Multiple Input Multiple Out (MIMO) היא מערכת אנטנות המשתמשת באנטנות מרובות הן בקצה המשדר והן בקצה המקלט כדי ליצור ערוצים מרובים בין קצוות השידור והקליטה על מנת להגדיל במידה ניכרת את קיבולת הערוץ.
פלט מרובה כניסות הוא טכניקת גיוון אנטנות מסובכת למדי. אפקטים מרובי-נתיבים ישפיעו על איכות האות, ולכן מערכות אנטנות מסורתיות צריכות להשתמש במוח שלהן כיצד לבטל אפקטים מרובי-נתיבים. מערכות MIMO, לעומת זאת, משתמשות באפקטים מרובי נתיבים כדי לשפר את איכות התקשורת. במערכת MIMO, הצדדים המשדרים והמקבלים משתמשים במספר אנטנות שיכולות לעבוד בו זמנית כדי לתקשר. מערכות MIMO משתמשות בדרך כלל בטכניקות עיבוד אותות מורכבות כדי לשפר משמעותית את האמינות, הטווח והתפוקה. באמצעות טכניקות אלו, המשדר שולח מספר אותות בתדר רדיו בו זמנית, והמקלט משחזר את הנתונים מאותות אלו. מערכת תקשורת אלחוטית MIMO היא אחת מטכנולוגיות המפתח של מערכות תקשורת סלולריות ואלחוטיות עתידיות. תכונה ברורה של מערכת MIMO היא שיש לה יעילות ניצול ספקטרום גבוהה במיוחד. על בסיס ניצול מלא של משאבי הספקטרום הקיימים, משאבי שטח משמשים להשגת רווחים באמינות וביעילות. סיום מורכבות העיבוד.
מודול מפתח
1. מודל מודל ערוץ מערכת MIMO
הביצועים של מערכת MIMO תלויים במידה רבה במודל הערוץ. למרות שכבר קיימים דגמי התפשטות אלחוטיים סטנדרטיים ודגמי ערוצי MIMO רבים סופקו על בסיס מספר רב של מדידות בפועל ועבודות מחקר תיאורטיות, הם עדיין לא הוכרו על ידי ה-ITU. מודל ערוץ MIMO מתוקנן מוכר (3GPP גיבשה תקני מודל ערוץ עבור MIMO). לכן, הבנה ושליטה במאפיינים של ערוצי MIMO אלחוטיים בסביבות פנימיות וחיצוניות, הקמת מודלים סטטיים ומודלים דינמיים ספציפיים של ערוצי MIMO, חיוניים לבחירת מבני מערכת מתאימים ותכנון אלגוריתמים מצוינים לעיבוד אותות למימוש הערוצים העצומים הפוטנציאליים של מערכות MIMO יכולת, השגת הביצועים הצפויים היא קריטית.
2. קיבולת מערכת MIMO
בהשוואה למערכת האנטנה המסורתית, מערכת MIMO השתפרה מאוד הן מבחינת ביצועים והן מבחינת קצב העברת הנתונים. ראשית, Telestar ו-Foschini ערכו ניתוח מעמיק של קיבולת הערוצים של מערכת MIMO. הם ניתחו בהתאמה את הרעש גאוסי המחקר על הקיבולת של מערכת MIMO בתנאים הבאים מראה כי בהנחה שהאנטנות אינן תלויות זו בזו, המערכת מרובת האנטנות השתפרה משמעותית בהשוואה למערכת האנטנה הבודדת. במקרה של הכרת מאפייני השידור של הערוץ, המחקר של Foschini מראה כי: כאשר M=N, קיבולת הערוץ המתקבלת גדלה באופן יחסי ל-N. תחת אותו כוח שידור ורוחב פס שידור, קיבולת הערוץ של המערכת גבוה בערך פי 40 מזה של מערכת יציאה יחידה (SISO).
3. עיצוב מערך אנטנות MIMO
באופן כללי, אנטנות תחנות בסיס מוצבות גבוה, ופיזור השדה הקרוב סביב מערך האנטנות חלש יחסית. לכן, על מנת להשיג אותות לא מתואמים על רכיבי מערך שונים, לעתים קרובות יש צורך לשמור על פי 10 לפחות מרווח אורך הגל בין רכיבי המערך. כאשר מספר האנטנות גדול, עשויים להיות מכשולים להקמת מערכי קווי תחנות בסיס. עבור מסופים ניידים, בשל שפע מפזרי השדות הקרובים, מקובל להאמין שהמרחק בין רכיבי האנטנה הוא יותר מ-1/2 אורך גל כדי להפוך את מתאם האות לחלש מספיק. מערך האנטנות המקוטב יכול להשתמש במצבי קיטוב אורתוגונליים הדדיים באותו מיקום מרחבי כדי להבין את חוסר הרלוונטיות הנראית לעין של רכיבי המערך, כך שניתן יהיה להקטין את גודל מערך האנטנות באופן יחסי.
4. עיבוד אותות של מערכת MIMO
מערכת תקשורת אנטנת מערך בסביבה דועכת מתמודדת עם הפרעות קו-ערוציות והפרעות בין-סמלים. על מנת להתקרב לקיבולת של מערכת מרובת אנטנות, נדרשות טכניקות עיבוד אותות טובות. שיטות זיהוי אותות בעלות ביצועים גבוהים ובמורכבות נמוכה או שיטות זיהוי משותף היו תמיד נושא חם עבור חוקרים.
5. בעיית המורכבות של מערכת MIMO
מכיוון שהאות במערכת MIMO מורחב למרחב-זמן הדו-ממדי, בהשוואה למערכת האנטנה הבודדת, המורכבות של הערכת הערוץ, השוואת הערוצים, הפענוח והזיהוי תגדל עם מספר האנטנות או הגדלת סדר אפנון האות. כמות חישוב האלגוריתם תשפיע ישירות על עיכוב העיבוד, צריכת החשמל של המכשיר וזמן ההמתנה. יחד עם זאת, ביישומים מעשיים, גורם מפתח המגביל את מערכות MIMO הוא העלות הגבוהה שמביאים מספר קישורי תדר רדיו. כדי להפחית את המורכבות החישובית של "תוכנה", ספק שיטות עיבוד אותות פשוטות ויעילות יותר ותכניות קידוד ופענוח מרחב-זמן שונות עבור מערכות MIMO. להפחתת עלות ה"חומרה", בחירת אנטנות היא טכנולוגיה קריטית מאוד, שיכולה להפחית מאוד את מורכבות העיבוד ועלות החומרה תוך שמירה על היתרונות של טכנולוגיית MIMO, ומהווה מוקד מחקר לקידום היישום המעשי של מערכות MIMO.
6. גיוון וריבוי של מערכות MIMO
המהות של מערכת MIMO היא לספק רווח גיוון ורווח ריבוי. הראשון מבטיח את אמינות השידור של המערכת, והשני משפר את קצב השידור של המערכת. רוב הספרות המוקדמת התמקדה בשימוש בגיוון שידור ובריבוי מרחבי לבד או בשילוב עם קידוד. מחקרים הראו שמערכות מרובות אנטנות יכולות לספק גיוון וריבוי מרחבי בו זמנית, ויש פשרה בין השניים. כדאי לחקור כדי למקסם את רווח המערכת על ידי ניצול רציונלי של שני מצבי הגיוון והריבוי במערכות MIMO.
7. (Multi-cell) מערכת MIMO מרובה משתמשים
תיאורטית, תחום הקיבולת של מערכת MIMO מרובת המשתמשים נפתר, אך עדיין לא פתורה היטב כיצד לגרום לתחום הקיבולת לעמוד בדרישות קצב השידור של משתמשים שונים. יתר על כן, בערוץ השידור, עקב הפרעות בין אנטנה והפרעות בין משתמשים במערכת MIMO, כיצד לתכנן את וקטור השידור כדי לבטל את הפרעות הערוץ המשותף בין המשתמשים, כיצד להפוך את קיבולת המערכת ובקרת ההספק של ה-QoS הספציפי של כל משתמש כאשר הכוח מוגבל. בעיית האופטימיזציה והטכנולוגיות הנלוות בנוכחות מערכות מרובות-משתמשים מרובות תאים הן עדיין מוקד המחקר.
עקרונות בסיסיים של טכנולוגיית MIMO
טכנולוגיית MIMO מתייחסת לשימוש במספר אנטנות שידור ואנטנות קליטה בקצה המשדר ובקצה הקליטה, בהתאמה, כך שאותות משודרים ומתקבלים דרך אנטנות מרובות בקצה המשדר ובקצה המקלט, ובכך משפרים את איכות התקשורת. זה יכול לעשות שימוש מלא במשאבי שטח, לממש שידורים מרובים וקליטות מרובות באמצעות אנטנות מרובות, ויכול להכפיל את קיבולת ערוץ המערכת מבלי להגדיל את משאבי הספקטרום וכוח השידור של האנטנה, תוך הצגת יתרונות ברורים, ונחשב לדור הבא של ניידים. טכנולוגיה של תקשורת. המהות של טכנולוגיית MIMO היא לספק רווח גיוון בחלל ורווח ריבוי שטח עבור המערכת.
קצה המשדר ממפה את אות הנתונים שיש לשלוח לאנטנות מרובות באמצעות מיפוי מרחב-זמן, והקצה המקבל מבצע פענוח מרחב-זמן על האותות המתקבלים על ידי כל אנטנה כדי לשחזר את אות הנתונים שנשלח על ידי קצה המשדר. על פי שיטות מיפוי מרחב-זמן שונות, ניתן לחלק באופן גס את טכנולוגיית MIMO לשתי קטגוריות: מגוון חלל וריבוי חלל. גיוון החלל מתייחס לשימוש באנטנות שידור מרובות כדי לשלוח אותות עם אותו מידע דרך נתיבים שונים, ובמקביל להשיג מספר אותות דוהים באופן עצמאי של אותו סמל נתונים במקלט, כדי להשיג את אמינות הקליטה המשופרת על ידי גיוון. לדוגמה, בערוץ דהייה איטי של ריילי, באמצעות אנטנת שידור אחת ו-n אנטנות קבלה, האות המשודר עובר דרך n נתיבים שונים. אם הדהייה בין האנטנות היא בלתי תלויה, ניתן לקבל את רווח הגיוון המקסימלי כ-n. עבור טכנולוגיית גיוון שידור, זה גם להשתמש ברווח של מספר נתיבים כדי לשפר את האמינות של המערכת. במערכת עם m אנטנות שידור ו-n אנטנות קליטה, אם רווחי הנתיב בין זוגות האנטנות הם דהיית Rayleigh עצמאית ומפוזרת באופן אחיד, רווח הגיוון המקסימלי שניתן להשיג הוא mn. כיום, טכנולוגיות גיוון בחלל הנפוצות במערכות MIMO כוללות בעיקר קוד ספייס זמן בלוק (Space Time Block Code, STBC) וטכנולוגיות ליצירת אלומה. STBC היא צורת קידוד חשובה המבוססת על גיוון שידור, שהבסיסית שבהן היא ערכת Alamouti המיועדת לשתי אנטנות.
החלק החשוב ביותר בשיטת STBC הוא להפוך את וקטורי האותות שישודרו על מספר אנטנות לאורתוגונלים זה לזה. השימוש בטכנולוגיית STBC יכול להשיג את האפקט של גיוון מלא, כלומר, כאשר נעשה שימוש בטכנולוגיית STBC במערכת עם M אנטנות שידור ו-N אנטנות קליטה, רווח הגיוון המרבי הוא MN. טכנולוגיית Beamforming היא לשלוח את אותם נתונים דרך אנטנות שידור שונות כדי ליצור אלומות מעוצבות המכוונות למשתמשים מסוימים, ובכך למעשה לשפר את רווח האנטנה. על מנת למקסם את עוצמת האות של האלומה המכוונת למשתמש, טכנולוגיית יצירת האלומה צריכה בדרך כלל לחשב את הפאזה וההספק של הנתונים הנשלחים על כל אנטנת שידור, הנקראת גם וקטור יצירת האלומה. שיטות חישוב וקטור ליצירת אלומה נפוצות כוללות וקטור ערך עצמי מרבי, אלגוריתם MUSIC וכו'. רווח גיוון השידור המרבי שניתן להשיג על ידי שימוש בטכנולוגיית יצירת האלומה עבור M אנטנות שידור הוא M. טכנולוגיית ריבוי מרחבית היא לחלק את הנתונים שישודרו למספר נתונים זרמים, ולאחר מכן להעביר אותם על אנטנות שונות, ובכך להגדיל את קצב השידור של המערכת. שיטת הריבוי המרחבית הנפוצה היא קוד המרחב-זמן השכבתי האנכי המוצע על ידי Bell Laboratories, כלומר טכנולוגיית V-BLAST.
