Требования к пропускной способности мобильных сетей очень высоки и, при этом, они постоянно растут. Очевидные варианты увеличения пропускной способности — увеличение ширины канала и использование модуляций более высокого порядка, не позволяют полностью решить задачу обеспечения высокой пропускной способности. Частотный диапазон все-таки ограничен. А использование модуляции более высокого порядка подразумевает повышение SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), что тоже имеет свой предел. Еще одним способом увеличения пропускной способности беспроводных систем является использование нескольких передающих и приемных антенн (MIMO — Multiple Input Multiple Output) и специальная обработка сигнала в этом случае. Далее приводится классификация вариантов MIMO и их краткое описание.
Классическая система (SISO — Single Input Single Output)
Для начала рассмотрим варианты MIMO, которые могут быть использованы для передачи данных одному пользователю. Первый классический и самый простой вариант использования одной передающей и одном приемной антенны изображен на рисунке ниже. Такая система с точки зрения терминологии MIMO называется SISO — Single Input Single Output.
Разнесенный прием (Rx Diversity, SIMO — Single Input Multiple Output)
Разнесенный прием (Rx Diversity) — это случай использования большего количества антенн на приемной стороне, чем на передающей. С точки зрения MIMO такая система называется SIMO — Single Input Multiple Output. Простейший случай такой системы, когда передающая антенна одна, а приемных две, представлен на рисунке ниже и называется SIMO 1×2.
Представленный вариант не требует специальной подготовки сигнала при передаче, поэтому его достаточно просто реализовать на практике. При использовании разнесенного приема увеличения пропускной способности не происходит. Однако, повышается надежность передачи. В случае с изображенной выше системой на приемной стороне будет два сигнала, и существуют разные способы их обработки. Например, может выбираться сигнал с наилучшим соотношением сигнал/шум. Такой метод называется switched diversity. Или сигналы могут складываться, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. И такой метод называется MRC — Maximum Ratio Combining.
Разнесенная передача (Tx Diversity, MISO — Multiple Input Single Output)
Разнесенная передача (Tx Diversity) — это случай использования большего количества антенн на передающей стороне, чем на приемной. С точки зрения MIMO такая система называется MISO — Multiple Input Single Output. Простейший случай такой системы, когда передающих антенн две, а приемная одна, представлен на рисунке ниже и называется MISO 2×1.
Как и SIMO, MISO не позволяет увеличить пропускную способность канала, но повышает надежность передачи. В то же время, использование MISO позволяет перенести необходимую дополнительную обработку сигнала с приемной стороны (мобильной станции) на передающую (базовую станцию). Для формирования надежного сигнала используется пространственно-временное кодирование. В этом случае копия сигнала передается не только с другой антенны, но и в другое время. Также может использоваться пространственно-частотное кодирование.
Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing, MIMO — Multiple Input Multiple Output)
Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) — это случай использования нескольких антенн на передающей стороне и нескольких антенн на приемной. В отличие от предыдущих вариантов — MISO и SIMO, описанных выше, данный вариант направлен не на повышение надежности передачи, а на увеличение скорости передачи. Поэтому MIMO используется для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в хороших радиоусловиях. В то время, как варианты MISO и SIMO используются для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в более плохих радиоусловиях. Для того, чтобы повысить скорость передачи данных в случае с MIMO входной поток данных разбивают на несколько потоков, каждый из которых независимо передается с отдельной антенны. На рисунке ниже приводится общая схема системы MIMO с m передающими антеннами и с n приемными антеннами.
Из-за того, что используется общий канал, каждая антенна на приемнике получает сигнал не только предназначенный для нее (сплошные линии на рисунке), но и все сигналы предназначенные другим антеннам (прерывистые линии на рисунке). Если известна матрица передачи, то влияние сигналов, предназначенных для других антенн, можно вычислить и минимизировать.
Количество независимых потоков данных, которые могут одновременно передаваться, зависит от количества используемых антенн. Если количество передающих и приемных антенн одинаково, то количество независимых потоков данных равно или меньше количеству антенн. Например, в случае MIMO 2×2 используется 2 независимых потока данных.
Чаще всего, технология MIMO применяется в Wi-Fi. Пользуясь этой технологией скорость передачи данных становится более 300 Мегабит в секунду. К тому же, благодаря MIMO — беспроводная сеть стала быстрее передавать информацию даже там, где уровень приема сигнала минимален. Так же, как и в Wi-Fi, в 4G скорость превысила порог 300 Мегабит в секунду.
Главное преимущество MIMO — отличное и стабильное соединение даже при приличном расстоянии от станции.
Суть технологии MIMO. Другими словами: распараллелив поток на несколько каналов можно пустить их разными путями через несколько антенн, и принять их такими же антеннами независимыми на приёме. Если мы будем передавать по двум каналам MIMO одну и ту же информацию с небольшой задержкой, закодировав её предварительно, мы можем восстановить потерянные символы на приёмной стороне, что эквивалентно улучшению отношения сигнал/шум до 10-12 дБ. Такая технология приводит к возрастанию скорости.
Для разделения каналов на передающих и приемных антеннах используется разная поляризация.