หลายอินพุตหลายเอาต์พุต (MIMO) เป็นระบบเสาอากาศที่ใช้เสาอากาศหลายตัวที่ทั้งปลายส่งและปลายรับเพื่อสร้างหลายช่องสัญญาณระหว่างปลายส่งและรับเพื่อเพิ่มความจุของช่องอย่างมาก
หลายอินพุตหลายเอาต์พุตเป็นเทคนิคความหลากหลายของเสาอากาศที่ค่อนข้างซับซ้อน เอฟเฟกต์แบบหลายเส้นทางจะส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณ ดังนั้นระบบเสาอากาศแบบเดิมจึงต้องใช้สมองในการกำจัดเอฟเฟกต์แบบหลายเส้นทาง ในทางกลับกัน ระบบ MIMO ใช้เอฟเฟ็กต์หลายเส้นทางเพื่อปรับปรุงคุณภาพการสื่อสาร ในระบบ MIMO ฝ่ายส่งและรับใช้เสาอากาศหลายตัวที่สามารถทำงานพร้อมกันในการสื่อสาร โดยทั่วไประบบ MIMO จะใช้เทคนิคการประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ ช่วง และปริมาณงานอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อใช้เทคนิคเหล่านี้ เครื่องส่งจะส่งสัญญาณความถี่วิทยุหลายตัวพร้อมกัน และเครื่องรับจะกู้คืนข้อมูลจากสัญญาณเหล่านี้ ระบบสื่อสารไร้สาย MIMO เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญของระบบสื่อสารไร้สายและมือถือในอนาคต คุณลักษณะที่ชัดเจนของระบบ MIMO คือมีประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ที่สูงมาก บนพื้นฐานของการใช้ทรัพยากรคลื่นความถี่ที่มีอยู่อย่างเต็มที่ ทรัพยากรพื้นที่จะถูกใช้เพื่อให้ได้มาซึ่งความน่าเชื่อถือและประสิทธิผล ยุติความซับซ้อนในการประมวลผล
โมดูลคีย์
1. การสร้างแบบจำลองช่องสัญญาณระบบ MIMO
ประสิทธิภาพของระบบ MIMO ขึ้นอยู่กับรุ่นของช่องสัญญาณเป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าจะมีโมเดลการแพร่กระจายแบบไร้สายที่ได้มาตรฐานอยู่แล้ว และโมเดลช่องสัญญาณ MIMO จำนวนมากได้จัดทำขึ้นบนพื้นฐานของการวัดจริงและงานวิจัยเชิงทฤษฎีจำนวนมาก แต่ ITU ยังไม่ได้รับการยอมรับ รูปแบบช่องสัญญาณ MIMO ที่เป็นมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับ (3GPP ได้กำหนดมาตรฐานรูปแบบช่องสัญญาณสำหรับ MIMO) ดังนั้น การทำความเข้าใจและการเรียนรู้คุณลักษณะของช่อง MIMO ไร้สายในสภาพแวดล้อมในร่มและกลางแจ้ง การสร้างแบบจำลองคงที่และแบบจำลองไดนามิกเฉพาะของช่อง MIMO จึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกโครงสร้างระบบที่เหมาะสม และการออกแบบอัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณที่ยอดเยี่ยมเพื่อให้ทราบถึงช่องสัญญาณขนาดใหญ่ที่มีศักยภาพของระบบ MIMO ความจุ การบรรลุผลการปฏิบัติงานที่คาดหวังถือเป็นสิ่งสำคัญ
2. ความจุของระบบ MIMO
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเสาอากาศเดี่ยวแบบเดิม ระบบ MIMO มีการปรับปรุงอย่างมากทั้งในแง่ของประสิทธิภาพและอัตราการส่งข้อมูล ประการแรก Telestar และ Foschini ดำเนินการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับความจุของช่องสัญญาณของระบบ MIMO พวกเขาวิเคราะห์สัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียนตามลำดับ การวิจัยเกี่ยวกับความจุของระบบ MIMO ภายใต้เงื่อนไขต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่า ภายใต้สมมติฐานที่ว่าเสาอากาศมีความเป็นอิสระจากกัน ระบบเสาอากาศหลายตัวได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับระบบเสาอากาศเดี่ยว ในกรณีที่ทราบคุณลักษณะการส่งสัญญาณของช่องสัญญาณ การวิจัยของ Foschini แสดงให้เห็นว่า: เมื่อ M=N ความจุช่องสัญญาณที่ได้รับจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับ N ภายใต้กำลังส่งและแบนด์วิธการส่งสัญญาณเดียวกัน ความจุช่องสัญญาณของระบบ สูงกว่าระบบ single-input single-out (SISO) ประมาณ 40 เท่า
3. การออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศ MIMO
โดยทั่วไป เสาอากาศของสถานีฐานจะถูกสร้างขึ้นในที่สูง และการกระเจิงของสนามระยะใกล้รอบๆ อาเรย์เสาอากาศค่อนข้างอ่อน ดังนั้น เพื่อที่จะได้รับสัญญาณที่ไม่สัมพันธ์กันบนองค์ประกอบอาเรย์ที่แตกต่างกัน มักจะจำเป็นต้องรักษาระยะห่างความยาวคลื่นระหว่างองค์ประกอบอาเรย์อย่างน้อย 10 เท่า เมื่อเสาอากาศมีจำนวนมากขึ้น อาจมีอุปสรรคต่อการสร้าง Line Array ของสถานีฐาน สำหรับเทอร์มินัลเคลื่อนที่ เนื่องจากมีการกระจายสนามใกล้มาก เชื่อกันโดยทั่วไปว่าระยะห่างระหว่างองค์ประกอบเสาอากาศมากกว่า 1/2 ความยาวคลื่น เพื่อทำให้ความสัมพันธ์ของสัญญาณอ่อนแอเพียงพอ อาเรย์เสาอากาศแบบโพลาไรซ์สามารถใช้สถานะโพลาไรซ์แบบตั้งฉากร่วมกันที่ตำแหน่งเชิงพื้นที่เดียวกันเพื่อให้ทราบถึงความไม่เกี่ยวข้องที่ชัดเจนขององค์ประกอบอาเรย์ เพื่อให้ขนาดของอาเรย์เสาอากาศสามารถลดลงได้ค่อนข้างมาก
4. การประมวลผลสัญญาณของระบบ MIMO
ระบบการสื่อสารด้วยเสาอากาศแบบอาเรย์ในสภาพแวดล้อมที่ซีดจางต้องเผชิญกับสัญญาณรบกวนร่วมช่องสัญญาณและการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ เพื่อที่จะเข้าถึงความจุของระบบเสาอากาศหลายตัว จำเป็นต้องมีเทคนิคการประมวลผลสัญญาณที่ดี วิธีการตรวจจับสัญญาณประสิทธิภาพสูงและซับซ้อนต่ำหรือวิธีการตรวจจับข้อต่อเป็นประเด็นร้อนสำหรับนักวิจัยมาโดยตลอด
5. ปัญหาความซับซ้อนของระบบ MIMO
เนื่องจากสัญญาณในระบบ MIMO ถูกขยายไปสู่อวกาศ-เวลาสองมิติ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเสาอากาศเดี่ยว ความซับซ้อนของการประมาณค่าช่องสัญญาณ การปรับช่องสัญญาณให้เท่ากัน การถอดรหัส และการเชื่อมโยงการตรวจจับจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนเสาอากาศหรือ เพิ่มลำดับการมอดูเลตสัญญาณ จำนวนการคำนวณอัลกอริทึมจะส่งผลโดยตรงต่อความล่าช้าในการประมวลผล การใช้พลังงานของอุปกรณ์ และเวลาสแตนด์บาย ในเวลาเดียวกัน ในการใช้งานจริง ปัจจัยสำคัญที่จำกัดระบบ MIMO คือต้นทุนที่สูงจากการเชื่อมโยงความถี่วิทยุหลายตัว เพื่อลดความซับซ้อนในการคำนวณของ "ซอฟต์แวร์" ให้จัดเตรียมวิธีการประมวลผลสัญญาณที่ง่ายและมีประสิทธิภาพมากขึ้น รวมถึงรูปแบบการเข้ารหัสและถอดรหัสกาลอวกาศต่างๆ สำหรับระบบ MIMO ในการลดต้นทุน "ฮาร์ดแวร์" การเลือกเสาอากาศเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญมาก ซึ่งสามารถลดความซับซ้อนในการประมวลผลและต้นทุนฮาร์ดแวร์ได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็รักษาข้อดีของเทคโนโลยี MIMO ไว้ และเป็นจุดเน้นในการวิจัยเพื่อส่งเสริมการใช้งานจริงของระบบ MIMO
6. ความหลากหลายและมัลติเพล็กซ์ของระบบ MIMO
สาระสำคัญของระบบ MIMO คือการเพิ่มความหลากหลายและการเพิ่มทวีคูณ แบบแรกรับประกันความน่าเชื่อถือในการส่งข้อมูลของระบบ และแบบหลังจะปรับปรุงอัตราการส่งข้อมูลของระบบ วรรณกรรมยุคแรกๆ ส่วนใหญ่เน้นไปที่การใช้ความหลากหลายในการส่งและมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่เพียงอย่างเดียวหรือใช้ร่วมกับการเข้ารหัส ผลการศึกษาพบว่าระบบหลายเสาอากาศสามารถให้ความหลากหลายและมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ได้ในเวลาเดียวกัน และมีข้อแลกเปลี่ยนระหว่างทั้งสอง การสำรวจเพื่อเพิ่มระบบให้ได้มากที่สุดโดยการใช้โหมดความหลากหลายและมัลติเพล็กซ์สองโหมดในระบบ MIMO อย่างมีเหตุผล
7. (หลายเซลล์) ระบบ MIMO ผู้ใช้หลายคน
ตามทฤษฎีแล้ว โดเมนความจุของระบบ MIMO แบบผู้ใช้หลายรายได้รับการแก้ไขแล้ว แต่วิธีทำให้โดเมนความจุตรงตามข้อกำหนดอัตราการส่งข้อมูลของผู้ใช้ต่างๆ ยังคงไม่ได้รับการแก้ไขอย่างดี นอกจากนี้ ในช่องสัญญาณออกอากาศ เนื่องจากเสาอากาศระหว่างและการรบกวนระหว่างผู้ใช้ในระบบ MIMO วิธีการออกแบบเวกเตอร์การส่งสัญญาณเพื่อกำจัดการรบกวนช่องสัญญาณร่วมระหว่างผู้ใช้ วิธีทำให้ความจุของระบบและการควบคุมพลังงานของ QoS เฉพาะของผู้ใช้แต่ละรายเมื่อพลังงานมีจำกัด ปัญหาของการเพิ่มประสิทธิภาพและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องเมื่อมีระบบผู้ใช้หลายเซลล์ยังคงเป็นจุดเน้นของการวิจัย
หลักการพื้นฐานของเทคโนโลยี MIMO
เทคโนโลยี MIMO หมายถึงการใช้เสาอากาศส่งสัญญาณและเสาอากาศรับหลายอันที่ปลายส่งสัญญาณและปลายรับ ตามลำดับ เพื่อให้สัญญาณถูกส่งและรับผ่านเสาอากาศหลายอันที่ปลายส่งสัญญาณและปลายรับ ดังนั้นจึงปรับปรุงคุณภาพการสื่อสาร สามารถใช้ทรัพยากรพื้นที่ได้อย่างเต็มที่ รับรู้การส่งสัญญาณหลายครั้งและการรับสัญญาณหลายครั้งผ่านเสาอากาศหลายตัว และสามารถเพิ่มความจุช่องสัญญาณของระบบเป็นสองเท่าโดยไม่ต้องเพิ่มทรัพยากรสเปกตรัมและกำลังส่งเสาอากาศ แสดงข้อได้เปรียบที่ชัดเจน และถือเป็นแกนหลักของอุปกรณ์เคลื่อนที่รุ่นต่อไป เทคโนโลยีการสื่อสาร สาระสำคัญของเทคโนโลยี MIMO คือการเพิ่มความหลากหลายของพื้นที่และการเพิ่มมัลติเพล็กซ์ของพื้นที่สำหรับระบบ
ปลายส่งสัญญาณจะแมปสัญญาณข้อมูลที่จะส่งไปยังเสาอากาศหลายอันผ่านการแมปกาล-อวกาศ และปลายรับทำการถอดรหัสกาล-อวกาศบนสัญญาณที่ได้รับจากเสาอากาศแต่ละอัน เพื่อกู้คืนสัญญาณข้อมูลที่ส่งโดยปลายส่งสัญญาณ ตามวิธีการทำแผนที่อวกาศ-เวลาที่แตกต่างกัน เทคโนโลยี MIMO สามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ ความหลากหลายของอวกาศ และมัลติเพล็กซ์ในอวกาศ ความหลากหลายของพื้นที่หมายถึงการใช้เสาอากาศส่งสัญญาณหลายเสาเพื่อส่งสัญญาณที่มีข้อมูลเดียวกันผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน และในเวลาเดียวกันจะได้รับสัญญาณที่จางหายไปอย่างอิสระหลายสัญญาณจากสัญลักษณ์ข้อมูลเดียวกันที่เครื่องรับ เพื่อให้ได้ความน่าเชื่อถือของการรับสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุงโดย ความหลากหลาย. ตัวอย่างเช่น ในช่องสัญญาณ Rayleigh ซีดจางอย่างช้าๆ โดยใช้เสาอากาศส่งหนึ่งอันและเสาอากาศรับ n อัน สัญญาณที่ส่งจะผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน n เส้นทาง ถ้าการซีดจางระหว่างเสาอากาศเป็นอิสระต่อกัน จะได้ค่าเกนความหลากหลายสูงสุดเป็น n สำหรับเทคโนโลยีการส่งสัญญาณที่หลากหลาย ยังเป็นการใช้กำไรจากหลายเส้นทางเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบด้วย ในระบบที่มีเสาอากาศส่งสัญญาณ m และเสาอากาศรับสัญญาณ n เสา ถ้าเส้นทางที่เพิ่มขึ้นระหว่างคู่เสาอากาศมีความเป็นอิสระและมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอของ Rayleigh การซีดจาง ค่าเกนความหลากหลายสูงสุดที่สามารถรับได้คือ mn ในปัจจุบัน เทคโนโลยีความหลากหลายของอวกาศที่ใช้กันทั่วไปในระบบ MIMO ส่วนใหญ่ได้แก่ Space Time Block Code (Space Time Block Code, STBC) และเทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่ง STBC เป็นรูปแบบการเข้ารหัสที่สำคัญโดยอิงจากความหลากหลายของการส่งสัญญาณ รูปแบบพื้นฐานที่สุดคือรูปแบบ Alamouti ที่ออกแบบมาสำหรับเสาอากาศสองตัว
ส่วนที่สำคัญที่สุดของวิธี STBC คือการทำให้เวกเตอร์สัญญาณถูกส่งผ่านเสาอากาศหลายเสาตั้งฉากกัน การใช้เทคโนโลยี STBC สามารถบรรลุผลของความหลากหลายได้เต็มที่ กล่าวคือ เมื่อใช้เทคโนโลยี STBC ในระบบที่มีเสาอากาศส่งสัญญาณ M และเสาอากาศรับสัญญาณ N อัตราขยายความหลากหลายสูงสุดคือ MN เทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่งคือการส่งข้อมูลเดียวกันผ่านเสาอากาศส่งสัญญาณที่แตกต่างกันเพื่อสร้างลำแสงรูปทรงที่ส่งตรงไปยังผู้ใช้บางราย ดังนั้นจึงปรับปรุงอัตราขยายของเสาอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณของลำแสงที่ส่งตรงถึงผู้ใช้ โดยทั่วไปเทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่งจำเป็นต้องคำนวณเฟสและกำลังของข้อมูลที่ส่งบนเสาอากาศส่งสัญญาณแต่ละอัน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเวกเตอร์บีมฟอร์มมิ่ง วิธีการคำนวณเวกเตอร์บีมฟอร์มมิ่งทั่วไป ได้แก่ เวกเตอร์ค่าลักษณะเฉพาะสูงสุด อัลกอริธึม MUSIC ฯลฯ อัตราขยายความหลากหลายในการส่งสูงสุดที่สามารถรับได้โดยใช้เทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่งสำหรับเสาอากาศส่งสัญญาณ M คือ M เทคโนโลยีมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่คือการแบ่งข้อมูลที่จะส่งออกเป็นหลายข้อมูล สตรีมแล้วส่งสัญญาณไปยังเสาอากาศที่แตกต่างกันซึ่งจะช่วยเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลของระบบ วิธีการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ที่ใช้กันทั่วไปคือรหัสอวกาศ-เวลาแบบเลเยอร์แนวตั้งที่เสนอโดย Bell Laboratories นั่นคือเทคโนโลยี V-BLAST
