MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) je technologie, která využívá více antén k odesílání a přijímání signálů v oblasti bezdrátové komunikace. Technologie MIMO se používá především v oblasti Wi-Fi (WiFi) a mobilní komunikace, která dokáže efektivně zlepšit kapacitu systému, pokrytí a odstup signálu od šumu. Obecně řečeno, M×N MIMO znamená, že na vysílacím konci je M antén a na přijímacím konci N antén.
Od SISO po MIMO
SISO (jeden vstup, jeden výstup)
Před představením MIMO si musíme vysvětlit, co je SISO. SISO je jediný systém pro odesílání a příjem, je to systém s jedním vstupem a jedním výstupem, cesta mezi vysílací anténou a přijímací anténou je jedinečná a přenos je 1 signál. V bezdrátových systémech definujeme každý signál jako prostorový tok.
Protože cesta mezi vysílací a přijímací anténou je jedinečná, je takový přenosový systém nespolehlivý a přenosová rychlost je omezená.
SIMO (Single-Input Multiple-Output)
Aby se změnila nespolehlivost a omezená situace SISO, je k terminálu přidána anténa, takže přijímací konec může přijímat dva signály současně, to znamená jeden vysílat a přijímat více. Takový přenosový systém je single input multi output, tedy SIMO.
Přestože existují dva signály, jsou tyto dva signály vysílány ze stejné vysílací antény, takže odesílaná data jsou stejná a přenos je stále pouze jeden signál. Tímto způsobem nezáleží na ztrátě části jednoho signálu, pokud terminál může přijímat kompletní data z druhého signálu. Přestože maximální kapacita je stále jedna cesta, spolehlivost je dvojnásobná. Tento přístup se nazývá diverzita příjmu.
MISO (více vstupů, jeden výstup)
Pokud změníme způsob, jakým o tom přemýšlíme, co by se stalo, kdybychom zvýšili počet vysílacích antén na dvě a zachovali počet přijímacích antén na jednu?
Protože je zde pouze jedna přijímací anténa, musí se obě cesty nakonec spojit do jedné, což vede k tomu, že vysílací anténa může vysílat pouze stejná data a přenos je stále pouze jeden signál. Tím lze vlastně dosáhnout stejného efektu jako SIMO, přenosový systém se nazývá vícevstupový jeden výstup, neboli MISO. Tato metoda se také nazývá emisní diverzita.
MIMO (vícenásobný vstup, vícenásobný výstup)
Pokud je anténa transceiveru zvýšena na dva současně, je možné nezávisle vysílat dva signály a zdvojnásobit rychlost? Odpověď je ano, protože z předchozí analýzy SIMO a MISO závisí přenosová kapacita na počtu antén na obou stranách. A tento vícenásobný přenosový systém s více přijímači je MIMO.
Technologie MIMO umožňuje více anténám vysílat a přijímat více signálů současně a dokáže rozlišovat mezi signály vysílanými do nebo z různých prostorových orientací. Díky multiplexování s dělením prostoru a technologii prostorové diverzity lze zlepšit kapacitu systému, pokrytí a poměr signálu k šumu bez zvýšení spotřeby šířky pásma.
Jaké jsou typy MIMO?
MIMO je technologie, která využívá více antén k odesílání a přijímání signálů, původně používaná pro přenos dat k jednomu uživateli. S rozvojem technologie přenosu pro více uživatelů se však na bázi MIMO objevila řada technologií MIMO pro více uživatelů. Aby se usnadnilo rozlišení, jednouživatelské MIMO se nazývá SU-MIMO (jednouživatelské MIMO). Technologie MIMO pro více uživatelů zahrnuje především následující typy.
MU-MIMO (MIMO pro více uživatelů): Umožňuje vysílači přenášet data více uživatelům současně. Standard Wi-Fi 5 začal podporovat MU-MIMO pro 4 uživatele a standard Wi-Fi 6 zvýšil počet uživatelů na 8.
CO-MIMO (kooperativní MIMO):Více bezdrátových zařízení je zformováno do virtuálního multianténního systému, který umožňuje simultánní přenos dat mezi sousedními vysílacími zařízeními a více uživateli.
Masivní MIMO: Technologie velkoplošných antén výrazně zlepšuje počet antén, tradiční MIMO obecně používá 2 až 8 antén, zatímco Massive MIMO může dosáhnout 64/128/256 antén. Může výrazně zlepšit kapacitu systému a efektivitu přenosu a je klíčovou technologií mobilní komunikace 5G.
Obecně řečeno, technologii MIMO pro více uživatelů lze klasifikovat jako technologii MIMO, ale když mluvíme o MIMO, obvykle se odkazuje na tradiční koncept MIMO, konkrétně SU-MIMO.
Jak MIMO funguje ve Wi-Fi?
V oblasti Wi-Fi byla představena technologie MIMO počínaje standardem Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO využívá především dvě klíčové technologie: prostorovou diverzitu a prostorový multiplex. Ať už se jedná o technologii diverzity nebo technologii multiplexování, jedná se o technologii, která mění jedno data na více dat, která lze klasifikovat jako technologii časoprostorového kódování.
Rozmanitost prostoru
Myšlenkou technologie prostorové diverzity je vytvořit různé verze stejného datového toku, zakódovat je a modulovat v různých anténách a poté je přenášet. Tímto datovým tokem může být původní datový tok, který má být odeslán, nebo to může být nový datový tok vytvořený po určité matematické transformaci původního datového toku. Přijímač používá prostorový ekvalizér k oddělení přijímaného signálu, poté k demodulaci a dekódování a kombinování různých přijímaných signálů stejného datového toku pro obnovení původního signálu. Technologie prostorové diverzity umožňuje spolehlivější přenos dat.
Prostorová diverzita účinně zlepšuje spolehlivost přenosu dat a vztahuje se na scénáře, kde je přenosová vzdálenost dlouhá a rychlost není vysoká.
Prostorové dělení multiplexování
Technologie prostorového multiplexování znamená, že přenášená data jsou rozdělena do více datových toků, které jsou kódovány a modulovány různými anténami, a poté přenášeny, aby se zlepšila přenosová rychlost systému. Antény jsou na sobě nezávislé, anténa je ekvivalentem nezávislého kanálu, přijímač používá prostorový ekvalizér k oddělení přijímaného signálu a poté demoduluje, dekóduje, několik datových toků sloučených pro obnovení původního signálu.
Prostorové multiplexování efektivně zlepšuje rychlost přenosu dat a je vhodné pro scénáře s krátkou přenosovou vzdáleností a požadavky na vysokou rychlost.
Co je M×N MIMO?
Ve specifikacích produktů WLAN obvykle najdete indikátor M×N MIMO, psaný také MTNR, jaký je význam tohoto indikátoru? Ve skutečnosti se používá k vyjádření počtu MIMO antén, M představuje počet antén na vysílací straně, N představuje počet antén na přijímací straně. Například 4×3 MIMO znamená, že čtyři antény vysílají a tři antény přijímají.
Většina domácích bezdrátových routerů na trhu vidí několik antén, jedna anténa může často podporovat příjem a odesílání, takže můžete jednoduše soudit podle počtu antén, počet antén je hodnota M a N. Např. bezdrátový router se 4 anténami lze považovat za 4x4 MIMO, samozřejmě převažují specifické specifikace produktu. Čím více antén, tím vyšší výkon, tím dražší cena.
V MIMO systému, pokud počet přijímacích a přijímacích antén není stejný, počet prostorových toků, které mohou být vysílány, je menší nebo roven počtu menších antén na přijímacím/vysílacím konci. Například systém 4×4 (4T4R) MIMO může přenášet čtyři nebo méně prostorových toků, zatímco systém 3 × 2 (3T2R) MIMO může přenášet dva nebo jeden prostorový tok.
V praktických aplikacích mívají aps větší počet antén, od 4 do 16 antén, ale terminály (jako jsou mobilní telefony) mají obvykle pouze 1-2 antén. I když se technologie antén neustále zlepšuje, ale je omezena velikostí koncového produktu, i když pojme 1-2 antén, je mnohem menší než počet antén AP, což znamená, že počet prostorových toky, které lze vysílat, je omezeno terminálem, což má za následek skutečnost, že rychlost nárůstu počtu prostorových toků nemůže být plně využita, což má za následek plýtvání anténními prostředky na AP. Naštěstí se objevila technologie MIMO pro více uživatelů a tento problém vyřešila, jako je MU-MIMO, která umožňuje AP vysílat signály s více terminály současně a celkový počet antén více terminálů se rovná počtu antény AP, takže schopnost AP může být plně využita.
