MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) ist eine Technologie, die mehrere Antennen zum Senden und Empfangen von Signalen im Bereich der drahtlosen Kommunikation verwendet. Die MIMO-Technologie wird hauptsächlich im Bereich Wi-Fi (WiFi) und mobile Kommunikation eingesetzt, wodurch die Systemkapazität, die Abdeckung und das Signal-Rausch-Verhältnis effektiv verbessert werden können. Im Allgemeinen bedeutet M×N MIMO, dass es M Antennen auf der Sendeseite und N Antennen auf der Empfangsseite gibt.
Von SISO bis MIMO
SISO (Single-Input Single-Output)
Bevor wir MIMO einführen, müssen wir erklären, was SISO ist. SISO ist ein einzelnes Sende- und Empfangssystem, ein System mit einem Eingang und einem Ausgang, der Pfad zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne ist eindeutig und die Übertragung erfolgt über ein Signal. In drahtlosen Systemen definieren wir jedes Signal als Spatial Stream.
Da der Weg zwischen Sende- und Empfangsantenne einzigartig ist, ist ein solches Übertragungssystem unzuverlässig und die Übertragungsrate ist begrenzt.
SIMO (Single-Input Multiple-Output)
Um die Unzuverlässigkeit und die eingeschränkte Situation von SISO zu ändern, wird am Terminal eine Antenne hinzugefügt, sodass das Empfangsende zwei Signale gleichzeitig empfangen kann, dh einzeln senden und mehr empfangen kann. Ein solches Übertragungssystem ist ein Single-Input-Multiple-Output, also SIMO.
Obwohl es zwei Signale gibt, werden die beiden Signale von derselben Sendeantenne gesendet, sodass die gesendeten Daten dieselben sind und die Übertragung immer noch nur ein Signal ist. Auf diese Weise spielt es keine Rolle, ob ein Teil eines Signals verloren geht, solange das Terminal die vollständigen Daten vom anderen Signal empfangen kann. Obwohl die maximale Kapazität immer noch ein Pfad beträgt, wird die Zuverlässigkeit verdoppelt. Dieser Ansatz wird Rezeptionsdiversität genannt.
MISO (Multiple-Input Single-Output)
Wenn wir unsere Denkweise ändern, was würde dann passieren, wenn wir die Anzahl der Sendeantennen auf zwei erhöhen und die Anzahl der Empfangsantennen auf eine belassen würden?
Da es nur eine Empfangsantenne gibt, müssen die beiden Pfade schließlich zu einem kombiniert werden, was dazu führt, dass die Sendeantenne nur die gleichen Daten senden kann und die Übertragung immer noch nur ein Signal ist. Dies kann tatsächlich den gleichen Effekt wie SIMO erzielen. Das Übertragungssystem wird als Multiple Input Single Output oder MISO bezeichnet. Diese Methode wird auch Emissionsdiversität genannt.
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)
Wenn die Transceiverantenne gleichzeitig auf zwei erhöht wird, ist es dann möglich, zwei Signale unabhängig zu senden und die Rate zu verdoppeln? Die Antwort ist ja, denn aus der vorherigen Analyse von SIMO und MISO hängt die Übertragungskapazität von der Anzahl der Antennen auf beiden Seiten ab. Und dieses Mehrfachübertragungssystem mit mehreren Empfängern ist MIMO.
Mit der MIMO-Technologie können mehrere Antennen mehrere Signale gleichzeitig senden und empfangen und zwischen Signalen unterscheiden, die an oder aus unterschiedlichen räumlichen Ausrichtungen gesendet werden. Durch Space Division Multiplexing und Space Diversity-Technologie können die Systemkapazität, die Abdeckung und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden, ohne den Bandbreitenverbrauch zu erhöhen.
Welche Arten von MIMO gibt es?
MIMO ist eine Technologie, die mehrere Antennen zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet und ursprünglich für die Datenübertragung an einen einzelnen Benutzer verwendet wurde. Mit der Entwicklung der Mehrbenutzer-Übertragungstechnologie sind jedoch eine Vielzahl von Mehrbenutzer-MIMO-Technologien auf der Basis von MIMO entstanden. Um die Unterscheidung zu erleichtern, wird das Single-User-MIMO SU-MIMO (Single-User-MIMO) genannt. Die Mehrbenutzer-MIMO-Technologie umfasst hauptsächlich die folgenden Typen.
MU-MIMO (Mehrbenutzer-MIMO):Ermöglicht dem Sender die gleichzeitige Übertragung von Daten an mehrere Benutzer. Der Wi-Fi 5-Standard begann, MU-MIMO für 4 Benutzer zu unterstützen, und der Wi-Fi 6-Standard erhöhte die Anzahl der Benutzer auf 8.
CO-MIMO (Kooperatives MIMO):Mehrere drahtlose Geräte werden zu einem virtuellen Mehrantennensystem zusammengefasst, um die gleichzeitige Übertragung von Daten zwischen benachbarten Sendegeräten und mehreren Benutzern zu realisieren.
Massives MIMO:Großflächige Antennentechnologie verbessert die Anzahl der Antennen erheblich, herkömmliches MIMO verwendet im Allgemeinen 2 bis 8 Antennen, während Massive MIMO 64/128/256 Antennen erreichen kann. Es kann die Systemkapazität und Übertragungseffizienz erheblich verbessern und ist die Schlüsseltechnologie der 5G-Mobilkommunikation.
Im Großen und Ganzen kann die Mehrbenutzer-MIMO-Technologie als MIMO-Technologie klassifiziert werden. Wenn wir jedoch von MIMO sprechen, beziehen wir uns normalerweise auf das traditionelle MIMO-Konzept, nämlich SU-MIMO.
Wie funktioniert MIMO im WLAN?
Im Wi-Fi-Bereich wurde die MIMO-Technologie beginnend mit dem Wi-Fi 4 (802.11n)-Standard eingeführt. MIMO nutzt hauptsächlich zwei Schlüsseltechnologien: Space Diversity und Space Division Multiplexing. Unabhängig davon, ob es sich um Diversity-Technologie oder Multiplexing-Technologie handelt, handelt es sich um eine Technologie, die einzelne Daten in mehrere Daten umwandelt und als Raum-Zeit-Codierungstechnologie klassifiziert werden kann.
Weltraumvielfalt
Die Idee der Spatial-Diversity-Technologie besteht darin, verschiedene Versionen desselben Datenstroms zu erstellen, sie in verschiedenen Antennen zu kodieren und zu modulieren und sie dann zu übertragen. Dieser Datenstrom kann der ursprüngliche zu sendende Datenstrom sein oder ein neuer Datenstrom sein, der nach einer bestimmten mathematischen Transformation des ursprünglichen Datenstroms gebildet wird. Der Empfänger verwendet den Raumentzerrer, um das empfangene Signal zu trennen, es dann zu demodulieren und zu dekodieren und die verschiedenen empfangenen Signale desselben Datenstroms zu kombinieren, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen. Die Spatial-Diversity-Technologie ermöglicht eine zuverlässigere Datenübertragung.
Die räumliche Diversität verbessert effektiv die Zuverlässigkeit der Datenübertragung und gilt für Szenarien, in denen die Übertragungsentfernung lang und die Rate nicht hoch ist.
Raummultiplex
Bei der Raummultiplextechnologie werden die zu übertragenden Daten in mehrere Datenströme aufgeteilt, die von verschiedenen Antennen codiert und moduliert und dann übertragen werden, um die Übertragungsrate des Systems zu verbessern. Die Antennen sind voneinander unabhängig, eine Antenne entspricht einem unabhängigen Kanal, der Empfänger verwendet einen Raumentzerrer, um das empfangene Signal zu trennen, und demoduliert und dekodiert dann mehrere Datenströme, die zusammengeführt werden, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen.
Raummultiplex verbessert effektiv die Datenübertragungsrate und eignet sich für Szenarien mit kurzen Übertragungsentfernungen und hohen Geschwindigkeitsanforderungen.
Was ist M×N-MIMO?
In den Spezifikationen von WLAN-Produkten findet man üblicherweise den Indikator M×N MIMO, auch MTNR geschrieben, was bedeutet dieser Indikator? Tatsächlich wird es verwendet, um die Anzahl der MIMO-Antennen darzustellen, M stellt die Anzahl der Antennen auf der Sendeseite dar, N repräsentiert die Anzahl der Antennen auf der Empfangsseite. 4×3 MIMO bedeutet beispielsweise, dass vier Antennen senden und drei Antennen empfangen.
Die meisten Heim-WLAN-Router auf dem Markt können mehrere Antennen sehen, eine Antenne kann oft das Empfangen und Senden unterstützen, sodass Sie einfach anhand der Anzahl der Antennen beurteilen können, die Anzahl der Antennen ist der Wert von M und N. Zum Beispiel: Ein WLAN-Router mit 4 Antennen kann als 4x4 MIMO betrachtet werden, natürlich sind die spezifischen Produktspezifikationen maßgebend. Je mehr Antennen, desto höher die Leistung, desto teurer der Preis.
Wenn in einem MIMO-System die Anzahl der Empfangs- und Empfangsantennen nicht gleich ist, ist die Anzahl der übertragbaren räumlichen Datenströme kleiner oder gleich der Anzahl kleinerer Antennen auf der Empfangs-/Sendeseite. Beispielsweise kann ein 4×4 (4T4R) MIMO-System vier oder weniger räumliche Streams übertragen, während ein 3×2 (3T2R) MIMO-System zwei oder einen räumlichen Stream übertragen kann.
In praktischen Anwendungen verfügen APs tendenziell über eine größere Anzahl von Antennen, die von 4 bis 16 Antennen reicht, aber Endgeräte (z. B. Mobiltelefone) verfügen normalerweise nur über 1-2 Antennen. Auch wenn sich die Antennentechnologie ständig verbessert, ist sie durch die Größe des Terminalprodukts begrenzt, selbst wenn sie 1-2 Antennen aufnehmen kann, ist sie weitaus geringer als die Anzahl der AP-Antennen, was bedeutet, dass die Anzahl der räumlichen Die Anzahl der übertragbaren Datenströme wird durch das Endgerät begrenzt, was dazu führt, dass die Geschwindigkeit des Anstiegs der Anzahl der räumlichen Datenströme nicht in vollem Umfang genutzt werden kann, was zu einer Verschwendung von Antennenressourcen am AP führt. Glücklicherweise ist die Multi-User-MIMO-Technologie aufgetaucht und hat dieses Problem gelöst, beispielsweise MU-MIMO, das es einem AP ermöglicht, Signale mit mehreren Terminals gleichzeitig zu übertragen, und die Gesamtzahl der Antennen mehrerer Terminals entspricht der Anzahl der Antennen von AP, so dass die Fähigkeit des AP voll ausgenutzt werden kann.
