen

Beispiel einer Antenne für LTE mit 2 Port Antennen-Diversity

Mehrantennentypen

Die Mehrantennen-MIMO-(oder Einzelbenutzer-MIMO)-Technologie wurde entwickelt und in einigen Standards, zB 802.11n-Produkten, implementiert.

  • SISO /SIMO/MISO sind Sonderfälle von MIMO.
    • Multiple-Input-Single-Output (MISO) ist ein Sonderfall, wenn der Empfänger über eine einzelne Antenne verfügt.
    • Single-Input-Multiple-Output (SIMO) ist ein Sonderfall, wenn der Sender eine einzelne Antenne hat.
    • Single-Input-Single-Output (SISO) ist ein konventionelles Funksystem, bei dem weder Sender noch Empfänger über mehrere Antennen verfügen.
  • Wichtigste Single-User-MIMO-Techniken
    • Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST), Gerard. J. Foschini (1996)
    • Per Antenna Rate Control (PARC), Varanasi, Guess (1998), Chung, Huang, Lozano (2001)
    • Selektive Ratensteuerung pro Antenne (SPARC), Ericsson (2004)
  • Einige Einschränkungen
    • Der physikalische Antennenabstand wird groß gewählt; mehrere Wellenlängen an der Basisstation. Die Antennentrennung am Empfänger ist bei Handgeräten stark eingeschränkt, obwohl fortschrittliche Antennendesign- und Algorithmustechniken diskutiert werden. Siehe: Mehrbenutzer-MIMO

Mehrbenutzertypen

In letzter Zeit sind Forschungsergebnisse zur Mehrbenutzer-MIMO-Technologie aufgetaucht. Während vollständiges Mehrbenutzer-MIMO (oder Netzwerk-MIMO) ein höheres Potenzial haben kann, ist die Forschung zur (partiellen) Mehrbenutzer-MIMO- (oder Mehrbenutzer- und Mehrantennen-MIMO)-Technologie in der Praxis aktiver.

  • Mehrbenutzer-MIMO (MU-MIMO)
    • In den jüngsten 3GPP- und WiMAX- Standards wird MU-MIMO als eine der Kandidatentechnologien behandelt, die von einer Reihe von Unternehmen in die Spezifikation übernommen werden können, darunter Samsung, Intel, Qualcomm, Ericsson, TI, Huawei, Philips, Nokia und Freescale. Für diese und andere auf dem Markt für mobile Hardware tätige Firmen ist MU-MIMO eher für Mobiltelefone mit geringer Komplexität und einer kleinen Anzahl von Empfangsantennen geeignet, während der höhere Durchsatz von SU-MIMO pro Benutzer für komplexere . besser geeignet ist Benutzergeräte mit mehr Antennen.
    • Verbessertes Mehrbenutzer-MIMO: 1) Verwendet fortschrittliche Decodierungstechniken, 2) Verwendet fortschrittliche Vorcodierungstechniken
    • SDMA stellt entweder einen Raummultiplex-Mehrfachzugriff oder einen Super-Division-Mehrfachzugriff dar, wobei Super betont, dass orthogonale Unterteilung, wie beispielsweise Frequenz- und Zeitteilung, nicht verwendet wird, sondern nicht-orthogonale Ansätze, wie beispielsweise Überlagerungscodierung, verwendet werden.
  • Kooperatives MIMO (CO-MIMO)
    • Verwendet mehrere benachbarte Basisstationen, um gemeinsam Daten an/von Benutzern zu senden/zu empfangen. Als Ergebnis verursachen benachbarte Basisstationen keine Interzelleninterferenz wie in den herkömmlichen MIMO-Systemen.
  • Makrodiversität MIMO
    • Eine Form eines Raum-Diversity-Schemas, das mehrere Sende- oder Empfangsbasisstationen verwendet, um kohärent mit einzelnen oder mehreren Benutzern zu kommunizieren, die möglicherweise im Versorgungsgebiet verteilt sind, in derselben Zeit- und Frequenzressource.
    • Die Sender sind im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrodiversitäts-MIMO-Schemata wie Single-User-MIMO weit voneinander entfernt. In einem Multi-User-Makrodiversity-MIMO-Szenario können die Benutzer auch weit voneinander entfernt sein. Daher hat jede konstituierende Verbindung in der virtuellen MIMO-Verbindung ein eindeutiges durchschnittliches Verbindungs- SNR . Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf die unterschiedlichen langfristigen Kanalbeeinträchtigungen wie Pfadverlust und Schattenschwund zurückzuführen, die von verschiedenen Verbindungen erfahren werden.
    • Makrodiversitäts-MIMO-Schemata stellen beispiellose theoretische und praktische Herausforderungen. Unter vielen theoretischen Herausforderungen besteht die vielleicht grundlegendste Herausforderung darin, zu verstehen, wie sich die unterschiedlichen durchschnittlichen Verbindungs-SNRs auf die Gesamtsystemkapazität und die individuelle Benutzerleistung in Fading-Umgebungen auswirken.
  • MIMO- Routing
    • Routing eines Clusters durch einen Cluster in jedem Hop, wobei die Anzahl der Knoten in jedem Cluster größer oder gleich eins ist. Das MIMO-Routing unterscheidet sich vom herkömmlichen (SISO)-Routing, da herkömmliche Routing-Protokolle in jedem Hop Knoten für Knoten routen.
  • Massive MIMO
    • Eine Technologie, bei der die Anzahl der Endgeräte viel geringer ist als die Anzahl der Antennen der Basisstation (Mobilstation). In einer stark streuenden Umgebung können die Vorteile des massiven MIMO-Systems mit einfachen Beamforming-Strategien wie Maximum Ratio Transmission (MRT), Maximum Ratio Combining (MRC) oder Zero Forcing (ZF) voll ausgeschöpft werden. Um diese Vorteile von massivem MIMO zu erreichen, muss genaues CSI perfekt verfügbar sein. In der Praxis wird der Kanal zwischen Sender und Empfänger jedoch aus orthogonalen Pilotsequenzen geschätzt, die durch die Kohärenzzeit des Kanals begrenzt sind. Am wichtigsten ist, dass in einem Mehrzellenaufbau die Wiederverwendung von Pilotsequenzen mehrerer Co-Kanalzellen eine Pilotkontamination erzeugt. Wenn eine Pilotkontamination vorliegt, verschlechtert sich die Leistung von massivem MIMO ziemlich drastisch. Um den Effekt der Pilotkontamination zu mildern, schlagen Tadilo E. Bogale und Long B. Le eine einfache Pilotzuweisungs- und Kanalschätzungsmethode aus begrenzten Trainingssequenzen vor. Im Jahr 2018 wurde jedoch eine Studie von Emil Björnson, Jakob Hoydis und Luca Sanguinetti veröffentlicht, die zeigt, dass eine Pilotkontamination lösbar ist und die Kapazität eines Kanals sowohl theoretisch als auch praktisch immer erhöht werden kann, indem die Anzahl der Antennen erhöht wird .

Anwendungen

Die dritte Generation (3G) (CDMA und UMTS) ermöglicht die Implementierung von Raum-Zeit-Sende-Diversity-Schemata in Kombination mit Sende-Beamforming an Basisstationen. LTE der vierten Generation (4G) und LTE Advanced definieren sehr fortschrittliche Luftschnittstellen, die weitgehend auf MIMO-Techniken beruhen. LTE konzentriert sich hauptsächlich auf Single-Link-MIMO, das auf SpatialMultiplexing und Raum-Zeit-Codierung basiert, während LTE-Advanced das Design weiter auf Multi-User-MIMO ausdehnt. In drahtlosen lokalen Netzwerken (WLAN), dem IEEE 802.11n (Wi-Fi), wird die MIMO-Technologie mit drei verschiedenen Techniken im Standard implementiert: Antennenauswahl, Raum-Zeit-Codierung und ggf. Beamforming.

Räumliche Multiplexing-Techniken machen die Empfänger sehr komplex und werden daher typischerweise mit Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) oder mit Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)-Modulation kombiniert , wo die durch einen Mehrwegekanal erzeugten Probleme effizient gehandhabt werden. Der Standard IEEE 802.16e beinhaltet MIMO-OFDMA. Der im Oktober 2009 veröffentlichte Standard IEEE 802.11n empfiehlt MIMO-OFDM.

MIMO soll auch in Mobilfunkstandards wie den neueren 3GPP und 3GPP2 eingesetzt werden . Bei 3GPP berücksichtigen die Standards High-Speed ​​Packet Access plus (HSPA+) und Long Term Evolution (LTE) MIMO. Darüber hinaus schlagen MIMO-Forschungskonsortien einschließlich IST-MASCOT vor, um zellulare Umgebungen vollständig zu unterstützen, fortschrittliche MIMO-Techniken zu entwickeln, zB Mehrbenutzer-MIMO (MU-MIMO).

MIMO-Drahtloskommunikationsarchitekturen und -verarbeitungstechniken können auf Erfassungsprobleme angewendet werden. Dies wird in einer Unterdisziplin namens MIMO-Radar untersucht .

Die MIMO-Technologie kann in nicht-drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden. Ein Beispiel ist der Heimnetzwerkstandard ITU-T G.9963 , der ein Powerline-Kommunikationssystem definiert, das MIMO-Techniken verwendet, um mehrere Signale über mehrere AC-Drähte (Phase, Neutralleiter und Masse) zu übertragen.

Mathematische Beschreibung

MIMO-Kanalmodell

In MIMO-Systemen sendet ein Sender mehrere Streams durch mehrere Sendeantennen. Die Sendeströme durchlaufen einen Matrixkanal , der aus allen Pfaden zwischen den Sendeantennen beim Sender und den Empfangsantennen beim Empfänger besteht. Dann erhält der Empfänger die empfangenen Signalvektoren durch die mehrere Empfangsantennen und decodiert die empfangenen Signalvektoren in die ursprüngliche Information. Ein schmalbandiges Flat-Fading- MIMO-System wird wie folgt modelliert:

wobei und die Empfangs- bzw. Sendevektoren sind und und die Kanalmatrix bzw. der Rauschvektor sind.

Ergodische Closed-Loop (Kanal ist bekannt, perfekter CSI ) und ergodische Open-Loop (Kanal ist unbekannt, kein CSI) Kapazitäten. Die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen beträgt 4 ( ).

Mit Bezug auf die Informationstheorie , die ergodische Kanalkapazität perfekte Momentan von MIMO - Systemen , wo sowohl der Sender als auch der Empfänger verfügen Kanalzustandsinformation ist ,

wobei bezeichnet die Hermitesche Transponierung und ist das Verhältnis zwischen Sendeleistung und Rauschleistung (dh Sende- SNR ). Die optimale Signalkovarianz wird durch eine Singulärwertzerlegung der Kanalmatrix und eine optimale diagonale Leistungszuweisungsmatrix erreicht . Die optimale Leistungsverteilung wird durch Wasserfüllung erreicht , d.h.

wo sind die diagonalen Elemente von , ist null, wenn sein Argument negativ ist, und wird so ausgewählt, dass .

Wenn der Sender nur über statistische Kanalzustandsinformationen verfügt , nimmt die ergodische Kanalkapazität ab, da die Signalkovarianz nur hinsichtlich der durchschnittlichen gegenseitigen Informationen optimiert werden kann, da

Die räumliche Korrelation des Kanals hat einen starken Einfluss auf die ergodische Kanalkapazität mit statistischen Informationen.

Wenn der Sender keine Kanalzustandsinformationen hat, kann er die Signalkovarianz auswählen , um die Kanalkapazität unter Worst-Case-Statistiken zu maximieren, was bedeutet und entsprechend

Abhängig von den statistischen Eigenschaften des Kanals ist die ergodische Kapazität nicht größer als die eines SISO-Systems.

MIMO-Erkennung

Eines der Hauptprobleme bei MIMO besteht darin, die Kanalmatrix beim Empfänger zu kennen. In der Praxis sendet in Kommunikationssystemen der Sender ein Pilotsignal und der Empfänger lernt den Zustand des Kanals (dh ) aus dem empfangenen Signal und dem Pilotsignal . Es gibt mehrere Algorithmen zum Schätzen aus mehreren empfangenen Signalen und dem Pilotsignal , wie z. B. Zero-Forcing, sukzessive Interferenzunterdrückung, auch bekannt als V-Blast , Maximum-Likelihood-Schätzung (unter der Annahme, dass das Rauschen Gaussian ist) und neuerdings neuronale Netzwerk- MIMO-Erkennung. Mit zunehmender Anzahl von Antennen am Sender und Empfänger wird das MIMO-Erkennungsproblem schwieriger und der neuronale Netzansatz wird überlegen, insbesondere bei Vorliegen von Beeinträchtigungen.

Testen

Der MIMO-Signaltest konzentriert sich zunächst auf das Sender-/Empfängersystem. Die zufälligen Phasen der Hilfsträgersignale können augenblickliche Leistungspegel erzeugen, die eine Kompression des Verstärkers bewirken, augenblicklich Verzerrungen und schließlich Symbolfehler verursachen. Signale mit einem hohen PAR ( Peak-to-Average Ratio ) können dazu führen, dass Verstärker während der Übertragung unvorhersehbar komprimiert werden. OFDM-Signale sind sehr dynamisch und Kompressionsprobleme können aufgrund ihrer rauschartigen Natur schwer zu erkennen sein.

Die Kenntnis der Qualität des Signalkanals ist ebenfalls entscheidend. Ein Kanalemulator kann simulieren, wie sich ein Gerät am Zellenrand verhält, kann Rauschen hinzufügen oder simulieren, wie der Kanal bei Geschwindigkeit aussieht. Um die Leistung eines Empfängers vollständig zu qualifizieren, kann ein kalibrierter Sender wie ein Vektorsignalgenerator (VSG) und ein Kanalemulator verwendet werden, um den Empfänger unter einer Vielzahl von verschiedenen Bedingungen zu testen. Umgekehrt kann die Leistung des Senders unter verschiedenen Bedingungen mit einem Kanalemulator und einem kalibrierten Empfänger wie einem Vektorsignalanalysator (VSA) überprüft werden .

Das Verständnis des Kanals ermöglicht die Manipulation der Phase und Amplitude jedes Senders, um einen Strahl zu bilden. Um einen Strahl korrekt zu formen, muss der Sender die Eigenschaften des Kanals verstehen. Dieser Vorgang wird als Kanalsondierung oder Kanalschätzung bezeichnet . Ein bekanntes Signal wird an das mobile Gerät gesendet, das es ihm ermöglicht, ein Bild der Kanalumgebung zu erstellen. Das Mobilgerät sendet die Kanaleigenschaften an den Sender zurück. Der Sender kann dann die richtigen Phasen- und Amplitudeneinstellungen vornehmen, um einen auf das Mobilgerät gerichteten Strahl zu bilden. Dies wird als Closed-Loop-MIMO-System bezeichnet. Für die Strahlformung ist es erforderlich, die Phasen und die Amplitude jedes Senders einzustellen. In einem für räumliche Diversität oder räumliches Multiplexen optimierten Strahlformer sendet jedes Antennenelement gleichzeitig eine gewichtete Kombination von zwei Datensymbolen.

Literatur

Hauptforscher

Veröffentlichungen von Gerard J. Foschini und Michael J. Gans, Foschini und Emre Telatar haben gezeigt, dass die Kanalkapazität (eine theoretische Obergrenze des Systemdurchsatzes ) für ein MIMO-System mit zunehmender Anzahl von Antennen proportional zum kleineren von die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen. Dies ist als Multiplexing-Gain bekannt und diese grundlegende Erkenntnis der Informationstheorie führte zu einem Forschungsschub auf diesem Gebiet. Trotz der einfachen Ausbreitungsmodelle, die in den oben erwähnten wegweisenden Arbeiten verwendet wurden, ist die Multiplexverstärkung eine grundlegende Eigenschaft, die unter fast jedem physikalischen Kanalausbreitungsmodell und mit praktischer Hardware, die anfällig für Transceiver-Beeinträchtigungen ist, nachgewiesen werden kann.

Arbeiten von Dr. Fernando Rosas und Dr. Christian Oberli haben gezeigt, dass die gesamte MIMO SVD-Verbindung durch den Durchschnitt der SER von Nakagami-m-Kanälen angenähert werden kann. Dies führt zur Charakterisierung der Eigenkanäle von N × N MIMO-Kanälen mit N größer als 14, was zeigt, dass sich der kleinste Eigenkanal als Rayleigh-Kanal verteilt, die nächsten vier Eigenkanäle verteilen sich eng als Nakagami-m-Kanäle mit m = 4, 9, 25 und 36 , und die N – 5 verbleibenden Eigenkanäle haben eine Statistik ähnlich einem additiven weißen Gaußschen Rauschen (AWGN)-Kanal innerhalb eines Signal-Rausch-Verhältnisses von 1 dB. Es wird auch gezeigt, dass 75% des gesamten mittleren Leistungsgewinns des MIMO-SVD-Kanals in das obere Drittel aller Eigenkanäle gehen.

Ein Lehrbuch von A. Paulraj, R. Nabar und D. Gore hat eine Einführung in dieses Gebiet veröffentlicht. Es gibt auch viele andere Hauptlehrbücher.

Diversity-Multiplexing-Kompromiss

Es besteht ein grundlegender Kompromiss zwischen Sendediversität und räumlichen Multiplexing-Gewinnungen in einem MIMO-System (Zheng und Tse, 2003). Insbesondere das Erzielen hoher räumlicher Multiplexergewinne ist in modernen drahtlosen Systemen von grundlegender Bedeutung.

Andere Anwendungen

Aufgrund der Natur von MIMO ist es nicht auf die drahtlose Kommunikation beschränkt. Es kann auch für die drahtgebundene Kommunikation verwendet werden. Beispielsweise wurde eine neue Art von DSL- Technologie (Gigabit-DSL) basierend auf Binder-MIMO-Kanälen vorgeschlagen.

Sampling-Theorie in MIMO-Systemen

Eine wichtige Frage, die die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Mathematikern auf sich zieht, ist die Verwendung der Multi-Ausgangssignale am Empfänger, um die Multi-Eingangssignale am Sender wiederzugewinnen. In Shang, Sun und Zhou (2007) werden ausreichende und notwendige Bedingungen geschaffen, um die vollständige Wiederherstellung der Multi-Eingangssignale zu gewährleisten.

Siehe auch

Verweise

Externe Links