MIMO (Multiple Input Multiple Output) は、送信端と受信端の両方で複数のアンテナを使用して、送信端と受信端の間に複数のチャネルを形成し、チャネル容量を大幅に増加させるアンテナ システムです。
多入力多出力はかなり複雑なアンテナ ダイバーシティ技術です。マルチパス効果は信号品質に影響を与えるため、従来のアンテナ システムはマルチパス効果を排除する方法に知恵を絞る必要があります。一方、MIMO システムはマルチパス効果を使用して通信品質を向上させます。 MIMO システムでは、送信側と受信側が同時に動作できる複数のアンテナを使用して通信します。 MIMO システムは通常、複雑な信号処理技術を採用して、信頼性、範囲、スループットを大幅に向上させます。これらの技術を使用して、送信機は複数の無線周波数信号を同時に送信し、受信機はこれらの信号からデータを復元します。 MIMO 無線通信システムは、将来のモバイルおよび無線通信システムの主要技術の 1 つです。 MIMO システムの明らかな特徴は、スペクトル利用効率が非常に高いことです。既存のスペクトルリソースを最大限に活用することに基づいて、宇宙リソースは信頼性と有効性の向上を得るために使用されます。処理の複雑さを終了します。
キーモジュール
1. MIMOシステムチャネルモデルのモデリング
MIMO システムのパフォーマンスはチャネル モデルに大きく依存します。すでに標準化された無線伝播モデルが存在し、多数の実測と理論的研究作業に基づいて多くの MIMO チャネル モデルが提供されていますが、それらはまだ ITU によって認識されていません。標準化された MIMO チャネル モデルが認識されています (3GPP は MIMO のチャネル モデル標準を策定しています)。したがって、屋内および屋外環境における無線 MIMO チャネルの特性を理解して習得し、MIMO チャネルの静的モデルと特定の動的モデルを確立することは、適切なシステム構造を選択し、MIMO システムの潜在的な巨大チャネルを実現する優れた信号処理アルゴリズムを設計するために不可欠です。容量、期待されるパフォーマンスを達成することが重要です。
2. MIMOシステムの容量
従来の単一アンテナ システムと比較して、MIMO システムはパフォーマンスとデータ伝送速度の両方の点で大幅に向上しました。まず、Telestar と Foschini は、MIMO システムのチャネル容量の詳細な分析を実施しました。彼らはそれぞれガウス ノイズを分析しました。 以下の条件下での MIMO システムの容量に関する研究では、アンテナが互いに独立しているという仮定の下で、マルチ アンテナ システムがシングル アンテナ システムと比較して大幅に改善されることが示されています。チャネルの伝送特性を知る場合、フォスキーニの研究では、M=N の場合、得られるチャネル容量は N に比例して増加することが示されています。同じ送信電力と送信帯域幅の下では、システムのチャネル容量はこれは、単入力単出力 (SISO) システムの約 40 倍です。
3. MIMOアンテナアレイの設計
一般に、基地局のアンテナは高く設置されており、アンテナ アレイの周囲の近接場散乱は比較的弱いです。したがって、異なるアレイ要素で相関のない信号を取得するには、多くの場合、アレイ要素間に少なくとも 10 倍の波長間隔を維持する必要があります。アンテナの数が多い場合、基地局のラインアレイを構築するのに障害が生じる可能性があります。モバイル端末の場合、近接場散乱体が豊富に存在するため、アンテナ素子間の距離が波長の 1/2 以上あると、信号の相関が十分に弱くなると一般に考えられています。偏波アンテナアレイは、同じ空間位置で相互に直交する偏波状態を使用して、アレイ素子の見かけの無関係を実現することができ、その結果、アンテナアレイのサイズを比較的縮小することができる。
4. MIMOシステムの信号処理
フェージング環境におけるアレイ アンテナ通信システムは、同一チャネル干渉とシンボル間干渉に直面します。マルチアンテナ システムの能力に近づくには、優れた信号処理技術が必要です。高性能で複雑性の低い信号検出法または結合検出法は、研究者にとって常にホットな話題です。
5. MIMO システムの複雑さの問題
MIMO システムの信号は 2 次元時空間に拡張されるため、単一アンテナ システムと比較して、チャネル推定、チャネル等化、復号化、および検出リンクの複雑さは、アンテナの数またはアンテナの数に応じて増加します。信号変調次数の増加。アルゴリズムの計算量は、処理遅延、デバイスの消費電力、スタンバイ時間に直接影響します。同時に、実際のアプリケーションでは、MIMO システムを制限する主な要因は、複数の無線周波数リンクによってもたらされる高コストです。 「ソフトウェア」の計算の複雑さを軽減するには、MIMO システム用に、よりシンプルで効果的な信号処理方法とさまざまな時空間符号化および復号化スキームを提供します。 「ハードウェア」コストを削減するために、アンテナの選択は非常に重要な技術であり、MIMO 技術の利点を維持しながら処理の複雑さとハードウェアのコストを大幅に削減でき、MIMO システムの実用化を促進するための研究の焦点となっています。
6. MIMO システムの多様性と多重化
MIMO システムの本質は、ダイバーシティ ゲインと多重化ゲインを提供することです。前者はシステムの伝送信頼性を保証し、後者はシステムの伝送速度を向上させます。初期の文献のほとんどは、送信ダイバーシティと空間多重化を単独で、またはコーディングと組み合わせて使用することに焦点を当てていました。研究によると、マルチアンテナ システムはダイバーシティと空間多重化を同時に提供でき、この 2 つの間にはトレードオフが存在します。 MIMO システムでダイバーシティと多重化の 2 つのモードを合理的に利用して、システム ゲインを最大化することを検討する価値があります。
7. (マルチセル) マルチユーザー MIMO システム
理論的には、マルチユーザー MIMO システムの容量ドメインは解決されましたが、容量ドメインをさまざまなユーザーの伝送速度要件を満たす方法はまだ十分に解決されていません。さらに、放送チャネルでは、MIMO システムにおけるアンテナ間およびユーザー間の干渉により、ユーザー間の同一チャネル干渉を排除するための送信ベクトルをどのように設計するか、システム容量と電力制御をどのように行うかが問題となります。電力が制限されている場合の各ユーザー固有の QoS マルチセル マルチユーザー システムが存在する場合の最適化および関連テクノロジの問題は、依然として研究の焦点です。
MIMO テクノロジーの基本原理
MIMO技術とは、送信側と受信側でそれぞれ複数の送信アンテナと受信アンテナを使用し、送信側と受信側の複数のアンテナを介して信号を送受信することで通信品質を向上させる技術です。空間リソースを最大限に活用し、複数のアンテナを介して複数の送信と複数の受信を実現でき、スペクトルリソースとアンテナ送信電力を増加させることなくシステムチャネル容量を2倍にすることができ、明らかな利点を示し、次世代モバイルのコアとみなされています。コミュニケーションの技術。 MIMO テクノロジーの本質は、システムに空間ダイバーシティ ゲインと空間多重化ゲインを提供することです。
送信側は時空間マッピングを通じて複数のアンテナに送信するデータ信号をマッピングし、受信側は各アンテナで受信した信号に対して時空間復号化を実行して、送信側から送信されたデータ信号を復元します。さまざまな時空間マッピング方法に従って、MIMO テクノロジーは空間ダイバーシティと空間多重化の 2 つのカテゴリに大別できます。空間ダイバーシティとは、複数の送信アンテナを使用して同じ情報を持つ信号を異なる経路で送信し、同時に受信機で同じデータ シンボルの複数の独立したフェージング信号を取得し、受信の信頼性を向上させることを指します。多様性。たとえば、低速レイリー フェージング チャネルでは、1 つの送信アンテナと n 個の受信アンテナを使用して、送信信号は n 個の異なるパスを通過します。アンテナ間のフェージングが独立している場合、最大のダイバーシティ利得は n として得られます。送信ダイバーシティ技術の場合、複数のパスのゲインを使用してシステムの信頼性を向上させることもできます。 m 個の送信アンテナと n 個の受信アンテナを備えたシステムでは、アンテナ ペア間のパス ゲインが独立しており、レイリー フェージングが均一に分散されている場合、取得できる最大ダイバーシティ ゲインは mn です。現在、MIMO システムで一般的に使用される空間ダイバーシティ技術には、主に時空間ブロック コード (Space Time Block Code、STBC) とビームフォーミング技術が含まれます。 STBC は送信ダイバーシティに基づく重要なコーディング形式であり、その最も基本的なものは 2 つのアンテナ用に設計された Alamouti スキームです。
STBC 方式の最も重要な部分は、複数のアンテナで送信される信号ベクトルを互いに直交させることです。 STBC 技術を使用すると、完全なダイバーシティの効果を実現できます。つまり、M 個の送信アンテナと N 個の受信アンテナを備えたシステムで STBC 技術を使用すると、最大ダイバーシティ ゲインは MN になります。ビームフォーミング技術は、異なる送信アンテナを通じて同じデータを送信して、特定のユーザーに向けた成形ビームを形成し、それによってアンテナ利得を効果的に向上させることです。ユーザーに向けられたビームの信号強度を最大化するために、ビームフォーミング技術は通常、各送信アンテナで送信されるデータの位相と電力を計算する必要があります。これはビームフォーミング ベクトルとも呼ばれます。一般的なビームフォーミング ベクトルの計算方法には、最大固有値ベクトル、MUSIC アルゴリズムなどがあります。M 個の送信アンテナに対するビームフォーミング技術を使用して得られる最大送信ダイバーシティ ゲインは M です。空間多重技術は、送信されるデータを複数のデータに分割することです。ストリームを分割し、それらを別のアンテナで送信することで、システムの送信速度が向上します。一般的に使用される空間多重方式は、ベル研究所が提案する垂直階層型時空間符号、すなわちV-BLAST技術である。
