MIMO (Multiple Input Multiple Output) — способ передачи сигнала, при котором передача данных осуществляется за счет использования нескольких антенн [1].
В системах MIMO наблюдается высокая пропускная способность. Это происходит за счет того, что каждая пара передающая — принимающая антенны воспринимается как отдельный канал передачи данных. За счет сокращения корреляции между соседними принимающими антеннами и соседними передающими антеннами достигается эффектное использование нескольких антенн. Если длинна волны передаваемого сигнала гораздо меньше, чем расстояние между антеннами, то корреляция между ними минимальна. Исходя из этого MIMO стараются применять в системах, где частоты передачи выше 1 ГГц (при таком условии длина волны входит вы диапазон от десятков сантиметров до нескольких миллиметров).
На рисунке 1 продемонстрирована система MIMO, которая использует 4 передающие и 4 приемные антенны. Передаточные характеристики между парой передающая антенна — принимающая антенна различаются из-за их геометрического расположения. Такие характеристики выражаются математически в виде комплексных коэффициентов передачи, которые отражают изменения в фазе и амплитуде сигнала во время его распространения между антеннами.
Рис. 1. Иллюстрация схемы MIMO 4x4
На рисунке 1 коэффициенты показаны в формате h ij , где i — индекс передающей антенны, j — индекс принимающей антенны. Чтобы построить модель канала, коэффициенты требуется упорядочено собрать в матрице H [2].
S = [s 1 ..s M ] — вектор передаваемых сигналов;
M — количество передающих антенн;
Y = [y 1 ..y N ] — вектор принимаемых сигналов;
N — количество принимающих антенн;
V = [v 1 ..v N ] — аддитивный шум.
Следовательно, модель MIMO-системы выглядит следующим образом:
Основываясь на формуле 1 можно построить алгоритм обработки сигналов со стороны приемника. Чтобы решить систему уравнений, которая представлена в формуле 1, приемник должен обладать информацией о канале (матрице H). Для решения этой задачи используются определенные пилот-сигналы, которые известны приемнику. При анализе реакции на пилот-сигнал, приемник способен выявить свойства канала.
На практике очень часто используются модуляционные символы амплитудно-фазовой или фазовой модуляции в качестве передаваемых символов (s i ).
Основное преимущество MIMO — возможность работы множества абонентов одновременной и высокая пропускная способность.
В 1942 году Петерсон запатентовал концепцию разнесенного приемника, который использует разнообразие канальных коэффициентов [3]. В 1973 году Смит запатентовал определенную концепцию, при которой происходит пространственное разделение принятого сигнала. В 1987 году Винтерс вывел эргодическую емкость каналов MIMO (Multiple Input Multiple Output). Изучение каналов с одним входом и одним выходом (SISO — single-input single-output) с двойной поляризацией положило начало вышеописанным исследованиям. Такие каналы эквивалентны каналам MIMO 2x2.
SMX-архитектура (Spatial multiplexing) хорошо демонстрирует себя в сценариях с большим количеством переотражений, благодаря практически полной независимости путей распространения сигнала. SMX архитектура также известна под названием BLAST (Bell Laboratories). В данном способе определенное количество независимых символов (M) передается и принимается таким же количеством антенн.
В схеме SMX происходит усиление полезного сигнала за счёт мультиплексирования, тогда как в схеме пространственно-временного блочного кодирования (OSTBC) усиление происходит за счет диверсификации. Простая схема OSTBC накладывает 2 символа амплитудно-фазовой манипуляции на пространственно-временную матрицу
размерности 2х2. Встроенные символы разделены на два временных интервала. Вышеописанным системам свойственен компромисс между диверсификацией и мультиплексированием. Схема OSTBC также дает возможность избежать межканальных помех в приемнике за счет индивидуальности кодовых слов OSTBC.
В последнее время широкое распространение получили разработки фазированных антенных решеток, позволяющих формировать произвольную диаграмму направленности. Схема BF (Вeam-forming) улучшает полученное SNR (Signal-to-Noise Ratio) и эффективность использования спектра, а также межпользовательские помехи, который известны как усиление BF [4]. Одна из простейших схем формирования диаграммы направленности — сопряжённая, при которой кодовые слова домножаются на эрмитиан матрицы канальных коэффиентов. [5]. В частности, если предположить, что большое количество передающих антенн на базовой станции сходится к диагональной форме в среднем, то это приводит к их беспрепятственному обнаружению на пользовательском терминале. Таким образом, эта структура облегчает передачу и прием невысокой сложности, даже если используется большое количество антенн.
Литература:
1 Y. A. Chau and S.-H. Yu, “Space modulation on wireless fading channels,” in IEEE Vehicular Technology Conference, Atlantic City, NJ, USA, Oct. 7–11, 2001.
2 R. Mesleh, O. Hiari, A. Younis, and S. Alouneh, “Transmitter design and hardware considerations for different space modulation techniques,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 11, pp. 7512–7522, 2017.
3 H. O. Peterson, “Diversity receiving system,” U. S. Patent 2 290 992, 1942.
4 J. G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications, 5th ed. McGraw-Hill, 2008.
5 S. Yang and L. Hanzo, “Fifty years of MIMO detection: The road to large-scale MIMOs,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 1941–1988, 2015.
