Просмотр кода страницы MIMO

[[Файл:MIMO with building.png|thumb|Система MIMO]]
'''MIMO''' ({{lang-en|multiple-input and multiple-output}}) — метод пространственного [[Кодирование информации|кодирования сигнала]], позволяющий увеличить [[Полоса пропускания|полосу пропускания]] канала, в котором [[передача данных]] и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы [[интерференция (физика)|интерференция]] между соседними антеннами была слабой.
<!-- технология передачи данных, согласно которой исходящий поток данных разделяется в [[демультиплексор]]е на N потоков для обработки и передачи по отдельным передающим трактам. На приемной стороне имеется M приемных трактов, данные с которых проходят через мультиплексор и обрабатываются по специальным алгоритмам, позволяющим снизить число ошибок приема данных, вызванных искажениями в канале передачи и пространственной корреляцией сигналов.-->

== Определение систем MIMO ==
В современных системах связи, например, в [[Сотовая связь|сотовых системах связи]], высокоскоростных [[Локальная вычислительная сеть|локальных вычислительных сетях]] и др., существует необходимость повышения [[пропускная способность|пропускной способности]]. Пропускная способность может быть увеличена путём расширения [[Полоса пропускания|полосы частот]]. Тем не менее, применимость этих методов ограничена из-за требований биологической защиты, ограниченной мощности источника питания (в мобильных устройствах) и [[Электромагнитная совместимость|электромагнитной совместимости]]. Поэтому, если в системах связи эти подходы не обеспечивают необходимой [[Скорость передачи информации|скорости передачи данных]], то эффективным может оказаться применение [[Адаптивная антенная решётка|адаптивных антенных решёток]] со слабо [[корреляция|коррелированными]] антенными элементами. Системы связи с такими антеннами получили название систем MIMO<ref>А. Г. Флаксман. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах. Дис. д-ра физ.-мат. наук. — М., 2005. — С. 5.</ref><ref name=slyusarmimo1>{{cite web
 | last        = Слюсар
 | first        = Вадим
 | title        = Системы MIMO: принципы построения и обработка сигналов.
 | work        = Электроника: наука, технология, бизнес. – 2005. — № 8.
 | date        = 2005
 | pages        = С. 52—58.
 | url        = http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_974_409.pdf
 | access-date        = 2014-05-31
 | archive-date        = 2018-04-03
 | archive-url        = https://web.archive.org/web/20180403124125/http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_974_409.pdf
 | deadlink        = no
 }}</ref>.

== Канал MIMO ==
[[Файл:Kanalmatrix MIMO.png|thumb|280px|Модель канала MIMO]]
В общем случае в канале наблюдаются [[Многолучевой эффект#Межсимвольная интерференция|межсимвольная интерференция]] и частотная селективность<ref name="Флаксман_29_30">А. Г. Флаксман. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах. // Дис. д-ра физ.-мат. наук. — М.: РГБ 2005 (Из фондов Российской Государственной библиотеки), стр. 29—30</ref>, но во многих случаях длительность импульсов в беспроводных системах связи намного больше задержек сигналов, поступающих на приёмную антенну, что даёт возможность пренебрегать межсимвольной интерференцией в канале. Частотную селективность также приходится принимать во внимание<ref name="Флаксман_29_30"/>, например, в системах связи стандарта [[IEEE 802.11]]<ref>В. М. Вишневский. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. — М.: Техносфера, 2005. 592 с.</ref>, где используется технология [[OFDM]]. Однако в некоторых ситуациях можно использовать модель канала без частотной селективности{{Нет АИ|26|07|2024}}.

== Математическая модель MIMO ==
Рассмотрим MIMO-систему с ''N'' передающими и ''M'' приемными антеннами (антенными элементами). Свойства MIMO-канала, соединяющего ''n''-й передающий элемент с ''m''-м приёмным элементом, описываются комплексными канальными коэффициентами <math>h_{nm}</math>, образующими канальную матрицу <math>\mathbf H</math> размера ''N'' × ''M''. Их значения случайно изменяются со временем из-за наличия многолучевого распространения сигнала. Если
: <math>\vec{s}</math> — вектор передаваемых сигналов;
: <math>\vec{z}</math> — вектор собственных шумов приёмных элементов антенны;
: <math>\vec{x}</math> — вектор принятого сообщения,
то сигнал на приёмной стороне записывается следующим образом:
: <math> \vec{x} = \mathbf H \cdot\ \vec{s} + \vec{z}.</math>

Матрица <math> \mathbf H </math> считается нормированной.

== Обработка сигналов на приёмной стороне MIMO-системы ==
Среди алгоритмов обработки сигналов на приёмной стороне можно выделить:
* алгоритмы, основанные на методе [[Метод максимального правдоподобия|максимального правдоподобия]] ({{lang-en2|maximum likelihood}}, ML);
* алгоритмы, основанные на методе минимальных среднеквадратичных отклонений (МСКО);
* алгоритмы, основанные на методе форсирования нуля (обнуления, {{lang-en|zero forcing}}, ZF).
Также существует разделение на ортогональные и неортогональные методы кодирования/декодирования.

Основной задачей любого метода является поиск решений из числа всех возможных по наименьшему евклидовому расстоянию между переданным символом и одним из возможных <math>(2^K)</math> решений.

Метод МСКО предполагает декодирование принятого сигнала по формуле

: <math> \widehat {\mathbf \Theta} =  ( {\mathbf H \mathbf H^{-1}} - 2 \sigma^2 \cdot \mathbf I ) \cdot \mathbf H^' \mathbf Y.</math>

Метод форсирования нуля предполагает декодирование по формуле

: <math>\widehat {\mathbf \Theta} =  ( \mathbf H \mathbf H^{-1} ) \cdot \mathbf H^'\mathbf Y.</math>

Метод максимального правдоподобия основан на поиске минимального расстояния от принятого символа до одного из возможных значений [[Сигнальное созвездие|сигнального созвездия]]. Поиск «слепым» перебором наиболее труден, поскольку число операций здесь {{прояснить2|пропорционально|чему?}}, где ''K'' — кратность манипуляции.

Для снижения вычислительной сложности этой задачи декодирование разделяется на 2 этапа:
* «Мягкое» декодирование, то есть приведение принятого символа к одному из <math>2^G</math> решений при том, что <math>G > K</math>.
* «Жёсткое декодирование», то есть определение окончательного решения путём нахождения наименьшего дискретного расстояния Хэмминга между «мягким» и «жёстким» решениями.

=== Методы пространственно-временного кодирования ===

==== Блочные методы пространственно-временного кодирования ====
Упрощённо, принцип блочного кодирования заключается в разбиении потока данных на блоки и ретрансляции блока в различные временны́е интервалы. Таким образом соблюдается принцип неоднократной посылки данных и улучшается помехоустойчивость схемы MIMO как таковой. Однако энергетического выигрыша кодирования по помехоустойчивости (ЭВК) блочные коды не дают.
Наиболее простой и распространенной схемой является так называемая схема Аламоути, согласно которой данные в кодере распределяются в соответствии с матрицей

: <math> \mathbf H = \begin{pmatrix}
x_1 & x_2 \\
-x^{*}_2 & x^{*}_1  \\        
\end{pmatrix}. </math>

Таким образом, первая антенна передаёт подряд символы (<math> x_1 </math>) и (<math> -x^{*}_2 </math>), вторая — (<math> x_2  </math>) и (<math> x^{*}_1 </math>). Иногда, в частности в информационных технологиях и телекоммуникациях, применяют транспонированную матрицу H. Кодовая скорость здесь равна 1, то есть данная схема не даёт выигрыша по скорости передачи данных, но может использоваться для предотвращения негативных воздействий замираний (здесь предполагается, что обе антенны не могут одновременно находиться в «плохих» с точки зрения помех положениях).

Декодирование происходит по схеме максимального правдоподобия.

==== Решётчатое пространственно-временное кодирование ====
Пропускная способность системы в целом и её частота битовых ошибок (BER) также в немалой степени определяются выбранными алгоритмами декодирования. Все основные алгоритмы декодирования строятся на следующих возможных принципах:
* принцип максимального правдоподобия;
* принцип минимальной среднеквадратичной ошибки;
* принцип обнуления (ZF — zero forcing);
* принцип решётчатого кодирования (выражается в присвоении каждому переходу от одного символа к другому уникальной последовательности битов, формируемой на основе заранее известного полинома).

Кодер STTC представляет собой совокупность модулятора M-PSK либо M-QAM и решётчатого кодера с заданным полиномом (в частности, кодера Витерби).

=== Неортогональные методы пространственно-временного кодирования ===

==== BLAST ====
Технология [[BLAST (алгоритм)|BLAST]] (Bell Labs Space-Time Transformation) предназначена для:
* распределения потоков модулированных данных по нескольким антенно-фидерным трактам приёмопередающего устройства;
* распределения входящих модулированных сигналов по временны́м слотам.

Существует два вида алгоритма BLAST:

;Алгоритм BLAST с диагональным распределением временных слотов (D-BLAST)
[[Файл:Dblast.gif|thumb]]
Достоинством этого метода является возможность «разброса» данных одного канала не только по пространственным и частотным каналам, но и по временным промежуткам. Подобный алгоритм используется в системах [[Wi-Max]].

Недостатками этого алгоритма являются:
* наличие временных потерь в начале и конце передачи,
* высокая сложность реализации,
* трудности кодирования.

;Алгоритм BLAST с вертикальным распределением слотов (V-BLAST)
[[Файл:Vblast.gif|thumb]]
Достоинствами данного алгоритма являются:
* отсутствие временных потерь,
* меньшая сложность,
* простая структура кодеков.

=== Варианты пространственного [[Мультиплексирование|мультиплексирования]] ===
Пространственное разделение подканалов в системах MIMO может быть реализовано следующими способами:
# Способом разнесения потоков по задержке.
# Способом разнесения посредством пространственно-временного кодирования (логическое развитие первого способа).<ref name=slyusarmimo1 />
# Способом ортогонального блочного кодирования (в частности, методом ортогонального блочного кодирования Аламоути)<ref name=slyusarmimo1 />.
# Способом ортогонального кодирования методом прямого расширения спектра [[DSSS]]<ref name=slyusarmimo1 />.
# Способом введения диаграммообразующей схемы (ДОС)<ref name=slyusarmimo1 /><ref name=slyusarmimo2>{{cite web
 |last         = Слюсар
 |first        = Вадим
 |title        = SMART-антенны. Цифровые антенные решетки (ЦАР). MIMO–системы на базе ЦАР.
 |work         = В книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. – М.: Техносфера. – 2005.
 |date         = 2005
 |pages        = C. 498–569
 |url          = http://www.slyusar.kiev.ua/slyusar_broadband.djvu
 |access-date  = 2018-11-27
 |archive-date = 2018-08-29
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20180829212615/http://slyusar.kiev.ua/slyusar_broadband.djvu
 |deadlink     = no
}}</ref>.
# Способом ортогонального расположения частот сигналов (несущих) по передающим трактам<ref name=slyusarmimo1 />.
# Способом ортогонального поляризационного разделения сигналов<ref name=slyusarmimo1 />.
# Сочетанием нескольких указанных способов.

== Наличие обратной связи ==
MIMO-системы можно классифицировать по наличию или отсутствию обратной связи<ref>Li Q., Lin X. E. Closed Loop Feedback in MIMO Systems // Patent No US 7,236,748 B2 Assignee — Intel Corporation, Date of patent — June 26, 2007.</ref>:
# MIMO с «открытой петлей» ({{lang-en|open-loop}}). В данном случае оценки канала на приёмном конце используются для коррекции искажений, вносимых каналом.
# MIMO с «замкнутой петлей» ({{lang-en|closed-loop}}). Здесь, помимо оценки канала, на приёме и компенсации помех производится передача этих оценок на передающую сторону по т. н. обратному ({{lang-en|feedback}}) каналу. Основываясь на принятой информации, передатчик производит перераспределение мощностей в своих передающих трактах с тем, чтобы увеличить мощность трактов, передающих по каналам с высокой интенсивностью замираний, а также внести коррекцию по амплитуде и фазе при формировании [[диаграмма направленности|диаграммы направленности]] антенны.

== Вопросы синхронизации ==
Наиболее распространённым методом [[Синхронизация (передача сигналов)|синхронизации]] в [[OFDM]]-MIMO является метод пилотных сигналов (поднесущих).

== Применение технологии MIMO ==
Технология MIMO нашла практическое применение в беспроводных локальных сетях стандарта [[IEEE 802.11n]], [[IEEE 802.11ac]], а также в беспроводных сетях мобильной связи [[WiMAX]] и [[3GPP Long Term Evolution|LTE]].

== Моделирование MIMO-каналов ==
В простейшем случае (для релеевских замираний) моделирование канала связи MIMO может состоять в заполнении канальной матрицы <math>\mathbf H</math> случайными коэффициентами с нулевым средним и единичной дисперсией.

== Massive MIMO ==
Мassive MIMO — это технология, в которой количество пользовательских терминалов намного меньше, чем количество антенн базовой станции (мобильной станции)<ref>T. L. Marzetta, [http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2010.092810.091092 Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas], IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590—3600, Nov. 2010.</ref>.

Особенностью Massive MIMO является использование многоэлементных [[цифровая антенная решетка|цифровых антенных решеток]]<ref name="history1">В. И. Слюсар. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 1. // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — № 1. — 2018. — C. 72—77 [http://slyusar.kiev.ua/Slyusar1_2018_LP.pdf] {{Wayback|url=http://slyusar.kiev.ua/Slyusar1_2018_LP.pdf|date=20180317035648}}</ref>, с количеством антенных элементов 128, 256 и более<ref name="history2">В. И. Слюсар. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 2. // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — № 2. — 2018. — C. 76—80 [http://slyusar.kiev.ua/Slyusar2_2018_LP.pdf] {{Wayback|url=http://slyusar.kiev.ua/Slyusar2_2018_LP.pdf|date=20180620001527}}</ref>. В целях упрощения аппаратной реализации и снижения стоимости таких многоканальных [[цифровая антенная решётка|цифровых антенных решёток]] использование в них многомодовых [[оптическое волокно|оптоволоконных]] интерфейсов как разновидности радиофотоники является единственным разумным выбором не только при работе на приём сигналов, но и для передачи данных{{Нет АИ|26|07|2024}}.

Снижению стоимости систем Massive MIMO в пересчёте на один канал способствует применение комбинированных методов децимации отсчётов [[АЦП]], сочетающих снижение темпа поступления данных с их предварительной (anti aliasing) фильтрацией, смещением по частоте и квадратурной (I/Q) демодуляцией<ref name=history2/>. Кроме того, упрощение обработки сигналов может достигаться адаптивным изменением количества каналов в системе Massive MIMO сообразно помеховой ситуации в эфире. Для этого следует использовать динамическую кластеризацию отдельных групп антенных элементов [[цифровая антенная решётка|цифровой антенной решётки]] в подрешётки<ref>В. И. Слюсар. К вопросу об адаптивном управлении каналами системы Massive MIMO // 17-а науково-технічна конференція «Створення та модернізація озброєння і військової техніки в сучасних умовах». — Чернігів: Державний науково-випробувальний центр Збройних Сил України. — 07—08 вересня 2017 р. — C. 328—329. [http://slyusar.kiev.ua/Slyusar_DNVC.pdf] {{Wayback|url=http://slyusar.kiev.ua/Slyusar_DNVC.pdf|date=20180402035906}}</ref>.

Схемотехническая база систем Massive MIMO базируется на использовании модулей обработки сигналов стандартов [[CompactPCI]], [[PCI Express]], [[OpenVPX]] и др.<ref name=history2 /> Технология Massive MIMO является одной из ключевых для реализации систем сотовой связи [[5G]]<ref name=history2/><ref>И. Степанец, Г. Фокин. Особенности реализации Massive MIMO в сетях 5G. // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — № 1. — 2018. — C. 46—52.</ref> и будет совершенствоваться по мере перехода к системам [[связь 6G|связи 6G]]<ref name="6G">David K., Berndt H. (2018). 6G Vision and Requirements: Is There Any Need for Beyond 5G? IEEE Vehicular Technology Magazine, September 2018. — doi:10.1109/mvt.2018.2848498 [https://ieeexplore.ieee.org/document/8412482] {{Wayback|url=https://ieeexplore.ieee.org/document/8412482|date=20181128034834}}</ref><ref>{{Книга|автор=А. Н. Степутин, А. Д. Николаев |заглавие=Мобильная связь на пути к 6G|ссылка=http://xxiii.ru/|ответственный=|издание=|место=|издательство=Инфра-Инженерия|год=2017|archivedate=2022-04-02|archiveurl=https://web.archive.org/web/20220402023442/http://xxiii.ru/}}</ref>.

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==
* {{книга
|автор=М. Г. Бакулин, Л. А. Варукина, В. Б. Крейнделин
|заглавие=Технология MIMO: принципы и алгоритмы
|место=М.
|издательство=Горячая линия — Телеком
|год=2014
|страниц=242
|isbn=978-5-9912-0457-6
}}
* {{книга
|автор=В. С. Сперанский, И. Л. Евдокимов
|заглавие=Моделирование сигналов OFDM-MIMO систем беспроводной передачи данных 802.16, Труды Московского технического университета связи и информатики
|год=2007
|место=М.
|издательство=МТУСИ
}}
* {{книга|автор=М. Г. Бакулин, В. Б. Крейнделин, А. М. Шлома|заглавие=Новые технологии в системах мобильной радиосвязи|год=2005|место=М. |издательство=Инсвязьиздат}}
* Е. А. Маврычев. Пространственная обработка сигналов в системах связи с антенными решётками. Дис. канд. техн. наук: — М., 2003.
* М. Г. Бакулин, В. Б. Крейнделин, А. П. Шумов. Повышение скорости передачи информации и спектральной эффективности беспроводных систем связи // Цифровая обработка связи, 1, 2006, с. 2—12
* [http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_974_409.pdf В. И. Слюсар. Системы MIMO: принципы построения и обработка сигналов // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2005. — № 8. — С. 52—58.]

[[Категория:IEEE 802]]
[[Категория:Радиотехника]]
[[Категория:Теория информации]]