Обзор MIMO — Multiple Input Multiple Output, пространственное мультиплексирование, используемое для обеспечения дополнительной полосы пропускания данных в многолучевых сценариях радиосвязи.
Одним из ключевых преимуществ пространственного мультиплексирования MIMO является тот факт, что оно может обеспечить дополнительную пропускную способность данных. Пространственное мультиплексирование MIMO достигается за счет использования нескольких путей и их эффективного использования в качестве дополнительных «каналов» для передачи данных. Максимальный объем данных, который может передаваться по радиоканалу, ограничен физическими границами, определенными в соответствии с законом Шеннона.
Закон Шеннона и пространственное мультиплексирование MIMO
Как и во многих областях науки, здесь существуют теоретические границы, за которые невозможно выйти. Это верно для объема данных, которые могут быть переданы по определенному каналу при наличии шума. Закон, который управляет этим, называется законом Шеннона, по имени человека, который его сформулировал. Это особенно важно, потому что беспроводная технология MIMO позволяет не нарушать закон, а увеличивать скорость передачи данных сверх тех, которые возможны на одном канале без его использования.
Закон Шеннона определяет максимальную скорость, с которой безошибочные данные могут передаваться по заданной полосе пропускания в присутствии шума. Обычно выражается в виде:
C = W log 2 (1 + S/N)
Где C — пропускная способность канала в битах в секунду, W — полоса пропускания в герцах, а S/N — отношение SNR (отношение сигнал/шум). Отсюда видно, что существует предельное ограничение пропускной способности канала при заданной полосе пропускания. Однако до достижения этой точки пропускная способность также ограничивается отношением сигнал/шум принимаемого сигнала.
Ввиду этих ограничений необходимо принимать множество решений о том, как осуществляется передача. Схема модуляции может сыграть в этом главную роль. Пропускная способность канала может быть увеличена за счет использования схем модуляции более высокого порядка, но они требуют лучшего отношения сигнал/шум, чем схемы модуляции более низкого порядка. Таким образом, существует баланс между скоростью передачи данных и допустимой частотой ошибок, отношением сигнал/шум и передаваемой мощностью. Хотя некоторые улучшения могут быть сделаны с точки зрения оптимизации схемы модуляции и улучшения отношения сигнал/шум, эти улучшения не всегда просты или дешевы, и они всегда являются компромиссом, уравновешивающим различные задействованные факторы. Поэтому необходимо искать другие пути повышения пропускной способности отдельных каналов. MIMO — это один из способов улучшения беспроводной связи, в результате чего он вызывает значительный интерес.
Пространственное мультиплексирование MIMO
Чтобы воспользоваться преимуществами дополнительной пропускной способности, MIMO использует несколько наборов антенн. Во многих системах MIMO используются только две, но нет никаких причин, по которым нельзя использовать дополнительные антенны, и это увеличивает пропускную способность. В любом случае для пространственного мультиплексирования MIMO количество приемных антенн должно быть равно или больше количества передающих антенн.
Чтобы воспользоваться предлагаемой дополнительной пропускной способностью, в беспроводных системах MIMO используется матричный математический подход. Потоки данных t1, t2, . . . tn может передаваться с антенн 1, 2, . . . н. Кроме того, существует множество путей, которые можно использовать, причем каждый путь имеет разные свойства канала. Чтобы приемник мог различать разные потоки данных, необходимо использовать. Они могут быть представлены свойствами h12, проходящими от передающей антенны 1 к приемной антенне 2 и так далее. Таким образом, для системы с тремя передающими и тремя приемными антеннами можно настроить матрицу:
r1 = h11 t1 + h21 t2 + h31 t3
r2 = h12 t1 + h22 t2 + h32 t3
r3 = h13 t1 + h23 t2 + h33 t3
Где r1 = сигнал, принимаемый антенной 1, r2 — сигнал, принимаемый антенной 2, и так далее.
В матричном формате это можно представить как:
[Р] = [Н] х [Т]
Для восстановления переданного потока данных в приемнике необходимо выполнить значительный объем обработки сигнала. Сначала декодер системы MIMO должен оценить характеристику передачи отдельного канала hij, чтобы определить матрицу передачи канала. Как только все это будет оценено, будет создана матрица [H], и переданные потоки данных могут быть реконструированы путем умножения полученного вектора на обратную матрицу передачи.
[Т] = [Н] -1 х [Р]
Этот процесс можно сравнить с решением набора N линейных одновременных уравнений для определения значений N переменных. На самом деле ситуация немного сложнее, поскольку распространение никогда не бывает таким простым, и в дополнение к этому каждая переменная состоит из текущего потока данных, тем не менее это демонстрирует основной принцип, лежащий в основе беспроводных систем MIMO.