MIMO (telekomunikace)

Multiple-Input Multiple-Output neboMIMO( „multiple input, multiple output“ ve francouzštině) jetechnologie zmultiplexovánípoužíván vradaru,bezdrátových sítíamobilních sítípro přenos dat na delší vzdálenost a rychlost více vyšší než u antény pomocí formuláře Technika SISO (Single-Input Single-Output).

Zatímco starší sítě Wi-Fi nebo standardní sítě GSM používají jednu anténu na vysílači a přijímači, MIMO používá více antén na vysílači (např. Routeru ) i přijímači (např. Laptop nebo smartphone ).

Historický

Patent na metodu bezdrátové komunikace využívající více antén podal v roce 1984 jménem Jack Labs pan Jack Winters . V roce 1985 publikoval pan Salz Salz článek o MIMO na základě práce pana Winterse. Od roku 1986 do roku 1995 psalo na toto téma několik autorů. V roce 1996 vynalezli Greg Raleigh (in) a Gerard J. Foschini (in) nové přístupy ke zvýšení efektivity MIMO. V roce 1999 Emre Telatar rozšířil teorii informací na víceanténové systémy.

Varianty

Existuje několik implementací MIMO, které se liší ve způsobu odesílání dat a počtu antén použitých ve vysílači (obvykle 2 až 8) nebo přijímači (2 až 4). Byly implementovány různé principy, například ve Wi-Fi se systémem Atheros Beamforming , který pro přenos a příjem používá dvě antény. V těchto systémech jsou vysílací antény dodávány se stejnými signály, ale mimo fázi, aby se soustředila energie přenášená ve směru k přijímači.

Ačkoli různé varianty MIMO nebyly původně vázány na standard, komerčně dostupné produkty MIMO Wi-Fi jsou kompatibilní s většinou starších produktů vyhovujících standardům 802.11b (okamžitý výkon: 11 Mb / s , dosah: ~ 30 metrů, frekvence: 2,4 GHz ) a 802.11a / 802.11g (okamžitá rychlost: 54 Mb / s , dosah: několik desítek metrů, frekvence: 5 GHz nebo 2,4 GHz ) a mohou koexistovat s produkty kompatibilními s novými standardy Wi-Fi pomocí MIMO: 802.11n a 802.11ac nabízí propustnost, která může přesáhnout 1 Gb / s v režimu 4x4 MIMO.

Oznámené rychlosti Wi-Fi jsou teoretická maxima, skutečné přenosové rychlosti jsou nižší a závisí také na šifrovacím systému použitém k ochraně dat. Dosah také závisí na překážkách umístěných mezi vysílačem a přijímačem a možné interferenci ze sousedních sítí.

Zásady

Technologie MIMO využívá anténní pole pro přenos a / nebo příjem ke zlepšení kvality SNR ( poměr signálu k šumu nebo SNR anglicky) a / nebo přenosové rychlosti. To také umožňuje být schopen snížit úroveň přenosu rádiových signálů za účelem snížení okolního elektromagnetického znečištění, ale také rozšířit autonomii baterií v případě telefonu.

Můžeme zvážit tři hlavní kategorie MIMO:

MIMO prostorová rozmanitost: stejná zpráva se současně vysílá na různých anténách při přenosu. Signály přijímané na každé z přijímacích antén jsou poté znovu fázovány a soudržně sčítány. Zjednodušená verze používá signál pouze z jedné z antén, která přijímá nejlepší signál v daném čase ( polarizované antény ). To umožňuje zvýšit poměr signálu k šumu (díky zesílení diverzity) přenosu. Aby byla tato technika účinná, musí být subkanály MIMO vzájemně dekorovány (nezávisle).

MIMO prostorový multiplex: každá zpráva je rozdělena na dílčí zprávy. Různé dílčí zprávy se současně vysílají na každé z vysílacích antén. Signály přijímané přijímacími anténami jsou znovu sestaveny, aby se rekonstruovala původní zpráva. Stejně jako u diverzity MIMO musí být subkanály šíření dekorovány. Multiplexování MIMO umožňuje zvýšit přenosové rychlosti (díky zisku multiplexování). Techniky diverzity a multiplexování MIMO lze použít společně. Například pro systém 5 x 5 MIMO (tj. 5 vysílacích antén a 5 přijímacích antén) lze konfigurovat subsystém 2 x 2 MIMO pro multiplexování a subsystém MIMO. 3 x 3 pro vytvoření MIMO rozmanitosti.

MIMO - Beamforming : anténní síť MIMO se používá k orientaci a ovládání paprsku rádiových vln (amplituda a fáze paprsku). Je tedy možné vytvořit konstruktivní / destruktivní laloky a optimalizovat přenos mezi vysílačem a cílem. Techniky formování paprsků umožňují jak rozšířit rádiové pokrytí (například základnové stanice nebo přístupového bodu), tak omezit rušení mezi uživateli a okolním elektromagnetickým znečištěním (zaměřením na zamýšlený přijímač).

Existují také 2 varianty MIMO v závislosti na počtu uživatelů současně přijímajících data na stejných nosičích :

Nejběžnější SU-MIMO ( Single User ) umožňuje odesílání dat prostřednictvím různých antén jednomu uživateli v daném čase; vyžaduje to mít v každém přijímači několik antén. Tento režim umožňuje dosáhnout vyššího špičkového průtoku jednotky.
MU-MIMO ( Multi User ) umožňuje sdílet rádiovou bitovou rychlost a odesílat datové toky 2 (nebo více) uživatelům, například 4 vysílací antény a 2 antény v každém přijímači. Využívá režim „prostorového multiplexování“ a umožňuje zvýšit spektrální účinnost rádiové buňky (celkovou propustnost) bez uložení vysokého počtu antén v každém terminálu.

Matematický formalismus

Zvažte systém MIMO složený z vysílacích a přijímacích antén. Označíme velikostní vektor obsahující odeslané symboly a vektor obsahující přijaté symboly. Vztah, který odkazuje a je poté zapsán: $m_t$ $pan$ $X$ $m_t$ $y$ $pan$ $X$ $y$

y=HX+ne{\ displaystyle y = Hx + n}

{\ displaystyle y = Hx + n}

Kde je velikost kanálové matice an je vektor šumu. Poté se zapíše kapacita kanálu MIMO: $H$ $m_r \ krát m_t$

VS=log2⁡(det(Jámr+ρHQH∗)){\ displaystyle C = \ log _ {2} (\ det (I_ {m_ {r}} + \ rho HQH ^ {*}))}

{\ displaystyle C = \ log_2 (\ det (I_ {m_r} + \ rho HQH ^ *))}

V tomto vzorci je matice identity, je poměr signálu k šumu a Q je korelační matice přenášených symbolů. Pokud vysílač nemá žádné znalosti o kanálu, je maximální dosažitelná kapacita vyjádřena jako: $I_ {m_r}$ $\ rho$

VS=∑i=1mtlog2⁡(1+ρmtλi){\ displaystyle C = \ sum _ {i = 1} ^ {m_ {t}} \ log _ {2} \ left (1 + {\ frac {\ rho} {m_ {t}}} \ lambda _ {i } \ že jo)}

{\ displaystyle C = \ sum_ {i = 1} ^ {m_t} \ log_2 \ left (1+ \ frac {\ rho} {m_t} \ lambda_i \ right)}

$\ lambda_i$ jsou vlastní čísla matice $H ^ * H$

Když vysílač kanál zná, je maximální možná kapacita dána algoritmem plnění vodou .

Použití

Technologie MIMO se používá hlavně ve standardech: Wi-Fi ( IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac a IEEE 802.11ax ), WiMax ( IEEE 802.16e ) a standardy pro mobilní telefony HSPA + , LTE , LTE Advanced a 5G .

Freebox v5 HD, ADSL , operátor a FAI zdarma využívá MIMO metodu pro přenos HD videa (nahrazena PLC odkazem naLeden 2008) mezi dvěma poli a také pro připojení k počítačům. Orange Livebox oznámil v březnu 2016 také používá Wi-Fi připojení k internetu v 4x4 MIMO mód pro připojení TV box.

Poznámky a odkazy

(en) Downlink MIMO v LTE pro pokročilé: SU-MIMO vs. MU-MIMO ieeexplore.ieee.org, 9. února 2012
E. Telatar. Kapacita gaunských kanálů s více anténami, v European Transaction on Telecommunications, roč. 10, počet 6, s. 585-596, 1999
Orange představuje svůj nový Livebox: modem a TV dekodér komunikují prostřednictvím WiFi tomshardware.fr, 16. března 2016

Podívejte se také

Související články