MIMO: Wie können zwei so nahe beieinander liegende Antennen unterschiedliche Signale empfangen?

Es gibt verschiedene Arten von MIMO. Das sind Precoding, Spatial Multiplexing und Diversity Coding.

Vorcodierung

Die Idee hinter MIMO ist, dass bei den verwendeten Frequenzen die Wellenlänge klein genug ist, dass sogar ein Abstand von 30 cm ausreicht, um das Signal in verschiedenen Phasen zu empfangen. Wie Brain sagte, beträgt die Wellenlänge bei 2,4 GHz etwa 12,5 cm. Dies bedeutet, dass unabhängig davon, wie weit Sie von den beiden Antennen entfernt sind, die Verzögerung (oder Phasenverzögerung) zwischen den beiden Antennen für jeden gegebenen Winkel immer fest ist.

Sie können diese Phasendifferenz nutzen, um eine Strahllenkung zu erzeugen. Die Mathematik und tatsächliche Implementierung davon ist komplex, aber die allgemeine Idee ist eigentlich relativ einfach. Wenn die beiden Signale in Phase sind, wissen Sie, dass die Quelle dieses Signals von jeder Antenne den gleichen Abstand hat, was bedeutet, dass sich Ihre Quelle irgendwo entlang der Symmetrielinie befinden muss.

Wenn sich die Quelle zu bewegen beginnt, erreicht das Signal zuerst die eine oder andere Antenne und der Winkel vom Empfänger kann anhand der Verzögerung zwischen den beiden bestimmt werden. Auf diese Weise können Sie dann „Sektoren“ oder Strahlen basierend darauf einrichten, wie viel Verzögerung auf das eingehende Signal angewendet wird.

Technisch gesehen ist die Zeichnung, die ich gezeigt habe, nur MISO (Multi in single out), aber die Logik gilt, wenn Sie eine weitere Antenne hinzufügen, um ein vollständiges MIMO zu erstellen. Auch auf der Sendeseite können Sie das Gleiche tun, worüber ich mit dem Empfang gesprochen habe, aber stattdessen wird eine Verzögerung auf die eine oder andere Antenne angewendet, um einen Strahl in einer bestimmten Richtung aus dem Sender heraus zu erzeugen.

Die Genauigkeit des Winkels in und aus jedem Antennenpaar wird sowohl durch den Abstand der Antenne als auch durch die Genauigkeit der Elektronik zum Erzeugen und Erfassen einer bestimmten Phasenverschiebung bestimmt.

Die Dinge werden auch komplexer, wenn Sie beginnen, die Tatsache zu berücksichtigen, dass das Signal an einigen Stellen möglicherweise gleichzeitig an den Antennen ankommt, tatsächlich jedoch 1 vollen Zyklus voneinander entfernt ist. Außerdem muss ein Steuerungssystem eingerichtet sein, um zu wissen, in welche Richtung Sie Ihren Strahl richten sollten, insbesondere wenn Sie ein sich bewegendes Gerät haben.

Aber um direkt zu Ihrer Frage zu kommen, es spielt keine Rolle, ob Ihre Quelle 2 Antennen hat oder nicht, sie wird auf der Empfängerseite gleich behandelt. Was zählt, ist der Winkel, in dem sich die Quelle vom Ziel befindet. Sie enden im Wesentlichen mit einer Quelle, die ihren Strahl in die allgemeine Richtung des Empfängers richtet, und dann lenkt der Empfänger seinen Strahl in die allgemeine Richtung des Senders.

Der große Vorteil der Verwendung von MIMO besteht darin, dass Sie nicht viel zusätzliches Rauschen für benachbarte Geräte erzeugen und so mehr Geräte in einem kleinen Bereich unterbringen können. Da das Signal gerichteter ist, gibt es auch weniger Abprallpunkte, was zu weniger Problemen mit Mehrweg führt.

Bei 2,4 GHz beträgt die Wellenlänge etwa 12,5 cm. Die Empfangsantennen befinden sich also in unterschiedlichen Phasen des Quellsignals.

Die Umgebung für MIMO besteht nicht einfach aus N Sendern und M Empfängern, sie besteht auch aus R Signalreflektoren, die eine Mehrwege-Signaldispersion erzeugen. Diese Reflektoren zwischen Tx und Rx und in ihrer Nähe bestehen aus Dingen wie Gebäuden, Wänden, Bäumen, Aktenschränken, Autos, Menschen usw. Jede Kommunikation, die nicht auf einer ununterbrochenen Ebene stattfindet, hat verschiedene Reflektoren, die Mehrwegsignale verursachen bei den Empfängern.

Multipath erzeugt den Effekt, dass viele Signale aus vielen verschiedenen Richtungen empfangen werden. Sobald die Empfangsantennen λ/2 voneinander entfernt sind, sind ihre Signale als solche im Wesentlichen unkorreliert.

Da die Rx-Antennen nun unkorreliert sind, ist es möglich, am Tx zwei Signale zu erzeugen, sodass jede Rx-Antenne nur eines der Signale empfängt. Dies ist Spatial Division Multiplexing.

Wenn das phantasievoll klingt, bedenken Sie Folgendes. Zwei Signalquellen werden über zwei Koaxialkabel mit zwei Empfängern verbunden. Jedes Signal wird unverfälscht empfangen. Das ist es, was MIMO zu emulieren versucht. Stellen Sie sich nun vor, dass die beiden Kabel undicht sind und übersprechen. Die beiden Signale werden durch einen Teil des anderen Signals verunreinigt. Wenn die Positionen der Kabel festgelegt sind, kann die Menge des Übersprechens gemessen werden, dann können die Sendesignale so zusammengematrixt werden, dass das Übersprechen beim Empfang entfernt wird. Bewegen sich die Kabel, muss das Übersprechen neu gemessen und neue Matrizen aufgebaut werden.

Die Multipath-MIMO-Umgebung ist wie eine Reihe von sehr undichten Kabeln. Über einen Sub-ms-Zeitrahmen bleibt der Kanalpfad stabil genug, um gemessen zu werden, dann werden Matrizen bei Tx und Rx konstruiert, so dass es wie mehrere unabhängige Kanäle aussieht. Die Fehlerkorrektur ermöglicht kleine Änderungen in der Kanalverstärkung, die nur zu einer geringen Verschlechterung der Kanäle führen, anstatt dass sie ihre Arbeit einstellen.

Sie gehen davon aus, dass TX ähnliche Signale von seinen Antennen sendet, sodass sie in 30 Metern gleich wären. Dies ist nicht wahr. TX sendet nicht jedes Mal zwei ähnliche Signale von seinen Antennen. RX empfängt also auch keine ähnlichen Signale. Es ist die Beziehung zwischen diesen Signalen, die MIMO ausnutzt.

Stellen Sie sich ein MIMO-System mit zwei Antennen im Sender und zwei im Empfänger vor und lassen Sie die Kanalkoeffizienten h11, h12, h21, h22 sein. Angenommen, der Sender sendet gleichzeitig x_1 und x_2 von seinen Antennen 1 und 2. Der Empfänger empfängt zwei Signale in den Antennen y_1=h11*x_1+h21*x_2 und y_2=h12*x_1+h_22*x_2 unter der Annahme, dass das System rauschfrei ist. Unter der Annahme, dass die Kanalkoeffizienten am Empfänger unter Verwendung früherer Pilotsignale erhalten wurden, können wir x_1 und x_2 extrahieren, die vom Sender gesendet wurden, wenn diese beiden Gleichungen unabhängig sind. Das wäre möglich, wenn die Kanalkoeffizienten unkorreliert sind. Um dies zu erreichen, müssen die Antennen voneinander beabstandet werden. Dann soll das MIMO-System räumliches Multiplexing erreicht haben. Ein wahrscheinlicher Abstand könnte mindestens 10*Lambda, die Wellenlänge, betragen.

Räumliches Multiplexing MIMO hängt mathematisch von 2 Faktoren ab: 1-Der Rang der Kanalmatrix und 2-Ihre Bedingungszahl Physikalisch übersetzt sich dies nun auch in zwei Faktoren: Die Auflösung des Antennenarrays sowohl auf RX als auch auf Tx und die Winkelausbreitung oder Winkel Unterschied zwischen verschiedenen Multipaths. Solange die als Kosinus ausgedrückte Winkeldifferenz größer ist als die Auflösung des Arrays, die umgekehrt proportional zur auf die Frequenz normierten Arraylänge ist, können Ströme, die von verschiedenen Mehrwegen getragen werden, aufgelöst und auf nahezu orthogonale Weise getrennt werden. In einer Umgebung mit starker Streuung (Winkelstreuung mit großer Leistung) reicht ein Antennenabstand von einer halben Wellenlänge aus, um zwischen verschiedenen Signaturen zu unterscheiden.