چند خروجی ورودی چندگانه (MIMO) یک سیستم آنتنی است که از چندین آنتن در انتهای فرستنده و گیرنده برای ایجاد کانال های متعدد بین انتهای فرستنده و گیرنده استفاده می کند تا ظرفیت کانال را به میزان زیادی افزایش دهد.
چند خروجی چند ورودی یک تکنیک تنوع آنتن نسبتاً پیچیده است. اثرات چند مسیره بر کیفیت سیگنال تأثیر می گذارد، بنابراین سیستم های آنتن سنتی باید از مغز خود برای حذف اثرات چند مسیری استفاده کنند. از سوی دیگر، سیستم های MIMO از جلوه های چند مسیری برای بهبود کیفیت ارتباطات استفاده می کنند. در سیستم MIMO، طرف های فرستنده و گیرنده از چندین آنتن استفاده می کنند که می توانند به طور همزمان برای برقراری ارتباط کار کنند. سیستمهای MIMO معمولاً از تکنیکهای پیچیده پردازش سیگنال برای افزایش قابلتوجه قابلیت اطمینان، برد و توان استفاده میکنند. با استفاده از این تکنیک ها، فرستنده چندین سیگنال فرکانس رادیویی را به طور همزمان ارسال می کند و گیرنده داده ها را از این سیگنال ها بازیابی می کند. سیستم ارتباط بی سیم MIMO یکی از فناوری های کلیدی سیستم های ارتباطی سیار و بی سیم آینده است. ویژگی بارز سیستم MIMO این است که راندمان استفاده از طیف بسیار بالایی دارد. بر اساس استفاده کامل از منابع طیف موجود، از منابع فضایی برای به دست آوردن دستاوردهایی در قابلیت اطمینان و اثربخشی استفاده می شود. پایان پیچیدگی پردازش
ماژول کلید
1. مدل سازی مدل کانال سیستم MIMO
عملکرد یک سیستم MIMO تا حد زیادی به مدل کانال بستگی دارد. اگرچه قبلاً مدلهای انتشار بیسیم استانداردی وجود دارد و بسیاری از مدلهای کانال MIMO بر اساس تعداد زیادی اندازهگیری واقعی و تحقیقات نظری ارائه شدهاند، اما هنوز توسط ITU شناسایی نشدهاند. مدل استاندارد کانال MIMO شناخته شده (3GPP استانداردهای مدل کانال را برای MIMO فرموله کرده است). بنابراین، درک و تسلط بر ویژگیهای کانالهای MIMO بیسیم در محیطهای داخلی و خارجی، ایجاد مدلهای استاتیک و مدلهای دینامیکی خاص کانالهای MIMO، برای انتخاب ساختارهای سیستم مناسب و طراحی الگوریتمهای پردازش سیگنال عالی برای تحقق کانالهای عظیم بالقوه سیستمهای MIMO ضروری است. ظرفیت، دستیابی به عملکرد مورد انتظار حیاتی است.
2. ظرفیت سیستم MIMO
در مقایسه با سیستم تک آنتن سنتی، سیستم MIMO هم از نظر عملکرد و هم از نظر سرعت انتقال داده بسیار بهبود یافته است. ابتدا Telestar و Foschini تجزیه و تحلیل عمیقی از ظرفیت کانال سیستم MIMO انجام دادند. آنها به ترتیب نویز گاوسی را تجزیه و تحلیل کردند. تحقیقات روی ظرفیت سیستم MIMO در شرایط زیر نشان می دهد که با فرض مستقل بودن آنتن ها از یکدیگر، سیستم چند آنتنی به طور قابل توجهی در مقایسه با سیستم تک آنتن بهبود یافته است. در مورد دانستن ویژگیهای انتقال کانال، تحقیقات فوشینی نشان میدهد که: وقتی M{4}}N ظرفیت کانال بهدستآمده به نسبت N افزایش مییابد. تحت همان توان انتقال و پهنای باند انتقال، ظرفیت کانال سیستم حدود 40 برابر بیشتر از سیستم تک ورودی تک خروجی (SISO) است.
3. طراحی آرایه آنتن MIMO
به طور کلی، آنتن های ایستگاه پایه در بالا نصب می شوند و پراکندگی میدان نزدیک در اطراف آرایه آنتن نسبتا ضعیف است. بنابراین، برای به دست آوردن سیگنال های غیر همبسته در عناصر آرایه مختلف، اغلب لازم است که حداقل 10 برابر فاصله طول موج بین عناصر آرایه حفظ شود. هنگامی که تعداد آنتن ها زیاد باشد، ممکن است موانعی برای نصب آرایه های خط ایستگاه پایه وجود داشته باشد. برای پایانه های تلفن همراه، به دلیل وجود پراکنده های میدان نزدیک فراوان، به طور کلی اعتقاد بر این است که فاصله بین عناصر آنتن بیش از 1/2 طول موج است تا همبستگی سیگنال به اندازه کافی ضعیف باشد. آرایه آنتن پلاریزه میتواند از حالتهای قطبش متعامد متقابل در موقعیت مکانی یکسان استفاده کند تا عدم ربط ظاهری عناصر آرایه را درک کند، به طوری که اندازه آرایه آنتن میتواند نسبتاً کاهش یابد.
4. پردازش سیگنال سیستم MIMO
یک سیستم ارتباطی آنتن آرایه ای در یک محیط محو شده با تداخل کانال مشترک و تداخل بین نمادی مواجه است. برای نزدیک شدن به ظرفیت یک سیستم چند آنتنی، تکنیک های پردازش سیگنال خوب مورد نیاز است. روشهای تشخیص سیگنال با کارایی بالا و پیچیدگی کم یا روشهای تشخیص مشترک همیشه موضوع داغ محققان بوده است.
5. مشکل پیچیدگی سیستم MIMO
از آنجایی که سیگنال در سیستم MIMO در مقایسه با سیستم تک آنتنی به فضا-زمان دو بعدی گسترش مییابد، پیچیدگی تخمین کانال، تساوی کانال، رمزگشایی و پیوندهای تشخیص با تعداد آنتنها افزایش مییابد. افزایش ترتیب مدولاسیون سیگنال مقدار محاسبه الگوریتم مستقیماً بر تأخیر پردازش، مصرف انرژی دستگاه و زمان آماده به کار تأثیر می گذارد. در عین حال، در کاربردهای عملی، یک عامل کلیدی که سیستمهای MIMO را محدود میکند، هزینه بالایی است که توسط چندین پیوند فرکانس رادیویی ایجاد میشود. برای کاهش پیچیدگی محاسباتی «نرمافزار»، روشهای پردازش سیگنال سادهتر و مؤثرتر و طرحهای مختلف رمزگذاری و رمزگشایی فضا-زمان را برای سیستمهای MIMO ارائه کنید. برای کاهش هزینه «سختافزار»، انتخاب آنتن یک فناوری بسیار حیاتی است که میتواند پیچیدگی پردازش و هزینه سختافزار را تا حد زیادی کاهش دهد و در عین حال مزایای فناوری MIMO را حفظ کند و تمرکز تحقیقاتی برای ترویج کاربرد عملی سیستمهای MIMO است.
6. تنوع و چندگانه سازی سیستم های MIMO
ماهیت سیستم MIMO ارائه بهره تنوع و بهره مالتی پلکسی است. اولی قابلیت اطمینان انتقال سیستم را تضمین می کند و دومی نرخ انتقال سیستم را بهبود می بخشد. بیشتر ادبیات اولیه بر استفاده از تنوع انتقال و چندگانه سازی فضایی به تنهایی یا در ترکیب با کدگذاری متمرکز شده است. مطالعات نشان داده اند که سیستم های چند آنتنی می توانند تنوع و مالتی پلکس فضایی را همزمان فراهم کنند و بین این دو مبادله وجود دارد. برای به حداکثر رساندن سود سیستم با استفاده منطقی از دو حالت تنوع و چندگانه سازی در سیستم های MIMO ارزش کاوش را دارد.
7. (چند سلولی) سیستم MIMO چند کاربره
از نظر تئوری، دامنه ظرفیت سیستم MIMO چند کاربره حل شده است، اما نحوه ایجاد دامنه ظرفیت مطابق با الزامات نرخ انتقال کاربران مختلف هنوز به خوبی حل نشده است. همچنین در کانال پخش با توجه به تداخل بین آنتنی و بین کاربر در سیستم MIMO، نحوه طراحی بردار انتقال برای حذف تداخل کانال مشترک بین کاربران، نحوه ایجاد ظرفیت سیستم و کنترل قدرت QoS خاص هر کاربر زمانی که قدرت محدود است مشکل بهینه سازی و فن آوری های مرتبط در حضور سیستم های چند کاربره چند سلولی هنوز در کانون تحقیقات است.
اصول اولیه فناوری MIMO
فناوری MIMO به استفاده از آنتن های فرستنده متعدد و آنتن های گیرنده به ترتیب در انتهای فرستنده و گیرنده اشاره دارد، به طوری که سیگنال ها از طریق آنتن های متعدد در انتهای فرستنده و انتهای گیرنده ارسال و دریافت می شوند و در نتیجه کیفیت ارتباط بهبود می یابد. می تواند از منابع فضایی استفاده کامل کند، ارسال های متعدد و دریافت های متعدد را از طریق آنتن های متعدد انجام دهد و بدون افزایش منابع طیف و قدرت انتقال آنتن، ظرفیت کانال سیستم را دوبرابر کند و مزایای آشکاری از خود نشان دهد و به عنوان نسل بعدی هسته اصلی موبایل در نظر گرفته شود. فناوری ارتباطات ماهیت فناوری MIMO فراهم کردن بهره تنوع فضا و بهره مالتی پلکس شدن فضا برای سیستم است.
انتهای فرستنده سیگنال داده ارسالی به چندین آنتن را از طریق نگاشت فضا-زمان ترسیم می کند و انتهای گیرنده رمزگشایی فضا-زمان را بر روی سیگنال های دریافتی توسط هر آنتن انجام می دهد تا سیگنال داده ارسال شده توسط انتهای فرستنده را بازیابی کند. با توجه به روش های مختلف نقشه برداری فضا-زمان، فناوری MIMO را می توان به طور تقریبی به دو دسته تقسیم کرد: تنوع فضا و چندگانه سازی فضا. تنوع فضایی به استفاده از آنتن های فرستنده متعدد برای ارسال سیگنال ها با اطلاعات یکسان از طریق مسیرهای مختلف، و در عین حال به دست آوردن چندین سیگنال محو شده مستقل از یک نماد داده در گیرنده اشاره دارد، به طوری که قابلیت اطمینان دریافت بهبود یافته است. تنوع به عنوان مثال، در یک کانال محو ریلی آهسته، با استفاده از یک آنتن ارسال و n آنتن گیرنده، سیگنال ارسالی از n مسیر مختلف عبور می کند. اگر محو شدن بین آنتن ها مستقل باشد، حداکثر بهره تنوع را می توان به صورت n بدست آورد. برای فناوری تنوع انتقال، همچنین استفاده از بهره مسیرهای متعدد برای بهبود قابلیت اطمینان سیستم است. در سیستمی با m آنتن فرستنده و n آنتن گیرنده، اگر مسیر بین جفت آنتنها مستقل باشد و به طور یکنواخت در حال محو شدن ریلی باشد، حداکثر بهره تنوعی که میتوان به دست آورد mn است. در حال حاضر، فناوریهای تنوع فضایی که معمولاً در سیستمهای MIMO مورد استفاده قرار میگیرند، عمدتاً شامل Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) و فناوریهای شکلدهی پرتو میشوند. STBC یک فرم کدگذاری مهم بر اساس تنوع انتقال است که اساسی ترین آن طرح Alamouti است که برای دو آنتن طراحی شده است.
مهمترین بخش روش STBC این است که بردارهای سیگنالی که روی چندین آنتن ارسال می شوند به صورت متعامد به یکدیگر تبدیل شوند. استفاده از فناوری STBC میتواند به اثر تنوع کامل دست یابد، یعنی زمانی که فناوری STBC در سیستمی با آنتنهای فرستنده M و آنتنهای دریافت N استفاده میشود، حداکثر بهره تنوع MN است. فن آوری شکل دهی پرتو به این صورت است که داده های مشابهی را از طریق آنتن های فرستنده مختلف ارسال می کند تا پرتوهای شکلی را که به سمت کاربران خاص هدایت می شوند، بفرستند، در نتیجه به طور موثر افزایش آنتن را بهبود می بخشد. برای به حداکثر رساندن قدرت سیگنال پرتوی هدایت شده به کاربر، فناوری شکل دهی پرتو معمولاً نیاز به محاسبه فاز و توان داده های ارسال شده روی هر آنتن فرستنده دارد که به آن بردار شکل دهی پرتو نیز گفته می شود. روشهای معمول محاسبه بردار شکلدهی پرتو شامل حداکثر بردار مقدار ویژه، الگوریتم MUSIC و غیره است. حداکثر بهره تنوع انتقالی که میتوان با استفاده از فناوری شکلدهی پرتو برای آنتنهای انتقال M به دست آورد، M است. استریم می کند و سپس آنها را روی آنتن های مختلف ارسال می کند و در نتیجه سرعت انتقال سیستم را افزایش می دهد. روش متداول مضاعف فضایی، کد فضا-زمان لایهای عمودی است که توسط آزمایشگاههای بل پیشنهاد شده است، یعنی فناوری V-BLAST.
