Multiple Input Multiple Output

MIMO (ang. Multiple Input, Multiple Output) – rozwiązanie zwiększające przepustowość sieci bezprzewodowej polegające na transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej, jak i po stronie odbiorczej. Zastosowanie techniki MIMO przynosi wiele korzyści, do których zaliczają się:

  • zysk dywersyfikacji (ang. diversity gain) – wzrost niezawodności łącza spowodowany zwiększeniem odporności na zaniki Rayleigha (ang. Rayleigh fading); ponieważ sygnały pochodzące z różnych anten nadawczych są nieskorelowane, zanik sygnału pochodzącego z jednej anteny nie ma wpływu na zanik sygnału pochodzącego z innej anteny; aby zatem poziom mocy sygnału docierającego do odbiornika był niższy niż próg czułości, sygnały pochodzące ze wszystkich anten nadawczych musiałyby podlegać zanikowi; prawdopodobieństwo takiej sytuacji jest znacznie mniejsze, niż w przypadku transmisji SISO (ang. single input, single output), tzn. transmisji z jedną anteną nadawczą i jedną anteną odbiorczą,
  • zysk wynikający z odbioru zbiorczego (ang. array gain) – wzrost SNR (ang. Signal to Noise Ratio – stosunku sygnału do szumu) w odbiorniku, wynikający z przetwarzania replik sygnału radiowego docierających do wszystkich anten odbiorczych. Najefektywniejszym algorytmem przetwarzającym sygnały odbiorcze jest maximum ratio combining,
  • zysk multipleksacji (ang. multiplexing gain) – r {\displaystyle r} -krotny (teoretycznie) wzrost przepływności łącza radiowego, gdy strumień danych podzielimy na podstrumienie, z których każdy jest wysyłany przez jedną antenę nadawczą; r = min ( M ; N ) , {\displaystyle r=\min(M;N),} gdzie M {\displaystyle M} – jest liczbą anten nadawczych, natomiast N {\displaystyle N} liczbą anten odbiorczych.

W odróżnieniu techniki MIMO od nowszego rozwiązania, jakim jest MU-MIMO (ang. Multi-User MIMO), nazywa się go również SU-MIMO (ang. Single-User MIMO).

Zastosowania

Technika MIMO będzie stosowana w najbliższej przyszłości w nowoczesnych systemach radiowych. Do tej pory zastosowano ją w standardzie 802.11n, a także w systemie WiMax. Rozszerzenie systemu UMTS, które nosi nazwę LTE (ang. Long Term Evolution) przewiduje również zastosowanie transmisji wieloantenowej. Obecnie opracowywanych jest wiele systemów telekomunikacyjnych czwartej generacji (4G), w których w warstwie fizycznej obecnych będzie wiele anten nadawczych i odbiorczych, a także połączenie techniki MIMO ze zwielokrotnieniem nośnej (ang. OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), które w literaturze występuje pod nazwą MIMO – OFDM. Jednym z takich systemów jest WINNER opracowywany obecnie na wielu technicznych uczelniach europejskich.

MIMO w urządzeniach klienckich typu router WIFI

Wybierając router WIFI dla miejsc w których będzie przebywało wiele użytkowników możemy znacząco podnieść komfort użytkowania sieci poprzez zastosowanie urządzenia posiadającego technologię MIMO bez konieczności zakupu u dostawcy łączą o większej przepustowości.

Punkty dostępowe wykonują większość pracy w MU-MIMO[1]

Działanie MIMO

Ideą MIMO jest połączenie wymiaru czasowego, w którym przesyłany jest sygnał z wymiarem przestrzennym. Aby tak się stało w MIMO jest stosowane kilka anten rozmieszczonych w różnych miejscach w przestrzeni. Przesyłane w ten sposób dane muszą być kodowane za pomocą kodów przestrzennych STC (ang. Space-Time Code), dzięki czemu odbiornik odczytuje dane z odebranego sygnału.

Rodzaje technologii MIMO

Rodzaje technologii MIMO, gdzie Tx – nadajnik, Rx – odbiornik
  • MIMO (Multiple Input Multiple Output) – jest to technologia wykorzystująca wiele nadajników i wiele odbiorników
  • MISO (Multiple Input Single Output) – anten nadawczych jest kilka, ale tylko jedna odbiorcza
  • SIMO (Single Input Multiple Output) – antena nadawcza jest jedna a odbiorczych kilka
  • SISO (Single Input Single Output) – antena nadawcza i antena odbiorcza jest tylko jedna.

Opis matematyczny

Macierz kanału MIMO z 3 strumieniami, czyli o 3 antenach nadawczych Tx i 3 antenach odbiorczych Rx

W systemie MIMO nadajnik wysyła wiele strumieni przez wiele anten nadawczych. Przesyłany strumień przechodzi przez macierz kanału, która składa się ze wszystkich możliwych ścieżek między antenami nadawczymi i odbiorczymi. Następnie odbiornik otrzymuje wektory sygnału odebranego przez wiele anten odbiorczych i dekoduje je do informacji oryginalnej. Model systemu MIMO jest następujący:

y = H x + n {\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} }

gdzie y {\displaystyle \mathbf {y} } i x {\displaystyle \mathbf {x} } są odpowiednio wektorami odbieranymi i nadawanymi, a H {\displaystyle \mathbf {H} } i n {\displaystyle \mathbf {n} } to macierz kanału i wektor szumu.

  • Osiągalna pojemność zamkniętej pętli systemu MIMO wynosi:
C C L = E [ max Q log 2 ⁡ det ( I + H Q H H ) ] = E [ log 2 ⁡ det ( I + U S U H ) ] {\displaystyle C_{\mathrm {CL} }=E\left[\max _{\mathbf {Q} }\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]=E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\mathbf {U} \mathbf {S} \mathbf {U} ^{H}\right)\right]}
  • Osiągalna pojemność otwartej pętli systemu MIMO wynosi:
C O L = max Q E [ log 2 ⁡ det ( I + H Q H H ) ] = E [ log 2 ⁡ det ( I + H H H ) ] {\displaystyle C_{\mathrm {OL} }=\max _{\mathbf {Q} }E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]=E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\mathbf {H} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]}

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ Co warto wiedzieć o MU-MIMO? [online], Computerworld [dostęp 2019-12-29]  (pol.).
  • Catalana: 0281449