Introductie tot MIMO

INTRODUCTIE TOT MIMO

Meerdere antennes voor zowel zenders als ontvangers verbeteren aanzienlijk de communicatieprestaties.

Veel moderne telecommunicatiestandaarden, met name in de consumentenruimte, hebben meerdere antenne (MIMO) technologie overgenomen vanwege de aanzienlijke voordelen die het biedt ten opzichte van vergelijkbare systemen die enkele antenne transceivers (SISO) gebruiken.

MIMO staat voor Multiple-In Multiple-Out, wat verwijst naar het feit dat wanneer een pakket in het kanaal wordt verzonden, het wordt verzonden via meer dan één antenne en wanneer het uit het kanaal komt, het wordt ontvangen via meerdere antennes. Dit staat in contrast met een Single-In Single-Out systeem met één antenne aan beide uiteinden van de link, of een SIMO-systeem dat sommige typen radio’s omvat die diversiteitscombinatie gebruiken aan het ontvangende einde, maar nog steeds alleen via één antenne verzenden.

Sommigen vinden de notatie misschien een beetje vreemd, omdat toen de namen oorspronkelijk werden bedacht bij Bell Labs, dit werd gedaan vanuit het perspectief van het kanaal in plaats van de radio, waarbij “in” verwees naar de verzendfunctie.

WAT IS MEERDERE ANTENNE TECHNOLOGIE?

Meerdere antennes bij zowel de zender als de ontvanger introduceren signaleringsgraden van vrijheid die afwezig waren in SISO-systemen. Dit wordt aangeduid als de ruimtelijke vrijheidsgraad. De ruimtelijke vrijheidsgraden kunnen worden benut voor “diversiteit”, “multiplexing” of een combinatie van beide. In eenvoudige bewoordingen betekent diversiteit redundantie.

Een eenvoudig voorbeeld van diversiteit is meerdere antennes die proberen hetzelfde signaal te ontvangen. Het ontvangen signaal op de twee antennes wordt verstoord door ruis die niet gecorreleerd is tussen de antennes, dus door de twee signalen te combineren kan een signaal van betere kwaliteit worden gereconstrueerd. De analogie hier is dat door naar hetzelfde object te kijken vanuit twee verschillende gezichtspunten, rijkere informatie over het object kan worden verkregen. Diversiteit kan ook worden bereikt door meerdere zendantennes te gebruiken met behulp van Space Time Coding (STC) technieken.

De tweede belangrijke MIMO-techniek is ruimtelijke multiplexing. Ruimtelijke multiplexing maakt het mogelijk voor een MIMO-zender/ontvangerpaar om de doorvoer te verhogen zonder het bandbreedtegebruik of de zendvermogen te verhogen. Multiplexing verhoogt de doorvoer lineair met het aantal zendantennes of ontvangstantennes, afhankelijk van welke lager is. De zender verzendt signalen die verschillende bitstromen dragen vanaf elk van zijn antennes. Elke ontvangstantenne ontvangt een lineaire combinatie van de verzonden signalen. Het draadloze kanaal is een matrix die afhankelijk is van de geometrie van de zendantenne/ontvangerantenne-array en de verstrooiers/weerspiegelaars die aanwezig zijn in de omgeving.

Wanneer een MIMO-zender/ontvangerpaar werkt in een omgeving met veel verstrooiing, wordt de kanaalmatrix omkeerbaar, waardoor de ontvanger alle verschillende signalen die zijn verzonden vanuit de verschillende zendantenne-openingen kan decoderen, resulterend in multiplexing-winst. Er is een afweging tussen de hoeveelheid diversiteit en multiplexing-winst die een MIMO-systeem kan bieden. Een typisch MIMO-zender/ontvangerpaar vindt automatisch een werkingspunt op de diversiteit-multiplexing-afwegingscurve op basis van de onmiddellijke omstandigheden van het draadloze kanaal.

TECHNIEK VAN MIMO:

Eigenstraalvorming

Eigenstraalvorming kan zowel aan de zendzijde van een verbinding als aan de ontvangzijde worden uitgevoerd. Klassieke straalvorming is vergelijkbaar met het gebruik van een antenne met een hoge versterking, maar deze hoeft niet opnieuw te worden georiënteerd om in verschillende richtingen te wijzen. Eigenstraalvorming behaalt dezelfde versterking, maar is ongevoelig voor de oriëntatie van de antenne of verstrooiingselementen in de nabijheid van de antenne. Veel mensen denken bij het introduceren van het idee van straalvorming aan systemen zoals phased-array radar, en inderdaad, phased-array is een methode om meerdere antenne-elementen te gebruiken om de richtinggevoeligheid van het antennecluster in verschillende richtingen te sturen, waardoor een zend- of ontvangstantenne “straal” wordt gevormd.

Ondanks dat “phased-array” een ogenschijnlijk geavanceerde uitstraling heeft vanwege het gebruik in extreem dure militaire systemen, is het eigenlijk een eenvoudigere vorm van straalvorming dan wat mogelijk is met een modern MIMO-systeem. Fased-array systemen voeren hun straalvorming uit met beperkte mogelijkheden voor faseverschuiving en het combineren van signalen in het analoge domein, wat enkele belangrijke nadelen met zich meebrengt, waaronder het feit dat het prestatievoordeel afneemt naarmate de kanaalbandbreedte wordt vergroot en dat het over het algemeen alleen werkt in zuivere line-of-sight (LOS) situaties in afwezigheid van enige verstrooiers of multipad die aanzienlijke degradatie veroorzaken.

MIMO eigenstraalvorming daarentegen converteert de signalen van alle antennes naar het digitale domein waar geavanceerde digitale signaalverwerking (DSP) kan worden gebruikt. Eigenstraalvorming kan dus in feite onafhankelijk worden uitgevoerd voor elk van de smalbandige subdragers van een Orthogonale Frequentie-Divisie Multiplexing (OFDM) systeem. In het bijzonder kunnen MIMO-systemen een vorm van straalvorming gebruiken die bekend staat als eigenstraalvorming. Eigenstraalvorming is niet beperkt tot het vormen van een eenvoudige straal in driedimensionale ruimte. Het wordt niet nadelig beïnvloed door verstrooiende objecten of multipad-reflecties. Een eigenstraalvormer die een signaal ontvangt in een niet-lijn-van-zicht (NLOS) situatie met meerdere reflecties, kan een effectief antenne-patroon vormen dat de versterking verhoogt in meerdere richtingen die overeenkomen met de individuele reflecties. Met behulp van digitale signaalverwerking hebben MIMO-systemen de mogelijkheid om deze patronen aan te passen op basis van pakketten.

Ruimte-tijd codering

Ruimte-tijd codering is een mechanisme dat kan worden gebruikt om te zenden via meerdere antennes en vergelijkbare winsten te behalen als met meerdere antenne-diversiteitsontvangst kan worden bereikt. Ruimte-tijd codering betekent het nemen van de gegevens die normaal gesproken vanaf een enkele antenne zouden worden verzonden en het toepassen van een signaalverwerkingscoderingstechniek om een wiskundig gewijzigde versie van dezelfde informatie op extra antennes te verzenden op een manier die het vermogen van de ontvanger versterkt om de gegevens van het achtergrondgeluid te scheiden. Ruimte-tijd codering kan natuurlijk goed samengaan met ontvangststraalvorming of diversiteitsontvangst.

Neem bijvoorbeeld een situatie waarin een voertuiggemonteerde radio gemakkelijk vier antennes kan hebben, terwijl een kleine handheld unit beperkt kan zijn tot twee of zelfs één antenne. Als de handheld op één antenne zendt, kan het voertuigunit ontvangerdiversiteit of straalvorming gebruiken om de ontvangst te verbeteren. Ruimte-tijd codering geeft het voertuig een manier om op alle vier de antennes te zenden en een vergelijkbare winst te behalen wanneer de handheld beperkt is tot een enkele ontvangstantenne, waardoor de verbinding symmetrisch wordt en veel nuttiger wordt voor bidirectionele communicatie.

Ruimtelijke Multiplexing

Ruimtelijke multiplexing is vaak de techniek waar mensen moeite mee hebben om te geloven, laat staan om te begrijpen. Deze MIMO-techniek verzendt daadwerkelijk meerdere unieke informatie “stromen” vanuit verschillende antennes, die elk werken op een identieke middenfrequentie. Een ontvanger die ten minste evenveel antennes gebruikt als het aantal verzonden streams, kan deze individueel decoderen en daardoor de hoeveelheid gegevens verhogen die door een vast kanaalbandbreedte stroomt. Een 4×4 MIMO-systeem kan onder optimale omstandigheden vier streams bereiken en daardoor vier keer zoveel gegevens verzenden als een SISO-systeem over dezelfde kanaalbandbreedte.

Als we een zender hebben die vier streams (A, B, C en D) verzendt, worden deze streams samengevoegd in de lucht en arriveert er bij elk van de vier ontvangstantennes een verwarde combinatie van wA+xB+yC+zD, waarbij w, x, y en z de kanaalverstoringen vertegenwoordigen veroorzaakt door een kanaal met veel multipad, die variëren bij elke antenne. Het is dankzij zeer geavanceerde MIMO-digitale signaalverwerking dat de ontvanger al deze w, x, y, z-kanaaleffecten karakteriseert om de oorspronkelijke A, B, C en D-streams te herstellen door in feite vier vergelijkingen met vier onbekenden op te lossen, wat velen zich misschien herinneren van lineaire algebralessen.

Ruimtelijke multiplexing van MIMO heeft het voordeel dat het de spectrale efficiëntie kan verhogen (bits per seconde per Hz van het kanaal) zonder de robuustheid van de verbinding zoveel te verminderen als het overstappen naar hogere-order constellaties. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van twee streams kan bijna 4 bits/seconde/Hz worden bereikt met 16-QAM en een vrij robuuste FEC coderingsratio. Zonder MIMO zou een systeem 64-QAM en een minder robuuste FEC-coderingsratio moeten gebruiken om vergelijkbare doorvoer binnen hetzelfde kanaal te bereiken, wat de reikwijdte aanzienlijk zou beperken of veel hoger zendvermogen zou vereisen.

Al deze technieken, of ze nu individueel worden gebruikt of in combinatie, bieden voordelen die kunnen worden gemeten in termen van een lager vereist zendvermogen, groter bereik, meer immuniteit tegen ruis of hogere doorvoersnelheden.