ميمو (اتصالات لاسلكية)

هذا المقال هو عن الميمو في الاتصالات اللاسلكية. إذا كنت تريد الاستخدامات الأخرى، انظر ميمو (اتصالات لاسلكية) (توضيح).

تستغل MIMO الانتشار عبر مسارات متعددة لمضاعفة سعة الوصلة

في البث الراديوي, المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة multiple-input and multiple-output, أو MIMO /ˈmaɪmoʊ,_ˈmiːmoʊ/), هي طريقة لمضاعفة سعة الوصلة الراديوية باستخدام هوائيات الإرسال والاستقبال المتعدد لاستغلال انتشار متعدد المسارات. أصبحت MIMO عنصراً أساسيًا في معايير الاتصالات اللاسلكية بما في ذلك IEEE 802.11n (Wi-Fi) ، IEEE 802.11ac (Wi-Fi) ، HSPA + (3G) ، WiMAX (4G) و التطور طويل الأمد (4G LTE). في الآونة الأخيرة ، تم تطبيق MIMO على اتصالات خط الكهرباء للتركيبات ذات الثلاثة أسلاك كجزء من معيار الاتحاد G.hn ومواصفات HomePlug AV2.

في وقت ما ، يشير مصطلح "MIMO" في اللاسلكية إلى استخدام هوائيات متعددة عند المرسل والمستقبل. في الاستخدام الحديث ، تشير "MIMO" بشكل خاص إلى تقنية عملية لإرسال واستقبال أكثر من إشارة بيانات واحدة في نفس الوقت عبر نفس القناة الراديوية من خلال استغلال الانتشار متعدد المسارات. يختلف MIMO بشكل أساسي عن تقنيات الهوائيات الذكية التي تم تطويرها لتحسين أداء إشارة بيانات واحدة ، مثل تشكيل الحزم و الاختلاف.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التاريخ

 الأبحاث المبكرة

غالبًا ما يتم تتبع MIMO إلى السبعينيات من القرن الماضي ، وأوراق بحثية تتعلق بأنظمة الإرسال الرقمي متعدد القنوات والتداخل (الحديث الاعتراضي) بين أزواج الأسلاك في حزمة كبل: AR كاي و DA جورج (1970), براندنبورگ و ونر (1974), و W. ڤان إتن(1975, 1976). على الرغم من أن هذه ليست أمثلة على استغلال الانتشار متعدد المسارات لإرسال تيارات معلومات متعددة ، فقد أثبتت بعض التقنيات الرياضية للتعامل مع التداخل المتبادل أنها مفيدة لتطوير MIMO. في منتصف الثمانينيات ، قام جاك سالز في مختبرات Bell بخطوة أخرى ، حيث قام بدراسة في أنظمة متعددة المستخدمين تعمل عبر "شبكات خطية متداخلة مع مصادر ضوضاء إضافية" مثل تعدد الإرسال بتقسيم الزمن و أنظمة راديو ثنائية الاستقطاب.

تم تطوير طرق لتحسين أداء الشبكات الراديوية الخلوية وتمكين إعادة استخدام التردد بقوة أكبر في أوائل التسعينات. الوصول المتعدد بتقسيم المساحة (SDMA) يستخدم هوائيات اتجاهية أو ذكية للتواصل على نفس التردد مع المستخدمين في مواقع مختلفة داخل نطاق نفس المحطة الأساسية. تم اقتراح نظام SDMA بواسطة ريتشارد روي و بيورن أوترستن ، الباحثين في ArrayComm ، في عام 1991. وهي براءة اختراعهم الأمريكية (رقم 5515378 الصادرة في عام 1996) يصف طريقة لزيادة السعة باستخدام "مصفوفة من هوائيات الاستقبال في المحطة الأساسية" مع "تعدد المستخدمين عن بعد".

 الاختراع

اقترح كل من آروگيسوامي پولراج و توماس كيلث تقنية تعدد الإرسال العكسي القائمة على SDMA في عام 1993. وهي براءة اختراعهم الأمريكية (رقم 5345599 الصادرة في 1994) حيث وصفا طريقة للبث بمعدلات بيانات عالية عن طريق تقسيم إشارة ذات معدل مرتفع "إلى عدة إشارات ذات معدل منخفض" ليتم إرسالها من "أجهزة إرسال منفصلة مكانيًا" واستعادتها بواسطة مصفوفة هوائية الاستقبال بناءً على الاختلافات في "اتجاهات الوصول" ". حصل پولراج على جائزة ماركوني المرموقة في عام 2014 عن "مساهماته الرائدة في تطوير نظرية وتطبيقات هوائيات MIMO. ... عن فكرته في استخدام هوائيات متعددة في كل من محطات الإرسال والاستقبال - التي هي في صميم القلب أحدث أنظمة WiFi المحمولة عالية السرعة و 4G - أالتي حدثت ثورة في الاتصالات اللاسلكية عالية السرعة."

في ورقة أبريل 1996 وبراءة الاختراع اللاحقة ، اقترح كريگ رالي أنه يمكن استغلال الانتشار متعدد المسارات الطبيعي لإرسال تيارات معلومات متعددة ومستقلة باستخدام هوائيات مشتركة في الموقع ومعالجة إشارات متعددة الأبعاد. كما حددت الورقة الحلول العملية للتشكيل (MIMO-OFDM) والتشفير والتزامن وتخمين القناة. في وقت لاحق من ذلك العام (سبتمبر 1996) ، قدم جيرارد ج. فوشيني ورقة اقترحت أيضًا أنه من الممكن مضاعفة سعة الارتباط اللاسلكي باستخدام ما وصفه المؤلف بأنه "بنية الزمكان ذات الطبقات".

أسس كريگ رالي ، في. ك. جونز ، ومايكل پولاك كلاريتي اللاسلكية في عام 1996 ، وقاموا ببناء واختبار ميداني لنظام MIMO النموذجي. استحوذت أنظمة سيسكو على كلاريتي اللاسلكية في عام 1998. قامت مختبرات بل ببناء نموذج أولي للمختبر يوضح تقنية V-BLAST (مختبرات بل العمودية ذات طبقات الزمكان) في عام 1998. أسس آروگيسوامي پولراج شركة إيوسپان اللاسلكية في أواخر عام 1998 لتطوير منتجات MIMO-OFDM. و استحوذت إنتل على إيوسپان في عام 2003. لم يتم تسويق V-BLAST مطلقًا ، ولم تقم كلاريتي اللاسلكية ولا إيوسپان اللاسلكية بشحن منتجات MIMO-OFDM قبل الحصول عليها.

 المعايير والتسويق التجاري

انظر أيضاً: MIMO technology in WiMAX and MIMO technology in 3G mobile standards

تم توحيد تقنية MIMO لشبكات LAN اللاسلكية و لشبكات الهاتف المحمول 3G و لشبكات الهاتف المحمول 4G وهي الآن قيد الاستخدام التجاري على نطاق واسع. أسس جريج رالي و ڤي. كي. جونز شبكات إيرگو في عام 2001 لتطوير شرائح MIMO-OFDM لشبكات LAN اللاسلكية. أنشأ معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) مجموعة مهام في أواخر عام 2003 لتطوير معيار شبكة LAN اللاسلكية الذي يوفر ما لا يقل عن 100 Mbit/s من إنتاجية بيانات المستخدم. كان هناك اقتراحان رئيسيان متنافسان: تم دعم TGn Sync من قبل شركات بما في ذلك إنتل و فلپس ، وتم دعم WWiSE من قبل الشركات بما في ذلك شبكات إيرگو و يرودكوم و تكساس أنسترمنتس. اتفقت المجموعتان على أن معيار 802.11n سيعتمد على MIMO-OFDM بخيارات قناة 20 MHz و 40 MHz . TGn Sync, WWiSE, وتم دمج اقتراح ثالث (MITMOT ، مدعوم من موتورلا و متسوبيشي) لإنشاء ما كان يسمى الاقتراح المشترك. في عام 2004 ، أصبحت شركة إيرگو أول شركة تقوم بشحن منتجات MIMO-OFDM. استحوذت شركة كوالكوم على شركة شبكات إيرگو في أواخر عام 2006. دعم معيار 802.11n النهائي بسرعة تصل إلى 600 Mbit/s (باستخدام أربعة تدفقات بيانات متزامنة) وتم نشره في أواخر عام 2009.

أسس سوريندرا بابو مانداڤا و أروگيسوامي پولراج بكيم للاتصالات في عام 2004 لإنتاج شرائح MIMO-OFDM لـ WiMAX. استحوذت شركة برودكوم على الشركة في عام 2010. تم تطوير WiMAX كبديل للمعايير الخلوية ، وهو يعتمد على معيار 802.16e ، ويستخدم MIMO-OFDM لتقديم سرعات تصل إلى 138 Mbit/s. يتيح معيار 802.16m الأكثر تقدمًا سرعات تنزيل تصل إلى 1 Gbit/s.تم بناء شبكة WiMAX على الصعيد الوطني في الولايات المتحدة بواسطة كليرواير ، وهي شركة تابعة لـ Sprint-Nextel ، تغطي 130 مليون نقاط حضور (PoP) بحلول منتصف عام 2012. أعلن Sprint بعد ذلك عن خطط لنشر LTE (معيار 4G الخلوي) الذي يغطي 31 مدينة بحلول منتصف 2013 وإغلاق شبكة WiMAX بنهاية 2015.

تم اقتراح المعيار الخلوي 4G الأول بواسطة NTT DoCoMo في عام 2004. يعتمد التطور طويل الأمد (LTE) على MIMO-OFDM ويستمر تطويره بواسطة مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP). تحدد LTE معدلات الوصلة الهابطة حتى 300 Mbit/s ، ومعدلات الاتصال حتى 75 Mbit/s ، وجودة معلمات الخدمة مثل الكمون المنخفض.يضيف LTE المتقدمة دعمًا لخلايا پيكو ، وفيمتو ، والقنوات متعددة الأمواج بعرض يصل إلى 100 MHz تم تبني LTE من قبل مشغلي GSM / UMTS و CDMA.

تم إطلاق خدمات LTE الأولى في أوسلو وستوكهولم بواسطة تليا سونيرا في عام 2009.يوجد حاليًا أكثر من 360 شبكة LTE في 123 دولة تعمل مع ما يقرب من 373 مليون (جهاز) اتصال.

 الوظائف

يمكن تقسيم MIMO فرعيًا إلى ثلاث فئات رئيسية: التشفير المسبق ، تعدد الإرسال المكاني (SM) ، و تشفير الاختلاف.

الترميز عبارة عن دفق متعدد تشكيل الشعاع ، في أضيق تعريف. بعبارات أكثر عمومية ، تعتبر كل معالجة مكانية تحدث عند المرسل. في تشكيل الحزمة (دفق واحد) ، تنبعث نفس الإشارة من كل هوائي للإرسال مع طور مناسب وترجيح الكسب بحيث يتم زيادة قدرة الإشارة إلى أقصى حد عند دخل المستقبل. تتمثل فوائد تشكيل الحزمة في زيادة كسب الإشارة المستقبلة - عن طريق جعل الإشارات المنبعثة من هوائيات مختلفة تتجمع بشكل بناء - وتقليل تأثير الخبو متعدد المسارات. في انتشار خط البصر ، ينتج عن تشكيل الحزمة نمط اتجاهي محدد جيدًا. ومع ذلك ، فإن الحزم التقليدية ليست تشابهًا جيدًا في الشبكات الخلوية ، والتي تتميز بشكل رئيسي بـ الانتشار متعدد المسارات. عندما يكون للمستقبل هوائيات متعددة ، لا يمكن لتشكيل حزمة الإرسال زيادة مستوى الإشارة في وقت واحد إلى أقصى حد في جميع هوائيات الاستقبال ، ويكون التشفير المسبق مع تدفقات متعددة مفيدًا في كثير من الأحيان. لاحظ أن التشفير المسبق يتطلب معرفة معلومات حالة القناة (CSI) عند المرسل والمستقبل .

يتطلب تعدد الإرسال المكاني تكوين هوائي MIMO. في تعدد الإرسال المكاني, تنقسم الإشارة ذات المعدل العالي إلى تيارات متعددة بمعدل منخفض ويتم إرسال كل تيار من هوائي إرسال مختلف في نفس قناة التردد. إذا وصلت هذه الإشارات إلى مصفوفة هوائي جهاز الاستقبال بتوقيعات مكانية مختلفة بما فيه الكفاية وكان جهاز الاستقبال يحتوي على CSI دقيقة ، فيمكنه فصل هذه التيارات إلى قنوات متوازية (تقريبًا). يعد تعدد الإرسال المكاني تقنية قوية للغاية لزيادة سعة القناة عند نسب إشارة إلى ضجيج أعلى (SNR). الحد الأقصى لعدد التدفقات المكانية محدود بواسطة عدد أقل من الهوائيات عند المرسل أو المستقبل. يمكن استخدام تعدد الإرسال المكاني بدون CSI في جهاز الإرسال ، ولكن يمكن دمجه مع التشفير المسبق إذا كان CSI متوفراً. يمكن أيضًا استخدام تعدد الإرسال المكاني للإرسال المتزامن إلى أجهزة استقبال متعددة ، تُعرف باسم الوصول المتعدد بتقسيم المساحة أو MIMO متعدد المستخدمين ، وفي هذه الحالة تكون CSI مطلوبة عند جهاز الإرسال. إن جدولة المستقبلات ذات التوقيعات المكانية المختلفة تسمح بفصل جيد.

يتم استخدام تقنيات ترميز الاختلاف عند عدم وجود معلومات عن القناة في جهاز الإرسال. في أساليب الاختلاف ، يتم إرسال قطار واحد (على عكس تيارات متعددة في تعدد الإرسال المكاني) ، ولكن يتم ترميز الإشارة باستخدام تقنيات تسمى تشفير الزمكان. تنبعث الإشارة من كل هوائي للإرسال مع تشفير متعامد كامل أو شبه. يستغل تشفير الاختلاف التلاشي المستقل في روابط الهوائي المتعددة لتعزيز تنوع الإشارة. نظرًا لعدم وجود معرفة بالقناة ، لا يوجد تشكيل الحزمة أو كسب مصفوفي من تشفير الاختلاف. يمكن دمج تشفير الاختلاف مع تعدد الإرسال المكاني عندما تتوفر بعض المعلومات عن القناة في المستقبل.

 الانواع

Example of an antenna for LTE with 2 port antenna diversity

 الأنواع متعددة الهوائيات

تم تطوير تقنية MIMO (أو MIMO مستخدم واحد) متعدد الهوائي وتنفيذها في بعض المعايير ، على سبيل المثال ، منتجات 802.11n.

• SISO / SIMO / MISO حالات خاصة لـ MIMO
  • تعد المدخلات المتعددة والمخرجات الأحادية (MISO) حالة خاصة عندما يكون لجهاز الاستقبال هوائي واحد.
  • يعد الإدخال الفردي والإخراج المتعدد (SIMO) حالة خاصة عندما يكون لجهاز الإرسال هوائي واحد.
  • إخراج أحادي المدخلات (SISO) هو نظام راديو تقليدي حيث لا يوجد جهاز إرسال أو استقبال لهوائي متعدد.
• تقنيات MIMO الرئيسية للمستخدم الواحد
  • مختبرات بل الطبقات الزمكانية (BLAST) ، جيرارد. جيه فوشيني (1996)
  • التحكم في معدل الهوائي (PARC) ، ڤاراناسي ، گيس (1998) ، تشنگ ، وانگ ، لوزانو (2001)
  • التحكم في معدل الانتقاء لكل هوائي (SPARC) ، إركسون (2004)
• بعض القيود
  • تم تحديد تباعد الهوائي المادي ليكون ؛ الطول الموجي المتعدد في المحطة الأساسية كبيراً. إن فصل الهوائي عند جهاز الاستقبال مقيّد بشدة في الأجهزة المحمولة ، على الرغم من أن تصميم الهوائي وتقنيات الخوارزمية المتقدمة قيد المناقشة. راجع: MIMO متعدد المستخدمين

 الأنواع متعددة المستخدم

المقالة الرئيسية: ميمو متعدد المستخدم

في الآونة الأخيرة ، ظهرت نتائج الأبحاث حول تكنولوجيا MIMO متعددة المستخدمين. في حين أن MIMO الكامل متعدد المستخدمين (أو شبكة MIMO) يمكن أن يكون له إمكانات أعلى ، عمليًا ، فإن البحث في تقنية MIMO (الجزئية) متعددة المستخدمين (أو MIMO متعدد المستخدمين ومتعدد الهوائي) أكثر نشاطًا.

• MIMO متعدد المستخدمين (MU-MIMO)
  • في المعايير الحديثة 3GPP و WiMAX ، يتم التعامل مع MU-MIMO كواحدة من التقنيات المرشحة التي يمكن اعتمادها في المواصفات من قبل عدد من الشركات ، بما في ذلك سامسونگ و إنتل و كوالكوم و إركسون و TI ، هواوِيْ و فلپس و نوكيا و فري سكيل. بالنسبة لهذه الشركات وغيرها من الشركات النشطة في سوق الأجهزة المحمولة ، تعد MU-MIMO أكثر جدوى بالنسبة للهواتف الخلوية منخفضة التعقيد التي تحتوي على عدد صغير من هوائيات الاستقبال ، في حين أن معدل النقل العالي لكل مستخدم SU-MIMO للاستخدام الفردي أكثر ملاءمة بشكل أكثر تعقيدًا أجهزة المستخدم مع المزيد من الهوائيات.
  • MIMO المحسن متعدد المستخدمين: 1) يستخدم تقنيات فك التشفير المتقدمة ، 2) يستخدم تقنيات تشفير متقدمة
  • تمثل SDMA إما الوصول المتعدد بتقسيم المساحة أو الوصول المتعدد الفائق حيث تؤكد "فائقة" على عدم استخدام التقسيم المتعامد مثل التردد وتقسيم الوقت ولكن يتم استخدام المناهج غير المتعامدة مثل تشفير التراكب .
• تعاونية MIMO (CO-MIMO)
  • يستخدم العديد من محطات القاعدة المجاورة لنقل / استقبال البيانات بشكل مشترك من / إلى المستخدمين. ونتيجة لذلك ، لا تتسبب محطات القاعدة المجاورة في حدوث تداخل بين الأنظمة كما هو الحال في أنظمة MIMO التقليدية.
• التنوع الكلي MIMO
  • شكل من أشكال مخطط التنوع المكاني الذي يستخدم محطات إرسال أو استقبال متعددة للتواصل بشكل متماسك مع مستخدمين فرديين أو متعددين يمكن توزيعهم في منطقة التغطية ، وفي نفس الوقت ومورد التردد.
  • تعد أجهزة الإرسال بعيدة كل البعد على النقيض من مخططات MIMO للتنوع الدقيق التقليدي مثل MIMO المستخدم الفردي. في سيناريو MIMO للتنوع الكلي متعدد المستخدمين ، قد يكون المستخدمون أيضًا متباعدين. لذلك ، كل رابط مكون في ارتباط MIMO الظاهري له ارتباط متوسط مميز SNR. ويرجع هذا الاختلاف بشكل أساسي إلى اختلالات القناة الطويلة الأمد المختلفة مثل ضياع المسار وتلاشي الظل التي تتعرض لها الروابط المختلفة.
  • تطرح مخططات MIMO للتنوع الكلي تحديات نظرية وعملية غير مسبوقة. من بين العديد من التحديات النظرية ، ربما يكون التحدي الأساسي هو فهم كيفية تأثير متوسط نسبة الإشارة إلى الضجيج (SNR) للوصلة على سعة النظام الإجمالية وأداء المستخدم الفردي في بيئات التلاشي.
• توجيه MIMO
  • توجيه مجموعة بواسطة مجموعة في كل قفزة ، حيث يكون عدد العقد في كل مجموعة أكبر أو يساوي واحدًا. يختلف توجيه MIMO عن التوجيه التقليدي (SISO) لأن بروتوكولات التوجيه التقليدية توجه العقدة تلو العقدة في كل قفزة.
• MIMO الضخمة
  • تقنية يكون فيها عدد الطرفيات أقل بكثير من عدد هوائيات المحطة الأساسية (المحطة المتنقلة). في بيئة التبدد الواسعة ، يمكن الاستفادة من المزايا الكاملة لنظام MIMO الضخم باستخدام استراتيجيات بسيطة لتشكيل الحزمة مثل الحد الأقصى لنسبة الإرسال (MRT), الحد الأقصى لجمع النسبة(MRC) أو التأثير صفر (ZF). لتحقيق هذه الفوائد من MIMO الهائلة ، يجب أن تكون CSI الدقيقة متاحة بشكل مثالي. ومع ذلك ،عملياً ، يتم تقدير القناة بين المرسل والمستقبل من التتابعات التجريبية المتعامدة التي تكون محدودة بوقت تماسك القناة. الأهم من ذلك ، في إعداد متعدد الخلايا ، فإن إعادة استخدام تسلسل تجريبي للعديد من الخلايا ذات القناة المشتركة سيؤدي إلى تشويش تجريبي. عندما يكون هناك تشويش تجريبي ، فإن أداء MIMO الضخم يتدهور بشكل كبير. للتخفيف من تأثير التلوث التجريبي ، يقترح عمل طريقة بسيطة للتعيين التجريبي وتقدير القناة من تسلسلات تدريب محدودة. ومع ذلك ، في عام 2018 ، نشر كل من إيميل بيورنسن و جيكوب هويدس و لوكا سانگوينتي والذي أظهر أن التشويش التجريبي قابل للذوبان ووجد أن سعة القناة يمكن دائمًا زيادتها ، من الناحية النظرية والعملية من خلال زيادة عدد الهوائيات.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التطبيقات

انظر أيضاً: Cooperative MIMO

تجعل تقنيات تعدد الإرسال المكاني أجهزة الاستقبال معقدة للغاية ، وبالتالي يتم دمجها عادةً مع تعدد الإرسال المتعامد لتقسيم التردد (OFDM) أو مع تعديل وصول متعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) ، حيث تنشأ المشكلات عن طريق التعامل مع القناة متعددة المسارات بكفاءة. يشتمل معيار IEEE 802.16e على MIMO-OFDMA. يوصي معيار IEEE 802.11n ، الذي تم إصداره في أكتوبر 2009 ، باستخدام MIMO-OFDM.

من المخطط أيضًا استخدام MIMO في معايير الهاتف للاتصالات اللاسلكية مثل 3GPP الحديثة و 3GPP2. في 3GPP ، تأخذ معايير الوصول عالي السرعة للحزمة بالإضافة إلى (HSPA +) و معايير تقدم طويل الامد (LTE) MIMO في الاعتبار. علاوة على ذلك ، من أجل دعم البيئات الخلوية بالكامل ، تقترح اتحادات بحث MIMO بما في ذلك IST-MASCOT تطوير تقنيات MIMO المتقدمة ، على سبيل المثال ، MIMO متعدد المستخدمين (MU-MIMO).

يمكن استخدام تقنية MIMO في أنظمة الاتصالات غير اللاسلكية. ومن الأمثلة على ذلك معيار الشبكات المنزلية ITU-T G.9963 ، الذي يحدد نظام اتصالات خط الكهرباء الذي يستخدم تقنيات MIMO لإرسال إشارات متعددة عبر أسلاك AC متعددة (طور ، محايد وأرضي).

 الوصف الرياضياتي

MIMO نموذج القناة

في أنظمة MIMO ، يرسل جهاز الإرسال تدفقات متعددة بواسطة هوائيات إرسال متعددة. تمر تدفقات الإرسال عبر مصفوفة قناة التي تتكون من كل المسارات $N_{t}N_{r}$ بين $N_{t}$ هوائيات الإرسال في جهاز الإرسال و $N_{r}$ استقبال الهوائيات في المستقبل. بعد ذلك ، يحصل جهاز الاستقبال على الإشارة المستقبلة المتجهات بواسطة هوائيات الاستقبال المتعددة ويقوم بفك تشفير ناقلات الإشارة المستقبلة إلى المعلومات الأصلية. نظام MIMO النطاق الضيق التشتت المسطح على غرار:^{[بحاجة لمصدر]}

$\mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n}$

حيث $\mathbf {y}$ و $\mathbf {x}$ هي متجهات الإرسال والاستقبال على التوالي و $\mathbf {H}$ و $\mathbf {n}$ هي مصفوفة القناة ومتجه الضجيج ، على التوالي.

الحلقة المغلقة إرگودك (القناة معروفة ، CSI مثالية) وسعات الحلقة المفتوحة (القناة غير معروفة ، لا يوجد CSI). عدد هوائيات الإرسال والاستقبال 4 ($N_{r}=N_{t}=4$).

بالإشارة إلى نظرية المعلومات ، فإن سعة القناة إرگودك لأنظمة MIMO حيث يكون لكل من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال لحظة فورية مثالية معلومات حالة القناة

$C_{\mathrm {perfect-CSI} }=E\left[\max _{\mathbf {Q} ;\,{\mbox{tr}}(\mathbf {Q} )\leq 1}\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]=E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {D} \mathbf {S} \mathbf {D} \right)\right]$

حيث $()^{H}$ يدل على تبديل هيرميت و $\rho$ هي النسبة بين قدرة الإرسال وقدرة الضجيج (أي الإرسال SNR). التغاير الأمثل للإشارة $\mathbf {Q} =\mathbf {VSV} ^{H}$ يتحقق من خلال تحلل القيمة المفردة لمصفوفة القناة $\mathbf {UDV} ^{H}\,=\,\mathbf {H}$ ومصفوفة تخصيص قطرية مثالية $\mathbf {S} ={\textrm {diag}}(s_{1},\ldots ,s_{\min(N_{t},N_{r})},0,\ldots ,0)$. يتم تحقيق التوزيع الأمثل للطاقة من خلال خوارزمية تعبئة المياه, وذلك يكون

$s_{i}=\left(\mu -{\frac {1}{\rho d_{i}^{2}}}\right)^{+},\quad {\textrm {for}}\,\,i=1,\ldots ,\min(N_{t},N_{r}),$

where $d_{1},\ldots ,d_{\min(N_{t},N_{r})}$ هي العناصر القطرية $\mathbf {D}$, $(\cdot )^{+}$ هو صفر إذا كان برهانه سلبياً ، و$\mu$ يتم اختيار مثل ذلك $s_{1}+\ldots +s_{\min(N_{t},N_{r})}=N_{t}$.

إذا كان جهاز الإرسال يحتوي فقط على معلومات حالة القناة الإحصائي ، فسوف ينخفض سعة القناة إرگودك مع تباين الإشارة $\mathbf {Q}$ يمكن تحسينها فقط من حيث متوسط المعلومات المتبادلة كـ

$C_{\mathrm {statistical-CSI} }=\max _{\mathbf {Q} }E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right].$

للارتباط المكاني للقناة تأثير قوي على سعة القناة إرگودك مع المعلومات الإحصائية.

إذا كان جهاز الإرسال لا يحتوي على معلومات حالة القناة فيمكنه تحديد تباين الإشارة$\mathbf {Q}$ لتعظيم سعة القناة تحت إحصائيات أسوأ حالة ، مما يعني $\mathbf {Q} =1/N_{t}\mathbf {I}$ وبالتالي

$C_{\mathrm {no-CSI} }=E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +{\frac {\rho }{N_{t}}}\mathbf {H} \mathbf {H} ^{H}\right)\right].$

بالاعتماد على الخصائص الإحصائية للقناة ، فإن سعة إرگودك لا تزيد عن $\min(N_{t},N_{r})$ مرات أكبر من نظام SISO.

 الاختبار

يركز اختبار إشارة MIMO أولاً على نظام الإرسال / الاستقبال. يمكن أن تؤدي المراحل العشوائية لإشارات الموجة الحاملة الفرعية إلى إنتاج مستويات طاقة فورية تتسبب في ضغط مضخم الصوت ، مما يسبب تشوهًا مؤقتًا وأحيانًا أخطاء الرمز. إشارات عالية PAR (نسبة الذروة إلى المعدل المتوسط) يمكن أن تسبب المضخمات الضغط بشكل غير متوقع أثناء الإرسال. فإشارات OFDM ديناميكية للغاية وقد يكون من الصعب اكتشاف مشاكل الضغط بسبب طبيعتها الشبيهة بالتشويش.

من المهم أيضًا معرفة جودة قناة الإشارة. يمكن لـ محاكي القناة محاكاة أداء الجهاز عند حافة الخلية ، أو إضافة ضوضاء ، أو محاكاة شكل القناة بسرعة. للتأهيل الكامل لأداء جهاز الاستقبال ، يمكن استخدام جهاز إرسال مُعاير ، مثل مولد إشارة المتجه (VSG) ومحاكي القناة لاختبار جهاز الاستقبال تحت مجموعة متنوعة من الظروف المختلفة . على العكس من ذلك ، يمكن التحقق من أداء جهاز الإرسال في ظل عدد من الظروف المختلفة باستخدام محاكي القناة وجهاز الاستقبال المعاير ، مثل محلل إشارة متجه (VSA).

يسمح فهم القناة بمعالجة طور واتساع كل جهاز إرسال من أجل تكوين حزمة. لتكوين حزمة بشكل صحيح ، يحتاج المرسل إلى فهم خصائص القناة. تسمى هذه العملية رنين القناة أو القناة المقدرة. يتم إرسال إشارة معروفة إلى الجهاز المحمول تمكنه من إنشاء صورة لبيئة القناة. يعيد الجهاز المحمول خصائص القناة إلى جهاز الإرسال. يمكن للمرسل بعد ذلك تطبيق تعديلات الطور والسعة الصحيحة لتشكيل حزمة موجهة إلى الجهاز المحمول. وهذا ما يسمى بنظام MIMO ذو الحلقة المغلقة. بالنسبة إلى تشكيل الحزم ، يلزم ضبط أطوال واتساع كل جهاز إرسال. في محول الشعاع المحسن للتنوع المكاني أو تعدد الإرسال المكاني ، يرسل كل عنصر هوائي في نفس الوقت مجموعة مرجحة من رمزي بيانات.

 انظر أيضاً

• Antenna diversity
• Beamforming
• Channel bonding
• Channel state information
• Dirty paper coding
• Duplex (telecommunications)
• History of smart antennas
• IEEE 802.11
• IEEE 802.16
• Macrodiversity
• MIMO-OFDM
• Multi-user MIMO
• Per-User Unitary Rate Control
• Phased array
• Precoding
• Single-frequency network (SFN)
• Smart antenna
• Space–time block code
• Space–time code
• Spatial multiplexing
• واي فاي
• WiMAX MIMO

 وصلات خارجية

• NIST UWB-MIMO Channel Propagation Measurements in the 2–8 GHz Spectrum
• Meeting The Test Challenges Of 4G LTE
• The Basics Of OFDM
• MIMO: The Future Of Wireless: Test Challenges For WiMAX, HSPA+, And LTE
• The challenges of moving to MIMO systems
• RF test system tackles 4 × 4 MIMO signals
• The Role Of EVM Measurements In Characterizing Amplifier Modulation Performance
• Industry Views: 4G Systems Bring New Design Testing Challenges
• Literature review of MIMO
• Antenna and Wireless Multipath Virtual Channel Interaction