MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) — це технологія, яка використовує кілька антен для надсилання та отримання сигналів у сфері бездротового зв’язку. Технологія MIMO в основному використовується у сфері Wi-Fi (Wi-Fi) і мобільного зв’язку, що може ефективно покращити ємність системи, покриття та співвідношення сигнал/шум. Загалом, M×N MIMO означає, що є M антен на кінці надсилання та N антен на кінці прийому.
Від SISO до MIMO
SISO (один вхід і один вихід)
Перш ніж представити MIMO, нам потрібно пояснити, що таке SISO. SISO — це єдина система надсилання й отримання, єдиний вхід і єдиний вихід, шлях між передавальною та приймальною антеною є унікальним, а передача — це 1 сигнал. У бездротових системах ми визначаємо кожен сигнал як просторовий потік.
Оскільки шлях між передавальною та приймальною антенами є унікальним, така система передачі ненадійна, а швидкість передачі обмежена.
SIMO (один вхід і багато виходів)
Щоб змінити ненадійність і обмежену ситуацію SISO, до терміналу додано антену, щоб приймальна сторона могла приймати два сигнали одночасно, тобто один відправляти та отримувати більше. Така система передачі є одним входом і множинним виходом, тобто SIMO.
Незважаючи на те, що є два сигнали, вони надсилаються з однієї передавальної антени, тому надіслані дані однакові, і передається лише один сигнал. Таким чином, не має значення, якщо частина одного сигналу буде втрачено, якщо термінал може отримати повні дані з іншого сигналу. Незважаючи на те, що максимальна ємність все ще залишається одним шляхом, надійність подвоюється. Такий підхід називається різноманітністю прийому.
MISO (кілька входів і один вихід)
Якщо ми змінимо своє уявлення про це, що станеться, якщо ми збільшимо кількість передавальних антен до двох і збережемо кількість приймальних антен до однієї?
Оскільки існує лише одна приймальна антена, два шляхи в кінцевому підсумку повинні бути об’єднані в один, що веде до того, що передавальна антена може надсилати лише ті самі дані, а передача все одно буде лише одним сигналом. Це фактично може досягти такого ж ефекту, як SIMO, система передачі називається багаторазовим входом і одним виходом або MISO. Цей метод також називають емісійним рознесенням.
MIMO (багато входів і виходів)
Якщо антену трансивера збільшити до двох одночасно, чи можна незалежно подавати два сигнали і подвоїти швидкість? Відповідь - так, оскільки з попереднього аналізу SIMO та MISO пропускна здатність залежить від кількості антен з обох сторін. І ця система з декількома приймачами і декількома передачами є MIMO.
Технологія MIMO дозволяє декільком антенам надсилати й отримувати кілька сигналів одночасно, а також може розрізняти сигнали, надіслані в або з різних просторових орієнтацій. Завдяки просторовому мультиплексуванню та технології просторового рознесення пропускна здатність системи, покриття та співвідношення сигнал/шум можна покращити без збільшення споживання смуги пропускання.
Які є типи MIMO?
MIMO — це технологія, яка використовує кілька антен для надсилання та отримання сигналів, які спочатку використовувалися для передачі даних одному користувачеві. Однак із розвитком багатокористувацьких технологій передачі на основі MIMO з’явилися різноманітні багатокористувацькі технології MIMO. Щоб полегшити диференціацію, однокористувацький MIMO називається SU-MIMO (однокористувацький MIMO). Багатокористувацька технологія MIMO в основному включає наступні типи.
MU-MIMO (багатокористувацький MIMO): Дозволяє передавачу передавати дані кільком користувачам одночасно. Стандарт Wi-Fi 5 став підтримувати MU-MIMO для 4 користувачів, а стандарт Wi-Fi 6 збільшив кількість користувачів до 8.
CO-MIMO (кооперативний MIMO):Кілька бездротових пристроїв формуються у віртуальну багатоантенну систему для реалізації одночасної передачі даних між суміжними передавальними пристроями та кількома користувачами.
Масивний MIMO: Технологія великомасштабної антени значно збільшує кількість антен, традиційна MIMO зазвичай використовує від 2 до 8 антен, тоді як Massive MIMO може досягати 64/128/256 антен. Це може значно підвищити пропускну здатність системи та ефективність передачі даних, а також є ключовою технологією мобільного зв’язку 5G.
Загалом, багатокористувацьку технологію MIMO можна класифікувати як технологію MIMO, але коли ми говоримо про MIMO, ми зазвичай маємо на увазі традиційну концепцію MIMO, а саме SU-MIMO.
Як MIMO працює в Wi-Fi?
У сфері Wi-Fi технологія MIMO була представлена, починаючи зі стандарту Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO в основному використовує дві ключові технології: просторове рознесення та просторове мультиплексування. Незалежно від того, чи це технологія різноманітності, чи технологія мультиплексування, це технологія, яка перетворює одні дані на кілька даних, які можна класифікувати як технологію просторово-часового кодування.
Космічне різноманіття
Ідея технології просторового рознесення полягає в тому, щоб створювати різні версії одного потоку даних, кодувати та модулювати їх у різних антенах, а потім передавати. Цей потік даних може бути вихідним потоком даних, який потрібно надіслати, або це може бути новий потік даних, сформований після певного математичного перетворення вихідного потоку даних. Приймач використовує просторовий еквалайзер для розділення отриманого сигналу, потім демодуляції та декодування, а також комбінування різних прийнятих сигналів одного потоку даних для відновлення вихідного сигналу. Технологія просторового рознесення забезпечує більш надійну передачу даних.
Просторова рознесеність ефективно підвищує надійність передачі даних і застосовується до сценаріїв, коли відстань передачі є великою, а швидкість невисокою.
Мультиплексування з просторовим розділенням
Технологія просторового мультиплексування означає, що дані для передачі поділяються на кілька потоків даних, які кодуються та модулюються різними антенами, а потім передаються, щоб підвищити швидкість передачі в системі. Антени незалежні одна від одної, антена еквівалентна незалежному каналу, приймач використовує проміжний еквалайзер для розділення отриманого сигналу, а потім демодулює, декодує, кілька потоків даних об’єднують для відновлення вихідного сигналу.
Мультиплексування з просторовим розділенням ефективно покращує швидкість передачі даних і підходить для сценаріїв із короткими відстанями передачі та високими вимогами до швидкості.
Що таке M×N MIMO?
У специфікаціях продуктів WLAN зазвичай видно індикатор M×N MIMO, також пишеться MTNR, що означає цей індикатор? Фактично, він використовується для представлення кількості антен MIMO, M представляє кількість антен на стороні відправлення, N представляє кількість антен на стороні прийому. Наприклад, 4×3 MIMO означає чотири антени передачі та три антени прийому.
Більшість домашніх бездротових маршрутизаторів на ринку можуть мати кілька антен, одна антена часто може підтримувати прийом і надсилання, тому ви можете просто судити за кількістю антен, кількість антен є значенням M і N. Наприклад, бездротовий маршрутизатор із 4 антенами можна вважати 4x4 MIMO, звичайно, переважають специфікації конкретного продукту. Чим більше антен, тим вище продуктивність, тим дорожче ціна.
У системі MIMO, якщо кількість приймальних і приймальних антен не однакова, кількість просторових потоків, які можна передати, є меншою або дорівнює кількості менших антен на приймальній/відправній стороні. Наприклад, система MIMO 4×4 (4T4R) може передавати чотири або менше просторових потоків, тоді як система MIMO 3×2 (3T2R) може передавати два або один просторовий потік.
У практичних застосуваннях додатки зазвичай мають більшу кількість антен, від 4 до 16 антен, але термінали (наприклад, мобільні телефони) зазвичай мають лише 1-2 антени. Навіть якщо технологія антени постійно вдосконалюється, але обмежена розміром кінцевого продукту, навіть якщо він може вмістити 1-2 антен, це набагато менше, ніж кількість антен AP, а це означає, що кількість просторових кількість потоків, які можна передати, обмежена терміналом, що призводить до того, що швидкість збільшення кількості просторових потоків не може бути повністю використана, що призводить до марної витрати ресурсів антени на AP. На щастя, з’явилася багатокористувацька технологія MIMO, яка вирішила цю проблему, як-от MU-MIMO, яка дозволяє точці доступу передавати сигнали за допомогою кількох терміналів одночасно, а загальна кількість антен кількох терміналів дорівнює кількості антени AP, щоб можна було повністю відтворити можливості AP.
