فناوری MIMO یا همان سیستم چند ورودی – چند خروجی، یکی از مهمترین فناوریهای مورد استفاده در مخابرات بیسیم مدرن است. با استفاده از چند آنتن در دو سمت فرستنده (Transmitter) و گیرنده (Receiver)، این فناوری ظرفیت شبکه را افزایش میدهد، نرخ ارسال داده را زیاد میکند، پوشش شبکه را گسترش میدهد و قابلیت اعتماد (reliability) لینک را نیز بهبود میبخشد.
قبل از بررسی نحوه عملکرد MIMO بهتر است که مفاهیم اساسی انتشار موج فرکانسی (RF)، محوشدگی (fading) سیگنال و روشهای تنوع (diversity) را مرور کنیم. این مفاهیم در MIMO نقش مهمی ایفا میکنند و توضیح میدهند که چرا این تکنیک در فناوریهایی همچون WiFi، اینترنت بیسیم، LTE و شبکه تلفن همراه کاربرد دارد.
برخی از اصول پایه انتشار امواج RF که در اینجا میخواهیم بررسی کنیم، به شرح زیر است:
- پدیده انتشار RF
- اصول تنوع یا دایورسیتی لینکهای RF
- مزایای MIMO
پدیده انتشار RF
مثال ساده یک لینک تک ورودی – تک خروجی را که در آن رادیوی تک-کانال به آنتن فرستنده تک قطبی متصل شده است تا سیگنال RF را به ترکیب مشابهی در سمت گیرنده ارسال کند، در نظر بگیرید
شکل 1- لینک تک ورودی – تک خروجی (SISO) که لینک رادیو تک کانال است و آنتها تک قطبی هستند.
سیگنال دریافتی تنها از مسیر دید مستقیم (Line Of Sight – LOS) دریافت نمیشود و به دلایل مختلف محوشدگی یا اضافه شدن نویز به سیگنال اصلی دچار نوسان میشود. این تغییرات به شرح زیر است:
- انعکاس (Reflection): زمانیکه سیگنال از اشیاء خیلی بزرگتر از طول موج سیگنال، منعکس میشوند.
- پراکندگی (Diffraction): سیگنال عبوری از لبه موانع خیلی بزرگتر از طول موج سیگنال
- پخش شدن (Scattering): سیگنال منعکس شده از اجسام با اندازه نزدیک به طول موج سیگنال
- محوشدگی انتخابگر فرکانسی یا تخت (Flat fading): تاثیرپذیری برخی از فرکانسها یا تمامی آنها در کل محدوده فرکانس باند وسیع
- محوشدگی داپلر: تغییر فرکانسی سیگنال در اثر حرکت نسبی گیرنده و فرستنده
شکل 2- مثالهایی از دلایل رخ دادن محوشدگی سیگنال – انعکاس، پراکندگی، پخش شدگی، محوشدگی انتخابگر فرکانسی یا تخت و محوشدگی داپلر
تمامی این اجزاء محوشدگی میتوانند به شدت روی کیفیت و قابلیت اطمینان لینک مخابرات بیسیم، اثرگذار باشند. MIMO، مجموعهای از روشها است که برای کاهش اثر محوشدگی و بهبود ظرفیت انتقال داده، پوشش شبکه بیسیم و قابلیت اطمینان یک لینک بیسیم، استفاده میشود.
اصول تنوع یا دایورسیتی لینکهای RF
معادله ظرفیت لینک بیسیم، عبارت ساده زیر است:
$$ C=N.B.log(1+S/N) $$
علاوه بر پهنای باند بیشتر (B) و افزایش نرخ سیگنال به نویز (S/N)، افزایش تعداد کانالها (N) در هر سمت لینک نیز راهی برای افزایش ظرفیت انتقال داده است که جایی است که MIMO وارد میشود. MIMO یک از روشهای متعددی است که تحت عنوان تنوع یا دایورسیتی یا به عبارت دیگر، اصول افزونگی (Redundancy) یاد میشوند که در مهندسی RF مورد استفاده قرار میگیرند.
استفاده از افزونگی در لینک بیسیم، عملکرد مطمئنتر، موثرتر و با امکان رخ دادن خطای کمتر را فراهم میکند و پتانسیل نرخ انتقال داده بالاتری به دلیل بهره بردن از کانالهای انتشار بیشتر را دارد. نکته اصلی اینجا کلمه پتانسیل است چرا که استدلال ما بر پایه بهبود آماری و احتمالی است و نه یک مورد قطعی. امروزه، اصول تنوع مختلفی در مخابرات RF وجود دارند که بخش استانداردی از فناوریهای مورد استفاده هستند:
- زمان – ویژگی مهمی در فراهم کنندگان سرویس اینترنت است و یک مثال معروف دیگر آن سیستم ارسال-دریافت همزمان GPS است.
- فرکانس – یکی از اصول قدیمی عملکرد در کانالهای فرکانسی مختلف است – کاربران با استفاده از کانالهای با فرکانسهای متفاوت درون یک طیف فرکانسی از هم جدا میشوند.
- قطبش (Polarization): آنتها میتوانند قطبشهای مختلفی همچون افقی، عمودی، دایروی یا بیضوی داشته باشند. در صنعت سرویس اینترنت باند پهن، معمولا از MIMO مبتنی بر قطبشهای عمودی و افقی استفاده میشود.
- فضایی (Spatial): استفاده از مسیرهای انتشار متعدد چه از طریق شکلدهی کانون دریافت آنتن و چه با استفاده از کانالهای متعدد ارسال-دریافت با آنتنهای جهتدار.
استفاده از یکی از این روشها لزوما به معنای انتقال داده یکنواخت یا چند برابری نیست. در واقع MIMO یک روش جادویی برای حل مشکل نیست و فقط میتواند به کاهش اثرات منفی مشکلات انتشار در لینکهای بیسیم کمک کند.
مزایای MIMO
افزایش تعداد آنتنها در هر سمت لینک بیسیم، مسیرهای ممکن برای انتقال اطلاعات از فرستنده به گیرنده را فراهم میکند که این کار دارای مزایای زیر است:
- بهره آرایه: که میزان افزایش SNR سیگنال دریافتی از طریق ترکیب سیگنالهای دریافت شده از مسیرهای مختلف است. بهره آرایه، مقاومت نسبت به نویز را افزایش داده و در نتیجه پوشش و حداکثر دامنه قابل دسترسی لینک بیسیم را نیز بهبود میدهد.
شکل 3- استفاده از چند آنتن باعث میشود که در سمت گیرنده، سیگنال از مسیرهای مختلف دریافت شود و ترکیب آنها منجر به بهبود SNR شود.
- قابلیت اطمینان: مسیرهای مختلف که از طریق آنها سیگنال میتواند به گیرنده برسد، احتمال انتقال موفق داده را افزایش میدهد.
شکل 4- مسیرهای انتشار بیشتر، احتمال انتقال موفق را به دلیل استفاده از چند آنتن، افزایش میدهد.
- ظرفیت لینک: چند جریان مستقل داده در کانال فرکانسی یکسان، ظرفیت لینک بیشتر را امکانپذیر میکند. حداقل مقدار M و N در یک سیستم M*N، تعداد حداقل جریانهای داده قابل اعتماد و عملیاتی را مشخص میکند
شکل 5- تعداد آنتنهای حداقلی دو جهت فرستنده و گیرنده، میزان بهبود ظرفیت انتقال داده را تعیین میکند.
در شبکههای تامین اینترنت فضای بیرونی، معمولا از دو جریان داده مستقل در هر سمت لینک که با قطبش آنتن از هم جدا شدهاند، استفاده میشود. این کار منجر به دو برابر شدن ظرفیت لینک علیرغم استفاده از یک آنتن دوقطبی میشود. بهرهگیری از کانالهای فرکانسی متفاوت برای فراهم کردن نسبت سیگنال به نویز کافی در انتقال داده موفق، کافی است.
شکل 6- آنتنهای دوقطبی، یک استاندارد در صنعت تامین اینترنت باند پهن یا WISP هستند که ظرفیت کانال را دوبرابر میکنند.
مدل ریاضی
در یک سیستم MIMO با محوشدگی صاف باند باریک، رابطه بین سیگنالهای ارسالی و دریافتی عبارت ریاضی زیر است:
$$ y=Hx+n $$
که در آن:
- \( y \) بردار سیگنال دریافتی با ابعاد \( N_r \times 1 \) است که \( N_r \) تعداد آنتهای دریافت کننده است.
- \( x \) بردار سیگنال ارسالی با ابعاد \( N_t \times 1 \) است که \( N_t \) تعداد آنتهای فرستنده است.
- \( H \) ماتریس کانال با ابعاد \( N_r \times N_t \) است. المان \( H_{ij} \) بهره کانال مختلط بین آنتن فرستنده j-ام و آنتن گیرنده i-ام است. تحت شرایط محوشدگی صاف، \( H_{ij} \) بر روی پهنای باند سیگنال، ثابت فرض میشود. هر Hij یک عدد مختلط است که میزان تضعیف و تغییر فاز کانال را نشان میدهد. اغلب، مقادیر ماتریس \( H \) به صورت متغیرهای تصادفی گوسین مختلط مستقل و با توزیع یکسان، مدل میشوند: \( H_{ij} \sim \mathcal{C}N(0,1) \) این فرض به مفهوم داشتن کانال محوشدگی رایلی (Rayleigh) است اگر جزء خط مستقیم LOS وجود نداشته باشد.
- \( n \) بردار نویز با ابعاد \( N-1 \times 1 \) است. اجزاء \( n \) دارای توزیع تصادفی گوسین مختلط مستقل یکسان با میانگین صفر و واریانس \( \sigma^2 \) است: \( n_i \sim \mathcal{C} N(0, \sigma^2) \)
شکل 7- سیستم MIMO از دید کانال مخابراتی
با توجه به مدل ریاضی بالا، روشهای مختلف پردازش سیگنال زیر قابل استفاده است:
- تشخیص درستنمایی ماکزیمم (Maximum Likelihood): یافتن محتملترین سیگنال ارسالی با توجه به سیگنال دریافتی
- اجبار صفر (Zero Forcing): یک روش همسانسازی (Equalization) برای حذف تداخل.
- خطای مربع میانگین حداقل (Minimum Mean Square Error – MMSE): یک روش همسانسازی خطی که خطای مربع میانگین بین سیگنالهای ارسالی و دریافتی را حداقل میکند.
- حذف تداخل تدریجی (Successive Interference Cancellation – SIC): دکدینگ استریمها به صورت تدریجی و تفاضل سیگنال دیکد شده از سیگنال دریافتی برای بهبود تشخیص استریمهای پیش رو.
کاربردهای مهم MIMO
- سیستمهای مخابرات بیسیم: MIMO به طور وسیع در WiFi، مخابرات سلولی نسل 4 و 5 و مخابرات ماهوارهای برای افزایش نرخ داده، بهبود کیفیت سیگنال و افزایش محدوده تحت پوشش استفاده میشود.
- فناوری LTE و 5G: MIMO برای بهبود راندمان شبکه در LTE و شبکههای مبتنی بر آن، نقش اساسی دارد. در 5G، سیستمهای MIMO عظیم (Massive) از تعداد زیادی آنتن کوچک برای تقویت پهنای باند و پیشتیبانی از کاربران بیشتر به ازای هر آنتن استفاده میکند. برخلاف MIMO نسل 4 یا 4G، که اغلب از تقسیم فرکانسی دوتایی (Frequency Division Duplex – FDD) استفاده میکند، MIMO عظیم نسل 5، معمولا از نسخه زمانی آن یا تقسیم زمانی دوتایی (Time Division Duplex – TDD) استفاده میکند.
- اینترنت اشیاء (IoT): MIMO برای کاربردهای IoT مفید است زیرا از چندین جریان داده به طور همزمان پشتیبانی میکند که باعث میشود مخابرات با راندمان و قابلیت اطمینان بیشتری بین ابزارهای IoT برقرار شود. این فناوری، پوشش شبکه و عمق ارتباطی بیشتری را در شبکههای IoT فراهم میآورد.
- خودروهای خودران: آنتنهای MIMO در خودروهای بدون راننده برای مطمئن شدن از مخابرات امن و با سرعت بالا برای به روزرسانی همزمان و سریع در رابطه با شرایط جاده، الگوهای ترافیکی و راهبری مسیر استفاده میشوند.
- امنیت عمومی و سرویسهای اضطراری: آنتهای MIMO، مخابرات امن در شرایط بحرانی برای نیروی پلیس، آتشسوزی، بخشهای درمانی را امکانپذیر ساخته و پوشش شبکه بهتر و ظرفیت بالاتر را برای شبکههای امنیت عمومی ارائه میدهد. علاوه بر این، فناوری MIMO، کیفیت و قابلیت اعتماد جریان ویدئو را در سیستمهای نظارتی بهبود میدهد.
- خانه و ساختمان هوشمند: MIMO ابزارهایی همچون ترموستات، کنترلرهای روشنایی و سیستمهای امنیتی را به هاب مرکزی متصل میکند و با این کار امکان کنترل و نظارت از راه دور را ایجاد میکند. این فناوری در سیستمهای امنیتی بیسیم و نظارت ویدئویی نیز استفاده میشود که باعث کاهش تاخیر و فراهم کردن نظارت ویدئویی برخط میشود.
- سیستمهای نظامی و دفاعی: MIMO، قابلیت اعتماد و ظرفیت لینکهای بیسیم در شبکههای مخابرات نظامی را بهبود بخشیده و از آثار محوشدگی چندمسیره و تداخل کم میکند. همچنین در سیستمهای راداری برای بهبود دقت تشخیص هدف و ردیابی استفاده میشود.
مزایای MIMO
- بهبود ظرفیت: با ارسال چندین جریان داده (که لایه نیز نامیده میشود) به طور همزمان، MIMO به طور قابل توجهی نرخ داده را بدون نیاز به پهنای باند بیشتر، تقویت میکند.
- قابلیت اعتماد بهبود یافته: سیستمهای MIMO اثر محوشدگی و تداخل را کاهش میدهد که منجر به ارتباط پایدارتر میشود.
- راندمان طیفی بهبود یافته: MIMO، استفاده از طیف در دسترس را ماکزیمم کرده و اجازه میدهد تا کاربران بیشتری به طور همزمان بدون افت کیفیت سرویس مورد نظر، متصل شوند.
- پوشش بهتر: استفاده از چندین آنتن، ناحیه تحت پوشش را بهبود داده و در محیطهای دشوار و چالشبرانگیز، ارتباطات را مقاومتر میسازد.
انواع MIMO
- MIMO تک کاربر (SU-MIMO): در این ساختار، یک ابزار تک کاربره، با ایستگاه اصلی از طریق چندین آنتن، ارتباط برقرار میکند. این شرایط، نرخ داده را برای کاربر خاص بهبود میدهد.
- لینک اختصاصی: SU-MIMO یک لینک مخابره اختصاصی را بین یک فرستنده و یک گیرنده که هر دو مجهز به چندین آنتن هستند، برقرار میکند.
- مالتیپلکس فضایی: مزیت اصلی SU-MIMO از مالتیپلکس فضایی میآید. فرستنده، چندین جریان داده مستقل را به طور همزمان بر روی باند فرکانسی مشترک ارسال میکند. گیرنده با استفاده از چندین آنتن خود، این جریانهای داده را از هم جدا و دیکد میکند. این روش، به میزان قابل توجهی نرخ داده را نسبت به سیستم تک آنتن (Single Input Single Output – SISO) افزایش میدهد. مهمترین مزیت، نرخ داده بیشتر با استفاده از مالتیپلکس فضایی است. اگر فرستنده و گیرنده هر کدام دارای N آنتن باشند، نرخ داده ماکزیمم تئوری میتواند N برابر بیشتر از سیستم تک آنتن باشد. با ارسال چندین جریان داده در باند فرکانسی یکسان، SU-MIMO، راندمان استفاده از طیف در دسترس را بهبود میدهد.
- تنوع: SU-MIMO همچنین میتواند برای تنوع یا دایورسیتی که در آن جریان داده یکسان روی چندین آنتن ارسال میشود، استفاده شود. گیرنده، سیگنالها را از این آنتنها برای بهبود قدرت و قابلیت اعتماد سیگنال به خصوص در محیطهای با محوشدگی و تداخل، ترکیب میکند. روشهای تنوع در SU-MIMO میتوانند نسبت سیگنال به نویز (SNR) در سمت گیرنده را بهبود داده و لینک ارتباطی را نسبت به محوشدگی و تداخل مقاومتر سازند.
- MIMO چند کاربره (MU-MIMO): این ساختار پیشرفتهتر، امکان ارتباط ایستگاه اصلی با چندین ابزار کاربر را به طور همزمان فراهم میکند.
- فناوری MU-MIMO بهرهبرداری از منابع را بهینه کرده و نرخ گذردهی داده شبکه را به طور کلی افزایش میدهد.
- مخابرات همزمان: برخلاف MIMO تک کاربره که در هر زمان به یک کاربر سرویس میدهد، MU-MIMO، به چندین کاربر امکان دریافت داده از یک پایگاه اصلی و به طور همزمان را میدهد. این امکان از طریق روشهای مالتیپلکس فضایی میسر میشود.
- مالتیپلکس فضایی: در MU-MIMO، پایگاه اصلی میتواند جریانهای مختلف داده را به چندین کاربر در یک زمان و بر روی کانال فرکانسی یکسان، ارسال کند. هر ابزار کاربر، جریان داده مورد نظر را با استفاده از آنتنهای خود، دیکد کرده و به طور موثر، سیگنالها را بر اساس مشخصات فضایی آنها، جدا میکند.
- ظرفیت بیشتر: با سرویسدهی به چندین کاربر به طور همزمان، MU-MIMO، ظرفیت شبکه بیسیم را بدون نیاز به پهنای باند اضافی، افزایش میدهد. این موضوع به طور خاص برای محیطهای با چگالی کاربر بالا مفید است همچون نواحی شهری یا مسیرهای پرتردد.
- راندمان طیفی بهبود یافته: MU-MIMO، راندمان طیفی را بهبود میدهد و امکان ارسال داده بیشتر را روی یک پهنای باند مشخص، فراهم میکند. با این کار، بهرهبرداری بهتر از منابع طیفی در دسترس، حاصل میشود.
- MIMO تک کاربر (SU-MIMO): در این ساختار، یک ابزار تک کاربره، با ایستگاه اصلی از طریق چندین آنتن، ارتباط برقرار میکند. این شرایط، نرخ داده را برای کاربر خاص بهبود میدهد.
جمعبندی
فناوری MIMO، برای بهبود سیستمهای مخابرات بیسیم نقش اساسی و کلیدی دارد که نرخهای داده بالاتر و عملکرد بهتر در کاربردهای مختلف همچون مخابرات تلفن همراه و شبکههای WiFi را فراهم میآورد. توانایی این فناوری در بهرهبرداری از انتشار چندمسیره، آن را به جزء مهم و حیاتی در برآورده کردن نیاز رو به رشد اتصال اینترنت با سرعت بالا، تبدیل میکند.
منبع: www.rfelements.com www.gaussianwaves.com
