MIMO (telecomunicazioni)

Multiple-Input Multiple-Output oMIMO("multiple input, multiple output" in francese) è unatecnologia dimultiplexingutilizzata neiradar, nellereti wirelesse nellereti mobiliper il trasferimento di dati a un raggio più lungo e una velocità più elevata rispetto alle antenne che utilizzano il Tecnica SISO (Single-Input Single-Output).

Mentre le reti Wi-Fi precedenti o le reti GSM standard utilizzano un'unica antenna sul trasmettitore e sul ricevitore, MIMO utilizza più antenne sia sul trasmettitore (ad es. router ) che sul ricevitore (ad es. laptop o smartphone ).

Storico

Un brevetto su un metodo di comunicazione wireless che utilizza più antenne è stato depositato nel 1984 da Mr. Jack Winters per conto dei Bell Labs . Nel 1985, il sig. Jack Salz ha pubblicato un articolo su MIMO basato sul lavoro del sig. Winters. Dal 1986 al 1995, diversi autori hanno scritto articoli sull'argomento. Nel 1996, Greg Raleigh (in) e Gerard J. Foschini (in) hanno inventato nuovi approcci per aumentare l'efficienza del MIMO. Nel 1999, Emre Telatar ha esteso la teoria dell'informazione ai sistemi multi-antenna.

varianti

Esistono diverse implementazioni di MIMO che differiscono nel modo in cui i dati vengono inviati e nel numero di antenne utilizzate presso il trasmettitore (tipicamente da 2 a 8) o il ricevitore (da 2 a 4). Sono stati implementati diversi principi, come nel Wi-Fi con il sistema Atheros Beamforming , che utilizza due antenne per la trasmissione e la ricezione. In questi sistemi le antenne trasmittenti sono alimentate con segnali identici, ma sfasati, in modo da concentrare l'energia trasmessa nella direzione del ricevitore.

Sebbene le varie varianti della tecnica MIMO non fossero originariamente legate a uno standard, i prodotti Wi-Fi MIMO disponibili in commercio sono compatibili con la maggior parte dei prodotti più vecchi conformi agli standard 802.11b (throughput istantaneo: 11 Mb/s , portata: ~ 30 metri, frequenza : 2,4 GHz ) e 802.11a / 802.11g (velocità istantanea: 54 Mb/s , portata: poche decine di metri, frequenze: 5 GHz o 2,4 GHz ), e possono coesistere con prodotti compatibili con i nuovi standard Wi-Fi utilizzando MIMO: 802.11n e 802.11ac che offrono un throughput che può superare 1 Gb/s in modalità MIMO 4x4.

Le velocità Wi-Fi annunciate sono massime teoriche, le velocità di trasmissione effettive sono inferiori e dipendono anche dal sistema di crittografia utilizzato per proteggere i dati. La portata dipende anche dagli ostacoli che si trovano tra il trasmettitore e il ricevitore e dalle possibili interferenze delle reti vicine.

I principi

La tecnologia MIMO utilizza array di antenne per la trasmissione e/o la ricezione per migliorare la qualità dell'SNR (rapporto segnale-rumore , o SNR inglese) e/o la velocità di trasmissione. Ciò consente anche di poter ridurre il livello di emissione dei segnali radio al fine di ridurre l'inquinamento elettromagnetico circostante, ma anche di estendere l'autonomia delle batterie nel caso di un telefono.

Possiamo considerare tre principali categorie di MIMO:

Diversità spaziale MIMO: lo stesso messaggio viene trasmesso contemporaneamente su antenne diverse in trasmissione. I segnali ricevuti su ciascuna delle antenne riceventi vengono quindi rifasati e sommati in modo coerente. Una versione semplificata utilizza solo il segnale di una delle antenne, quella che riceve il miglior segnale in un dato momento (antenne polarizzate ). Ciò consente di aumentare il rapporto segnale-rumore (grazie al guadagno in diversità) della trasmissione. Affinché questa tecnica sia efficace, i sottocanali MIMO devono essere decorrelati (indipendenti) l'uno dall'altro.

Multiplexing spaziale MIMO: ogni messaggio è suddiviso in sotto-messaggi. I diversi sotto-messaggi vengono trasmessi contemporaneamente su ciascuna delle antenne trasmittenti. I segnali ricevuti sulle antenne riceventi vengono riassemblati per ricostruire il messaggio originale. Come con la diversità MIMO, i sottocanali di propagazione devono essere decorrelati. Il multiplexing MIMO consente di aumentare le velocità di trasmissione (grazie al guadagno del multiplexing). Le tecniche di diversità MIMO e multiplexing possono essere applicate insieme. Ad esempio, per un sistema MIMO 5 x 5 (ovvero 5 antenne di trasmissione e 5 antenne di ricezione), è possibile configurare un sottosistema MIMO 2 x 2 per eseguire il multiplexing e un sottosistema MIMO 3 x 3 per creare diversità MIMO.

MIMO - Beamforming : la rete di antenne MIMO viene utilizzata per orientare e controllare il fascio di onde radio (ampiezza e fase del fascio). È così possibile creare lobi costruttivi/distruttivi e ottimizzare la trasmissione tra emettitore e bersaglio. Le tecniche di beamforming consentono sia di estendere la copertura radio (ad esempio di una stazione base o di un punto di accesso) sia di limitare le interferenze tra gli utenti e l'inquinamento elettromagnetico circostante (mirando al ricevitore previsto).

Esistono anche 2 varianti di MIMO a seconda del numero di utenti che ricevono dati contemporaneamente sugli stessi vettori :

Il più comune SU-MIMO ( Single User ) permette di inviare dati tramite le varie antenne ad un singolo utente in un dato momento; richiede di avere diverse antenne in ogni ricevitore. Questa modalità consente di ottenere un flusso unitario di picco più elevato.
MU-MIMO ( Multi User ) permette di condividere la velocità radio e inviare flussi di dati a 2 (o più) utenti, con ad esempio 4 antenne trasmittenti e 2 antenne in ogni ricevitore. Utilizza la modalità "multiplexing spaziale" e consente di aumentare l'efficienza spettrale della cella radio (il throughput complessivo) senza imporre un numero elevato di antenne in ciascun terminale.

formalismo matematico

Consideriamo un sistema MIMO composto da antenne trasmittenti e antenne riceventi. Indichiamo il vettore dimensione contenente i simboli inviati e il vettore contenente i simboli ricevuti. La relazione che lega e si scrive quindi: $m_t$ $Sig$ $X$ $m_t$ $sì$ $Sig$ $X$ $sì$

sì=HX+non{\ stile di visualizzazione y = Hx + n}

{\ stile di visualizzazione y = Hx + n}

Dove è la matrice del canale delle dimensioni e n è il vettore del rumore. La capacità del canale MIMO viene quindi scritta: $H$ $m_r \ volte m_t$

VS=log2⁡(dettaglio(iomr+ρHQH*)){\ displaystyle C = \ log _ {2} (\ det (I_ {m_ {r}} + \ rho HQH ^ {*}))}

{\ displaystyle C = \ log_2 (\ det (I_ {m_r} + \ rho HQH ^ *))}

In questa formula è la matrice identità, è il rapporto segnale rumore e Q è la matrice di correlazione dei simboli trasmessi. Quando il trasmettitore non conosce il canale, la capacità massima raggiungibile è espressa come: $io_ {m_r}$ $\ rho$

VS=Σio=1mtlog2⁡(1+ρmtλio){\ displaystyle C = \ sum _ {i = 1} ^ {m_ {t}} \ log _ {2} \ left (1 + {\ frac {\ rho} {m_ {t}}} \ lambda _ {i } \ giusto)}

{\ displaystyle C = \ sum_ {i = 1} ^ {m_t} \ log_2 \ left (1+ \ frac {\ rho} {m_t} \ lambda_i \ right)}

$\ lambda_i$ sono gli autovalori della matrice $H^ * H$

Quando il trasmettitore conosce il canale, la capacità massima possibile è data dall'algoritmo di riempimento dell'acqua .

Usi

La tecnologia MIMO è utilizzata principalmente negli standard: Wi-Fi ( IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac e IEEE 802.11ax ), WiMax ( IEEE 802.16e ) e standard di telefonia mobile HSPA+ , LTE , LTE Advanced e 5G .

Il Freebox v5 HD, ADSL , operatore e FAI Free utilizza la tecnica MIMO per trasmettere video HD (sostituito da un collegamento PLC ingennaio 2008) tra le sue due caselle, nonché per il collegamento con i computer.
L' Orange Livebox annunciato a marzo 2016 utilizza anche il Wi-Fi in modalità MIMO 4x4 per collegare il TV box.

Note e riferimenti

(it) Downlink MIMO in LTE avanzato: SU-MIMO vs. MU-MIMO ieeexplore.ieee.org, 9 febbraio 2012
E. Telatar. Capacità dei canali gaussiani multi-antenna, in European Transactions on Telecommunications, vol. 10, num. 6, pag. 585-596, 1999
arancione presenta la sua nuova Livebox: il modem e il televisore decoder comunicare via Wi-Fi tomshardware.fr, 16 Marzo 2016