שילוב של מודולציה דיגיטלית עם מערכות כניסה מרובה ויציאה מרובה (מימו) עבור שיעורי נתונים גבוהים יותר

מבוא ל-Digital Modulation ו- MIMO אינטגרציה

הביקוש הבלתי-מעורר לנתוני גבוה יותר בתקשורת אלחוטית הוביל את ההתכנסות של שתי טכנולוגיות בסיסיות: מודולציה דיגיטלית ומערכות מרובות Input מרובות Output (MIMO) רשתות מודרניות - מ- 4G LTE ועד 5G ומעבר - באופן מיידי על סינרגיה זו כדי לספק את ה-EP והאמינות הנדרשת ליישומים עמידים רוחב פס כמו הזרמת וידאו אולטרה-HD, מציאות מוגברת, ורווחים מסיביים על ידי טכנולוגיות מתקדמות, המאפשרות של פורמטים של טכנולוגיות מתקדמות של טכנולוגיות מתקדמות של פורמטים של פורמטים של פורמטים של טכנולוגיות דיגיטליות, וטכנולוגיות של מערכות הפעלה וטכנולוגיות מורכבות, אשר מאפשרות שילוב של פורמטים של מערכות מורכבות של פורמטים של רשתות דיגיטליות, אשר מאפשרות שילוב של רשתות דיגיטליות עם יעילות וטכנולוגיות מורכבות של פורמטים וגמישות רחב של פורמטים וטכנולוגיות מורכבות, וטכנולוגיות מורכבות, עם יעילות של מערכות מורכבות, וטכנולוגיות מתקדמות עם יעילות של רשתות דיגיטליות, אשר מאפשרות שילוב של מערכות הפעלה של רשתות דיגיטליות, אשר דורשות של מערכות הפעלה ואמינות, עם יעילות משולבת וטכנולוגיות מורכבות של מערכות הפעלה ואמינות, וטכנולוגיות מורכבות של מערכות מורכבות של מערכות הפעלה וטכנולוגיות מורכבות של מערכות הפעלה וטכנולוגיות מורכבות של מערכות הפעלה וטכנולוגיות מורכבות, אשר דורשות של מערכות הפעלה וגמישות, אשר דורשות של פורמטים

יסודות של Digital Modulation

Modulation דיגיטלי הוא תהליך של מיפוי ביטים דיגיטליים על אותות מובילים אנלוגיים להעברת ערוץ תקשורת.הבחירה של תכנית Modulation משפיעה ישירות על שיעור הנתונים, יעילות רוחב פס וביצועי שגיאה של קישור אלחוטי.

המונחים: Schemes

כמה פורמטים של Modulation משמשים באופן נרחב במערכות אלחוטיות עכשוויות:

• (FLT:0)Quadrature Amplitude Modulation (QAM)FLT:1 - קאריס מידע על ידי שינוי הן amplitude והן שלב של המוביל. סדר גבוה יותר QAM (למשל, 64-QAM, 256-QAM, 1024-QAM) משדר יותר סיביות לסמל, שיפור באמצעות עלות של רגישות מוגברת לרעש והתערבות.
• (FLT:0)Phase Shift Keying (PSK)FearLT:1 ; Encodes נתונים על ידי שינוי שלב של המוביל. Common גרסאות כוללים BPSK (1 bit /symbol), QPSK (2 ביטים /symbol), ו 8-PSK (3 סיביות / symbol). PSK הוא חזק יותר מ QAM בתנאים נמוכים.
• (FLT:0) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)uaFLT:1 - שיטה רב-קריירה שמחלקת את זרם הנתונים לתוך תת-קרקעית מקבילים, כל אחד מהם מתואם עם תוכנית דלת-rate כמו QPSK או QAM שלDM הוא מסוגל למול צורות של 4G ו-5GGGforms.
• (FLT:0) שינוי השקיפות (FSK) ו-מינימום Shift Keying (MSK)IRFLT:1 - בשימוש בכמה יישומים בעלי כוח נמוך ולוויינים, אם כי פחות נפוץ בהקשרים גבוהים של MIMO.

ביצועי מפתח

מסחר במודולציה דיגיטלית ממספר פרמטרים:

• (FLT:0) ,Spectral EfficiencyFLT:1 (bits/s/sHz) - מודולציה גבוהה יותר מגבירה את ביטים לסמל, שיפור יעילות ספקטרלית, אך דורשת יחס גבוה יותר של אות לרעש.
• (FLT:0) הסתברות של ההרחבה: 0 (Error ProbabilityFLT:1), נמדד על ידי bit Error Rate (ER) או שער שגיאות Packet (PER) יותר אגרסיבית מעלה את רצפת השגיאה בתנאים קשים של ערוץ.
• (FLT:0)Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)FigerLT:1 - אותות עתירי גבוה (מקור) דורשים מגברי כוח ליניאריים, צמצום היעילות.

הבנתם של אלה של חילופי הסחר חיונית בעת שילוב של מודולציה עם MIMO, כי הממד המרחבי מוסיף מורכבות והזדמנויות.

טכנולוגיות MIMO: עקרונות וידויים

מספר מערכות של Input מספריות (MIMO) מעסיקות אנטנה מרובות הן את המשדר והן המקלט. ממד מרחבי זה מספק שלוש יתרונות בסיסיים: רווח מגוון, רווח מערך ורווחי מרובות מרחביים.

מספר עצום

מספר רב של הגרלות שולח מספר זרמי נתונים עצמאיים בו זמנית על משאבים בזמן- ⁇ , כל זרם המועבר מאנטנה שונה.המקבל, עם אנטנה מרובות, מפריד את הזרמים באמצעות אלגוריתמי עיבוד אותות (למשל, Zero-Forcing, MMSE, או ביטול אינטרפינסיביות) מספר השכבות המונותבלות מוגבל על ידי מינימום של מספר ומספר זה מקבל רוחב פסים נמוכים יותר.

Transmit and Get Diversity

טכניקות גיוון כמו קודים בלוקים של Space-Time (STBC) ו-Ratio מקסימלית (MRC) משפרות את האמינות האות על ידי העברת אותו מידע על אנטנה מרובות.המקבל משלב את העותקים כדי להילחם בקידוד.גיוון סדר שווה את מספר האנאנטנות, צמצום ההסתברות של דואטמות עמוקות.

Beamforming

Beamforming משתמש בשינויים בשלב על פני רכיבי אנטנה כדי לנווט את האנרגיה המועברת לכיוון מסוים, שיפור כוח האות וצמצום ההתערבות למשתמשים אחרים. בהקשרים MIMO, beamforming יכול להיות אנלוגי (מעבורת פאזה), דיגיטלי (התחילה בפס בסיס), או היברידי (שילוב בשימוש ב-5G mmWave).

MIMO

Massive MIMO מקנה את מספר האנאנטות למאות או לאלפי, בדרך כלל בתחנת הבסיס.תצורה זו ממנת את חוק המספרים הגדולים כדי לפשט עיבוד אותות ולהשיג ביצועים כמעט-אופטימיים עם קודים ליניאריים.זהו אבן הפינה של 5G NR ומעבר, המאפשר יעילות ספקית גבוהה ויעילות אנרגיה.

שילוב של Digital Modulation עם MIMO

הכוח האמיתי של MIMO הוא הבין בשילוב עם מודולציה דיגיטלית הסתגלות וזמין גבוה.האינטגרציה אינה רק סופרפוזיציה של שתי טכניקות; היא דורשת תכנון זהיר של המשדר והמקבל כדי להתאים במשותף את המודולציה ואת עיבוד המרחבי.

שינוי הסתגלות וקידוד (AMC) ב- MIMO

ערוצים אלחוטיים משתנים עם הזמן עקב הקידוד, ההתערבות והניידות.מערכות MCMO עם שכבות מרחביות מרובות יכולות להתאים באופן עצמאי את תכנית המודולציה והקידוד (MCS) לשכבה המבוססת על תנאי ערוצים מיידיים של ערוץ.לדוגמה, שכבה עם רמה בעלת רמה גבוהה של אותות להשוואה עם יחס של פרופיל (SINR) עשויה להשתמש ב-256-QAM עם שיעור קוד גבוה, בעוד שכבה חלשה יותר עם קוד QPSK עם קוד נמוך יותר עם קוד זה באמצעות קוד זה.

מספר עצום של מינון עם סדר גבוה יותר

שילוב של מספר עצום מרחבי עם סדר גבוה יותר QAM היא השיטה העיקרית להשיג שיעורי נתונים רב-גלפס.לדוגמה, מערכת 4×4 MIMO (4 משדר, 4 מקבל אנטנות) באמצעות 256-QAM (8 ביטים / Smbol) לשכבה מניבה 4 × 8 = 32Hz ל- COS עבור רכיב. ב 5GNR , 000 של ספיגה של ערוץ C עם 10 גרם גבוה יותר מ- עם מגבלות עיבוד זה.

עיצוב החלפה ו- Modulation design

הצפייה במדרים מעצבת את האותות המועברים כדי להתאים את ערוץ MIMO.הבחירה של precoder אינטראקציה עם Modulation.לדוגמה, precoders ליניארי כמו Zero-Forcing (ZF) או מינימום ביצועים בינוניים (MMSE) למנוע את הערוץ, אבל הם עשויים לצבוע את LTE.כאשר משתמשים עם מורכבות גבוהה של קוטורציה, הפרעה בין השאר חייב להיות נשמר היטב מתחת לרצפה, אחרת, כלומר, לעומת זאת, תכונות קוד פתוח (Dding) או קידוד 3/5).

משחק עם DM

רוב מערכות MIMO המודרניות להשתמש ב-DM כגלפורש הבסיסי מכיוון שהוא מפשט את השוויון בערוצים התדירות-selective. ofDM מחלק את רוחב הפס לתוך תת-קרקעית אורטוקונאלית, כל אחת מהן חווה קידוד שטוח.מערכת הרחבה MIMO-OFDM חלה גם על מספר עצום של מחזורי חללים, אך שילוב זה חזק: כל תת-מקלע יכול להיות בעל יכולת משלו, ומניעה, כמו גם שימוש בטכניקות קריטיות, אשר מאפשר הקצאה של לחץ דם, כמו גם כן, כלומר, כמו הקצאה של כוח-מחדש, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כמו הקצאה של לחץ דם גבוה, אם זה יכול להיות יעיל.

טכניקות מפתח מעודדות אינטגרציה גבוהה

מידע על המדינה (CSI) Feedback

כדי לבצע מודולציה הסתגלות ו precoding, המשדר זקוק ידע של הערוץ.In Frequency Division דו-חמצני (FDD) מערכות, המקלט מעריך CSI ומזין אותו בחזרה באמצעות ערוץ בקרה ייעודי.ה משוב גדל עם מספר האנאנטנות ו subcarriers, כך טכניקות דחיסה (למשל, משוב מבוסס קוד, covariance) מועסקים ב-Timelessity (TDD), מאפשר להפחית את לוח הבקרה של הטייסים על בסיס ה-MIlinkive).

ניהול השוואתי

ברשתות מרובות תאי MIMO, התערבות בין תאי מגבילה את היתרונות של מודולציה גבוהה סדר.טכניקות כמו קומתואמת Multi-Point (CoMP) שידור, היערכות, ואת אוטוקיונאליות המרחבית של MIMO (עם מערך אנטנה גדול) לעזור להפחית את זה. לדוגמה, במיסה MIMO, את התקשורים של משתמשים שונים להפוך כמעט או לא-חוסנים, ומאפשרים לינאריים ל-conulation גבוה יותר.

אדריכלות קבלה מתקדמת

ב המקלט, אלגוריתמים זיהוי חייבים להפריד את השכבות המרחביות תוך כדי הדגמה של מודולציה גבוהה.מקסימום (ML) זיהוי הוא אופטימלי אך אקספוננציאלי במורכבות. מקלטים מעשיים משתמשים ב- ML על ידי שיטות מבוססות רשימה.עבור גדול MIMO, גלאיים ליניאריים (ZF, MMSE) נפוצים, אך הם סובלים משיפור רעש.

המונחים: mmWave MIMO

בתדרי גלי מילימטר, מספר האנטנה יכול להיות גדול מאוד, אבל העלות החומרה של שרשרת דיגיטלית מלאה לאנטנה היא אסרטיבית.הדבורה היברידית פיצול עיבוד לתוך אנלוגיה (משמרות פאזה) ודיגיטליים (בסיס) שלבים.המוטב האנלוגי מספק כיוון דחוס או דחיסה דיגיטלית, בעוד ה precoder מטפל במספריקסינג ומודולציה.

יתרונות ומסחר-Offs of אינטגרציה

יתרונות

• (FLT:0) ספקטרום ספקטרלי יעילות: ההרחבה יכולה לגשת ליכולת ערוץ MIMO, אשר בקנה מידה עם מספר האנאנטות והסדר המודולציה.מערכות מעשיות להשיג יעילות ספקטרום של 30-50 bps/Hz ב 5G Massive MIMO.
• (FLT:0) שיפור הקישור Reliability: ההרחבה 1 (בהתאמה של מודולציה לתנאי ערוץ מרחבי, מגוון מרוויח הגנה מפני דעיכה עמוקה, צמצום ההסתברות ליציאה.
• (FLT:0) ⁇ משאבים אלקטיביים אל מעבר:FLT:1 Per-layer ו- per-subcarrier הסתגלות מאפשר לרשת לשרת משתמשים עם תכונות ערוץ מגוונות ביעילות.
• (ב) ⁇ :0) ל-Mobility Scenarios:FLT:1 עם estimation ערוץ חזק משוב מהיר, MIMO בשילוב עם מודולציה חזקה (למשל, QPSK) שומרת על קישוריות בסביבות vehicular.

הצעות מסחר

• (FLT:0) מורכבות מוגברת: FLT:1 ; הוראות מודולציה גבוהות יותר דורשות הערכת ערוץ מדויקת וחומרה נמוכה-לא-רעש; MIMO מוסיף מורכבות עיבוד אותות.
• (ב) ⁇ :0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) Power Conposition:FLT:1 דרישות קוארנטיות עבור גלפורים גבוה של הרש"פ (OFDM + high-order QAM) להפחית את יעילות המגבר, המשפיע על חיי הסוללה במכשירי משתמשים.
• (FLT:0) יחס של רגישות: 1FLT בפריסות צפופות, התערבות בין תאית יכולה לשלול את היתרונות של מודולציה מסדר גבוה.

יישום מעשי: 4G, 5G, ומעבר

4G LTE- Advanceded

LTE-A משתמשת עד 8×8 MIMO עם 256-QAM בדלפק ו-64-QAM ב- Uplink. האינטגרציה מושגת באמצעות קידוד מבוסס קודקוד ו- CSI משוב באמצעות PMI (Precoding Matrix Index), RI (Rank Index), ו- CQI (Channel Quality Index) הרשת מתאימה את הדירוג והמודולציה המבוססת על CQI.

5G NR

5G NR דוחף את המעטפה עם תמיכה של MIMO מסיבית (עד 64 TX בתחנה הבסיס, 4-8 ב UE) ו 1024-QAM בתצורה מסוימת.הוא מעסיק מספררולוגיה גמישה, שלDM עם ספיגה subcarrierת, משוב CSI מתקדם (Type I ו- Type II Codebooks) של ניהול תואמים עבור שליטה, בעוד ש- 20Gbulation הוא יכול להיות גבוה יותר מתואם נתונים.

Wi-Fi 6/6E ו-7

תקני Wi-Fi גם מאמצים MIMO ומודולציה מתקדמת.Wi-Fi 6 תומך עד 8 זרמים מרחביים עם 1024-QAM, באמצעות DMA עבור גישה מרובה משתמשים. Wi-Fi 7 יציג 4096-QAM ו- 16 זרמי מרחבי, מיקוד עד 30 Gbps.האינטגרציה היא הקלה על ידי משוב מגובש והתאמה מתאימה לכל משתמש.

אתגרים ודרכים מחקר

ערוץ אסטנס ב High Mobility

במהירויות גבוהות, וריאציות ערוץ לגרום CSI מיושן, degrading Modulation ודיוק precoding. Machine למידה מבוסס צופה ומשוב CSI מזדקן הם תחומי מחקר פעילים.

המונחים: Hardware Impairments

רעש שלב, מגבר כוח לא לינאריות, וחוסר איזון I / Q הופך להיות מזיק יותר עם סדר גבוה QAM ואנטנות רבות. אלגוריתמים של נטייה דיגיטלית ו calibration נדרשים, במיוחד במערךי MIMO מסיבית שבו הפיכה הדדית וריאציות על פני אלמנטים הם משמעותיים.

אנרגיה יעילה

בעוד MIMO מציע רווחי חשמל באמצעות beamforming, את ה- עיבוד הדיגיטלי ורשתות RF לצרוך אנרגיה.מערכות עתידיות חייב איזון באמצעות רווחים עם תקציב כוח.גישות כוללות הפעלה דינמי של רכיבי אנטנה ו- ADCs ברזולוציה נמוכה (למשל, 1 סיביות קוונטיזציה) עבור Massive MIMO, אשר עדיין יכול לתמוך הוראות מודולציה צנועה עם עיבוד אותות חכמים.

אינטגרציה עם Full-Duplex

מלא-דופלקס MIMO, שבו מכשיר משדר ומקבל בו זמנית באותו תדירות, דורש ביטול רב עוצמה של ההתערבות עצמית בשילוב עם מודולציה גבוהה, דרישות רצפת הרעש הופכות מחמירות מאוד.

אפשרויות ל-AI-Driven Modulation ו- MIMO

אינטליגנציה מלאכותית היא מכוונת לחולל מהפכה באינטגרציה של Modulation ו- MIMO. Deep Learning יכולה להחליף את הערכת הערוץ המסורתית, הקידומת, וזיהוי אלגוריתמים, במיוחד בתרחישים עם לא לינאריות מורכבות.לדוגמה, autoencoders יכולים ללמוד מחיקה של קצה עד קצה לסוף ומיפוי מרחבי להתאמה להפצת ערוץ מסוים.

גבול נוסף הוא תקשורת משותפת ו Sensing (JCAS), שבו MIMO גלפורמות נועדו במקביל לשאת נתונים וחוש את הסביבה.זה דורש תוכניות מודולציה המציעות הן גבוה נתונים שיעור גבוה והן תכונות עמימות מכ"ם טוב.עבודה מוקדמת משלבת של DM עם עיבוד מכ"ם MIMO, באמצעות התאמה מתאימה לייעל את ההתערבות בין תקשורת ופעולות רגישות.

מסקנה

השילוב של התאמה דיגיטלית עם מערכות MIMO הוא עמוד יסוד של תקשורת אלחוטית מודרנית.על ידי פגיעה בפורמטים מודולציה מתקדמים כמו 256-QAM ו- DM עם מספר עצום מרחבי, beamforming, וגיוון, מהנדסים השיגו יעילות ספקטרלית ושיעורי נתונים מתקדמים שפעם היו בלתי אפשריים.זה סינתזה אינה סטטית; היא ממשיכה להתפתח עם כל דור של טכנולוגיות תאיות ו-iQ2 ימים לפני כן, כמו 2x2xer.