MIMO

Суть технологии

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных, согласно которой исходящий поток данных разделяется в демультиплексоре на N потоков для обработки и передачи по отдельным передающим трактам. На приемной стороне имеется M приемных трактов данные с которых проходят через мультиплексор и обрабатывается по специальным алгоритмам, позволяющим снизить число ошибок приема данных, вызванных искажениями в канале передачи и пространственной корреляцией сигналов.

Математическое обоснование

Предположения и допущения: Имеем N передающих элементов и M приемных.

Свойства канала от m-ного элемента к n-ному описываются коэффициентом передачи канала $h_{nm}$. Данные коэффициенты образуют матрицу $\mathbf {H}$ размера NxM.

Коэффициенты матрицы $h_{nm}$ не являются постоянными, но зависят от случайных амплитуды и фазы, сдвиги которых обусловлены наличием многолучевого распространения сигнала.

Преобразования сигналов на передающем и приемном концах выполняется специальной диаграммообразующей схемой (ДОС).

$\mathbf {S}$ — матрица передаваемых сигналов;

$\mathbf {Z}$ — матрица собственных шумов приемных элементов антенны;

$\mathbf {X}$ — матрица принятого сообщения.

Сигнал на приемной стороне записывается следующим образом: $\mathbf {X} =\mathbf {H} \cdot \ \mathbf {S} +\mathbf {Z}$

Задача обработки сигнала MIMO на приемной стороне

Существует два основных вида алгоритмов обработки сигналов на приемной стороне:

• алгоритмы, основанные на методе максимального правдоподобия (ML, Maximum Likelihood);
  
• алгоритмы, основанные на методе минимальных среднеквадратичных отклонений (МСКО);
  
• алгоритмы, основанные на методе форсирования нуля (обнуления, zero forcing, ZF)
  

Также существует разделение на ортогональные и неортогональные методы кодирования/декодирования.
Основной задачей любого метода является поиск решений из числа всех возможных по наименьшему евклидову расстояния между переданным символом и одним из возможных $(2^{K})$ решений.

Метод МСКО предполагает декодирование принятого сигнала по формуле: ${\widehat {\mathbf {\Theta }}}=({{\mathbf {H}}{\mathbf {H}}^{-}1}-2*\sigma ^{2}\cdot {\mathbf {I}})\cdot {\mathbf {H}}^{'}{\mathbf {Y}}$ Метод форсирования нуля предполагает декодирование по формуле: ${\widehat {\mathbf {\Theta }}}=({\mathbf {H}}{\mathbf {H}}^{-1})\cdot {\mathbf {H}}^{'}{\mathbf {Y}}$ Метод максимального правдоподобия основан на поиске минимального расстояния от принятого символа до одного из возможных значений сигнального созвездия. Поиск «слепым» перебором наиболее труден, поскольку число операций здесь пропорционально, где K — кратность манипуляции.

Для снижения вычислительной сложности этой задачи декодирование разделяется на 2 этапа:

• «мягкое» декодирование, то есть приведение принятого символа к одному из $2^{G}$ регшений. при том, что $G>K$.
• «жесткое декодирование», то есть определение окончательного решения путем нахождения наименьшег дискретногоо расстояния Хэмминга между «мягким» и «жестким» решениями.

Ортогональные системы пространственно-временного кодирования

Блочные методы пространственно-временного кодирования.

Упрощенно принцип блочного кодирования заключается в разбиении потока данных на блоки и ретрансляции блока в различные временные интервалы. Таким образом соблюдается принцип неоднократной посылки данных и улучшается помехоустойчивость схемы MIMO как таковой. Однако энергетического выигрыша кодирования по помехоустойчивости (ЭВК) блочные коды не дают. Наиболее простой и распространенной схемой является т. н. Схема Аламоути, согласно которой данные в кодере распределяются в соответствии с матрицей: ${\mathbf {H}}={\begin{pmatrix}x_{1}&x_{2}\\-x_{2}^{*}&x_{1}^{*}\\\end{pmatrix}}$

Декодирование происходит по схеме максимального правдоподобия.

Список литературы

• Сперанский В. С., Евдокимов И. Л., Моделирование сигналов OFDM-MIMO систем беспроводной передачи данных 802.16, Труды Московского технического университета связи и информатики, М:МТУСИ, 2007
• Бакулин М. Г., Крейнделин В. Б., Шлома А. М. Новые технологии в системах мобильной радиосвязи. М:Инсвязьиздат. 2005