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MIMO Spatial Multiplexing

MIMO Spatial Multiplexing

Einer der Hauptvorteile des räumlichen MIMO-Multiplexing ist die Tatsache, dass es zusätzliche Datenkapazität bereitstellen kann. Durch räumliches MIMO-Multiplexing wird dies erreicht, indem die mehreren Pfade verwendet und effektiv als zusätzliche "Kanäle" zum Übertragen von Daten verwendet werden.

Die maximale Datenmenge, die von einem Funkkanal übertragen werden kann, ist durch die nach dem Shannonschen Gesetz definierten physikalischen Grenzen begrenzt.

Shannons Gesetz und räumliches MIMO-Multiplexing

Wie in vielen Bereichen der Wissenschaft gibt es theoretische Grenzen, über die hinaus kein Verfahren möglich ist. Dies gilt für die Datenmenge, die bei Vorhandensein von Rauschen über einen bestimmten Kanal übertragen werden kann. Das Gesetz, das dies regelt, heißt Shannons Gesetz, benannt nach dem Mann, der es formuliert hat. Dies ist besonders wichtig, da die MIMO-Funktechnologie eine Methode bietet, die nicht gegen das Gesetz verstößt, sondern die Datenraten über die auf einem einzelnen Kanal ohne Verwendung möglichen hinaus erhöht.

Das Shannon-Gesetz definiert die maximale Rate, mit der fehlerfreie Daten bei Vorhandensein von Rauschen über eine bestimmte Bandbreite übertragen werden können. Es wird normalerweise in der Form ausgedrückt:

C = W log2(1 + S / N)

Dabei ist C die Kanalkapazität in Bit pro Sekunde, W die Bandbreite in Hertz und S / N das SNR (Signal to Noise Ratio).

Daraus ist ersichtlich, dass die Kapazität eines Kanals mit einer bestimmten Bandbreite letztendlich begrenzt ist. Bevor dieser Punkt erreicht ist, wird die Kapazität jedoch auch durch das Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen Signals begrenzt.

Angesichts dieser Grenzen müssen viele Entscheidungen darüber getroffen werden, wie eine Übertragung erfolgt. Das Modulationsschema kann dabei eine wichtige Rolle spielen. Die Kanalkapazität kann durch Verwendung von Modulationsschemata höherer Ordnung erhöht werden, diese erfordern jedoch ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als die Modulationsschemata niedrigerer Ordnung. Somit besteht ein Gleichgewicht zwischen der Datenrate und der zulässigen Fehlerrate, dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Leistung, die übertragen werden kann.

Während einige Verbesserungen hinsichtlich der Optimierung des Modulationsschemas und der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vorgenommen werden können, sind diese Verbesserungen nicht immer einfach oder billig und stellen ausnahmslos einen Kompromiss dar, bei dem die verschiedenen beteiligten Faktoren ausgeglichen werden. Es ist daher notwendig, andere Möglichkeiten zur Verbesserung des Datendurchsatzes für einzelne Kanäle zu prüfen. MIMO ist eine Möglichkeit, die drahtlose Kommunikation zu verbessern, und erhält daher ein beträchtliches Interesse.

MIMO räumliches Multiplexing

Um die zusätzliche Durchsatzfähigkeit zu nutzen, verwendet MIMO mehrere Antennensätze. In vielen MIMO-Systemen werden nur zwei verwendet, aber es gibt keinen Grund, warum keine weiteren Antennen verwendet werden können, und dies erhöht den Durchsatz. In jedem Fall muss für das räumliche MIMO-Multiplexing die Anzahl der Empfangsantennen gleich oder größer als die Anzahl der Sendeantennen sein.

Um den zusätzlichen Durchsatz zu nutzen, verwenden drahtlose MIMO-Systeme einen mathematischen Matrixansatz. Datenströme t1, t2 ,. tn kann von den Antennen 1, 2 ,. n. Dann gibt es eine Vielzahl von Pfaden, die verwendet werden können, wobei jeder Pfad unterschiedliche Kanaleigenschaften aufweist. Damit der Empfänger zwischen den verschiedenen Datenströmen unterscheiden kann, ist eine Verwendung erforderlich. Diese können durch die Eigenschaften h12 dargestellt werden, die sich von der Sendeantenne 1 zur Empfangsantenne 2 usw. bewegen. Auf diese Weise kann für ein Drei-Sende-, Drei-Empfangs-Antennensystem eine Matrix eingerichtet werden:

r1 = h11 t1 + h21 t2 + h31 t3
r2 = h12 t1 + h22 t2 + h32 t3
r3 = h13 t1 + h23 t2 + h33 t3

Wobei r1 = an Antenne 1 empfangenes Signal ist, ist r2 das an Antenne 2 empfangene Signal und so weiter.

Im Matrixformat kann dies dargestellt werden als:

[R] = [H] x [T]

Um den am Empfänger übertragenen Datenstrom wiederherzustellen, muss eine beträchtliche Menge an Signalverarbeitung durchgeführt werden. Zuerst muss der MIMO-Systemdecoder die einzelne Kanalübertragungscharakteristik hij schätzen, um die Kanalübertragungsmatrix zu bestimmen. Sobald all dies geschätzt wurde, wurde die Matrix [H] erzeugt und die gesendeten Datenströme können durch Multiplizieren des empfangenen Vektors mit der Inversen der Übertragungsmatrix rekonstruiert werden.

[T] = [H]-1 x [R]

Dieser Prozess kann mit der Lösung eines Satzes von N linearen simultanen Gleichungen verglichen werden, um die Werte von N Variablen aufzudecken.

In der Realität ist die Situation etwas schwieriger, da die Weitergabe nie ganz so einfach ist. Darüber hinaus besteht jede Variable aus einem fortlaufenden Datenstrom. Dies zeigt jedoch das Grundprinzip der drahtlosen MIMO-Systeme.


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