MIMO

      A MIMO (Multiple In, Multiple Out), azaz több vevő és adóantenna használata lehetővé tesz több független csatornát egyazon térben és időben, ami miatt ez ígéretes területnek számít a vezeték-nélküli kommunikációban. A sokféle elrendezési lehetőség mellett az antennarendszer az energia irányítására is alkalmas (a sugárzólebenyek megváltoztatása), valamint arra is, hogy párhuzamos csatornákat létesítsen az egységes adatfolyam számára (térbeli multiplex). A MIMO elsősorban a mikrohullámoknak készült, de kiterjeszkedett a helyi vezeték-nélküli hálózatok piacára is. Elsősorban azért, mert javítja a pont-pont kapcsolatok megbízhatóságát, a lefedettséget és a robusztusságot. 

A MIMO rendszerek intelligens antennákat hasznának az adásnál és a vételnél is, melyek kompatibilisek az IEEE 802.11b és 802.11a/g szabványokkal. Az IEEE 802.11n szabvány már a MIMO technológiára alapozik, mert így a sávszélesség akár 300Mbps-re is nőhet (amennyiben párhuzamosak maradnak az adatfolyamok ugyanazon frekvenciatartományon belül). Ezt a technológiát térbeli multiplexnek nevezik, mert a párhuzamos adatfolyamok ugyanazon a csatornán közlekednek.
      Az eddig említettek alapján a MIMO kommunikációs rendszer a következőket tudja:

• növeli a rendszer teljesítményét (kevesebb bithiba egy csomagban)
• növeli az adatsebességet egy csatornán, tehát a rendszer kapacitását
• növeli a lefedettséget
• csökkenti a szükséges sugárzási energia mennyiségét

Ezeket sajnos nem tudja mind egyszerre teljesíteni. Például az adatsebesség növelésével nő a hibaarány is. Éppen ezért a MIMO kialakításánál külön figyelembe kell venni mind a négy szempontot, nem beszélve a költségekről és a rendelkezésre álló területről. Habár minden egyes antenna plusz költséggel jár, az antennatömbök nyújtotta nyereség ezt annyival felülmúlja, hogy nem is kétség, hogy a közeljövőben a MIMO-nak fontos szerepe lesz a vezeték-nélküli kommunikációban.

A MIMO átviteli elve
      A legtöbb Wi-Fi rendszer szinguláris átvitellel kommunikál, azaz csak egyetlen adatfolyam létezik az adó és a vevő között. Egy másik adás ugyanazon a frekvencián interferenciát okoz, mely rontja a kommunikációt. De vegyük észre, hogy a rádióhullámok szétterjednek és mindenféle akadályról visszaverődnek (más-más szögben és időben) amit a vevő szintén vesz és interferenciaként kezel. Az LTE (Long Time Evolution) technológiában azonban ezeket a visszaverődött hullámokat arra használják, hogy több adatfolyamot továbbítsanak velük. Több antennát, legfeljebb fél hullámhossznyira helyeznek egymástól, amik jelei egyéni szögekben és időkben fognak visszaverődni az akadályokról. A vételi oldalon, ami szintén egy hasonló antennarendszer, a beérkező jelek más-más antennát fognak eltalálni, tehát amit egyik interferenciának vél, azt a mellette lévő hasznos jelnek értelmezheti.
      Gyakorlatilag az adó a rádiójeleket ugyanakkor, ugyanazon a frekvencián küldi, viszont más antennákon. Az LTE szabvány egyelőre csak 2x2 és 4x4-e MIMO-t különböztet meg, azaz 2 valamint 4 párhuzamos csatornát, ami 2 valamint 4 antennát igényel az adó és a vevő oldalon is. Nyilvánvaló, hogy a 2x2-es az átviteli sebességet a duplájára növeli, míg a 4x4-es a 4-szeresére. A hordozható készülékekben (pl. mobiltelefon) valószínűbb a 2x2-es MIMO, mert kevés a hely és a két antenna legalább fél hullámhossznyira kell legyen egymástól. Emellett sok hordozható vezeték-nélküli készülék több sávban is képes üzemelni, melyekhez ismét külön antennák szükségesek. A fél hullámhossznyi távolság 180 fokos fázistolást jelent, tehát a két antenna mindenképp keresztpolarizációjú (ha az egyik vízszintes, akkor a másik függőleges polarizációjú). A dupla, vagy 4-szeres sebesség csak ideális esetben igaz, ezért a MIMO rendszert csak downlink átvitelre használják, hiszen az adó energiafogyasztása kevésbé korlátozott mint az akkumulátorral rendelkező uplink vevő. Az LTE tehát nem szabványosítja a MIMO-t uplink átvitelre is. Az antennák intelligensek, mert rossz átviteli körülmények között a rendszer automatikusan átáll szinguláris átvitelre 64QAM, 16QAM vagy QPSK modulációt használva. Mindig szoros kapcsolat van a két mód között. Hogy teljes mértékben kihasználható legyen a rádiócsatorna (azaz legyen uplink átvitel is), egyes cégek a kollaboratív MIMO-t szeretnék használni (amit többfelhasználós MIMO-nak is neveznek). Ez abból áll, hogy két mobiltelefon ugyanazt a csatornát használja uplink-re (amennyiben ugyanannak MIMO-nak a cellájában vannak), amivel így egy telefon fele annyi energiát használ mintha MIMO-val küldené a jeleket. A vevő oldalon a két uplink adatfolyamot a MIMO külön veszi és külön is kezeli, tehát nem úgy, mintha egy készülékből érkezett volna. Bár ez nem növeli az uplink sebességet, de mégis növeli a cella teljes kapacitását.

      Alapvetően, egy MIMO kommunikációs rendszerben egy bejövő adafolyam Nt különböző adafolyamra bontható. 

 Ha az adatfolyamok mindegyike külön dekódolható, akkor a névleges spektrális hatékonyság is Nt-szer lesz nagyobb. Ez azt jelenti, hogy egyetlen antenna hozzáadása is jelentősen megnöveli az adafolyam megbízhatóságát. A matematikai standard modellben, a vett jel: y = Hx + n

ahol vett adatvektor mérete y = Nr x 1, a csatorna mátrixa H = Nr x Nt, az elküldött adatvektor mérete pedig x = Nr x 1, hasonlóan a zaj méretével n = Nr x 1. Tipikus esetben a küldött adatvektor Nt-vel van normalizálva, úgy, hogy x vektor minden szimbóluma εx/Nt átlag energiával rendelkezik. A csatorna mátrix a következőképp írható fel:

 

ahol Nt az adóantennák indexe (t - transmission), Nr a vevőantennák indexe (r - reception), hij pedig a csatorna együtthatói a j adóantennától az i vevőantennáig, leírván az összes lehetséges útvonalat a két antenna között. Ezek különböző szintekre csoportosíthatók, melyek számát a mátrix rangja adja. Általában azt feltételezzük, hogy a fenti mátrix és a zajvektor elemei is komplex Gauss változók, függetlenek és azonos eloszlásúak, zéró médiával, valamint kovarianciás mátrixok:

Lineáris algebrával bebizonyítható, hogy Nt adatfolyam dekódolása lehetséges, amennyiben létezik Nt darab nem-nulla sajátérték a csatorna mátrixában, vagy rang(H)≥Nt.

Korlátozások

      Hogy reálisan ki lehessen értékelni a MIMO adottságait a WiMax rendszerekben, le kell szögezni, hogy a legismertebb eredmények a térbeli multiplexről az  y = Hx + n egyenletre épülnek. Ez a következő feltételekkel jár:

• mivel a H mátrix elemei véletlenszerűen skalárisak, feltételezzük, hogy nincs többutas hullámterjedés, tehát a fading lapos (frekvenciában nem szelektív);
• mivel a jelek azonosan elszórt, de független valószínűségi változókként vannak kezelve, nem-korreláltnak tűnhetnek;
• általában az interferenciát kizárjuk, a termikus zajt meg elhanyagolhatónak tekintjük

Többutas hullámterjedés
      Mivel a WiMax rendszerek sávja elég széles, nagyobb távolságokban elvárjuk, hogy a többutas hullámterjedés fontos szerepet játszon. Tehát a feltételezés, hogy a lapos fadinggel van dolgunk, valószerűtlen. Csakis akkor, ha az OFDM technológiát alkalmazzuk, a frekvenciában szelektív fadingű csatornák átalakulhatnak L darab lapos fadingű párhuzamos csatornákká. Hogyha a MIMO-ban elegendő OFDM alvivőt használunk, akkor L darab párhuzamos MIMO rendszert kapunk, amire az y = Hx + n ismét reális lesz. Mivel a WiMax az OFDM-en alapszik, a lapos fadingű MIMO csatornamodell elfogadható marad.


Nem-korrelált jelek
      A MIMO rendszert korrelált jelekkel elemezni nagyon nehéz, ezért is követik azt a feltevést miszerint a térbeli változatok nem korreláltak, azaz függetlenek és egyformán Gauss eloszlásúak. Egyetlen felhasználónak, az azonos eloszlású (azonos átlagteljesítményű) csatornák elfogadhatónak számítanak, bár azok térben korreláltak. Másfelől a mobiltelefonok antennái is inkább nem-kolleráltak, bár az átlagteljesítményük nagyon változik.
      Egy felhasználó MIMO csatornáját nézve, a magas korreláció oka két fő oka a következő:

1. elégtelen távolság az antennák között
2. elégtelen szórás a csatornán

Az első (1.) probléma akkor következhet be, ha nincs elég hely az antennáknak. A második (2.) pedig akkor, ha az adónak közvetlen rálátása van a vevőre, vagy ha sugárzás irányított (a sugárzási lebeny befolyásolása vagy direktív antennák használata). Más szóval nagyobb szórás igénye konfliktusban áll a nagy távolságokra történő adásvétel igényével. Mindazonáltal, a kutatások kimutatták, hogy sok, nem-korrelált jelre alapozó MIMO eredmény érvényes a kis korrelációjú esetekre is.


Interferencia korlátozott MIMO rendszerek
      A  y = Hx + n egyenlet használatának harmadik korlátja (a csatorna zaja Gauss-féle és nincs korrelációban a küldött adatokkal) irreálisnak tekinthető a cellás MIMO rendszerekben. Minden celluláris rendszer, természeténél fogva interferencia korlátozott. A downlink kapcsolat esetében, ahol a MIMO a legéletképesebb, létre fog jönni Ni+Nt interferencia.
      Nagyon nehéz, hogy egy mozgó MIMO vevő megbirkózzon úgy az Nt térbeli interferenciával, mint az Ni intercelluláris (cellaközi) interferenciával. Kimutatták, hogy minél több az adóantenna, a MIMO rendszerek kapacitása annál kisebb hacsak le nem korlátozzák a térbeli interferenciákat. A WiMax esetén a cellák közötti interferencia a legnagyobb probléma. Sok megoldást találtak erre: interferenciaérzékelős vevők, a többcellás teljesítmény szabályzása, osztott antennarendszerek használata, multi celluláris koordináció, stb de ezek közül még egyik sem kapott helyet a WiMax szabványában.


A MIMO technológia funkciói
      A MIMO 3 alapkategóriába sorolható:

1. Precoding (előkódolás)
A hullámnyaláb formációjának általánosítása, mely támogatja a vezeték-nélküli kommunikációt és ezzel együtt a térbeli multiplexet is. Mindenik antenna küld egy jelet úgy, hogy a jelerősség maximális legyen az adó kimenetén. Ezt egy "W" előkódoló mátrix alkalmazásával érik el. A terminál visszajelzést küld a vezérlőcsatornán (az uplink-en) kiválasztván az optimális W mátrixot (akkor optimális ha a csatorna kapacitása maximális). Általában ez az információ egy bizonyos kategóriájú erőforrásra érvényes (de legalább egy bizonyos erőforráscsoportra), mivel az optimális mátrix minden erőforráscsoportnál más és más.

2. MIMO Spatial Multiplexing (térbeli multiplex)
A 802.11n szabványosította és célja, hogy megnövelje a csatorna kapacitását az adatfolyamok számára, melyek ugyanazon a vivőfrekvencián közlekednek. Ahhoz, hogy a többszörös térbeli adatfolyam létrejöjjön több adó és vevő antenna és különböző, nem-korrelált útvonal szükséges. Az útvonalak polarizált antennákkal vagy többutas csatornákkal jöhetnek létre. A térbeli multiplex az, ami lehetővé teszi az egyidejű downlink adatfolyamokat, melyek lehetnek egy (SU-MIMO) vagy több (MU-MIMO) felhasználó adatfolyamai is. Míg az SU-MIMO-nak mindez nagyobb átviteli sebességet jelent, addig az MU-MIMO a teljes kapacitás növekedését észleli.

 

Az adó oldalon mindenik antenna más adatfolyamot küld, a vevő oldalon pedig mindenik veheti az összes jelet. Mindenik csatorna felírható H mátrixként (az adott késéssel).

3. Diversity Coding
      Az ilyen MIMO rendszerekben a bázisállomásnak n antennája, míg a mozgó állomásnak m antennája van. Az elküldendő adatokat előbb kódolják, majd egy soros-párhuzamos átalakítás után n darab különböző tartalmú vektort kapnak. Mindenik adatvektor egy impulzusformáló áramkörbe kerül, mely kimenete a modulált jel lesz. Ez megnöveli a rádiócsatorna hatékonyságát és együtt a többantennás MIMO rendszerrel, ahol a kódolás után az információdarabkák több csatornán párhuzamosan távoznak, még jobban növeli a hatékonyságot. A vevő oldalon ezeket az adatvektorokat újra kell kombinálni (ami növeli a feldolgozási késést, de elegendő memóriával nincs hatással az adatsebességre vagy az adatok helyességére (pl adatveszteség miatt) ).
Downlink (letöltési kapcsolat)
      Az LTE letöltési kapcsolatnak egy 2x2-es MIMO rendszert veszünk figyelembe, azaz 2 adó és 2 vevő antennát. A 4 antennás kivitelezést is figyelembe szokták venni.
Uplink (feltöltési kapcsolat)
      Az LTE feltöltési kapcsolatnál figyelembe kell venni a problémákat amik a terminálokban felléphetnek, ezért ezek eltérnek a letöltési kapcsolatok felépítésétől. Egy uplink-nek lehet használni például egy MU-MIMO-t. Több felhasználó ugyanazt az erőforrást használhatja. Ezt az eljárást SDMA-nak (Space-Division Multiple Access) nevezik és egy antenna is elegendő. 


A MIMO technológia formái

SISO (Single Input, Single Output)

      A hagyományos rádióadók egy antennát használnak adásra és egyet vételre. Így működik a TV, a rádió vagy bármilyen személyes vezeték-nélküli hálózat (Bluetooth, Wi-Fi stb).


SIMO (Single Input, Muliple Output)

      A hatékonyság növeléséhez a vevő oldalra több antennát is lehet szerelni, aminek így lehetősége lesz a legjobb jel közül választani, vagy akár kombinálhatja is a két jelt megnövelvén a jel/zaj arányt (SNR).


MISO (Multiple Input, Single Output)

      Az előző fordítottja. Az esély, hogy a küldött jel a vevőhöz ér sokkal nagyobb.

A MIMO-OFDM csatorna paramétereinek megbecslése
      Ha egy MIMO rendszerben OFDM-et (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) használnak, akkor fontos a csatorna állapotáról némi információt ismerni, a vett jelek koherens felismerésére és zavarmentesítése érdekében. Ezek az információk akkor is hasznosak, ha a MIMO átvitel zárt hurokban történik. A becslés kétféleképp történhet: képzéssel vagy "vakon". A képzéses becslés során ismert szimbólumokat küldenek amit a vételi oldalon lévő algoritmus feldolgoz, elősegítvén a becslés menetét. A vakbecslés során a vevő ismeretlen szimbólumok alapján kell megbecsülje a csatorna paramétereit. Vakbecslés valamivel mégis hatékonyabb, mert nem kell levágni sávszélességből az ismert szimbólumok számára és így gyorsabban lezajlik a folyamat. A képzéses becslés viszont megbízhatóbb, ezért a WiMax szabvány is inkább ezt használja,

Kísérleti fejlécek és szimbólumok
      Kétféleképp lehetséges képzési szimbólumokat küldeni: fejléctónus vagy kísérleti tónus. A fejléctónus olyan képzési szimbólum, mely a jelátvitel előtt kerül kiküldésre (az OFDM esetén egy vagy két ilyen szimbólumot használnak). A kísérleti tónus pedig az ismert kísérleti szimbólum, melyet két alvivő közé iktatnak be. A MIMO-OFDM rendszerekben a csatornák becslését előbb a fejléccel (szinkronizálás, előbecslés) majd a kísérleti tónussal végzik, hogy az időben változó csatorna jól követhető legyen és megmaradjon a becslések pontossága.
      A MIMO-OFDM rendszerben mindenik antenna veszi az összes Nt antenna által küldött jelt. Ezért a jó becslés érdekében a képzési jelek az antennákból kölcsönös interferencia nélkül kell távozzanak. A következő ábra 3 tipikus MIMO-OFDM sémát ábrázol, mely megakadályozza a kölcsönös interferencia létrejöttét.

A független szimbólumú séma esetén egyszerre csak egy antenna küld képzési jelt, a többi hallgat. Tehát egy NtxNr csatorna Nt képzési szimbólummal becsülhető meg. A szétszórt séma esetén a képzési szimbólumokat mindenik adó más-más alvivőn küldi, míg a többi nem használja a képzésre lefoglalt alvivőket. A keresztirányú sémánál matematikai szemszögből a jelek keresztirányban hagyják el az antennákat, hasonlóan a CDMA-hoz (Code Division Multiple Access). A független szimbólumú sémá a leggyakrabban használt a MIMO-OFDM rendszerekben, mert a fejléc időtartományban jön létre. A kísérleti tónus elküldésére bármelyik séma alkalmazható, akár kombinálva is. A MIMO-OFDM rendszerekben a kanális frekvencia tartományú információira is szükség van, hogy mindenik alvivőn észlelni lehessen az adatszimbólumokat. Mivel a fejléc kísérleti szimbólumokból áll mindenik alvivőn, a csatorna frekvenciaválasza megbecsülhető egyszerű interpolációs technikákkal. Az OFDM adatszimbólumokban kevés kísérleti tónus is található, tehát szükséges a becslések közti interpoláció. A lenti ábrán a képzési szimbólumok felépítése látható:

Az egydimenziós (időben vagy frekvenciában) vagy kétdimenziós (időben és frekvenciában) interpolációt jól ismert lineáris interpolációs algoritmusokkal lehet elvégezni, vagy FFT-vel.

A csatorna idő és frekvenciatartománybeli becslés összehasonlítása
      A MIMO-OFDM csatornákat meg lehet becsülni úgy időben, mint frekvenciában. Az időtartományban vett jelt fel lehet használni a csatorna impulzusválaszának megbecslésében, valamint felhasználható frekvenciabecslésre is, ha FFT-vel átfordítjuk frekvenciatartományba. A becslések során feltételezzük, hogy a többi antenna nem okoz interferenciát, ami a fent említett sémákkal megvalósítható. Ebben az esetben az i és j együtthatói elhanyagolhatók. Ez a módszer tökéletesen működik az egy-egy antennás OFDM rendszerekben is.

A csatorna megbecslése időtartományban:
      A fejléc- vagy kísérleti tónusokon alapuló becslési módszerek az ismert szimbólumok számában különböznek. Egy fejléc-tónuson alapuló becslésnél az időtartományban, ismétlődő előtaggal, a vett OFDM képzési szimbólum a következő mátrixszal fejezhető ki:

ahol y és n a vett OFDM szimbólum és az AWGN (Additive White Gaussian Noise) zaj L darab mintavétele. Az x(l) az küldött OFDM szimbólum l-edik mintavétele, h(i) pedig a csatorna impulzusválaszának i-edik mintavétele. Ezzel a mátrixos leírással, a csatorna becslése, ^h megkapható a legkisebb négyzetek módszerével vagy a négyzetes átlaghiba minimalizálásával.

A csatorna megbecslése frekvenciatartományban:
      Ez könnyebben elvégezhető, mint időtartományban. A fejlécen alapuló becsléskor az l alvivőn fogadott szimbólum: Y(l)=H(l)X(l)+N(l). Mivel X(l) már előre ismert a vételi oldalon, az alvivők frekvenciaválaszai könnyen kiszámíthatók a legkisebb négyzetek módszerével. Hasonlóképp, a kísérleti szimbólumokon alapuló becslésnél is, a vett szimbólumok:
Y(l)=H(l)X(l)+N(l).
      A legkisebb négyzeteken alapuló becslés nem a leghatékonyabb módszer zajos környezetben, interferenciákban, mivel nem veszi ezeket figyelembe. A becslések viszont javíthatóak több eredmény átlagolásával vagy az átlag négyzetes hibák minimalizálásával (MMSE - Minimum Mean Square Error). Az MMSE precízebb mert óvatosabb közelít, a zaj nagyságára és a csatorna kovarianciás mátrixának statisztikájára  alapszik. Az MMSE becslés hátrány a frekvenciatartományban az, hogy igényli a csatorna kovarianciás mátrixának ismeretét úgy frekvenciatartományban, mint időtartományban is. Mivel a vevő nincs előre birtokában ennek az információnak, ezt is becsléssel kell meghatározni, az előző becslések alapján. A mozgó alkalmazásoknál a csatorna tulajdonságai hamar megváltoznak, ezért nehéz a kovarianciás mátrix pontos becslést fenntartani. Az ilyen helyzetekben a lehet, hogy csak részinformációt kapunk a csatornáról.

• A térbeli sokféleség jelentős növekedést nyújt a megbízhatóság szempontjából, az adóteljesítmény 10-100-szoros növekedéséhez képest.
• A nyereség sokfélesége antennatömbök használatával érhető el az adó, vevő vagy mindkét oldalon.
• A sokféleségtől és a sugárzási lebeny-formáló technikáktól eltérően, a térbeli multiplex lehetővé teszi több adatfluxus párhuzamos továbbítását.
• Mivel a többszörös antenna technikák igénylik a csatorna állapotáról szóló információk ismeretét, a MIMO-OFDM csatorna megbecsülhető a vevő oldalon, és ez visszaküldhető az adónak a teljesítmény javítása érdekében.
• A MIMO technológia használata jelentős előnyöket nyújt: jobb lefedettség, ami főleg olyan helyeken hasznos ahol nagy távolságon belül csak egy hozzáférés pont található, ami egy akadállyal teli terepen olyan zónákat eredményez ahol nem vehető a jel, vagy éppen a távolság növekedésével gyengül. A széles sávú alkalmazások is élvezik a MIMO előnyeit, mint például a valós idejű videostreaming vagy voicestreaming, vagy akár az online játékok. Mivel kompatibilisek a jelenlegi termékekkel, nagyon jó megoldás a hatékony vezeték-nélküli hálózatok kialakításában.