MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) е технология, която използва множество антени за изпращане и получаване на сигнали в областта на безжичната комуникация. Технологията MIMO се използва главно в областта на Wi-Fi (WiFi) и мобилната комуникация, която може ефективно да подобри капацитета на системата, покритието и съотношението сигнал/шум. Най-общо казано, M×N MIMO означава, че има M антени в изпращащия край и N антени в приемащия край.
От SISO към MIMO
SISO (един вход и един изход)
Преди да представим MIMO, трябва да обясним какво е SISO. SISO е единично изпращане и получаване, е система с един вход и един изход, пътят между предавателната антена и приемащата антена е уникален и предаването е 1 сигнал. В безжичните системи ние дефинираме всеки сигнал като пространствен поток.
Тъй като пътят между предавателната и приемащата антена е уникален, такава предавателна система е ненадеждна и скоростта на предаване е ограничена.
SIMO (единичен вход и множество изходи)
За да се промени ненадеждността и ограничената ситуация на SISO, към терминала се добавя антена, така че приемащият край да може да получава два сигнала едновременно, тоест еднократно изпращане и получаване на повече. Такава система за предаване е с един вход и множество изходи, тоест SIMO.
Въпреки че има два сигнала, двата сигнала се изпращат от една и съща предавателна антена, така че изпратените данни са еднакви и предаването все още е само един сигнал. По този начин няма значение дали част от един сигнал е загубен, стига терминалът да може да получи пълни данни от другия сигнал. Въпреки че максималният капацитет все още е един път, надеждността се удвоява. Този подход се нарича разнообразие на приемане.
MISO (Множество входове и един изход)
Ако променим начина, по който мислим за това, какво би се случило, ако увеличим броя на предавателните антени на две и запазим броя на приемащите антени на една?
Тъй като има само една приемаща антена, двата пътя в крайна сметка трябва да бъдат комбинирани в един, което води до предавателната антена, която може да изпраща само едни и същи данни, а предаването все още е само един сигнал. Това всъщност може да постигне същия ефект като SIMO, предавателната система се нарича множествен вход и един изход или MISO. Този метод се нарича още емисионно разнообразие.
MIMO (Множество входове и множество изходи)
Ако приемо-предавателната антена се увеличи до две едновременно, възможно ли е да се изпращат независимо два сигнала и да се удвои скоростта? Отговорът е да, защото от предишния анализ на SIMO и MISO, капацитетът на предаване зависи от броя на антените от двете страни. И тази система с множество приемници и множество предавания е MIMO.
Технологията MIMO позволява на множество антени да изпращат и получават множество сигнали едновременно и може да прави разлика между сигнали, изпратени до или от различни пространствени ориентации. Чрез мултиплексиране с пространствено разделяне и технология за пространствено разнообразие, капацитетът на системата, покритието и съотношението сигнал/шум могат да бъдат подобрени без увеличаване на потреблението на честотна лента.
Какви са видовете MIMO?
MIMO е технология, която използва множество антени за изпращане и получаване на сигнали, първоначално използвани за предаване на данни към един потребител. Въпреки това, с развитието на технологията за многопотребителско предаване, на базата на MIMO се появиха различни многопотребителски MIMO технологии. За да се улесни разграничаването, MIMO за един потребител се нарича SU-MIMO (MIMO за един потребител). Многопотребителската MIMO технология включва главно следните типове.
MU-MIMO (Multi-user MIMO): Позволява на предавателя да предава данни на множество потребители едновременно. Стандартът Wi-Fi 5 започна да поддържа MU-MIMO за 4 потребители, а стандартът Wi-Fi 6 увеличи броя на потребителите до 8.
CO-MIMO (Кооперативен MIMO): Множество безжични устройства се оформят във виртуална система с множество антени, за да се реализира едновременното предаване на данни между съседни предавателни устройства и множество потребители.
Масивен MIMO: Мащабната антенна технология значително подобрява броя на антените, традиционният MIMO обикновено използва 2 до 8 антени, докато Massive MIMO може да достигне 64/128/256 антени. Тя може значително да подобри капацитета на системата и ефективността на предаване и е ключовата технология на 5G мобилната комуникация.
Най-общо казано, многопотребителската MIMO технология може да се класифицира като MIMO технология, но когато говорим за MIMO, обикновено имаме предвид традиционната MIMO концепция, а именно SU-MIMO.
Как работи MIMO в Wi-Fi?
В областта на Wi-Fi технологията MIMO е въведена, започвайки със стандарта Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO използва главно две ключови технологии: пространствено разнообразие и мултиплексиране с пространствено разделяне. Независимо дали става въпрос за технология за разнообразие или технология за мултиплексиране, това е технология, която превръща една информация в множество данни, което може да се класифицира като технология за пространствено-времево кодиране.
Космическо разнообразие
Идеята на технологията за пространствено разнообразие е да се правят различни версии на един и същ поток от данни, да се кодират и модулират в различни антени и след това да се предават. Този поток от данни може да бъде оригиналният поток от данни, който ще бъде изпратен, или може да бъде нов поток от данни, образуван след определена математическа трансформация на оригиналния поток от данни. Приемникът използва пространствения еквалайзер, за да раздели получения сигнал, след това да демодулира и декодира и комбинира различните получени сигнали от един и същи поток от данни, за да възстанови оригиналния сигнал. Технологията за пространствено разнообразие позволява по-надеждно предаване на данни.
Пространственото разнообразие ефективно подобрява надеждността на предаването на данни и се прилага за сценарии, при които разстоянието на предаване е голямо и скоростта не е висока.
Мултиплексиране с пространствено разделяне
Технологията за мултиплексиране с пространствено разделяне означава, че данните, които трябва да бъдат предадени, се разделят на множество потоци от данни, които се кодират и модулират от различни антени и след това се предават, така че да се подобри скоростта на предаване на системата. Антените са независими една от друга, антената е еквивалентна на независим канал, приемникът използва пространствен еквалайзер, за да раздели получения сигнал и след това демодулирани, декодирани, няколко потока данни се обединяват, за да възстанови оригиналния сигнал.
Мултиплексирането с пространствено разделяне ефективно подобрява скоростта на предаване на данни и е подходящо за сценарии с къси разстояния на предаване и изисквания за висока скорост.
Какво е M×N MIMO?
В спецификациите на WLAN продуктите обикновено виждате индикатор M×N MIMO, също написан MTNR, какво е значението на този индикатор? Всъщност той се използва за представяне на броя на MIMO антените, M представлява броя на антените от изпращащата страна, N представлява броя на антените от приемащата страна. Например 4×3 MIMO означава, че четири антени предават и три антени приемат.
Повечето от домашните безжични рутери на пазара могат да виждат няколко антени, една антена често може да поддържа получаване и изпращане, така че можете просто да прецените според броя на антените, броят на антените е стойността на M и N. Например, безжичен рутер с 4 антени може да се счита за 4x4 MIMO, разбира се, специфичните спецификации на продукта преобладават. Колкото повече антени, толкова по-висока е производителността, толкова по-скъпа е цената.
В MIMO система, ако броят на приемащите и приемащите антени не е равен, броят на пространствените потоци, които могат да бъдат предадени, е по-малък или равен на броя на по-малките антени в приемащия/изпращащия край. Например, 4×4 (4T4R) MIMO система може да предава четири или по-малко пространствени потока, докато 3×2 (3T2R) MIMO система може да предава два или един пространствен поток.
В практически приложения приложенията са склонни да имат по-голям брой антени, вариращи от 4 антени до 16 антени, но терминалите (като мобилни телефони) обикновено имат само 1-2 антени. Дори ако технологията на антената непрекъснато се подобрява, но е ограничена от размера на крайния продукт, дори и да може да побере 1-2 антени, това е много по-малко от броя на антените на AP, което означава, че броят на пространствените потоците, които могат да бъдат предавани, са ограничени от терминала, което води до факта, че скоростта на увеличаване на броя на пространствените потоци не може да се използва напълно, което води до загуба на ресурси на антената за AP. За щастие, многопотребителската MIMO технология се появи и реши този проблем, като MU-MIMO, която позволява на AP да предава сигнали с множество терминали едновременно, а общият брой антени на множество терминали е равен на броя на антени на AP, така че способността на AP да може да се възпроизвежда напълно.
