MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) to technologia wykorzystująca wiele anten do wysyłania i odbierania sygnałów w obszarze komunikacji bezprzewodowej. Technologia MIMO jest stosowana głównie w obszarze Wi-Fi (WiFi) i komunikacji mobilnej, co może skutecznie poprawić wydajność systemu, zasięg i stosunek sygnału do szumu. Ogólnie rzecz biorąc, M×N MIMO oznacza, że po stronie wysyłającej znajduje się M anten, a po stronie odbiorczej N anten.
Od SISO do MIMO
SISO (jedno wejście, jedno wyjście)
Zanim przedstawimy MIMO, musimy wyjaśnić, czym jest SISO. SISO to pojedynczy system wysyłania i odbierania, jest systemem z jednym wejściem i jednym wyjściem, ścieżka między anteną nadawczą a anteną odbiorczą jest unikalna, a transmisja to 1 sygnał. W systemach bezprzewodowych każdy sygnał definiujemy jako strumień przestrzenny.
Ponieważ ścieżka pomiędzy antenami nadawczymi i odbiorczymi jest unikalna, taki system transmisji jest zawodny, a szybkość transmisji jest ograniczona.
SIMO (jedno wejście, wiele wyjść)
Aby zmienić zawodność i ograniczoną sytuację SISO, na terminalu dodawana jest antena, dzięki czemu strona odbiorcza może odbierać dwa sygnały jednocześnie, czyli pojedynczo wysyłać i odbierać więcej. Taki układ transmisji jest systemem jednowejściowym i wielowyjściowym, czyli SIMO.
Chociaż istnieją dwa sygnały, są one wysyłane z tej samej anteny nadawczej, więc przesyłane dane są takie same, a transmisja nadal dotyczy tylko jednego sygnału. W ten sposób nie ma znaczenia, czy część jednego sygnału zostanie utracona, o ile terminal może odebrać pełne dane z drugiego sygnału. Chociaż maksymalna przepustowość to nadal jedna ścieżka, niezawodność jest podwojona. Takie podejście nazywa się różnorodnością odbioru.
MISO (wiele wejść i jedno wyjście)
Jeśli zmienimy sposób myślenia, co by się stało, gdybyśmy zwiększyli liczbę anten nadawczych do dwóch i utrzymali liczbę anten odbiorczych do jednej?
Ponieważ jest tylko jedna antena odbiorcza, ostatecznie obie ścieżki muszą zostać połączone w jedną, co powoduje, że antena nadawcza może wysyłać tylko te same dane, a transmisja nadal odbywa się tylko z jednym sygnałem. Może to faktycznie osiągnąć ten sam efekt, co SIMO, system transmisji nazywany jest wieloma wejściami i pojedynczym wyjściem lub MISO. Metoda ta nazywana jest także dywersyfikacją emisji.
MIMO (wiele wejść, wiele wyjść)
Jeśli antena nadawczo-odbiorcza zostanie zwiększona do dwóch jednocześnie, czy możliwe jest niezależne wysłanie dwóch sygnałów i podwojenie szybkości? Odpowiedź brzmi: tak, ponieważ z wcześniejszej analizy SIMO i MISO wynika, że wydajność transmisji zależy od liczby anten po obu stronach. A ten system wielu transmisji z wieloma odbiornikami to MIMO.
Technologia MIMO umożliwia wielu antenom jednoczesne wysyłanie i odbieranie wielu sygnałów oraz umożliwia rozróżnianie sygnałów wysyłanych do lub z różnych orientacji przestrzennych. Dzięki multipleksowaniu podziału przestrzeni i technologii dywersyfikacji przestrzeni można poprawić pojemność systemu, zasięg i stosunek sygnału do szumu bez zwiększania zużycia przepustowości.
Jakie są rodzaje MIMO?
MIMO to technologia wykorzystująca wiele anten do wysyłania i odbierania sygnałów, pierwotnie używana do transmisji danych do jednego użytkownika. Jednakże wraz z rozwojem technologii transmisji dla wielu użytkowników na bazie MIMO pojawiło się wiele technologii MIMO dla wielu użytkowników. Aby ułatwić rozróżnienie, MIMO pojedynczego użytkownika nazywa się SU-MIMO (MIMO pojedynczego użytkownika). Technologia MIMO dla wielu użytkowników obejmuje głównie następujące typy.
MU-MIMO (MIMO dla wielu użytkowników):Umożliwia nadajnikowi jednoczesną transmisję danych do wielu użytkowników. Standard Wi-Fi 5 zaczął obsługiwać MU-MIMO dla 4 użytkowników, a standard Wi-Fi 6 zwiększył liczbę użytkowników do 8.
CO-MIMO (współpracujące MIMO):Wiele urządzeń bezprzewodowych tworzy wirtualny system z wieloma antenami, aby realizować jednoczesną transmisję danych pomiędzy sąsiednimi urządzeniami nadawczymi i wieloma użytkownikami.
Ogromne MIMO:Technologia anten wielkoskalowych znacznie poprawia liczbę anten, tradycyjny MIMO zazwyczaj wykorzystuje od 2 do 8 anten, podczas gdy Massive MIMO może dotrzeć do 64/128/256 anten. Może znacznie poprawić wydajność systemu i wydajność transmisji i jest kluczową technologią komunikacji mobilnej 5G.
Ogólnie rzecz biorąc, technologię MIMO dla wielu użytkowników można sklasyfikować jako technologię MIMO, ale kiedy mówimy o MIMO, zwykle mamy na myśli tradycyjną koncepcję MIMO, a mianowicie SU-MIMO.
Jak MIMO działa w Wi-Fi?
W obszarze Wi-Fi wprowadzono technologię MIMO, począwszy od standardu Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO wykorzystuje głównie dwie kluczowe technologie: różnorodność przestrzeni i multipleksowanie z podziałem przestrzeni. Niezależnie od tego, czy jest to technologia różnorodności, czy technologia multipleksowania, jest to technologia przekształcająca jedno dane w wiele danych, które można sklasyfikować jako technologię kodowania przestrzenno-czasowego.
Różnorodność przestrzeni
Ideą technologii dywersyfikacji przestrzennej jest tworzenie różnych wersji tego samego strumienia danych, kodowanie i modulowanie ich w różnych antenach, a następnie przesyłanie. Ten strumień danych może być oryginalnym strumieniem danych do wysłania lub może to być nowy strumień danych utworzony po pewnej matematycznej transformacji pierwotnego strumienia danych. Odbiornik wykorzystuje korektor przestrzeni do oddzielenia odebranego sygnału, a następnie demodulacji i dekodowania oraz połączenia różnych odebranych sygnałów tego samego strumienia danych w celu odzyskania sygnału oryginalnego. Technologia dywersyfikacji przestrzennej umożliwia bardziej niezawodną transmisję danych.
Zróżnicowanie przestrzenne skutecznie poprawia niezawodność transmisji danych i dotyczy scenariuszy, w których odległość transmisji jest duża, a prędkość transmisji nie jest duża.
Multipleksowanie z podziałem przestrzeni
Technologia multipleksowania z podziałem przestrzeni oznacza, że przesyłane dane są dzielone na wiele strumieni danych, które są kodowane i modulowane przez różne anteny, a następnie przesyłane w celu poprawy szybkości transmisji systemu. Anteny są od siebie niezależne, antena jest odpowiednikiem niezależnego kanału, odbiornik wykorzystuje korektor przestrzenny do oddzielania odbieranego sygnału, a następnie demoduluje, dekoduje, kilka strumieni danych łączy w celu przywrócenia oryginalnego sygnału.
Multipleksowanie z podziałem przestrzeni skutecznie poprawia szybkość transmisji danych i jest odpowiednie dla scenariuszy o krótkich dystansach transmisji i wymaganiach dużej prędkości.
Co to jest M×N MIMO?
W specyfikacjach produktów WLAN zwykle znajduje się wskaźnik M×N MIMO, również zapisany jako MTNR. Jakie jest znaczenie tego wskaźnika? W rzeczywistości służy do reprezentowania liczby anten MIMO, M oznacza liczbę anten po stronie nadawczej, N oznacza liczbę anten po stronie odbiorczej. Na przykład 4×3 MIMO oznacza, że cztery anteny nadają, a trzy anteny odbierają.
Większość domowych routerów bezprzewodowych dostępnych na rynku widzi kilka anten, jedna antena często obsługuje odbiór i wysyłanie, więc możesz po prostu ocenić na podstawie liczby anten, liczba anten to wartość M i N. Na przykład router bezprzewodowy z 4 antenami można uznać za 4x4 MIMO, oczywiście obowiązują szczegółowe specyfikacje produktu. Im więcej anten, tym wyższa wydajność, tym droższa cena.
W systemie MIMO, jeśli liczba anten odbiorczych i odbiorczych nie jest równa, liczba strumieni przestrzennych, które można przesłać, jest mniejsza lub równa liczbie mniejszych anten po stronie odbiorczej/nadawczej. Na przykład system MIMO 4×4 (4T4R) może transmitować cztery lub mniej strumieni przestrzennych, podczas gdy system MIMO 3×2 (3T2R) może transmitować dwa lub jeden strumień przestrzenny.
W praktycznych zastosowaniach aplikacje mają zwykle większą liczbę anten, od 4 do 16 anten, ale terminale (takie jak telefony komórkowe) zwykle mają tylko anteny 1-2. Nawet jeśli technologia antenowa jest stale udoskonalana, ale ograniczona rozmiarem produktu końcowego, nawet jeśli może pomieścić anteny 1-2, jest ona znacznie mniejsza niż liczba anten AP, co oznacza, że liczba anten przestrzennych strumienie, które można przesyłać, są ograniczane przez terminal, co powoduje, że nie można w pełni wykorzystać tempa wzrostu liczby strumieni przestrzennych, co skutkuje marnowaniem zasobów antenowych na AP. Na szczęście pojawiła się technologia MIMO dla wielu użytkowników, która rozwiązała ten problem, np. MU-MIMO, która umożliwia punktowi dostępowemu przesyłanie sygnałów z wieloma terminalami jednocześnie, a całkowita liczba anten wielu terminali jest równa liczbie anteny AP, dzięki czemu można w pełni wykorzystać możliwości AP.
