ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ MIMO

Первые идеи в области технологии MIMO были продемонстрированы в работах A.R. Kaye и D.A. George (1970) , W. Van Etten (1975, 1976). В 1984 и 1986, Jack Winters и Jack Salz из Bell Laboratories опубликовали несколько статей о формировании диаграммы направленности и получили первый патент на использование MIMO-принципа в радиосвязи. А. Paulraj и Т. Kailath предложили в 1993 году концепцию пространственного мультиплексирования (Spatial Multiplexing SM), используя технологию MIMO. В 1996 году Greg Raleigh и Gerard J. Foschini предложили новый подход к технологии MIMO, когда множество передающих антенн расположены вместе в одном передатчике, это качественно улучшает пропускную способность системы. В Bell Labs в 1998 году впервые был продемонстрирован лабораторный макет пространственного мультиплексирования, которое является основной предполагаемой технологией для повышения производительности и увеличения потенциала системы связи MIMO.

Широкое распространение получил стандарт WiFi 802.11n, использующий технологию MIMO. По этому стандарту удается получить скорость передачи данных до 300 Мбит/сек. Стоит отметить, что прежний стандарт 802.11g обеспечивал скорость до 50 Мбит/сек. Также использование MIMO технологии в стандарте 802.11n, не только увеличило скорость передачи, но и позволило улучшить качество обслуживания на местности, где уровень сигнала не достаточно высок. Самое распространенное использование 802.11n – это системы типа точка/многоточка (Point/Multipoint) WiFi при создании локальной вычислительной сети LAN (Local Area Network). Однако подобные решения используются и для создания соединения типа точка/точка, которое может быть задействовано для организации высокоскоростных магистральных каналов связи (скорость несколько сотен Мбит/сек) и позволяющее передавать данные на десятки километров (до 50 км).

MIMO технология также используется в стандарте WiMAX, который также имеет несколько версий. Один из релизов это 802.16e. В нем описывается способ обеспечения услугами мобильного широкополосного доступа, позволяющий передавать данные со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. При этом в 802.16e технология MIMO не является основополагающей, а существует лишь как дополнение с конфигурацией 2х2. Технология MIMO становится неотъемлемой частью следующей версии стандарта 802.16m, в которой конфигурация может быть и 4х4. При этом WiMAX выступает в качестве разновидности сотовой системы связи четвертого поколения, поскольку имеет список характерных свойств: хэндовер, роуминг, голосовые соединения. 38 Если использовать WiMAX устройства в качестве мобильного, скорость передачи данных возможна до 100 Мбит/сек, а при стационарном состоянии скорость возможна порядка 1 Гбит/сек.

Однако самое интересное применение технология MIMO нашла в системе сотовой связи начиная с третьего поколения. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA (технология беспроводной широкополосной радиосвязи, использующая пакетную передачу данных и являющаяся надстройкой к мобильным сетям WCDMA/UMTS) с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. При этом в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

В стандарте беспроводной высокоскоростной передачи данных четвертого поколения 4G LTE предусмотрено использование систем MIMO в конфигурации до 8´8 , что теоретически позволяет передать информацию от базовой станции к абоненту со скоростью свыше 300 Мбит/ c . Стоит отметить, что при этом устойчивость соединения повышается в независимости от положения абонента внутри соты. Уменьшение скорости передачи информации возможно лишь при экстремальных условиях, например, при значительном удалении от базовой станции абонента, или при нахождении в глухом экранируемом помещении.

Применение технологий MIMO решает две задачи:

-   увеличение качества связи за счет пространственного временного частотного кодирования и (или) формирования лучей,

-   повышение скорости передачи при применении пространственного мультиплексирования.

В различных реализациях MIMO имеется ввиду одновременная передача в одном физическом канале нескольких независимых сообщений. С целью реализации действия MIMO применяют многоантенные системы: на передающей стороне имеется Nt передающих антенн, а на приемной стороне Nr приемных. Данная структура приведена на рис. 1.

В MIMO-системах используются как уже вошедшие в практику подходы к разделению сигналов, так и новые. К ним относятся, например, пространственно-временное, пространственно-частотное, пространственно-поляризационное кодирование, а также сверхразрешение по направлению прихода сигнала в приемник. Благодаря обилию подходов к разделению сигналов удалось обеспечить столь долгую разработку стандартов на использование систем MIMO в средствах связи. Однако все разновидности MIMO направлены на достижение одной цели – увеличение пиковой скорости передачи данных в сетях связи за счет улучшения помехоустойчивости.

Простейшая антенна MIMO – это система из двух несимметричных вибраторов (монополей), ориентированных под углом ±45° относительно вертикальной оси (рис.2).

Такой угол поляризации позволяет каналам находиться в равных условиях, поскольку при горизонтально-вертикальной ориентации излучателей одна из поляризационных составляющих неизбежно получила бы большее затухание при распространении вдоль земной поверхности. Сигналы, излучаемые независимо каждым монополем, поляризованы взаимно ортогонально с достаточно высокой взаимной развязкой по кросс-поляризационной составляющей (не менее 20 дБ). Аналогичная антенна используется и на приемной стороне. Такой подход позволяет одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, модулированными различным образом. Принцип поляризационного разделения обеспечивает удвоение пропускной способности линии радиосвязи по сравнению со случаем одиночного монополя. Таким образом, по сути, любую систему с двойной поляризацией можно считать системой MIMO.

К тому моменту, когда технология MIMO была специфицирована в релизе 7, шло активное распространение по миру стандарта 3G. Были попытки совместить сети третьего поколения с технологией MIMO, но широкого распространения не получили. По данным Глобальной Ассоциации Поставщиков Мобильного Оборудования (GSA) от 04.11.2010 на тот момент из 2776 типов устройств с поддержкой HSPA, представленных на рынке, только 28 моделей поддерживают MIMO. К тому же внедрение MIMO сети с низким проникновением MIMO-терминалов приводит к снижению пропускной способности сети. Компания Nokia Siemens Networks разработала технологию для минимизации потерь пропускной способности, но она показала бы свою эффективность только в том случае, когда проникновение MIMO- терминалов составило бы не менее 40% абонентских устройств. Добавляя к выше сказанному, стоит напомнить, что 14 декабря 2009 года состоялся запуск первой в мире мобильной сети на базе технологии LTE, которая позволяла достичь гораздо более высоких скоростей. Исходя из этого видно, что операторы были нацелены на скорейшее развертывание сетей LTE, нежели на модернизацию сетей третьего поколения.

На сегодняшний день можно отметить бурный рост объема трафика в сетях подвижной связи 4 поколения, и чтобы обеспечить необходимую скорость всем своим абонентам, операторам приходится искать различные методы по повышению скорости передачи данных или по повышению эффективности использования частотного ресурса. MIMO же позволяет в имеющейся полосе частот передавать в 2 раза больше данных за тот же временной промежуток при варианте 2х2.

Несмотря на то, что данная технология появилась сравнительно недавно, многие операторы предпочитают использовать антенны с технологией MIMO для предоставления доступа абонентам. MIMO совместно с технологией OFDM позволяет обслуживать большее количество абонентов, а также внедрять наиболее прогрессивные поколения технологий мобильной связи (LTE, LTE-A, 5G и т.п.).

Список литературы

1. Прокис, Д. Цифровая связь. / Дж. Прокис; пер. с англ. под ред. Д.Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800с.

2. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. / Бернард Скляр пер. с англ. – М: Вильямс, 2003. – 1104с.

3.   Голдсмит, А. Беспроводные коммуникации. Основы теории и технологии беспроводной связи / А. Голдсмит – М.: Техносфера, 2011. 904 с.