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虚拟MIMO

2021-01-07 20:27:58 百科
虚拟MIMO

虚拟MIMO

MIMO 技术可以有效地提高频谱资源的利用率,早已成为新一代无线通信系统中的关键技术,然而,因为很难满足在小型化、携带型的的移动设备上布置多根天线等原因,限制了其在无线通信系统中的广泛套用。为了克服以上的问题,人们借鉴多跳无线Ad hoc 网路的中继和合作的通信思想,对 MIMO技术进行了改进,提出了虚拟 MIMO 的概念。

基本介绍

  • 中文名:虚拟MIMO
  • 外文名:Virtual MIMO
  • 套用领域:无线通信、移动通信
  • 解决的问题:单天线移动终端无法使用MIMO技术

虚拟 MIMO 技术原理

虚拟 MIMO 技术可以看成是在MIMO 技术的基础上对其的扩展,但是它们两者之间也存在许多的不同点。在MIMO 技术中,传送天线和接收天线都属于同一终端,而在虚拟 MIMO 技术中,各个天线单元之间是相互独立的且它们隶属于不同的终端,空间相邻的若干个无线终端通过聚簇分别 形成传送天线阵列(或称为传送 VAA 小区)、接力天线阵列(或称为接力 VAA 小区)、接收天线阵列(或称为目的 VAA 小区)。当进行信息传输时,传送 VAA 小区会根据实际需要,选择若干个接力 VAA 小区参与信息的协作接力传输,而参与接力的 VAA 小区根据实际需要选择下一级的 VAA 小区参与信息的接力,数据被一步一步接力传输下去,直到目的 VAA 小区接收到为止。

虚拟 MIMO 系统分类及其模型

1、根据实现过程来分类

如果根据实现过程来对虚拟 MIMO 系统进行分类,可以分为以下两种:
(1)有协作通信方式的虚拟 MIMO 技术:指用户之间相互共享各自的数据,相互协作传输数据,提高通信质量。当某一个用户需要与基站通信,它首先会在相邻的用户中挑选一些用户出来,以协助自己通信,接着它会将待传输的数据广播给这些用户,保证参与协作的用户均含有传送数据的副本,然后它们会在同一时隙、同一频段向基站传送数据。这种通信方式主要实现的是 MIMO 技术的分集功能。
(2)无协作通信方式的虚拟 MIMO 技术:指用户之间不能相互共享各自的数据,各自独立地向基站传送数据,是在现实无线通信系统套用中的更为常见的一种方式。当需要进行通信时,基站会依据信道的状况选择若干个用户进行配对,然后这些用户会在同一时隙、同一频段向基站传送数据,基站採用多天线进行接收,并利用先进的接收机和特定技术区分这些信号分别来自哪个用户。这种通信方式主要实现的是 MIMO 技术的复用功能。

2、根据网路结构来分类

据虚拟 MIMO 系统的网路结构来对其进行分类是一种更为常见的分法,依照这种方法,虚拟 MIMO 系统被分为以下两大类:
(1)以基站为核心的网路(Infrastructure Networks)。在这种虚拟 MIMO 系统中,主要是以基站为核心,移动终端设备之间通过相互合作,形成比较固定的小区划分。
(2)无线自组织网路(Ad hoc)的虚拟 MIMO 系统。在这种虚拟 MIMO 系统中,没有基站,VAA 小区的拓扑是动态的,它们的划分并不以基站为中心,需要移动终端自组织形成各个 VAA 小区,或者由人工地进行 VAA 小区的划分。在第一个系统中,以基站为核心,小区划分也比较固定。图 1 给出了以基站为核心的虚拟 MIMO 通信系统示意图,空间相邻的若干个移动终端设备聚簇形成一个个 VAA 小区,小区内的终端除了接收到基站传送给自己的信号外,还接收到从小区内其他无线终端传送来的信号,各个终端之间通过这种方式实现信息的共享。
图1—含有基站的虚拟 MIMO 通信系统示意图图1—含有基站的虚拟 MIMO 通信系统示意图
图 2 给出了无基站的虚拟 MIMO 通信系统。在这种通信系统中,各个VAA 小区均由若干个移动终端设备组成,前后相邻的接力 VAA 小区组成了多级分散式的 MIMO 系统。当进行信号传输时,源终端会将待传送信息共享给它所处的 VAA 小区内其他无线终端,保证 VAA 小区内的其他终端都会含有所发数据的副本。然后,源 VAA 小区内的所有无线终端联合起来通过分散式 MIMO 将数据传送给下一个接力 VAA 小区,接力 VAA 小区进行类似的行为,一直将信息传递下去,直到目的终端接收到源终端传送的信号为止,此类虚拟 MIMO 通信系统是本文研究的重点。

虚拟 MIMO 技术的优势及存在的问题

由上文可知,虚拟 MIMO 的优势在于,突破了传统 MIMO 技术“天线集中、处理集中”的模式。虚拟 MIMO 技术利用若干个单天线终端组成的虚拟天线阵列VAA,相邻的 VAA 之间相互接力传输信息,这就避免了在 MIMO 技术中需要在传送端和接收端需要配置足够多的天线,且这些天线单元间距要足够大所带来的一系列问题,能够很好地利用分集增益和复用增益来提高系统的容量,改善系统的性能。但是虚拟 MIMO 技术在真正能够套用到实际的无线通信系统中去,还有许多问题亟待解决。
首先,现有关于虚拟 MIMO 系统的研究和讨论,都是假定在进行信息传输之前,虚拟天线阵列均已经形成。至于如何在空间分布的终端中选择出合适的终端参与协作,聚簇过程又是根据什幺协定形成的,到2011年还尚未有文献对此进行深一层的讨论。
其次,到2011年为止关于虚拟 MIMO 技术中调製和编码方式,多数都仅仅是考虑空时编码或者 CDMA方式,而要运用这些编码方式都必须在满足 MIMO 阶数已知的前提下,显然,在现实中这一条件很难成立。
再次,现有文献讨论利用虚拟 MIMO 系统传输信息时,由聚簇形成虚拟天线阵列 VAA 均是稳定的,所有的终端之间的空间相对位置是不变的,而且它们之间不会相互干扰,也不受外界环境等因素的影响,这在现实中是不可能的。
最后,现有的文献大多数都是针对基于空时分组码 STBC 或者 CDMA 网路的虚拟 MIMO 系统进行研究,且大多数文献都简单地声称虚拟 MIMO 系统中的技术能够运用到其他系统。然而,通过前文的分析可知,虚拟MIMO 技术虽然可以看做是传统的 MIMO 技术的延伸,但是,除了模拟型转发机制相似之外,虚拟MIMO 技术和传统的 MIMO 技术之间有着很大的区别,因此,并不能简单地推广到其他系统中去。
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