Multiple Input Multiple Output

Technologia MIMO (ang. Multiple Input, Multiple Output) – rozwiązanie zwiększające przepustowość sieci bezprzewodowej polegające na transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej, jak i po stronie odbiorczej. Zastosowanie techniki MIMO posiada wiele korzyści, do których należą:

• zysk dywersyfikacji (ang. diversity gain) – wzrost niezawodności łącza spowodowany zwiększeniem odporności na zaniki Rayleigha (ang. Rayleigh fading); ponieważ sygnały pochodzących z różnych anten nadawczych są nieskorelowane, zanik sygnału pochodzącego z jednej anteny nie ma wpływu na zanik sygnału pochodzącego z innej anteny; aby zatem poziom mocy sygnału docierającego do odbiornika był niższy niż próg czułości, sygnały pochodzące ze wszystkich anten nadawczych musiałby podlegać zanikowi; prawdopodobieństwo takiej sytuacji jest znacznie mniejsze, niż w przypadku transmisji SISO (ang. single input, single output), tzn. transmisji z jedną anteną nadawczą i jedna anteną odbiorczą,
• zysk wynikający z odbioru zbiorczego (ang. array gain) – wzrost SNR (ang. Signal to Noise Ratio - stosunku sygnału do szumu) w odbiorniku, wynikający z przetwarzania replik sygnału radiowego docierających do wszystkich anten odbiorczych. Najefektywniejszym algorytmem przetwarzającym sygnały odbiorcze jest maximum ratio combining,
• zysk multipleksacji (ang. multiplexing gain) – r-krotny (teoretycznie) wzrost przepływności łącza radiowego, gdy strumień danych podzielimy na podstrumienie, z których każdy jest wysyłany przez jedną antenę nadawczą; r = min(M;N), gdzie M - jest liczbą anten nadawczych, natomiast N liczbą anten odbiorczych.

Zastosowania

Technika MIMO będzie stosowana w najbliższej przyszłości w nowoczesnych systemach radiowych. Do tej pory zastosowano ją w standardzie 802.11n, a także w systemie WiMax. Rozszerzenie systemu UMTS, które nosi nazwę Long Term Evolution (ang. LTE) przewiduje również zastosowanie transmisji wieloantenowej. Obecnie opracowywanych jest wiele systemów telekomunikacyjnych czwartej generacji (4G), w których w warstwie fizycznej obecnych będzie wiele anten nadawczych i odbiorczych, a także połączenie techniki MIMO ze zwielokrotnieniem nośnej (ang. OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), które w literaturze występuje pod nazwą MIMO – OFDM. Jednym z takich systemów jest WINNER opracowywany obecnie na wielu technicznych uczelniach europejskich.

Działanie MIMO

Ideą MIMO jest połączenie wymiaru czasowego w którym przesyłany jest sygnał z wymiarem przestrzennym. Aby tak się stało w MIMO jest stosowane kilka anten rozmieszczonych w rożnych miejscach w przestrzeni. Przesyłane dane w ten sposób muszą być kodowane za pomoca kodów przestrzennych STC(Space-Time Code), dzięki czemu odbiornik odczytuje dane z odebranego sygnału.

Rodzaje technologii MIMO

Rodzaje technologii MIMO. Tx – nadajnik, Rx – odbiornik

• MIMO – jest to technologia wykorzystująca wiele nadajników i wiele odbiorników
• MISO (Multiple Input Single Output) – anten nadawczych jest kilka, ale tylko jedna odbiorcza
• SIMO (Single Input Multiple Output) – antena nadawcza jest jedna a odbiorczych kilka
• SISO (Single Input Single Output) – antena nadawcza i antena odbiorcza jest tylko jedna.

Opis matematyczny

W systemie MIMO nadajnik wysyła wiele strumieni. Przesyłany strumień przechodzi przez kanał matrycy który składa się z wielu ścieżek. Następnie odbiornik otrzymuje sygnał wektorów i dekoduje otrzymany wektor sygnału do oryginalnej informacji. Model systemu MIMO:

$\mathbf{y} = \mathbf{H}\mathbf{x} + \mathbf{n}$

gdzie $\scriptstyle\mathbf{y}$ i $\scriptstyle\mathbf{x}$ przyjmują i przekazują wektory odpowiednio, a $\scriptstyle\mathbf{H}$ i $\scriptstyle\mathbf{n}$ macierzy kanału i wektor szumu.

• Osiągalna pojemność pętli zamkniętej systemu MIMO wynosi
  

$C_\mathrm{CL} = E\left[\max_{\mathbf{Q}} \log_2 \det\left(\mathbf{I} + \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right] = E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \mathbf{U}\mathbf{S}\mathbf{U}^{H}\right)\right]$

• Osiągalna pojemność otwartej pętli systemu MIMO wynosi

$C_\mathrm{OL} = \max_{\mathbf{Q}} E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right] = E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \mathbf{H}\mathbf{H}^{H}\right)\right]$

Zobacz też

• 802.11n
• High-Speed Downlink Packet Access
• LTE
• WiMax