MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) je tehnologija, ki uporablja več anten za pošiljanje in sprejemanje signalov na področju brezžične komunikacije. Tehnologija MIMO se uporablja predvsem na področju Wi-Fi (WiFi) in mobilne komunikacije, ki lahko učinkovito izboljša zmogljivost sistema, pokritost in razmerje med signalom in šumom. Na splošno M×N MIMO pomeni, da je M anten na oddajnem koncu in N anten na sprejemnem koncu.
Od SISO do MIMO
SISO (en vhod en izhod)
Preden uvedemo MIMO, moramo pojasniti, kaj je SISO. SISO je enoten sistem za pošiljanje in prejemanje, je sistem z enim vhodom in enim izhodom, pot med oddajno anteno in sprejemno anteno je edinstvena, prenos pa je 1 signal. V brezžičnih sistemih definiramo vsak signal kot prostorski tok.
Ker je pot med oddajno in sprejemno anteno edinstvena, je tak prenosni sistem nezanesljiv in hitrost prenosa omejena.
SIMO (en vhod več izhodov)
Da bi spremenili nezanesljivost in omejeno situacijo SISO, je na terminalu dodana antena, tako da lahko sprejemni konec sprejme dva signala hkrati, to je en sam pošilja in prejme več. Tak prenosni sistem je enojni vhod in več izhodov, to je SIMO.
Čeprav sta signala dva, sta oba poslana z iste oddajne antene, zato so poslani podatki enaki, prenos pa je še vedno samo en signal. Na ta način ni pomembno, če se del enega signala izgubi, če lahko terminal prejme celotne podatke iz drugega signala. Čeprav je največja zmogljivost še vedno ena pot, se zanesljivost podvoji. Ta pristop se imenuje sprejemna raznolikost.
MISO (več vhodov, en izhod)
Če spremenimo način razmišljanja o tem, kaj bi se zgodilo, če bi povečali število oddajnih anten na dve in ohranili število sprejemnih anten na eno?
Ker obstaja le ena sprejemna antena, je treba obe poti na koncu združiti v eno, kar vodi do tega, da lahko oddajna antena pošilja samo iste podatke, prenos pa je še vedno samo en signal. To lahko dejansko doseže enak učinek kot SIMO, prenosni sistem se imenuje večkratni vhod in en izhod ali MISO. Ta metoda se imenuje tudi emisijska raznolikost.
MIMO (več vhodov več izhodov)
Ali je možno neodvisno pošiljati dva signala in podvojiti hitrost, če se antena oddajnika poveča na dve hkrati? Odgovor je pritrdilen, saj je iz prejšnje analize SIMO in MISO prenosna zmogljivost odvisna od števila anten na obeh straneh. In ta sistem z več sprejemniki in več oddajami je MIMO.
Tehnologija MIMO omogoča, da več anten pošilja in sprejema več signalov hkrati in lahko razlikuje med signali, poslanimi v ali iz različnih prostorskih orientacij. S prostorskim multipleksiranjem in tehnologijo prostorske raznolikosti je mogoče izboljšati zmogljivost sistema, pokritost in razmerje med signalom in šumom brez povečanja porabe pasovne širine.
Katere so vrste MIMO?
MIMO je tehnologija, ki uporablja več anten za pošiljanje in sprejemanje signalov, prvotno uporabljenih za prenos podatkov enemu uporabniku. Z razvojem večuporabniške tehnologije prenosa pa so se na podlagi MIMO pojavile različne večuporabniške tehnologije MIMO. Da bi olajšali razlikovanje, se enouporabniški MIMO imenuje SU-MIMO (enouporabniški MIMO). Večuporabniška tehnologija MIMO vključuje predvsem naslednje vrste.
MU-MIMO (večuporabniški MIMO): oddajniku omogoča prenos podatkov več uporabnikom hkrati. Standard Wi-Fi 5 je začel podpirati MU-MIMO za 4 uporabnike, standard Wi-Fi 6 pa je povečal število uporabnikov na 8.
CO-MIMO (Kooperativni MIMO):Več brezžičnih naprav je oblikovanih v navidezni sistem z več antenami za realizacijo hkratnega prenosa podatkov med sosednjimi oddajnimi napravami in več uporabniki.
Ogromen MIMO: Tehnologija velike antene močno izboljša število anten, tradicionalni MIMO običajno uporablja 2 do 8 anten, medtem ko lahko masivni MIMO doseže 64/128/256 anten. Močno lahko izboljša zmogljivost sistema in učinkovitost prenosa ter je ključna tehnologija mobilne komunikacije 5G.
Na splošno lahko večuporabniško tehnologijo MIMO uvrstimo med tehnologijo MIMO, vendar ko govorimo o MIMO, običajno govorimo o tradicionalnem konceptu MIMO, in sicer SU-MIMO.
Kako MIMO deluje v Wi-Fi?
Na področju Wi-Fi je bila uvedena tehnologija MIMO, začenši s standardom Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO v glavnem uporablja dve ključni tehnologiji: prostorsko raznolikost in prostorsko razdeljeno multipleksiranje. Ne glede na to, ali gre za tehnologijo raznolikosti ali tehnologijo multipleksiranja, gre za tehnologijo, ki pretvori en podatek v več podatkov, kar lahko označimo kot tehnologijo prostorsko-časovnega kodiranja.
Raznolikost prostora
Ideja tehnologije prostorske raznolikosti je ustvariti različne različice istega podatkovnega toka, jih kodirati in modulirati v različnih antenah ter jih nato posredovati. Ta podatkovni tok je lahko izvirni podatkovni tok, ki ga je treba poslati, ali pa je lahko nov podatkovni tok, oblikovan po določeni matematični transformaciji izvirnega podatkovnega toka. Sprejemnik uporablja prostorski izenačevalnik za ločevanje prejetega signala, nato demodulira in dekodira ter združi različne prejete signale istega podatkovnega toka, da obnovi prvotni signal. Tehnologija prostorske raznolikosti omogoča zanesljivejši prenos podatkov.
Prostorska raznolikost učinkovito izboljša zanesljivost prenosa podatkov in velja za scenarije, kjer je razdalja prenosa dolga in hitrost ni visoka.
Prostorsko razdeljeno multipleksiranje
Tehnologija multipleksiranja s prostorsko delitvijo pomeni, da se podatki, ki jih je treba prenesti, razdelijo na več podatkovnih tokov, ki jih različne antene kodirajo in modulirajo ter nato prenesejo, da se izboljša hitrost prenosa sistema. Anteni sta neodvisni druga od druge, antena je enakovredna neodvisnemu kanalu, sprejemnik uporablja prostorski izenačevalnik za ločevanje prejetega signala, nato pa demoduliranih, dekodiranih, več tokov podatkov združi, da obnovi izvirni signal.
Prostorsko razdeljeno multipleksiranje učinkovito izboljša hitrost prenosa podatkov in je primerno za scenarije s kratkimi razdaljami prenosa in zahtevami po visoki hitrosti.
Kaj je M×N MIMO?
V specifikacijah izdelkov WLAN običajno vidite indikator M×N MIMO, napisano tudi MTNR, kaj pomeni ta indikator? Pravzaprav se uporablja za predstavitev števila anten MIMO, M predstavlja število anten na oddajni strani, N predstavlja število anten na sprejemni strani. Na primer, 4×3 MIMO pomeni štiri antene za oddajanje in tri antene za sprejem.
Večina domačih brezžičnih usmerjevalnikov na trgu lahko vidi več anten, ena antena lahko pogosto podpira sprejemanje in pošiljanje, tako da lahko preprosto presodite glede na število anten, število anten je vrednost M in N. Na primer, brezžični usmerjevalnik s 4 antenami se lahko šteje za 4x4 MIMO, seveda prevladajo specifične specifikacije izdelka. Več kot je anten, večja je zmogljivost, višja je cena.
V sistemu MIMO, če število sprejemnih in sprejemnih anten ni enako, je število prostorskih tokov, ki se lahko prenašajo, manjše ali enako številu manjših anten na sprejemnem/oddajnem koncu. Na primer, sistem 4×4 (4T4R) MIMO lahko oddaja štiri ali manj prostorskih tokov, medtem ko lahko sistem 3×2 (3T2R) MIMO odda dva ali en prostorski tok.
V praktičnih aplikacijah imajo aplikacije običajno večje število anten, od 4 do 16 anten, terminali (kot so mobilni telefoni) pa imajo običajno le 1-2 anten. Tudi če se antenska tehnologija nenehno izboljšuje, vendar je omejena z velikostjo terminalskega izdelka, tudi če lahko sprejme 1-2 anten, je to veliko manj kot število anten AP, kar pomeni, da je število prostorskih tokov, ki jih je mogoče prenašati, omejuje terminal, kar ima za posledico dejstvo, da stopnje povečanja števila prostorskih tokov ni mogoče v celoti izkoristiti, kar ima za posledico zapravljanje virov antene AP. Na srečo se je pojavila večuporabniška tehnologija MIMO, ki je rešila to težavo, na primer MU-MIMO, ki AP omogoča, da prenaša signale z več terminali hkrati, skupno število anten več terminalov pa je enako številu antene AP, tako da je mogoče v celoti predvajati zmogljivost AP.
