Wiele Wejść Wiele Wyjść (MIMO)

MIMO i kanały przestrzenne

W komunikacji radiowej propagacja wielodrogowa oznacza docieranie kopii sygnału różnymi drogami, na przykład po odbiciu od budynków. Różne opóźnienia i fazy kopii mogą powodować interferencje, zaniki i zniekształcenia w łączu z pojedynczą anteną.

Technologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wykorzystuje wiele anten w nadajniku i odbiorniku do wspólnego przetwarzania tych dróg. Zależnie od kanału i wybranej strategii transmisji system może przesyłać niezależne warstwy przestrzenne, zwiększać różnorodność albo kształtować wiązkę w tym samym paśmie częstotliwości. MIMO jest wieloantenową realizacją multipleksacji z podziałem przestrzennym (SDM), gdy przesyłane są niezależne strumienie przestrzenne.

Jak działa MIMO: model sygnału

System MIMO często oznacza się jako $M \times N$, gdzie $M$ jest liczbą anten nadawczych, a $N$ liczbą anten odbiorczych. Dla wąskopasmowego modelu liniowego wektor odebrany można zapisać jako $y = Hx + n$, gdzie $H$ jest macierzą kanału o wymiarach $N \times M$, $x$ jest wektorem nadawanym, a $n$ oznacza szum. Jeśli przesyłanych jest $L$ niezależnych warstw przestrzennych, to $L \leq \operatorname{rank}(H) \leq \min(M,N)$.

1. Mapowanie danych i warstw: Dane są rozdzielane na jeden lub kilka kodowanych strumieni, nazywanych w wielu standardach warstwami. Wybrana liczba warstw zależy od oszacowanego kanału i jego użytecznej rangi.
2. Prekodowanie i transmisja: Każda warstwa jest modulowana i kodowana. Prekoder może odwzorować warstwy na anteny nadawcze, które przesyłają wynikowe sygnały w tych samych zasobach czasu i częstotliwości.
3. Kanał radiowy: Sygnały rozchodzą się w tym samym środowisku radiowym. Odbicia i różnice dróg tworzą macierz kanału, która miesza warstwy w antenach odbiorczych.
4. Odbiór: Zestaw anten odbiorczych próbuje mieszaninę. Każda antena obserwuje inną kombinację liniową, ponieważ różnią się jej położenie i droga radiowa.
5. Estymacja kanału i separacja: Sygnały referencyjne umożliwiają odbiornikowi oszacowanie informacji o stanie kanału (CSI). W systemach z raportowaniem CSI nadajnik wykorzystuje informacje o kanale, takie jak wskaźnik rangi lub wskazanie macierzy prekodowania, do wyboru liczby warstw i prekodera. Cyfrowe Przetwarzanie Sygnałów (DSP) wykorzystuje oszacowanie kanału w detektorze lub korektorze do rozdzielenia i zdekodowania warstw.
6. Ponowne połączenie: Zdekodowane warstwy są porządkowane i łączone w celu odtworzenia pierwotnego strumienia danych.

Tryby pracy MIMO

System MIMO dobiera strategię transmisji do warunków kanału i celu łącza. Główne cele to zwiększenie przepustowości, poprawa niezawodności oraz jakości sygnału odbieranego. Dobór strategii wymaga równoważenia tych celów.