В статье рассматривается значение MIMO-систем для передачи информации. MIMO — это метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосы пропускания канала связи. Анализируется становление MIMO, виды систем, главная цель, его конфигурации. Рассматриваются технологии и строение передатчиков системы MIMO.
Ключевые слова: беспроводная сеть, кодирование сигнала, Multiple Input, Multiple Output, Single Input.
Наиболее важная проблема в современной высокоскоростной системе передачи дискретных сообщений заключается в усовершенствовании качества обслуживания пользователя при повышении скорости передачи информации, за счет снижения вероятности ошибки передачи данных. То, что растет число информации, делает весьма актуальным вопрос об увеличении пропускной способности, то есть необходимость принимать и передавать большое количество данных, задействуя при этом ту же долю спектра, или же гораздо меньше. Классические пути решения данной задачи — это расширение полосы частот и увеличение излучаемой мощности. Но на сегодняшний день они практически недоступны из-за требований биологической защиты и дороговизны частотных диапазонов.
Значительному снижению ошибок при передаче данных помогает разнесенный прием, что является возможным за счет передачи несколькими антеннами. Расстояние при этом между ними подбирается такое, чтобы можно было наблюдать слабую корреляцию замираний сигналов в этих антеннах. Однако в современных высокоскоростных сетях передачи дискретных сообщений существенно улучшить емкость сети, скорость передачи информации и спектральную эффективность можно, используя технологию с многоканальным входом и многоканальным выходом (MIMO), то есть используя антенные решетки на обоих концах линии связи.
MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) метод пространственного кодирования сигнала, который позволяет увеличить полосы пропускания канала. Посредством представленного метода, передачу данных возможно выполнить с использованием N антенн и их приёма М антеннами.
Технология MIMO находилась в разработке на протяжении многих лет. Мало того, что были реализованы основные концепции MIMO, в дополнение к ним необходимо было разработать новые технологии, которые имели возможность гарантировать совместимость устройств. Новые уровни обработки были необходимы, чтобы позволить использовать некоторые функции пространственного мультиплексирования, а также некоторые из преимуществ пространственного разнообразия.
До 1990-х годов пространственное разнесение часто ограничивалось системами, которые переключались между двумя антеннами или объединяли сигналы для обеспечения наилучшего сигнала. Одновременно были реализованы различные формы переключения луча, но с учетом уровней обработки и доступных ее степеней, системы в целом были относительно ограниченными.
Впрочем, с дополнительными уровнями мощности обработки, которые стали доступны, можно было применить как пространственное разнесение, так и полное пространственное мультиплексирование.
Первоначальная работа над системами MIMO была сконцентрирована на основном пространственном разнесении — система MIMO использовалась для лимитирования деградации, вызванной многолучевым распространением. Однако это был только первый шаг, так как система начала использовать преимущество многолучевого распространения в интересах, превращая дополнительные пути сигнала в то, что можно эффективно рассматривать как дополнительные каналы для переноса дополнительных данных.
Ранее ученые Ароджиасуомите Полрадж и Томас Кейлат впервые предложили использовать пространственное мультиплексирование совместно с использованием MIMO в 1993 году, а в следующем году, в США, получили патент на свою работу.
Тем не менее, BellLabs предоставила лабораторный прототип пространственного мультиплексирования только в 1998 году.
За довольно короткое время существования, развитие MIMO-направления протекает довольно быстро и во многих областях деятельности, имеют множество как новых, так и старых методов, классифицируемых по принципу разделения сигналов в приемном устройстве. Это, например, пространственно-временное, пространственно-частотное, пространственно-поляризационное кодирование, а также сверхразрешение по направлению прихода сигнала в приемник. Большое количество подходов к разделению сигналов привело к довольно длительному формированию стандартов на использование систем MIMO в средствах связи. Но основная цель всех видов MIMO — повышение пиковой скорости передачи данных в сетях связи вследствие улучшения помехоустойчивости.
Каждый канал передачи информации содержит пару передающих и приемных антенн, благодаря чему можно утверждать, что канальная скорость передачи данных повышается пропорционально числу используемых антенн. Как правило, для достижения высокой скорости передачи данных используется одинаковое количество антенн на передающей и приемной стороне. В передатчике устанавливается делитель потоков, который разделяет данные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков в соответствии с числом антенн. Затем на приемной стороне каждый приемник получает сигнал от каждой передающей антенны.
На приемной области также фиксируется несколько антенн с определённым пространственным разнесением. Полученные потоки данных попадают на приемные устройства, в тождественном количестве антенн и каналов связи. С учётом того, что все приемные устройства получают информационные потоки от всех антенн системы, все приемники имеют сумматор, который отображает энергию сигнала подканала из общей совокупности потока. Такое отображение реализуется по заранее утверждённому признаку, к тому же, среда передачи потока «помечает» необходимые сигналы искажением.
Риски ошибок в таких системах минимален, в связи с объединённым распределением и на передаче, и на приёме. Приспосабливающееся форматирование сигналов в пространстве значительно увеличивает скорость кодирования в пространстве, которое даёт возможность создать одновременно несколько информационных частей потока. При условии увеличения количества потоков с данными, скорость их передачи тоже увеличивается, однако, возможность допустить битовую ошибку при неизменной мощности будет увеличиваться.
Нужно на каждой стороне (передающей и приёмной) осуществить анализ многоканальной импульсной характеристики (МИХ) для необходимого форматирования сигналов в пространстве, поэтому применяют псевдошумовые обучающие последовательности.
При наличии абсолютного эффекта многолучевого распространения, у MIMO-системы будет преимущество среди систем беспроводной связи. Для создания нескольких путей, не зависимых друг от друга, на противоположных сторонах в подобных системах используется несколько трактов приемо-передачи. В названии Multiple Input Multiple Output — MIMO слова Input («вход») и Output («выход») относятся к радиоканалу между антеннами.
Существует несколько базовых конфигураций систем беспроводной связи: Single Input Single Output — SISO (один вход, один выход), Single Input Multiple Output — SIMO (один вход, несколько выходов), Multiple Input Single Output — MISO (несколько входов, один выход) и MIMO (несколько входов, несколько выходов). Также возможен вариант и линии прямой видимости LOS (LineofSight).
Если рассматривать систему-MIMO с конфигурацией 
, то каждая передающая антенна имеет два выделенных канала передачи, а каждая приемная антенна — два объединенных канала приема. Количество антенн на приеме и передаче может быть не только , сегодня разрабатываются системы и с конфигурацией 
. Также применяются варианты с неравным количеством приемных и передающих антенн.
В заключении хотелось бы отметить, что данная технология MIMO на современном этапе совершенствования радиосвязи является оптимальной: с её помощью возможно значительное снижение ошибок при высокой скорости передачи или приёма информационного потока.
Литература:
- Федеральный закон № 149-ФЗ от 27.07.2006 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» (ред. 18.03.2019) // СПС Консультант. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_61798/ (дата обращения: 6.06.2019).
- Компьютерные сети: хитрости: как победить глюки и заставить домашнюю сеть работать без сбоев / Кэти Айвенс [пер. с англ. Е. Матвеев] / Отдельное издание. — СПб.: Питер, 2006. — 297 с..
- Бабков В. Ю. Подходы к планированию и оптимизации сетей LTE / В. Ю. Бабков / Презентация. — СПб.: Санкт-петербургский университет телекоммуникаций, 2003. — 80с.
- Вишневский В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей [Текст] / В. М. Вишневский / Монография. — М.: Техносфера, 2003. — 506 с.
- Остерлох Х. TCP/IP. Семейство протоколов передачи данных в сетях компьютеров [Текст] / Х. Остерлох / Отдельное издание. — «ДиаСофтЮП», 2002. — 576с.
