多进多出是什么

小嘿 问答 2020-07-14 15:06:12 阅读(...)

多进多出(MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益。

多进多出MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO 系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模 MIMO 技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户,可以有效提高频谱效率。

多进多出 MIMO

定义

多进多出(multiple input multiple output,MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。

多进多出是一种相当复杂的天线分集技术。多径效应会影响信号质量,因此传统的天线系统都在如何消除多径效应上动脑筋。而 MIMO 系统正好相反,它利用多径效应来改善通信质量。在 MIMO 系统中,收发双方使用多副可以同时工作的天线进行通信。MIMO 系统通常采用复杂的信号处理技术来显著增强可靠性、传输范围和吞吐量。发射机采用这些技术同时发送多路射频信号,接收机再从这些信号中将数据恢复出来。

多进多出阵列

要提高系统的吞吐量,一个很好的方法就是提高信道的容量。MIMO 可以成倍地提高衰落信道的信道容量。根据信息论最新成果,假定发送天线数为 m,接收天线数是 n,则在每个天线发送信号能够被分离的情况下。

根据这个工具,对于采用多天线阵发送和接收技术的系统,在理想情况下信道容量将随着 m 线型增加,从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。其次,由于多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合,有很好的的抗干扰能力;进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结合,可以极大地提高系统的性能,这样导致了空时编码技术的产生。空时编码技术真正实现了空分多址,是将来无线通信中必然选择的技术之一。

MIMO 天线阵列,是一种开环的 MIMO 技术,m 个发送天线,使用编码重用技术将同样码集的每个码重复使用 m 次,每个码用来调制不同的数据子流,这样在不增加码资源的基础上提高了原始数据的传输速率。为了分辨 m 个数据子流,在接收端也要使用多天线和空间信号处理。

MIMO 技术主要有两种表现形式,即空间复用和空时编码。这两种形式在 WiMAX 技术中都得到了应用。WiMAX 技术还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。目前 MIMO 技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中。

为充分利用 MIMO 的容量,人们提出了不同的空时处理方案。贝尔实验室提出了一种分层空时结构,它将信源数据分成几个子数据流,独立地进行编码调制,因而它不是基于发射分集的。AT&T 在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码。同时,一种简单的发送分集方案也被提出,并将它进一步推广提出了空时分组编码,由于它具有很低的译码复杂度,已经被正式列入 WCDMA 标准中。空时编码是一种把编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术,也成为后 3G 技术中重要的一部分。

MIMO 系统

MIMO 无线通信系统是未来移动与无线通信系统的关键技术之一。MIMO 系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。

关键模块

1.MIMO 系统信道模型建模

MIMO 系统的性能在很大程度上取决于信道模型,尽管目前已经存在标准化的无线传播模型,并且在大量实测与理论研究工作的基础上提供了许多种 MIMO 信道模型,但是至今还没有被 ITU 所认可的标准化 MIMO 信道模型(3GPP 已制定出了有关 MIMO 的信道模型标准)。因此,了解和掌握户内和户外环境中无线 MIMO 信道的特性,建立 MIMO 信道的静态模型和特定的动态模型,对选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法以实现 MIMO 系统潜在的巨大信道容量、取得预期的性能至关重要。

2.MIMO 系统的容量

相对于传统的单天线系统,MIMO 系统无论在性能还是在数据的传输速率上都是有很大的提高,首先对 MIMO 系统的信道容量进行了深入分析的是 Telestar 和 Foschini,它们分别对高斯噪声下的 MIMO 系统容量的研究表明,在假设各天线相互独立条件下,多天线系统比单天线系统有显著地提高,考虑 M 副发送天线、N 幅接收天线的无线传输系统,在接收端以准确知道信道传输特性的情况下,Foschini 的研究表明:当 M=N 时,得到的与 N 成比例增加的信道容量。在相同发射功率和传输宽带下,该系统比单入单出(SISO)系统的信道容量提高了约 40 多倍。

3.MIMO 天线阵列的设计

一般情况下,基站天线架设的较高,天线阵列周围的近场散射相对较为微弱,因而为了在不同阵元上获取不相关的信号往往需要将阵元间至少保持 10 倍波长间距。当天线数量较大时,基站线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言,由于近场散射体较为丰富,一般认为天线阵元间距 1/2 波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天线阵可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元见得不相关性,因而可相对的减小天线阵列的尺寸。

4.MIMO 系统的信号处理

处于衰落环境中的阵列天线通信系统面临着同信道干扰和符号间干扰。为了逼近多天线系统的容量需要很好地信号处理技术。高性能、低复杂度的信号检测方法或联合检测方法一直是研究者的热点内容。

5.MIMO 系统的复杂度问题

由于 MIMO 系统中信号被扩展至空时二维中,与单天线系统相比,其信道估计、信道均衡、译码、检测环节的复杂度都将随着天线数量或者信号调制阶数的增长而急剧增加,而算法计算量又将直接影响到处理时延、设备功耗以及待机时间。同时,在实际应用中,限制 MIMO 系统的一个关键因素就是多个射频链路所带来的的昂贵成本。对于降低“软件”的计算复杂度,为 MIMO 系统提供更为简单而且有效的信号处理方法和各种空时编、译码方案层出不穷。对于降低“硬件”成本,天线选择则是一项非常关键的技术,其可在保持 MIMO 技术优点的同时,大幅度降低处理复杂度和硬件成本,是将 MIMO 系统推向实用化的一个研究重点。

6.MIMO 系统的分集与复用

MIMO 系统的本质是提供分集增益和复用增益。前者保证系统的传输可靠性,后者提高系统的传输速率。早期文献大多数集中在发送分集和空间复用单独使用或单独与编码结合使用,研究表明,多天线系统能同时提供分集和空间复用,两者之间存在折衷关系。通过合理利用 MIMO 系统分集和复用两种模式来最大限度获得系统增益是非常值得探讨的。

7.(多小区)多用户 MIMO 系统

从理论上讲,多用户 MIMO 系统的容量域已经得到解决,但是如何让容量域满足各种用户对传输速率的要求,仍然没有很好地解决。再者,在广播信道中,由于 MIMO 系统存在天线间和用户间干扰,如何设计发送向量以消除用户间的共信道干扰,如何使功率受限时系统的容量和每个用户特定 QoS 的功率控制最优化的问题,以及存在多小区多用户系统时的相关技术仍是研究重点。

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