多用戶全雙工通信：為什么MIMO系統(tǒng)蓬勃發(fā)展？

引言

對(duì)講機(jī)如何同時(shí)發(fā)送和接收？我們將研究這一復(fù)雜的現(xiàn)象，您將掌握其要點(diǎn)。我們將探討多用戶全雙工通信。我們還將重點(diǎn)介紹主要挑戰(zhàn)并演示MIMO解決方案。最后，我們將介紹其應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。

 

為什么MIMO系統(tǒng)在多用戶全雙工通信方面表現(xiàn)出色？

 

 

MIMO系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)此特定功能的最佳選擇。這些系統(tǒng)為每個(gè)數(shù)據(jù)流使用多個(gè)天線。這種使用極大地增強(qiáng)了多用戶全雙工通信。經(jīng)典的雙工系統(tǒng)遇到了許多限制。我記得在早期的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中工作時(shí)，經(jīng)典的雙工是一個(gè)持續(xù)的瓶頸。相比之下，MIMO技術(shù)利用了空間域。

 

這個(gè)過(guò)程為用戶形成了獨(dú)立的路徑。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為空間效率 (Spatial Efficiency)，是系統(tǒng)能與8個(gè)或更多用戶一起工作的原因。干擾水平要低得多，數(shù)據(jù)傳輸也快得多。此功能對(duì)5G系統(tǒng)至關(guān)重要。

 

多用戶全雙工通信的基礎(chǔ)知識(shí)！

讓我們進(jìn)入基礎(chǔ)知識(shí)。您將體會(huì)到這項(xiàng)技術(shù)是如何工作的。

 

同步 TX/RX

這是主要特性。TX表示發(fā)送，RX表示接收。在打電話時(shí)，一個(gè)人可以發(fā)出語(yǔ)音，同時(shí)接收到對(duì)方的語(yǔ)音。舊的雙工電報(bào)是這方面的一個(gè)早期例子。現(xiàn)代系統(tǒng)需要先進(jìn)的信號(hào)處理。另一個(gè)重要組成部分是回聲消除，它可以阻止您的信號(hào)遮擋輸入。

 

最多8個(gè)信道

許多系統(tǒng)支持8個(gè)信道。這種支持意味著8個(gè)用戶可以同時(shí)傳輸。這種能力對(duì)團(tuán)隊(duì)極為有益。這方面的例子包括SA618F30等模塊。像消防或電影攝制組這樣的復(fù)雜場(chǎng)景變得更容易管理。當(dāng)更多用戶可以接收無(wú)限信號(hào)時(shí)，團(tuán)隊(duì)合作變得更加順暢。您是否曾嘗試在嘈雜的環(huán)境中用延遲的對(duì)講機(jī)協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)？那幾乎是不可能的。來(lái)自多用戶全雙工通信設(shè)置的即時(shí)、同步反饋改變了游戲規(guī)則。

 

 

FD-MU-MIMO

這個(gè)縮寫(xiě)詞的意思是全雙工多用戶MIMO (Full Duplex Multi User MIMO)。您需要理解這個(gè)術(shù)語(yǔ)的兩個(gè)方面。那么，什么是全雙工通信？“全雙工”部分回答了這個(gè)問(wèn)題。這意味著TX和RX同時(shí)發(fā)生。多用戶MIMO意味著許多用戶可以同時(shí)參與。這對(duì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗箮捄腿萘吭黾恿艘槐?。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)5G、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及多用戶全雙工通信的未來(lái)非常重要。

 

HD (半雙工)

這部分說(shuō)明了什么是全雙工和半雙工通信的范圍。HD，即半雙工，是不同的。一個(gè)數(shù)據(jù)流一次只在一個(gè)方向上移動(dòng)。以對(duì)講機(jī)為例。您按下一個(gè)按鈕 (PTT) 才能通話。您不能同時(shí)通話和收聽(tīng)。這種方法會(huì)導(dǎo)致延遲。更快的通信稱(chēng)為全雙工通信。

 

MIMO技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)FD-MU系統(tǒng)？

MIMO是關(guān)鍵的推動(dòng)者。這就是各個(gè)部分組合在一起的方式。

 

多天線 

MIMO系統(tǒng)使用多個(gè)天線，這定義了“多輸入多輸出” 系統(tǒng)。老式的無(wú)線半雙工系統(tǒng)只有一個(gè)。天線越多，您能捕捉到的信號(hào)就越多。您捕捉到的信號(hào)越多，您可以發(fā)送的數(shù)據(jù)就越多。您發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，您創(chuàng)建的路徑就越多。這個(gè)過(guò)程對(duì)于用戶分離至關(guān)重要。這種設(shè)計(jì)也有助于消除自干擾。最少需要兩個(gè)天線。

 

波束成形 

波束成形是一種智能天線操控技術(shù)，可以集中無(wú)線信號(hào)。它將信號(hào)對(duì)準(zhǔn)特定用戶，最好地描述為“聚光燈”。這種技術(shù)可以防止信號(hào)擴(kuò)散。它還減少了干擾，這意味著信號(hào)更強(qiáng)。范圍也更廣。在測(cè)試中您可以達(dá)到6公里到7公里。根據(jù)施普林格 (Springer) 的研究人員的說(shuō)法，信號(hào)與泄漏噪聲比 (SLNR) 預(yù)編碼方法是關(guān)鍵，因?yàn)樗?ldquo;在性能和復(fù)雜性之間實(shí)現(xiàn)了更好的權(quán)衡。” 這種先進(jìn)的處理正是使波束成形在現(xiàn)實(shí)世界的多用戶全雙工通信環(huán)境中如此有效的原因。

 

空間域 

設(shè)備所占據(jù)的世界部分就是“空間域”。對(duì)于MIMO設(shè)備，此域是一個(gè)資源空間。它可以通過(guò)不同的空間路徑在相同頻率上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)被稱(chēng)為空間復(fù)用 。這提供了連接多個(gè)用戶的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低了信道重疊的風(fēng)險(xiǎn)。這就是8個(gè)用戶可以同時(shí)連接的方式。

 

5G 網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)使用MIMO系統(tǒng)，使其成為全雙工通信的最佳范例之一。5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)低延遲的高速度有很高要求。FD-MU-MIMO滿足了這一需求，有助于同時(shí)為多個(gè)設(shè)備提供服務(wù)，并使物聯(lián)網(wǎng)成為可能。智慧城市和自動(dòng)駕駛汽車(chē)都得到了這項(xiàng)技術(shù)的支持。這種支持反過(guò)來(lái)又使MIMO系統(tǒng)對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)變得無(wú)價(jià)。

 

多用戶全雙工 (FD-MU) 通信的技術(shù)推動(dòng)者！

技術(shù)	核心原則	機(jī)制	主要優(yōu)勢(shì)	性能指標(biāo)	與 FD-MU 的相關(guān)性
多天線	多輸入多輸出	創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)路徑	用戶分離	2+ 天線 (最低)	自干擾消除
波束成形	智能天線操控	集中信號(hào) (聚光燈)	減少干擾	6 km - 7 km 范圍	SLNR 預(yù)編碼權(quán)衡
空間域	物理區(qū)域作為資源	空間復(fù)用 (相同頻率)	減輕信道重疊	8+ 同步用戶	連接多個(gè)用戶
5G 網(wǎng)絡(luò)	MIMO 系統(tǒng)應(yīng)用	FD-MU-MIMO 實(shí)現(xiàn)	服務(wù)多個(gè)設(shè)備	高速度 / 低延遲	賦能物聯(lián)網(wǎng) / 智慧城市

 

多用戶全雙工通信中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)！

這項(xiàng)技術(shù)雖然具有開(kāi)創(chuàng)性，但面臨一些需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

 

自干擾 

SI是列表上的頭號(hào)問(wèn)題。您自己的發(fā)射器信號(hào)聲音太大，泄漏到接收器中。這個(gè)信號(hào)淹沒(méi)了接收器，使其無(wú)法聽(tīng)到。這類(lèi)似于人們?cè)谠噲D傾聽(tīng)時(shí)傾向于大喊大叫。舊的電話雙工線圈系統(tǒng)試圖解決這個(gè)問(wèn)題。更現(xiàn)代的系統(tǒng)更喜歡SI消除器，它可以將SI降低100 dB。

 

多用戶干擾 

多用戶干擾 (MUI) 是一種現(xiàn)象，即多播用戶由于距離過(guò)近而導(dǎo)致其信號(hào)受到干擾。這在密閉空間內(nèi)尤其成問(wèn)題。他們?cè)谝粋€(gè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)質(zhì)量顯著下降。這直接影響了他們的數(shù)據(jù)傳輸速率。波束成形有助于處理MUI問(wèn)題。MUI問(wèn)題也可以通過(guò)使用其他多用戶技術(shù)的排他性來(lái)解決。這有助于確保和保持信號(hào)清晰度。我們經(jīng)常在密集的公寓樓中看到這種情況，那里有幾十個(gè)Wi-Fi信號(hào)在爭(zhēng)奪同一空間。

 

同信道干擾 

同信道干擾 (CCI) 是指在鄰近區(qū)域的用戶由于使用相同頻率信道的信號(hào)重疊而造成的干擾。這主要在雙工系統(tǒng)通信中觀察到。CCI的功能就像一個(gè)主要的噪聲源，提高了捕獲區(qū)域的噪聲水平。這使得接收微弱信號(hào)變得更加困難。這是消費(fèi)者在日常通信中面臨的現(xiàn)象。如果要減輕和消除CCI，必須使用雙工頻率協(xié)調(diào)和CCI管理。

 

信號(hào)泄漏 

信號(hào)泄漏是隱蔽功率的直接和無(wú)意的發(fā)射。一個(gè)用戶在信號(hào)路徑內(nèi)的泄漏信號(hào)會(huì)干擾另一用戶的信號(hào)路徑。這在某種程度上降低了信干噪比 (SINR) 水平。這就是對(duì)SINR產(chǎn)生影響的因素，信號(hào)泄漏也會(huì)降低SINR。通過(guò)管理未使用的SINR殘留干擾和泄漏，可以最大限度地提高用戶性能。但是，如何在不犧牲信號(hào)功率的情況下實(shí)際管理這種泄漏呢？這是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)。

 

多種優(yōu)化MIMO的預(yù)編碼技術(shù)！

 

 

以下是4種MIMO技術(shù)的匯編，它們使用先進(jìn)的波束成形來(lái)解決干擾問(wèn)題。用戶可以使用這四種波束成形技術(shù)來(lái)優(yōu)化干擾。

 

SLNR (提議中)： SLNR表示信號(hào)與泄漏噪聲比 。這是一種仍在改進(jìn)中的方法。它特別適用于多用戶全雙工通信。它在兩個(gè)目標(biāo)之間取得了平衡。它優(yōu)化用戶的信號(hào)。它還最大限度地減少了對(duì)其他用戶的泄漏。SLNR提供了一種閉式解 。它有時(shí)優(yōu)于其他算法。

 

ZF (迫零)： Zero-Forcing簡(jiǎn)稱(chēng)ZF。這種預(yù)編碼方法不太復(fù)雜。它試圖將MUI（即多用戶干擾）強(qiáng)制為零。這在某些雙工系統(tǒng)中在一定程度上有用。然而，ZF在一個(gè)方面存在缺陷。它沒(méi)有考慮噪聲。在信噪比低的區(qū)域，ZF表現(xiàn)不佳。事實(shí)上，ZF往往會(huì)增強(qiáng)噪聲，使其成為穩(wěn)健的多用戶全雙工通信的不良選擇。

 

BD (塊對(duì)角化)： Block-Diagonalization通常稱(chēng)為BD。這是另一種常用方法。而且，它是ZF的擴(kuò)展。它為擁有多個(gè)天線的用戶提供了改進(jìn)。BD完全消除了用戶組干擾。然而，基站主要需要一個(gè)ZF天線。這往往會(huì)增加系統(tǒng)的成本。

 

PCA (白化)： PCA是主成分分析 。它也可以被描述為白化濾波器 。它主要在接收端使用。這通過(guò)改變CCI加噪聲矩陣或SI加噪聲矩陣來(lái)減少干擾。這是一個(gè)清潔濾波器。它增強(qiáng)了SLNR預(yù)編碼器的性能。

 

多用戶全雙工通信中的頻譜效率！

頻譜效率 是用于量化給定系統(tǒng)有用性的術(shù)語(yǔ)。它也是最重要的指標(biāo)。那么，讓我們來(lái)看看數(shù)字。

 

容量加倍： 在一個(gè)系統(tǒng)中，全雙工能力可以使頻譜效率加倍。與半雙工系統(tǒng)相比，這是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。這是多用戶全雙工通信的核心優(yōu)勢(shì)。

 

64.4% 的增益： 了解差異的基礎(chǔ)和在不同構(gòu)建系統(tǒng)中所測(cè)量的相關(guān)增益非常重要。測(cè)試表明，在全雙工系統(tǒng)中，頻譜效率相比半雙工系統(tǒng)有64.4%的增益。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。2023年《科學(xué)報(bào)告》上的一項(xiàng)研究指出，這種增益“由于新方法克服了維度限制而是可觀察到的”。這表明多用戶全雙工通信的理論前景正在實(shí)踐中得到滿足。

 

SE 改進(jìn) (更多天線)： 系統(tǒng)的頻譜效率隨著所用天線數(shù)量的增加而增加。在這種情況下，隨著系統(tǒng)中更多用戶和更多天線，增益肯定會(huì)增加。

 

SLNR 表現(xiàn)更優(yōu)： 在提議的方案中，具有額外天線的 SLNR (信號(hào)與泄漏噪聲比) 表現(xiàn)最佳。與迫零和塊對(duì)角化技術(shù)相比，該方法可實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率。

 

FD-MIMO的4個(gè)實(shí)際應(yīng)用！

在提議的眾多系統(tǒng)中，有幾個(gè)是可以實(shí)踐的。在這種情況下，讓我們看四個(gè)。

 

消防通信

這是最重要的領(lǐng)域之一。壓縮的多用戶全雙工通信是一個(gè)非常有用的工具。消防員可以實(shí)時(shí)相互通信。這對(duì)于舊的雙工電報(bào)通信系統(tǒng)是一個(gè)很大的改進(jìn)。救援人員不僅可以從指揮官那里接收信息，還可以做出回應(yīng)。這提高了在密閉空間內(nèi)使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (Mesh networking) 的安全性和協(xié)調(diào)性。

 

工廠 (工業(yè))

像其他組織環(huán)境一樣，這些地方也有很多噪音。全雙工通信比使用手持對(duì)講機(jī)（半雙工）的舊系統(tǒng)要好得多。這使得工人們可以自由交流，而不受需要按下按鈕的限制。這種通信允許對(duì)許多過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正。避免了大量事故，從而提高了生產(chǎn)線的產(chǎn)量。還可以為每個(gè)系統(tǒng)提供1W的功率，為多用戶全雙工通信提供強(qiáng)大而有效的信號(hào)。

 

電影制作

電影片場(chǎng)可能相當(dāng)混亂。導(dǎo)演需要傳達(dá)信息，攝像團(tuán)隊(duì)需要回應(yīng)。全雙工系統(tǒng)使這成為可能。他們使用對(duì)講系統(tǒng)。這有助于消除大喊大叫的需要。此外，它還有助于節(jié)省大量時(shí)間。例如，16K的采樣率有助于提高整體音頻清晰度。這對(duì)于專(zhuān)業(yè)精神非常重要。我們G-NiceRF已經(jīng)看到我們的全雙工音頻模塊（如SA618F30）正為此目的而被大量采用。清晰度和無(wú)延遲至關(guān)重要。

 

5G/物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一個(gè)由許多相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備組成的系統(tǒng)，需要許多互連。5G網(wǎng)絡(luò)有助于提供所需的速度。FD-MU-MIMO系統(tǒng)提供了所需的容量。這為智能傳感器的使用提供了條件。它有助于智能農(nóng)業(yè)以及智慧城市中的設(shè)備。這就是我們的LoRa模塊發(fā)揮作用的地方。它有助于物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，特別是對(duì)于將數(shù)據(jù)反饋回高速5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程、低功"應(yīng)用。

 

未來(lái)：多用戶全雙工通信中的能源效率！

 

 

下一個(gè)主要步驟是能源。我們需要使這項(xiàng)技術(shù)盡可能高效。

EE (Bit/Hz/Joule)

EE表示系統(tǒng)的能源效率，我們以 Bit/Hz/Joule 來(lái)衡量。這是一個(gè)重要的指標(biāo)。它表示所用能量的多少。目標(biāo)是減少能源消耗。這對(duì)于靠電池運(yùn)行的設(shè)備至關(guān)重要。它有助于延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的壽命。

 

功率模型

了解設(shè)備的功耗很重要。這就是功率模型的用途。該模型中包含傳輸功率 (Tx) 和電路功率。Tx是發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率。電路是運(yùn)行設(shè)備的電路。兩個(gè)元素都必須優(yōu)化。這提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

 

電路功率 

電路功率是一個(gè)重要因素。它包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率。在全雙工中，需要額外的電路來(lái)進(jìn)行SI消除。這個(gè)單元比舊電話中使用的更常見(jiàn)的電話雙工線圈要復(fù)雜得多。所有這些電路都會(huì)消耗能量。對(duì)先進(jìn)電路日益增長(zhǎng)的需求是開(kāi)發(fā)低功耗電路。這是需要更多關(guān)注的領(lǐng)域。

 

FD > HD

研究還表明，F(xiàn)D可能更好。通過(guò)正確的預(yù)編碼器設(shè)計(jì)，全雙工有可能具有更高的EE。該系統(tǒng)的本質(zhì)是它發(fā)送數(shù)據(jù)更快，從而提高了整體能源效率。因?yàn)橥瓿扇蝿?wù)所用的能量更少，所以系統(tǒng)在雙工系統(tǒng)的通信中變得更有效率。正如《IEEE Transactions on Signal Processing》所指出的，“全雙工多用戶MIMO系統(tǒng)的預(yù)編碼：頻譜和能源效率最大化”是下一個(gè)前沿。這證明，通過(guò)智能設(shè)計(jì)，多用戶全雙工通信的更高性能并不一定意味著更高的功耗。

 

常見(jiàn)問(wèn)題！

什么是多用戶MIMO (MU-MIMO)？

MU-MIMO是多用戶多輸入多輸出。基站可以同時(shí)與多個(gè)用戶通信。它使用多個(gè)天線。這與單用戶MIMO不同，后者采用空間復(fù)用技術(shù)來(lái)辨別用戶。這對(duì)于Wi-Fi 6至關(guān)重要，對(duì)于5G也至關(guān)重要。您明白這與僅為單個(gè)用戶配備多個(gè)天線有何不同嗎？

 

FDD與TDD雙工有何不同？

這就回答了什么是全雙工和半雙工通信。FDD是頻分雙工 (Frequency Division Duplex)。它分配2個(gè)獨(dú)立的頻率。一個(gè)用于Tx，一個(gè)用于Rx。TDD，時(shí)分雙工，使用1個(gè)頻率，但分割時(shí)間。Tx和Rx交替進(jìn)行。FDD是全雙工，而TDD是半雙工。

 

5G系統(tǒng)中的自干擾是什么？

自干擾 (SI) 是5G的一個(gè)大問(wèn)題。每個(gè)全雙工對(duì)講機(jī)都有這個(gè)問(wèn)題。收音機(jī)有自己的發(fā)射器信號(hào)“泄漏”到其接收器中。5G信號(hào)功率高，泄漏非常強(qiáng)，比信號(hào)強(qiáng)100 dB。這也需要先進(jìn)的數(shù)字消除技術(shù)。

 

LoRa是全雙工技術(shù)嗎？

這是最常被問(wèn)到的問(wèn)題之一。不，LoRa不是全雙工。它是半雙工。LoRaWAN也是如此。設(shè)備無(wú)法同時(shí)發(fā)送和接收。這與5G等全雙工通信示例不同。然而，一些定制系統(tǒng)可以采用兩個(gè)模塊來(lái)復(fù)制全雙工音頻。

 

什么是萊斯衰落 (LOS)？

萊斯衰落是一種信道模型。它解釋了信號(hào)傳輸?shù)姆绞健Ｋ幸粭l主要的直射路徑，即視距 (LOS) 路徑。它還有幾條較弱的路徑。這些是漫射路徑。這在開(kāi)闊空間中很典型。此模型不同于瑞利衰落 (Rayleigh fading)。瑞利衰落沒(méi)有直接的LOS路徑。

 

MIMO系統(tǒng)在解決困難的干擾問(wèn)題的同時(shí)，還提高了系統(tǒng)的速度。您學(xué)習(xí)了預(yù)編碼方法，并看到了多小區(qū)全雙工系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)是低功耗的。準(zhǔn)備好構(gòu)建您的系統(tǒng)了嗎？請(qǐng)?jiān)贕-NiceRF為您的多用戶全雙工通信需求尋找專(zhuān)業(yè)的射頻解決方案。