Nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) là hệ thống ăng-ten sử dụng nhiều ăng-ten ở cả đầu phát và đầu thu để tạo thành nhiều kênh giữa đầu phát và đầu thu nhằm tăng đáng kể dung lượng kênh.
ONU Bộ định tuyến WIFI 6 SOFTEL
Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra là một kỹ thuật phân tập anten khá phức tạp. Hiệu ứng đa đường sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, vì vậy các hệ thống ăng-ten truyền thống phải vận dụng trí tuệ của mình để tìm cách loại bỏ hiệu ứng đa đường. Mặt khác, các hệ thống MIMO sử dụng hiệu ứng đa đường để cải thiện chất lượng truyền thông. Trong hệ thống MIMO, bên truyền và bên nhận sử dụng nhiều ăng-ten có thể hoạt động đồng thời để liên lạc. Các hệ thống MIMO thường sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp để nâng cao đáng kể độ tin cậy, phạm vi và thông lượng. Sử dụng các kỹ thuật này, máy phát sẽ gửi đồng thời nhiều tín hiệu tần số vô tuyến và máy thu sẽ khôi phục dữ liệu từ các tín hiệu này. Hệ thống truyền thông không dây MIMO là một trong những công nghệ chủ chốt của hệ thống truyền thông di động và không dây trong tương lai. Một đặc điểm rõ ràng của hệ thống MIMO là nó có hiệu suất sử dụng phổ cực cao. Trên cơ sở sử dụng đầy đủ các tài nguyên phổ hiện có, tài nguyên không gian được sử dụng để đạt được độ tin cậy và hiệu quả. Kết thúc quá trình xử lý phức tạp.
mô-đun chính
1. Mô hình hóa mô hình kênh hệ thống MIMO
Hiệu suất của hệ thống MIMO phần lớn phụ thuộc vào mô hình kênh. Mặc dù đã có các mô hình lan truyền không dây được tiêu chuẩn hóa và nhiều mô hình kênh MIMO đã được cung cấp trên cơ sở một số lượng lớn các phép đo thực tế và nghiên cứu lý thuyết nhưng chúng vẫn chưa được ITU công nhận. Mô hình kênh MIMO được tiêu chuẩn hóa được công nhận (3GPP đã xây dựng các tiêu chuẩn mô hình kênh cho MIMO). Do đó, việc hiểu và nắm vững các đặc tính của kênh MIMO không dây trong môi trường trong nhà và ngoài trời, thiết lập các mô hình tĩnh và mô hình động cụ thể của các kênh MIMO là điều cần thiết để lựa chọn cấu trúc hệ thống phù hợp và thiết kế các thuật toán xử lý tín hiệu xuất sắc để hiện thực hóa các kênh khổng lồ tiềm năng của hệ thống MIMO. Năng lực, đạt được hiệu quả mong đợi là rất quan trọng.
2. Dung lượng hệ thống MIMO
So với hệ thống ăng-ten đơn truyền thống, hệ thống MIMO đã cải thiện đáng kể cả về hiệu suất và tốc độ truyền dữ liệu. Đầu tiên, Telestar và Foschini tiến hành phân tích chuyên sâu về dung lượng kênh của hệ thống MIMO. Họ lần lượt phân tích nhiễu Gaussian Nghiên cứu về dung lượng của hệ thống MIMO trong các điều kiện sau cho thấy, với giả định rằng các ăng-ten độc lập với nhau, hệ thống nhiều ăng-ten được cải thiện đáng kể so với hệ thống ăng-ten đơn. Trong trường hợp biết được đặc tính truyền dẫn của kênh, nghiên cứu của Foschini cho thấy: khi M=N, dung lượng kênh thu được tăng tỷ lệ thuận với N. Trong cùng công suất truyền và băng thông truyền dẫn, dung lượng kênh của hệ thống cao hơn khoảng 40 lần so với hệ thống một đầu vào một đầu ra (SISO).
3. Thiết kế mảng anten MIMO
Nhìn chung, ăng-ten của trạm gốc được dựng lên ở mức cao và độ tán xạ trường gần xung quanh mảng ăng-ten tương đối yếu. Do đó, để thu được các tín hiệu không tương quan trên các phần tử mảng khác nhau, thường phải duy trì khoảng cách bước sóng giữa các phần tử mảng ít nhất 10 lần. Khi số lượng ăng-ten lớn, có thể có những trở ngại trong việc lắp đặt các mảng đường truyền của trạm gốc. Đối với thiết bị đầu cuối di động, do có nhiều bộ tán xạ trường gần nên người ta thường tin rằng khoảng cách giữa các phần tử ăng ten lớn hơn 1/2 bước sóng sẽ làm cho mối tương quan tín hiệu đủ yếu. Mảng ăng ten phân cực có thể sử dụng các trạng thái phân cực trực giao lẫn nhau ở cùng một vị trí không gian để nhận ra sự không liên quan rõ ràng của các thành phần mảng, do đó kích thước của mảng ăng ten có thể giảm tương đối.
4. Xử lý tín hiệu của hệ thống MIMO
Hệ thống truyền thông anten mảng trong môi trường phading phải đối mặt với nhiễu đồng kênh và nhiễu giữa các ký hiệu. Để đạt được dung lượng của hệ thống nhiều anten, cần có kỹ thuật xử lý tín hiệu tốt. Các phương pháp phát hiện tín hiệu hiệu suất cao, độ phức tạp thấp hoặc phương pháp phát hiện khớp luôn là chủ đề nóng đối với các nhà nghiên cứu.
5. Vấn đề phức tạp của hệ thống MIMO
Do tín hiệu trong hệ thống MIMO được mở rộng đến không-thời gian hai chiều nên so với hệ thống ăng-ten đơn, độ phức tạp của việc ước tính kênh, cân bằng kênh, giải mã và liên kết phát hiện sẽ tăng theo số lượng ăng-ten hoặc số lượng kênh. tăng bậc điều chế tín hiệu. Lượng tính toán thuật toán sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ trễ xử lý, mức tiêu thụ điện năng của thiết bị và thời gian chờ. Đồng thời, trong các ứng dụng thực tế, yếu tố chính hạn chế các hệ thống MIMO là chi phí cao do nhiều liên kết tần số vô tuyến mang lại. Để giảm độ phức tạp tính toán của "phần mềm", hãy cung cấp các phương pháp xử lý tín hiệu đơn giản và hiệu quả hơn cũng như các sơ đồ mã hóa và giải mã không gian-thời gian khác nhau cho các hệ thống MIMO. Để giảm chi phí "phần cứng", lựa chọn ăng-ten là một công nghệ rất quan trọng, có thể giảm đáng kể độ phức tạp xử lý và chi phí phần cứng trong khi vẫn duy trì các ưu điểm của công nghệ MIMO và là trọng tâm nghiên cứu nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tế của hệ thống MIMO.
6. Tính đa dạng và ghép kênh của hệ thống MIMO
Bản chất của hệ thống MIMO là cung cấp độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh. Cái trước đảm bảo độ tin cậy truyền của hệ thống và cái sau cải thiện tốc độ truyền của hệ thống. Hầu hết các tài liệu ban đầu chỉ tập trung vào việc sử dụng phân tập phát và ghép kênh không gian hoặc kết hợp với mã hóa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống nhiều ăng-ten có thể cung cấp sự đa dạng và ghép kênh không gian cùng một lúc, và có sự cân bằng giữa hai yếu tố này. Cần khám phá để tối đa hóa độ lợi của hệ thống bằng cách sử dụng hợp lý hai chế độ phân tập và ghép kênh trong hệ thống MIMO.
7. (Multi-cell) Hệ thống MIMO nhiều người dùng
Về mặt lý thuyết, miền dung lượng của hệ thống MIMO nhiều người dùng đã được giải quyết, nhưng làm thế nào để miền dung lượng đáp ứng yêu cầu tốc độ truyền của nhiều người dùng khác nhau vẫn chưa được giải quyết tốt. Hơn nữa, trong kênh quảng bá, do sự can thiệp giữa các ăng-ten và người dùng trong hệ thống MIMO, làm thế nào để thiết kế vectơ truyền dẫn để loại bỏ nhiễu đồng kênh giữa những người dùng, làm thế nào để tăng dung lượng hệ thống và điều khiển công suất của QoS cụ thể của mỗi người dùng khi nguồn điện bị hạn chế Vấn đề tối ưu hóa và các công nghệ liên quan trong sự hiện diện của hệ thống đa người dùng đa cell vẫn là trọng tâm nghiên cứu.
Nguyên tắc cơ bản của công nghệ MIMO
Công nghệ MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiều ăng-ten phát và ăng-ten thu ở đầu phát và đầu nhận tương ứng để tín hiệu được truyền và nhận qua nhiều ăng-ten ở đầu phát và đầu thu, từ đó cải thiện chất lượng liên lạc. Nó có thể tận dụng tối đa tài nguyên không gian, thực hiện nhiều lần truyền và nhận nhiều lần thông qua nhiều ăng-ten và có thể tăng gấp đôi dung lượng kênh hệ thống mà không cần tăng tài nguyên phổ tần và công suất truyền ăng-ten, cho thấy những lợi thế rõ ràng và được coi là thế hệ di động tiếp theo. công nghệ truyền thông. Bản chất của công nghệ MIMO là cung cấp độ lợi phân tập không gian và độ lợi ghép kênh không gian cho hệ thống.
Đầu phát ánh xạ tín hiệu dữ liệu sẽ được gửi đến nhiều ăng-ten thông qua ánh xạ không-thời gian và đầu nhận thực hiện giải mã không-thời gian trên các tín hiệu mà mỗi ăng-ten nhận được để khôi phục tín hiệu dữ liệu do đầu phát gửi. Theo các phương pháp ánh xạ không gian-thời gian khác nhau, công nghệ MIMO có thể được chia thành hai loại: phân tập không gian và ghép kênh không gian. Phân tập không gian đề cập đến việc sử dụng nhiều ăng-ten phát để gửi tín hiệu có cùng thông tin qua các đường dẫn khác nhau, đồng thời thu được nhiều tín hiệu mờ dần độc lập của cùng một ký hiệu dữ liệu tại máy thu, để đạt được độ tin cậy thu sóng được cải thiện bằng cách đa dạng. Ví dụ, trong kênh Fading Rayleigh chậm, sử dụng một anten phát và n anten thu, tín hiệu được truyền đi qua n đường khác nhau. Nếu độ suy giảm giữa các anten là độc lập thì độ lợi phân tập cực đại có thể đạt được là n. Đối với công nghệ phân tập phát, nó còn sử dụng độ lợi của nhiều đường để cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Trong một hệ thống có m anten phát và n anten thu, nếu độ lợi đường truyền giữa các cặp anten độc lập và phân bố đồng đều Fading Rayleigh thì độ lợi phân tập tối đa có thể đạt được là mn. Hiện nay, các công nghệ phân tập không gian thường được sử dụng trong các hệ thống MIMO chủ yếu bao gồm Mã khối thời gian không gian (Mã khối thời gian không gian, STBC) và công nghệ tạo chùm tia. STBC là một dạng mã hóa quan trọng dựa trên phân tập phát, trong đó cơ bản nhất là sơ đồ Alamouti được thiết kế cho hai ăng ten.
Phần quan trọng nhất của phương pháp STBC là làm cho các vectơ tín hiệu được truyền trên nhiều anten trực giao với nhau. Việc sử dụng công nghệ STBC có thể đạt được hiệu quả phân tập hoàn toàn, nghĩa là khi công nghệ STBC được sử dụng trong hệ thống có M anten phát và N anten thu thì mức tăng phân tập tối đa là MN. Công nghệ Beamforming là gửi cùng một dữ liệu qua các ăng-ten phát khác nhau để tạo thành các chùm tia định hình hướng đến một số người dùng nhất định, từ đó cải thiện hiệu quả tăng ích của ăng-ten. Để tối đa hóa cường độ tín hiệu của chùm tia hướng tới người dùng, công nghệ định dạng chùm tia thường cần tính toán pha và công suất của dữ liệu được gửi trên mỗi ăng ten phát, còn được gọi là vectơ định dạng chùm tia. Các phương pháp tính toán vectơ định dạng chùm phổ biến bao gồm vectơ giá trị riêng tối đa, thuật toán MUSIC, v.v. Độ lợi phân tập phát tối đa có thể đạt được bằng cách sử dụng công nghệ định dạng chùm cho M anten phát là M. Công nghệ ghép kênh không gian là chia dữ liệu được truyền thành nhiều dữ liệu luồng, sau đó truyền chúng trên các ăng-ten khác nhau, từ đó làm tăng tốc độ truyền của hệ thống. Phương pháp ghép kênh không gian thường được sử dụng là mã không-thời gian xếp lớp theo chiều dọc do Phòng thí nghiệm Bell đề xuất, tức là công nghệ V-BLAST.
