MIMO - MIMO

Эта статья о MIMO в беспроводной связи. Для использования в других целях см. MIMO (значения).

MIMO использует многолучевое распространение для увеличения пропускной способности канала

В радио, несколько входов и выходов, или же MIMO (/ˈмаɪмoʊ,ˈмямoʊ/), это метод увеличения пропускной способности радиолинии с использованием множественной передачи и приема. антенны использовать многолучевое распространение.^[1] MIMO стал важным элементом стандартов беспроводной связи, включая IEEE 802.11n (Вай фай), IEEE 802.11ac (Вай фай), HSPA + (3G), WiMAX, и Долгосрочная эволюция (4G LTE). Совсем недавно MIMO был применен к связь по линии электропередач для 3-проводных инсталляций в составе ITU G.hn стандарт и HomePlug Спецификация AV2.^[2][3]

Когда-то в беспроводной связи термин «MIMO» относился к использованию нескольких антенн в передатчике и приемнике. В современном использовании «MIMO», в частности, относится к практическому методу отправки и приема более одного сигнала данных одновременно по одному и тому же радиоканалу с использованием многолучевое распространение. MIMO принципиально отличается от методов интеллектуальных антенн, разработанных для повышения производительности одного сигнала данных, таких как формирование луча и разнообразие.

История

Раннее исследование

MIMO часто восходит к исследовательским работам 1970-х годов, касающимся многоканальных цифровых систем передачи и помех (перекрестных помех) между парами проводов в кабельной связке: AR Kaye и DA George (1970),^[4] Брандербург и Винер (1974),^[5] и В. ван Эттен (1975, 1976).^[6] Хотя это не примеры использования многолучевого распространения для передачи нескольких информационных потоков, некоторые математические методы устранения взаимных помех оказались полезными для разработки MIMO. В середине 1980-х Джек Зальц в Bell Laboratories пошли дальше этого исследования, исследуя многопользовательские системы, работающие в «взаимно перекрестно связанных линейных сетях с аддитивными источниками шума», такие как мультиплексирование с временным разделением и системы радиосвязи с двойной поляризацией.^[7]

В начале 1990-х годов были разработаны методы повышения производительности сотовых радиосетей и обеспечения более агрессивного повторного использования частот. Множественный доступ с разделением по пространству (SDMA) использует направленные или интеллектуальные антенны для связи на одной и той же частоте с пользователями в разных местах в пределах диапазона одной и той же базовой станции. Система SDMA была предложена Ричардом Роем и Бьорн Оттерстен, исследователи ArrayComm в 1991 г. Их патент в США (№ 5515378, выдан в 1996 г.^[8]) описывает способ увеличения емкости с использованием «массива приемных антенн на базовой станции» с «множеством удаленных пользователей».

Изобретение

Арогьясвами Полрадж и Томас Кайлат предложили метод обратного мультиплексирования на основе SDMA в 1993 году. Их патент в США (№ 5,345,599, выданный в 1994 г.^[9]) описал метод широковещательной передачи на высоких скоростях передачи данных путем разделения высокоскоростного сигнала «на несколько низкоскоростных сигналов» для передачи от «пространственно разделенных передатчиков» и восстановления принимающей антенной решеткой на основе различий в «направлениях». пребытие." Паулрадж был удостоен престижной Приз Маркони в 2014 году за «новаторский вклад в разработку теории и приложений антенн MIMO ... Его идею использования нескольких антенн как на передающей, так и на приемной станциях - которая лежит в основе современных высокоскоростных мобильных систем WiFi и 4G - произвела революцию в области высокоскоростной беспроводной связи ».^[10]

В статье от апреля 1996 г. и последующем патенте Грег Рэли предложили, что естественное многолучевое распространение можно использовать для передачи множества независимых информационных потоков с использованием совмещенных антенн и многомерной обработки сигналов.^[11] В документе также определены практические решения для модуляции (MIMO-OFDM ), кодирование, синхронизация и оценка канала. Позже в том же году (сентябрь 1996 г.) Джерард Дж. Фошини представил документ, в котором также предлагалось увеличить пропускную способность беспроводной связи, используя то, что автор назвал «многоуровневой пространственно-временной архитектурой».^[12]

Грег Рэли, В. К. Джонс и Майкл Поллак основали Clarity Wireless в 1996 году и построили и протестировали прототип системы MIMO.^[13] Cisco Systems приобрела Clarity Wireless в 1998 году.^[14] Bell Labs построила лабораторный прототип, демонстрирующий технологию V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) в 1998 году.^[15] Арогьясвами Полрадж основал Iospan Wireless в конце 1998 года для разработки продуктов MIMO-OFDM. Иоспан был приобретен Intel в 2003 году.^[16] V-BLAST никогда не был коммерциализирован, и ни Clarity Wireless, ни Iospan Wireless не поставляли продукты MIMO-OFDM до их приобретения.^[17]

Стандарты и коммерциализация

Смотрите также: Технология MIMO в WiMAX и Технология MIMO в мобильных стандартах 3G

Технология MIMO стандартизирована для беспроводные локальные сети, 3G сети мобильной связи, и 4G сети мобильной связи и в настоящее время широко используется в коммерческих целях. Грег Рэли и В. К. Джонс основали Airgo Networks в 2001 году разработать MIMO-OFDM чипсеты для беспроводных локальных сетей. В Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в конце 2003 г. создал рабочую группу для разработки стандарта беспроводной локальной сети, обеспечивающего скорость передачи пользовательских данных не менее 100 Мбит / с. Было два основных конкурирующих предложения: TGn Sync поддержали такие компании, как Intel и Philips, а WWiSE поддержали такие компании, как Airgo Networks, Broadcom, и Инструменты Техаса. Обе группы согласились, что стандарт 802.11n будет основан на MIMO-OFDM с вариантами канала 20 МГц и 40 МГц.^[18] TGn Sync, WWiSE и третье предложение (MITMOT, поддержанное Motorola и Mitsubishi ) были объединены в так называемое Совместное предложение.^[19] В 2004 году Airgo стала первой компанией, которая начала поставлять продукцию MIMO-OFDM.^[20] Qualcomm приобрела Airgo Networks в конце 2006 года.^[21] Окончательный стандарт 802.11n поддерживал скорость до 600 Мбит / с (с использованием четырех одновременных потоков данных) и был опубликован в конце 2009 года.^[22]

Сурендра Бабу Мандава и Арогьясвами Полрадж основали Beceem Communications в 2004 году для производства чипсетов MIMO-OFDM для WiMAX. Компания была приобретена Broadcom в 2010 году.^[23] WiMAX был разработан как альтернатива сотовым стандартам, основан на 802.16e стандарт и использует MIMO-OFDM для обеспечения скорости до 138 Мбит / с. Более продвинутый стандарт 802.16m обеспечивает скорость загрузки до 1 Гбит / с.^[24] Общенациональная сеть WiMAX была построена в США компанией Clearwire, дочерняя компания Спринт-Nextel, покрывая 130 миллионов точки присутствия (PoP) к середине 2012 года.^[25] Впоследствии компания Sprint объявила о планах развертывания LTE (стандарта сотовой связи 4G) в 31 городе к середине 2013 года.^[26] и закрыть свою сеть WiMAX к концу 2015 года.^[27]

Первый стандарт сотовой связи 4G был предложен NTT DoCoMo в 2004 г.^[28] Долгосрочная эволюция (LTE) основана на MIMO-OFDM и продолжает развиваться Партнерский проект третьего поколения (3GPP). LTE определяет скорость нисходящего канала до 300 Мбит / с, скорость восходящего канала до 75 Мбит / с и параметры качества обслуживания, такие как низкая задержка.^[29] LTE Advanced добавляет поддержку пикосот, фемтосот и каналов с несколькими несущими шириной до 100 МГц. LTE был принят операторами GSM / UMTS и CDMA.^[30]

Первые услуги LTE были запущены в Осло и Стокгольме компанией TeliaSonera в 2009.^[31] В настоящее время существует более 360 сетей LTE в 123 странах с примерно 373 миллионами подключений (устройств).^[32]

Функции

MIMO можно подразделить на три основные категории: предварительное кодирование, пространственное мультиплексирование (SM), и кодирование разнесения.

Предварительное кодирование многопоточный формирование луча, в самом узком определении. В более общем плане считается, что это вся пространственная обработка, которая происходит в передатчике. При (однопоточном) формировании диаграммы направленности один и тот же сигнал излучается каждой из передающих антенн с соответствующей фазой и коэффициентом усиления, так что мощность сигнала максимизируется на входе приемника. Преимущества формирования диаграммы направленности заключаются в увеличении усиления принимаемого сигнала за счет конструктивного суммирования сигналов, излучаемых разными антеннами, и в уменьшении эффекта замирания из-за многолучевого распространения. В распространение по прямой видимости, формирование луча приводит к четко определенной диаграмме направленности. Однако обычные лучи не являются хорошей аналогией в сотовых сетях, которые в основном характеризуются многолучевое распространение. Когда приемник имеет несколько антенн, формирование луча передачи не может одновременно максимизировать уровень сигнала на всех приемных антеннах, и предварительное кодирование с несколькими потоками часто бывает полезным. Обратите внимание, что предварительное кодирование требует знания информация о состоянии канала (CSI) на передатчике и приемнике.

Пространственное мультиплексирование требуется конфигурация антенны MIMO. При пространственном мультиплексировании^[33] высокоскоростной сигнал разделяется на несколько потоков с более низкой скоростью, и каждый поток передается с другой передающей антенны в том же частотном канале. Если эти сигналы поступают на антенную решетку приемника с достаточно разными пространственными характеристиками и приемник имеет точную CSI, он может разделить эти потоки на (почти) параллельные каналы. Пространственное мультиплексирование - это очень эффективный метод увеличения пропускной способности канала при более высоких отношениях сигнал / шум (SNR). Максимальное количество пространственных потоков ограничено меньшим количеством антенн в передатчике или приемнике. Пространственное мультиплексирование можно использовать без CSI на передатчике, но его можно комбинировать с предварительное кодирование если доступен CSI. Пространственное мультиплексирование также может использоваться для одновременной передачи на несколько приемников, известных как множественный доступ с разделением по пространству или же многопользовательский MIMO, и в этом случае на передатчике требуется CSI.^[34] Планирование приемников с разными пространственными сигнатурами обеспечивает хорошую разделимость.

Кодирование разнообразия методы используются, когда нет знание канала на передатчике. В методах разнесения передается один поток (в отличие от нескольких потоков при пространственном мультиплексировании), но сигнал кодируется с использованием методов, называемых пространственно-временное кодирование. Сигнал излучается каждой из передающих антенн с полным или почти ортогональным кодированием. Кодирование с разнесением использует независимые замирания в линиях с множеством антенн для увеличения разнесения сигналов. Поскольку нет информации о канале, нет формирования луча или усиление массива Кодирование с разнесением может быть объединено с пространственным мультиплексированием, когда в приемнике доступны некоторые сведения о канале.

Формы

Пример антенны для LTE с 2 портами разнесение антенн

Типы мультиантенн

Технология MIMO с несколькими антеннами (или MIMO с одним пользователем) была разработана и реализована в некоторых стандартах, например, в продуктах 802.11n.

• SISO / SIMO / MISO - особые случаи MIMO
  • Множественный вход и один выход (MISO) - особый случай, когда приемник имеет одну антенну.^[35].
  • Один вход и несколько выходов (SIMO) - особый случай, когда передатчик имеет одну антенну.^[35] .
  • Один вход один выход (SISO) - это обычная радиосистема, в которой ни передатчик, ни приемник не имеют множественной антенны.
• Основные однопользовательские методы MIMO
  • Многослойное пространство-время Bell Laboratories (ВЗРЫВ), Джерард. Дж. Фошини (1996)
  • Per Antenna Rate Control (PARC), Варанаси, Guess (1998), Чунг, Хуанг, Лозано (2001)
  • Селективное управление скоростью передачи антенны (SPARC), Ericsson (2004 г.)
• Некоторые ограничения
  • Физическое расстояние между антеннами выбрано большим; несколько длины волн на базовой станции. Разнесение антенн на приемнике в телефонных трубках сильно ограничено пространством, хотя передовая конструкция антенны и методы алгоритмов обсуждаются. Ссылаться на: многопользовательский MIMO

Многопользовательские типы

Основная статья: Многопользовательский MIMO

В последнее время появляются результаты исследований многопользовательской технологии MIMO. Хотя полный многопользовательский MIMO (или сетевой MIMO) может иметь более высокий потенциал, на практике исследования технологии (частичного) многопользовательского MIMO (или многопользовательского и многоантенного MIMO) более активны.^[36]

• Многопользовательский MIMO (MU-MIMO)
  • В последнее время 3GPP и WiMAX стандартов, MU-MIMO рассматривается как одна из технологий-кандидатов, которые могут быть приняты в спецификации рядом компаний, включая Samsung, Intel, Qualcomm, Ericsson, TI, Huawei, Philips, Nokia и Freescale. Для этих и других фирм, работающих на рынке мобильного оборудования, MU-MIMO более подходит для сотовых телефонов низкой сложности с небольшим количеством приемных антенн, тогда как более высокая пропускная способность однопользовательского SU-MIMO для каждого пользователя лучше подходит для более сложных пользовательские устройства с большим количеством антенн.
  • Улучшенный многопользовательский MIMO: 1) использует передовые методы декодирования, 2) использует передовые методы предварительного кодирования
  • SDMA представляет собой множественный доступ с разделением по пространству или множественный доступ супер-разделения, где супер подчеркивает, что ортогональное разделение, такое как частотное и временное разделение, не используется, но используются неортогональные подходы, такие как кодирование с наложением.
• Кооперативная MIMO (CO-MIMO)
  • Использует несколько соседних базовых станций для совместной передачи / приема данных пользователям / от пользователей. В результате соседние базовые станции не вызывают межсотовых помех, как в обычных системах MIMO.
• Макроразнообразие MIMO
  • Форма схемы с пространственным разнесением, которая использует несколько передающих или принимающих базовых станций для когерентной связи с одним или несколькими пользователями, которые, возможно, распределены в зоне покрытия, в одном временном и частотном ресурсе.^[37][38][39]
  • Передатчики находятся далеко друг от друга в отличие от традиционных схем MIMO с микроразнесением, таких как однопользовательский MIMO. В многопользовательском сценарии MIMO с макроразнесением пользователи также могут быть далеко друг от друга. Следовательно, каждая составляющая ссылка в виртуальной ссылке MIMO имеет отдельную среднюю ссылку. SNR. Это различие в основном связано с различными долгосрочными ухудшениями канала, такими как потери на трассе и затухание тени, которые испытывают разные линии связи.
  • Схемы MIMO с макроразнообразием создают беспрецедентные теоретические и практические проблемы. Среди множества теоретических проблем, возможно, наиболее фундаментальной является понимание того, как различные средние отношения сигнал / шум канала влияют на общую пропускную способность системы и производительность отдельных пользователей в условиях замирания.^[40]
• MIMO Маршрутизация
  • Маршрутизация кластера кластером в каждом прыжке, где количество узлов в каждом кластере больше или равно одному. Маршрутизация MIMO отличается от традиционной (SISO) маршрутизации, поскольку традиционные протоколы маршрутизации маршрутизируют узел за узлом в каждом переходе.^[41]
• Массивный MIMO
  • технология, в которой количество терминалов намного меньше, чем количество антенн базовой станции (мобильной станции).^[42] В условиях богатого рассеяния все преимущества массивной системы MIMO могут быть использованы с использованием простых стратегий формирования луча, таких как передача с максимальным коэффициентом передачи (MRT),^[43] максимальное соотношение комбинирования (MRC)^[44] или нулевое форсирование (ZF). Чтобы достичь этих преимуществ массивного MIMO, точный CSI должен быть доступен в полном объеме. Однако на практике канал между передатчиком и приемником оценивается по ортогональным пилотным последовательностям, которые ограничены временем когерентности канала. Наиболее важно то, что в установке с несколькими ячейками повторное использование пилотных последовательностей нескольких сот в совмещенном канале создаст загрязнение пилот-сигнала. При загрязнении пилотного сигнала производительность массивного MIMO резко ухудшается. Чтобы смягчить эффект пилотного загрязнения, работа^[45] предлагает простой метод назначения пилот-сигнала и оценки канала на основе ограниченных обучающих последовательностей. Однако в 2018 году было опубликовано исследование Эмиля Бьёрнсона, Якоба Хойдиса, Луки Сангинетти, которое показало, что пилотное загрязнение растворимо, и обнаружили, что пропускную способность канала всегда можно увеличить, как в теории, так и на практике, за счет увеличения количества антенн.

Приложения

Смотрите также: Кооперативная MIMO

Третье поколение (3G) (CDMA и UMTS) позволяет реализовать схемы пространственно-временного разнесения передачи в сочетании с формированием диаграммы направленности передачи на базовых станциях. LTE четвертого поколения (4G) и LTE Advanced определяют очень продвинутые радиоинтерфейсы, в значительной степени полагающиеся на методы MIMO. LTE в первую очередь фокусируется на одноканальном MIMO, опираясь на пространственное мультиплексирование и пространственно-временное кодирование, в то время как LTE-Advanced расширяет дизайн до многопользовательского MIMO. В беспроводных локальных сетях (WLAN) IEEE 802.11n (Wi-Fi), MIMO Технология реализована в стандарте с использованием трех различных методов: выбор антенны, пространственно-временное кодирование и, возможно, формирование диаграммы направленности.^[46]

Методы пространственного мультиплексирования делают приемники очень сложными, поэтому их обычно комбинируют с Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) или с Множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) модуляция, при которой проблемы, создаваемые многолучевым каналом, решаются эффективно. IEEE 802.16e стандарт включает MIMO-OFDMA. Стандарт IEEE 802.11n, выпущенный в октябре 2009 года, рекомендует MIMO-OFDM.

MIMO также планируется использовать в Мобильный радиотелефон стандарты, такие как недавние 3GPP и 3GPP2. В 3GPP, Высокоскоростной пакетный доступ плюс (HSPA +) и Долгосрочное развитие (LTE) стандарты принимают во внимание MIMO. Более того, для полной поддержки сотовых сред исследовательские консорциумы MIMO, включая IST-MASCOT, предлагают разработать передовые методы MIMO, например, многопользовательский MIMO (MU-MIMO).

Технология MIMO может использоваться в не беспроводных системах связи. Одним из примеров является стандарт домашней сети. ITU-T G.9963, который определяет систему связи по линии электропередач, в которой используются методы MIMO для передачи нескольких сигналов по нескольким проводам переменного тока (фаза, нейтраль и земля).^[2]

Математическое описание

Модель канала MIMO

В системах MIMO передатчик отправляет несколько потоков с помощью нескольких передающих антенн. Потоки передачи проходят через матрица канал, который состоит из всех ${displaystyle N_{t}N_{r}}$ пути между ${displaystyle N_{t}}$ передающие антенны на передатчике и ${displaystyle N_{r}}$ приемные антенны на приемнике. Затем приемник получает принятый сигнал векторов множеством приемных антенн и декодирует векторы принятого сигнала в исходную информацию. А узкополосный плоское выцветание Система MIMO моделируется как:^{[нужна цитата ]}

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

куда ${displaystyle mathbf {y} }$ и ${displaystyle mathbf {x} }$ - векторы приема и передачи соответственно, и ${displaystyle mathbf {H} }$ и ${displaystyle mathbf {n} }$ - матрица канала и вектор шума соответственно.

Эргодическая замкнутая (канал известный, идеальный CSI ) и эргодической разомкнутой цепи (канал неизвестен, нет CSI). Количество передающих и приемных антенн - 4 (${displaystyle N_{r}=N_{t}=4}$).^[47]

Ссылаясь на теория информации, эргодический пропускная способность канала систем MIMO, в которых и передатчик, и приемник имеют идеальные мгновенные информация о состоянии канала является^[48]

${displaystyle C_{mathrm {perfect-CSI} }=Eleft[max _{mathbf {Q} ;,{mbox{tr}}(mathbf {Q} )leq 1}log _{2}det left(mathbf {I} +ho mathbf {H} mathbf {Q} mathbf {H} ^{H}ight)ight]=Eleft[log _{2}det left(mathbf {I} +ho mathbf {D} mathbf {S} mathbf {D} ight)ight]}$

куда ${displaystyle ()^{H}}$ обозначает Эрмитово транспонирование и ${displaystyle ho }$ это соотношение между мощностью передачи и мощностью шума (т.е. SNR ). Оптимальная ковариация сигнала ${displaystyle mathbf {Q} =mathbf {VSV} ^{H}}$ достигается за счет разложение по сингулярным числам матрицы каналов ${displaystyle mathbf {UDV} ^{H},=,mathbf {H} }$ и оптимальная диагональная матрица распределения мощности ${displaystyle mathbf {S} ={ extrm {diag}}(s_{1},ldots ,s_{min(N_{t},N_{r})},0,ldots ,0)}$. Оптимальное распределение мощности достигается за счет наполнение водой,^[49] то есть

${displaystyle s_{i}=left(mu -{frac {1}{ho d_{i}^{2}}}ight)^{+},quad { extrm {for}},,i=1,ldots ,min(N_{t},N_{r}),}$

куда ${displaystyle d_{1},ldots ,d_{min(N_{t},N_{r})}}$ являются диагональными элементами ${displaystyle mathbf {D} }$, ${displaystyle (cdot )^{+}}$ равен нулю, если его аргумент отрицательный, и ${displaystyle mu }$ выбирается так, что ${displaystyle s_{1}+ldots +s_{min(N_{t},N_{r})}=N_{t}}$.

Если передатчик имеет только статистический информация о состоянии канала, то эргодическая пропускная способность канала будет уменьшаться по мере того, как ковариация сигнала ${displaystyle mathbf {Q} }$ можно оптимизировать только с точки зрения среднего взаимная информация в качестве^[48]

${displaystyle C_{mathrm {statistical-CSI} }=max _{mathbf {Q} }Eleft[log _{2}det left(mathbf {I} +ho mathbf {H} mathbf {Q} mathbf {H} ^{H}ight)ight].}$

В пространственная корреляция канала оказывает сильное влияние на эргодическую пропускная способность канала со статистической информацией.

Если в передатчике нет информация о состоянии канала он может выбрать ковариацию сигнала ${displaystyle mathbf {Q} }$ для максимального увеличения пропускной способности канала при наихудшей статистике, что означает ${displaystyle mathbf {Q} =1/N_{t}mathbf {I} }$ и соответственно

${displaystyle C_{mathrm {no-CSI} }=Eleft[log _{2}det left(mathbf {I} +{frac {ho }{N_{t}}}mathbf {H} mathbf {H} ^{H}ight)ight].}$

В зависимости от статистических свойств канала эргодическая пропускная способность не превышает ${displaystyle min(N_{t},N_{r})}$ раз больше, чем у системы SISO.

MIMO обнаружение

Одна из основных проблем MIMO - это знание матрицы каналов. ${displaystyle mathbf {H} }$ у ресивера. На практике в системах связи передатчик отправляет Пилотный сигнал и получатель узнает состояние канала, т.е. ${displaystyle mathbf {H} }$ из полученного сигнала ${displaystyle Y}$ и Пилотный сигнал ${displaystyle X}$. Есть несколько алгоритмов оценки ${displaystyle mathbf {H} }$ из нескольких полученных сигналов ${displaystyle Y}$ и Пилотный сигнал ${displaystyle X}$, например, обнуление,^[50], последовательное подавление помех a.k.a. V-взрыв, Оценка максимального правдоподобия (при условии, что шум гауссовский), а недавно Нейронная сеть Обнаружение MIMO.^{[51] [52]} Поскольку количество антенн в передатчике и приемнике растет, проблема обнаружения MIMO становится более сложной и Нейронная сеть подход становится превосходным, особенно в настоящем импаримантов.^[53]

Тестирование

Тестирование сигналов MIMO фокусируется в первую очередь на системе передатчика / приемника. Случайные фазы сигналов поднесущей могут создавать мгновенные уровни мощности, которые вызывают сжатие усилителя, мгновенно вызывая искажения и, в конечном итоге, ошибки символов. Сигналы с высоким PAR (отношение максимальной мощности к средней ) может вызвать непредсказуемое сжатие усилителей во время передачи.Сигналы OFDM очень динамичны, и проблемы со сжатием трудно обнаружить из-за их шумоподобной природы.^[54]

Также важно знать качество сигнального канала. А эмулятор канала может имитировать работу устройства на границе ячейки, может добавлять шум или моделировать внешний вид канала на скорости. Чтобы полностью оценить характеристики приемника, откалиброванный передатчик, например векторный генератор сигналов (VSG), а эмулятор канала можно использовать для тестирования приемника в различных условиях. И наоборот, производительность передатчика в различных условиях можно проверить с помощью эмулятора канала и откалиброванного приемника, такого как векторный анализатор сигналов (VSA).

Понимание канала позволяет манипулировать фазой и амплитудой каждого передатчика для формирования луча. Чтобы правильно сформировать луч, передатчик должен понимать характеристики канала. Этот процесс называется канальное зондирование или же оценка канала. На мобильное устройство отправляется известный сигнал, который позволяет ему составить картину среды канала. Мобильное устройство отправляет обратно характеристики канала передатчику. Затем передатчик может применить правильные настройки фазы и амплитуды, чтобы сформировать луч, направленный на мобильное устройство. Это называется системой MIMO с обратной связью. За формирование луча, требуется настроить фазы и амплитуду каждого передатчика. В формирователе луча, оптимизированном для пространственного разнесения или пространственного мультиплексирования, каждый антенный элемент одновременно передает взвешенную комбинацию двух символов данных.^[55]

Литература

Основные исследователи

Статьи Джерарда Дж. Фошини и Майкла Дж. Ганса,^[56] Foschini^[57] и Эмре Телатар^[58] показали, что пропускная способность канала (теоретическая верхняя граница пропускной способности системы) для системы MIMO увеличивается по мере увеличения количества антенн, пропорционально меньшему из числа передающих антенн и количества приемных антенн. Это известно как усиление мультиплексирования, и этот основной вывод в теория информации вот что привело к всплеску исследований в этой области. Несмотря на простые модели распространения, используемые в вышеупомянутых основополагающих работах, усиление мультиплексирования является фундаментальным свойством, которое может быть доказано практически при любой модели распространения физического канала и с помощью практического оборудования, которое подвержено ухудшению качества приемопередатчика.^[59]

Документы д-ра Фернандо Росаса и д-ра Кристиана Оберли показали, что весь канал MIMO SVD может быть аппроксимирован средним значением SER каналов Nakagami-m.^[60] Это приводит к характеристике собственных каналов N × N каналов MIMO с N больше 14, показывая, что наименьший собственный канал распределяется как канал Рэлея, следующие четыре собственных канала тесно распределяются как каналы Накагами-m с m = 4, 9, 25 и 36 , а N - 5 оставшихся собственных каналов имеют статистику, аналогичную каналу с аддитивным белым гауссовым шумом (AWGN) в пределах отношения сигнал / шум 1 дБ. Также показано, что 75% общего среднего прироста мощности канала MIMO SVD приходится на верхнюю треть всех собственных каналов.

В учебнике А. Паулраджа, Р. Набара и Д. Гора опубликовано введение в эту область.^[61] Есть много других основных учебников.^[62][63][64]

Компромисс разнесения и мультиплексирования

Существует фундаментальный компромисс между разнесением передачи и преимуществом пространственного мультиплексирования в системе MIMO (Zheng and Tse, 2003).^[65] В частности, достижение высокого выигрыша от пространственного мультиплексирования имеет огромное значение в современных беспроводных системах.^[66]

Другие приложения

Учитывая характер MIMO, он не ограничивается беспроводной связью. Его можно использовать для проводная линия общение тоже. Например, новый тип DSL Технология (гигабитный DSL) была предложена на основе Binder MIMO каналов.

Теория выборки в системах MIMO

Важный вопрос, который привлекает внимание инженеров и математиков, заключается в том, как использовать сигналы с несколькими выходами в приемнике для восстановления сигналов с несколькими входами в передатчике. В Shang, Sun and Zhou (2007) установлены достаточные и необходимые условия, чтобы гарантировать полное восстановление сигналов с множеством входов.^[67]

Смотрите также

• Телекоммуникационный портал
• Радио портал

• Разнообразие антенн
• Формирование луча
• Связывание каналов
• Информация о состоянии канала
• Кодирование грязной бумаги
• Дуплекс (телекоммуникации)
• История умных антенн
• IEEE 802.11
• IEEE 802.16
• Макроразнообразие
• MIMO-OFDM
• Многопользовательский MIMO
• Управление единым тарифом для каждого пользователя
• Фазированная антенная решетка
• Предварительное кодирование
• Одночастотная сеть (SFN)
• Умная антенна
• Пространственно-временной блочный код
• Пространственно-временной код
• Пространственное мультиплексирование
• Вай фай
• WiMAX MIMO

Рекомендации

1. Липферт, Герман (август 2007 г.). MIMO OFDM Пространственно-временное кодирование - Пространственное мультиплексирование, повышение производительности и спектральной эффективности в беспроводных системах, часть I Техническая основа (Технический отчет). Institut für Rundfunktechnik.
2. Бергер, Ларс Т .; Швагер, Андреас; Пагани, Паскаль; Шнайдер, Даниэль М. (февраль 2014 г.). MIMO Power Line Communications: узкие и широкополосные стандарты, EMC и расширенная обработка. Устройства, схемы и системы. CRC Press. Дои:10.1201 / b16540-1. ISBN  978-1-4665-5752-9.
3. Технология HomePlug AV2 (PDF) (Технический отчет). HomePlug Powerline Alliance, Inc., 2013 г.
4. Kaye, AR; Джордж, Д.А. (октябрь 1970 г.). «Передача мультиплексированных сигналов PAM по многоканальным и разнесенным системам». IEEE Transactions по коммуникационным технологиям. 18 (5): 520–526. Дои:10.1109 / TCOM.1970.1090417.
5. Бранденбург, LH; Винер, AD (май – июнь 1974 г.). «Пропускная способность гауссовского канала с памятью: многомерный случай». Syst. Tech. J. 53 (5): 745–78. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1974.tb02768.x.
6. Ван Эттен, Вт (февраль 1976 г.). «Приемник максимального правдоподобия для многоканальных систем передачи». Сделки по коммуникациям. 24 (2): 276–283. Дои:10.1109 / TCOM.1976.1093265.
7. Зальц, Дж. (Июль – август 1985 г.). «Цифровая передача по кросс-связанным линейным каналам». Технический журнал. 64 (6): 1147–59. Bibcode:1985ATTTJ..64.1147S. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1985.tb00269.x. S2CID  10769003.
8. США 5515378, «Системы беспроводной связи множественного доступа с пространственным разделением каналов» 
9. США 5345599, «Увеличение пропускной способности в системах беспроводного вещания с использованием распределенной передачи / направленного приема (DTDR)» 
10. "Арогьясвами Паулрадж - Общество Маркони". marconisociety.org. Получено 2017-01-21.
11. Роли, Грегори; Чоффи, Джон М. (1996). Пространственно-временное кодирование для беспроводной связи (PDF). Глобальная конференция по телекоммуникациям, 1996 г. Лондон, Великобритания, 18–22 ноября 1996 г.
12. Foschini, GJ (осень 1996 г.). «Многоуровневая пространственно-временная архитектура для беспроводной связи в условиях замирания при использовании нескольких антенн». Labs Syst. Tech. J. 1 (2): 41–59. Дои:10.1002 / bltj.2015. S2CID  16572121.
13. Джонс, В.К .; Роли, Г. Оценка канала для беспроводных систем OFDM. Конференция IEEE GLOBECOM 1998. Сидней, Австралия, 8 ноября 1998 г. - 12 ноября 1998 г. 2. С. 980–985. Дои:10.1109 / GLOCOM.1998.776875.
14. Джуннаркар, Сандип (15 сентября 1998 г.). «Cisco купит Clarity Wireless». CBS Interactive Inc. Получено 28 октября 2013.
15. Golden, GD; Foschini, GJ; Валенсуэла, РА; Wolniansky, PW (январь 1999 г.). «Алгоритм обнаружения и первые лабораторные результаты с использованием пространственно-временной архитектуры связи V-BLAST». Письма об электронике. 35: 14–16. Дои:10.1049 / el: 19990058. S2CID  62776307.
16. Грегсон, Рейли (27 февраля 2003 г.). «Иоспан прекращает свою деятельность». RCR беспроводной. Получено 22 января 2015.
17. Сампат, Хемант; и другие. (2002). «Широкополосная беспроводная система MIMO-OFDM четвертого поколения: конструкция, производительность и результаты полевых испытаний». Журнал IEEE Communications. 40 (9): 143–149. CiteSeerX  10.1.1.4.7852. Дои:10.1109 / MCOM.2002.1031841.
18. Кокс, Джон (8 февраля 2005 г.). «Обновление 802.11n: TGn Sync против WWiSE». Сетевой мир. IDG. Получено 28 октября 2013.
19. Смит, Тони (1 августа 2005 г.). «Соперники 802.11n соглашаются на слияние». Регистр Великобритании. Получено 28 октября 2013.
20. Прасад, Рамджи; и др., ред. (2011). Глобализация мобильной и беспроводной связи: сегодня и в 2020 году. Springer. стр.115. ISBN  978-9-400-70106-9.
21. «Qualcomm покупает Airgo, бизнес RFMD по Bluetooth». EE Times. UBM Tech. 4 декабря 2006 г.. Получено 28 октября 2013.
22. Нго, Донг (11 сентября 2009 г.). «Стандарт Wi-Fi 802.11n окончательно утвержден». CNET. CBS Interactive Inc. Получено 28 октября 2013.
23. Гарднер, В. Дэвид (13 октября 2010 г.). "Broadcom приобретает Beceem за 316 миллионов долларов". Информационная неделя. UBM Tech. Получено 28 октября 2013.
24. «WiMAX и стандарт радиоинтерфейса IEEE 802.16m» (PDF). WiMAXforum.org. Форум WiMAX. Апрель 2010. Архивировано с оригинал (PDF) 7 декабря 2013 г.. Получено 28 октября 2013.
25. «Годовой отчет и анализ условий конкурентного рынка в отношении мобильной беспроводной связи, включая коммерческие мобильные услуги». FCC.gov. Федеральная комиссия связи. 21 марта 2013. с. 8. Получено 28 октября 2013.
26. Кевин Фитчард (13 декабря 2011 г.). «Clearwire дает зеленый свет для создания LTE за счет привлечения 734 миллионов долларов». GIGAOM.com. GIGAOM. Получено 28 октября 2013.
27. Гольдштейн, Фил (7 октября 2014 г.). «Спринт закроет сеть WiMAX примерно 6 ноября 2015 г.». ЖестокийБеспроводной. FierceMarkets. Получено 22 января 2015.
28. Алебастр, Джей (20 августа 2012 г.). «Японская NTT DoCoMo регистрирует 1 миллион пользователей LTE в месяц, всего 5 миллионов». Сетевой мир. IDG. Архивировано из оригинал 3 декабря 2013 г.. Получено 29 октября 2013.
29. Магдалена Норборг. «LTE». 3GPP.org. Партнерский проект третьего поколения. Получено 29 октября 2013.
30. Жанетт Ваннстрем (май 2012 г.). «LTE Advanced». 3GPP.org. Партнерский проект третьего поколения. Получено 29 октября 2013.
31. Ом Малик (14 декабря 2009 г.). «Стокгольм и Осло первыми внедряют коммерческую сеть LTE». GIGAOM.com. GIGAOM. Получено 29 октября 2013.
32. «4G / LTE - это мейнстрим». Gsacom.com. Глобальная ассоциация поставщиков мобильной связи. 7 января 2015 г.. Получено 22 января 2015.
33. Ракеш Сингх Кшетримаюм (2017). Основы беспроводной связи MIMO. Издательство Кембриджского университета.
34. Д. Гесберт; М. Кунтурис; R. W. Heath, Jr .; К.-Б. Чэ и Т. Зельцер (октябрь 2007 г.). «Сдвиг парадигмы MIMO: от однопользовательской к многопользовательской связи». Журнал IEEE Signal Processing Magazine. 24 (5): 36–46. Bibcode:2007ISPM ... 24 ... 36G. Дои:10.1109 / msp.2007.904815. S2CID  8771158.
35. Слюсарь, В.И. Титов, И.В. Коррекция характеристик передающих каналов активной цифровой антенной решетки // Радиоэлектроника и системы связи. - 2004, Том 47; Часть 8, страницы 9-10. [1]
36. Б. Кумбхани, Р. С. Кшетримаюм (2017). Беспроводная связь MIMO по обобщенным каналам с замираниями. CRC Press.
37. Каракаяли, М.К .; Foschini, G.J .; Валенсуэла, Р.А. (2006). «Достижения в интеллектуальных антеннах - Сетевая координация для спектрально эффективной связи в сотовых системах». Беспроводная связь IEEE. 13 (4): 56–61. Дои:10.1109 / MWC.2006.1678166. S2CID  34845122.
38. Гесберт, Дэвид; Ханли, Стивен; Хуанг, Ховард; Шамай Шиц, Шломо; Симеоне, Освальдо; Ю, Вэй (2010). «Многосотовые кооперативные сети MIMO: новый взгляд на помехи». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций. 28 (9): 1380–1408. CiteSeerX  10.1.1.711.7850. Дои:10.1109 / JSAC.2010.101202. S2CID  706371.
39. Бьёрнсон, Эмиль; Йорсвик, Эдуард (2013). «Оптимальное распределение ресурсов в скоординированных многосотовых системах». Основы и тенденции в теории коммуникации и информации. 9 (2–3): 113–381. Дои:10.1561/0100000069.
40. Basnayaka, Dushyantha A .; Смит, Питер Дж .; Мартин, Филипа А. (2013). «Анализ производительности систем MIMO с макроразнесением с приемниками MMSE и ZF при плоских рэлеевских замираниях». Транзакции IEEE по беспроводной связи. 12 (5): 2240–2251. arXiv:1207.6678. Дои:10.1109 / TWC.2013.032113.120798. S2CID  14067509.
41. С. Цуй; А. Дж. Голдсмит и А. Бахаи (август 2004 г.). «Энергоэффективность MIMO и Cooperative MIMO в сенсорных сетях». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций. 22 (6): 1089–1098. Дои:10.1109 / JSAC.2004.830916. S2CID  8108193.
42. Марцетта, Томас Л. (2010). «Некодействующая сотовая беспроводная связь с неограниченным количеством антенн базовых станций». Транзакции IEEE по беспроводной связи. 9 (11): 3590–3600. Дои:10.1109 / TWC.2010.092810.091092. S2CID  17201716.
43. Lo, T.K.Y. (1999). "Максимальное передаточное число". Транзакции IEEE по коммуникациям. 47 (10): 1458–1461. Дои:10.1109/26.795811.
44. У. К. Джейкс младший, Мобильная микроволновая связь. Нью-Йорк: Wiley, 1974.
45. Т. Е. Богале и Л. Б. Ле, Оптимизация пилот-сигнала и оценка канала для многопользовательских массовых систем MIMO в Proc. Конференция IEEE по информационным наукам и системам (CISS), Принстон, США, март 2014 г.
46. Каналы беспроводных сетей MIMO, методы и стандарты для многоантенных, многопользовательских и многосотовых систем. Бруно Клеркс и Клод Остжес (авт.) (2013) Раздел 1.8
47. Пропускная способность канала MIMO (учебник по питону)
48. С любовью, Дэвид; Хит, Роберт; п. Лау, Винсент; Гесберт, Дэвид; Рао, Бхаскар; Эндрюс, Мэтью (2008). «Обзор ограниченной обратной связи в системах беспроводной связи» (PDF). Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций. 26 (8): 1341–1365. CiteSeerX  10.1.1.470.6651. Дои:10.1109 / JSAC.2008.081002. S2CID  16874091.
49. Д. Це и П. Вишванат, Основы беспроводной связи В архиве 2007-08-10 на Wayback Machine, Издательство Кембриджского университета, 2005.
50. Ян, Шаоши; Ханзо, Лайош (четвертый квартал 2015 г.). «Пятьдесят лет обнаружения MIMO: путь к крупномасштабным MIMO». Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE. 17 (4): 1941–1988. Дои:10.1109 / COMST.2015.2475242.
51. Шолев, Омер; Permuter, Haim H .; Бен-Дрор, Эйлам; Лян, Вэньлян (май 2020 г.). «Обнаружение MIMO нейронной сети для кодированной беспроводной связи с нарушениями». Конференция по беспроводной связи и сети IEEE 2020 (WCNC): 1–8. Дои:10.1109 / WCNC45663.2020.9120517.
52. Samuel, N .; Дискин, Т .; Визель, А. (май 2019 г.). «Учимся обнаруживать». Транзакции IEEE при обработке сигналов. 67 (10): 2554–2564. Дои:10.1109 / TSP.2019.2899805.
53. Шолев, Омер; Permuter, Haim H .; Бен-Дрор, Эйлам; Лян, Вэньлян (май 2020 г.). «Обнаружение MIMO нейронной сети для кодированной беспроводной связи с нарушениями». Конференция по беспроводной связи и сети IEEE 2020 (WCNC): 1–8. Дои:10.1109 / WCNC45663.2020.9120517.
54. Стефан Шиндлер, Хайнц Меллайн, «Оценка канала MIMO»^{[постоянная мертвая ссылка ]}, Rohde & Schwarz, стр. 11.
55. «Проблемы моделирования и эмуляции каналов MIMO» (PDF). Keysight.
56. Джерард Дж. Фошини и Майкл. Дж. Ганс (январь 1998 г.). «Об ограничениях беспроводной связи в условиях замирания при использовании нескольких антенн». Беспроводная персональная связь. 6 (3): 311–335. Дои:10.1023 / А: 1008889222784. S2CID  6157164.
57. Джерард Дж. Фошини (осень 1996 г.). «Многоуровневая пространственно-временная архитектура для беспроводной связи в условиях замирания при использовании многоэлементных антенн». Технический журнал Bell Labs. 1 (2): 41–59. Дои:10.1002 / bltj.2015. S2CID  16572121.
58. Телатар, Эмре (1999). «Пропускная способность многоантенных гауссовских каналов». Европейские транзакции в области телекоммуникаций. 10 (6): 585–95. Дои:10.1002 / ett.4460100604. Архивировано из оригинал на 2012-02-08.
59. Эмиль Бьёрнсон, Пер Зеттерберг, Матс Бенгтссон, Бьёрн Оттерстен; Зеттерберг; Бенгтссон; Оттерстен (январь 2013 г.). «Пределы пропускной способности и мультиплексирование каналов MIMO с нарушениями приемопередатчика». Письма по коммуникациям IEEE. 17 (1): 91–94. arXiv:1209.4093. Bibcode:2012arXiv1209.4093B. Дои:10.1109 / LCOMM.2012.112012.122003. S2CID  381976.
60. Росас, Ф. и Оберли, К. (16 апреля 2013 г.). «Приближения Накагами-м для передач с разложением сингулярных значений с множеством входов и множеством выходов». IET Communications. 7 (6): 554–561. Дои:10.1049 / iet-com.2012.0400. HDL:10533/132402.
61. А. Паулрадж, Р. Набар и Д. Гор (2003). Введение в пространственно-временную коммуникацию. Издательство Кембриджского университета.
62. Давид Це; Прамод Вишванатх (2005). Основы беспроводной связи. Кембридж.
63. Клод Остжес; Бруно Клеркс (2007). Беспроводная связь MIMO: от распространения в реальном мире до разработки пространственно-временного кода. Академическая пресса.
64. Эцио Бильери; Роберт Колдербанк; Антоний Константинидес; Андреа Голдсмит; Арогьясвами Паулрадж; Х. Винсент Бедный (2010). Беспроводная связь MIMO. Издательство Кембриджского университета.
65. Л. Чжэн и Д. Н. Цзе (май 2003 г.). «Разнесение и мультиплексирование: фундаментальный компромисс в каналах с множеством антенн». IEEE Trans. Инф. Теория. 49 (5): 1073–1096. CiteSeerX  10.1.1.127.4676. Дои:10.1109 / TIT.2003.810646.
66. А. Лозано и Н. Джиндал (2010). «Разнесение передачи против пространственного мультиплексирования в современных системах MIMO» (PDF). IEEE Trans. Беспроводная связь. 9 (1): 186–197. CiteSeerX  10.1.1.156.8562. Дои:10.1109 / TWC.2010.01.081381. HDL:10230/16119. S2CID  13189670.
67. З. Шан, В. Сунь и Х. Чжоу (январь 2007 г.). "Разложения векторной выборки в подпространствах, инвариантных к сдвигу". Журнал математического анализа и приложений. 325 (2): 898–919. Bibcode:2007JMAA..325..898S. Дои:10.1016 / j.jmaa.2006.02.033.

внешняя ссылка

• Измерения распространения канала NIST UWB-MIMO в спектре 2–8 ГГц
• Решение тестовых задач 4G LTE
• Основы OFDM
• MIMO: будущее беспроводной связи: испытания для WiMAX, HSPA + и LTE
• Проблемы перехода на системы MIMO
• Радиочастотная тестовая система обрабатывает сигналы MIMO 4 × 4
• Роль измерений EVM в характеристике характеристик модуляции усилителя
• Отраслевые взгляды: системы 4G создают новые задачи тестирования дизайна
• Литературный обзор MIMO
• Взаимодействие антенны и беспроводного многолучевого виртуального канала