השוואה ביצועית של מימי משתמש חד-משתמש ומימימי משתמש רב ברשתות צפופות

רשתות תקשורת אלחוטיות עברו אבולוציה טרנספורמטיבית בשני העשורים האחרונים, מונעות על ידי דרישה בלתי צפויה לשיעורי נתונים גבוהים יותר, שקיפות נמוכה יותר, וקישוריות בכל מקום.התפוצה של טלפונים חכמים, אינטרנט של דברים (IoT) ויישומים בזמן אמת כגון הזרמת וידאו ומציאות מוגברת של מערכת אלחוטית (MO) הופכת באופן משמעותי ללחץ חסר תקדים על תשתיות רשת.

מימון טכנולוגיות MIMO

טכנולוגיית MIMO מנצלת את הממד המרחבי של ה-Wireative propagation האלחוטית לשיפור ביצועי התקשורת.בבסיסה, MIMO מסתמכת על אנאנטות מרובות ליצירת נתיבי תקשורת עצמאיים, הידועים כזרמים מרחביים.זרמים אלה יכולים לשמש בשלוש דרכים עיקריות: מגוון מרחבי, ריבוי מרחבי, ריבוי מרחביי מרובות, מספרי-מרחבי, ו-amforming.

(הרחבה:0) , 000 ⁇ (FLT:1) משתמשת בעובדה כי אותות מאנטנות שונות עוברים דפוסים שונים של קידודים שונים.על ידי העברת נתונים זהים על פני אנטנה מרובים, המקלט יכול לשלב את האותות להתגבר על דואט עמוק, ובכך להגדיל את האמינות (התחילת אות שגיאה) כדי להתאים את מספר האנטנה 3DVatetnaphtnatance (FLT) ו-Facting) של נתונים שונים.

MIMO מיושם בצורות שונות על פני תקני אלחוטיים.ב- 4G LTE, MIMO הוצג עם עד 4 ×4 תצורה, תמיכה הן חד-משתמש והן במספר רב-משתמשי-משתמשי-משתמשי-משתמשי-משתמשי-ב-שימוש (רדיו חדש), מסיבי MIMO מרחיב את זה לעשרות או מאות אנטנות, ומאפשרת פתרון מרחבי גבוה מאוד.הביצועים של כל תוכנית MIMO תלויים באופן ביקורתי על מידע הערוץ (I) זמין ב-המספר רשתות האנטנות, במיוחד, ובמיוחד ב- אנטנות והפרעות דחוסות, ובמיוחד ב-ב-בסביבה- , כאשר הן ב- אנטנות-ב- אנטנות- , כאשר הן ב-כל אחת- אנטנות- , כאשר הן ב- , כאשר הן ב- אנטנות- , כאשר הביצועים של כל אחת, כאשר הן ב- , כאשר הן ב-ב-במערכת ה-ב-במערכת ה-ה-ב-ב-ב-ב-ב-ב- אנטנות-במערכת ה-ב-הת-ב- אנטנות- אנטנות- אנטנות- אנטנבדק- אנט

משתמש יחיד MIMO (SU-MIMO) בפירוט

יחיד משתמש MIMO (SU-MIMO) מקדיש את כל הזרמים מרחביים למכשיר משתמש יחיד במשאב זמן נתון- ⁇ . ב-SU-MIMO, תחנת הבסיס (BS) או נקודת גישה (AP) מעבירה מספר זרמי נתונים למשתמש אחד, אשר חייב להיות אנאנטות מרובות כדי לקבל ולפענח אותם.ה העיקרית היא עלייה ישירה בנתוני שיא עבור המשתמש - לדוגמה, 8× 8 פעמים יכול לספק דרך מערכת אחת של שטח אחד.

SU-MIMO הוא יעיל במיוחד בתרחישים שבהם צפיפות המשתמש נמוכה או כאשר משתמשים בודדים דורשים רוחב פס גבוה מאוד, כגון הורדת קבצים גדולים או הזרמת וידאו הגנה גבוהה.עם זאת, יעילותו מפחת ברשתות צפופות.

• (FLT:0) מגבלות זרם פליטות: FLT:1, מספר הזרמים בו-זמנית מוגבל על ידי מינימום מספר האנאנטות במדר ובמקבל.מכשירי משתמשים רבים, במיוחד חיישנים של IoT או טלפונים חכמים מבוגרים, יש רק אנטנה אחת או שתיים, ובכך ליישר את הפוטנציאל באמצעות חישוב.
• (FLT:0) הקצאת מקורות:FLT:1 , SU-MIMO חייב זמן לשתף את הערוץ בין משתמשים. בסביבה צפופה, כל משתמש מקבל רק חלק קטן של חריצים הזמן הזמינים, המוביל לעקביות גבוהה ויכולת רשת כללית ירודה, במיוחד כאשר משתמשים יש תנועה מתפוצת.
• (FLT:0) הבין-מידתיות: ההרחבה 1 (ללא ניהול התערבות מתואמת, שידורים של SU-MIMO מתאים שכנים יכולים לגרום להפרעה משמעותית של ערוץ משותף, צמצום ה- SINR היעיל עבור כל המשתמשים.

למרות חסרונות אלה, SU-MIMO נשאר רלוונטי עבור תרחישים הדורשים קישורים מהירים לקביעתניים, כגון סיבים-extender backhaul או התקנת גישה אלחוטית קבועה (FWA) שבו מכשיר המנוי יחיד מצויד עם אנאנטנות מרובות.

Multi-User MIMO (MU-MIMO) בפרט

Multi-User MIMO (MU-MIMO) מאפשר תחנת בסיס או נקודת גישה לתקשר עם משתמשים מרובים בו זמנית באמצעות משאבים באותו זמן- ⁇ במקום הקצאת כל זרמים מרחביים למשתמש אחד, MU-MIMO משתמש במספרים מרחביים כדי לשרת משתמשים שונים על זרמים שונים.זה מושג באמצעות קידוד מתקדם במעבר, אשר מעצב את האותות המועברים כך למשתמש המיועד להפרעות מינימליות של משתמשים אחרים.

ה- MU-MIMO הוא FLT:0precodingFLT:1, הדורש מידע מדויק של המדינה ערוץ על השידור (CSIT) תחנת הבסיס מחשב ממטריקס מרתיעה (למשל, באמצעות אפס-forcing או מינימום רזולוציה של טכניקות שגיאה מרובעות) אשר מבטל ביעילות את ההתערבות בין משתמשים.

MU-MIMO מופיע במספר סטנדרטים מסחריים. ב-Wi-Fi, 802.11ac (Wave 2) הציג MU-MIMO עבור downlink, ו 802.11ax (Wi-Fi 6) מרחיבה אותו הן ל uplink והן לקישור עם תזמון טוב יותר.ב- Cell, MU-MI כבר חלק LTE מאז שחרור 10 והוא אבן הפינה של 5GNR מסיבי MIMO, שבו ניתן להגיש בו זמנית עשרות משתמשים.

היתרונות של MU-MIMO בולטים ביותר בתרחישים צפופים.שרת משתמשים מרובים בבת אחת מפחיתה עיכובים מנקה ומשפרת את ההוגנות.עם זאת, השגת רווחים אלה דורשת ניהול זהיר של מספר גורמים:

• (FLT:0Channel estimation Overhead:03: ⁇ 1) כדי למקם את הקידוד, תחנת הבסיס חייבת להשיג CSI מכל המשתמשים.
• בחירת:0User:Build:cioFLT:1 (הביצועים של MUMIMO תלויים בבחירת קבוצה של משתמשים שערוצים שלהם הם מספיק אוטוקונים.
• מורכבות:0 (FLT:1 MU-MIMO דורש יותר כוח עיבוד בסיס ואנטנות נוספות בנקודת הגישה כדי להשיג את ההחלטה המרחבית הרצויה. ⁇ MIMO מסיבית ב 5G יכול להיות 64, 128, או יותר אלמנטים אנטנה.

השוואות לDense Network Scenarios

כדי להשוות קפדני SU-MIMO ו MU-MIMO ברשתות צפופות, עלינו לבחון כמה מדדי ביצועים מרכזיים: באמצעות חישוב, יעילות ספקטרלית, שקיפות, הגינות ועוצמה להפרעות. רשתות Dense מאופיין על ידי צפיפות גבוהה של משתמשים (hundreds per cell), גדלים תאים קטנים (מיקרו-מיקרו-מיקרו-פוליטניים או נקודות חמות), ועומסים גבוהים.

באמצעותput and Spectral Efficiency

המדד הישיר ביותר של יכולת הרשת הוא מצטבר באמצעות חישוב - הנתונים הכוללים שנמסרים לכל המשתמשים לזמן יחידת.בתרחישים בעלי רגישות נמוכה, SU-MIMO יכול להשיג שיעורי שיא גבוהים עבור משתמשים בודדים, אבל הצטברות דרך המאזניים באופן ליניארי עם מספר המשתמשים רק אם כל אחד מהם מוגש באופן זמני.

ברשת צפופה טיפוסית עם 20 משתמשים לתא ותחנת בסיס מצוידת ב-8 אנטנות, SU-MIMO תדרוש 20 חריצים זמן לשרת את כל המשתמשים, כל מרווח המספק ברוב 8 זרמים למשתמש אחד (הנחה שלמשתמש יש 8 אנטנה) MU-MIMO, עם זאת, יכול לשרת עד 8 משתמשים בו זמנית במזל יחיד (כל אחד או שניים), להפחית את הזמן הכולל ל- 3 סיביות לכל היותר ל- 20 סיביות).

מחקרים רבים מאשרים כי MU-MIMO מספק יעילות ספקטרלית גבוהה פי 2-4 מאשר SU-MIMO בסביבות עירוניות צפופות.לדוגמה, מאמר IEEE על 5G מסיבית של ניסויים בתחום MIMO הראה כי MU-MIMO השיג 3.5 × את החצין באמצעות SU-MIMO תחת עומס גבוה.

שקיפות

(לאינטנסי הוא מדד קריטי עבור יישומים בזמן אמת כגון קול, משחקים, ושליטה תעשייתית. ב-SU-MI, כי משתמשים צריכים לחכות לסיבוב שלהם בלוח זמנים של זמן, העיכובים גדלים עם מספר המשתמשים הפעילים.בזמני שיא, משתמש עשוי לחוות מאות אלפי שניות של עיכוב אם הרשת מכווץ מדי-MI בממוצע על ידי שימושים מרובים, לעומת זאת, בהשוואה ל-MRCVS-F-F-F-i-Fi-Fi-F-upit-uptexit-up-up-Fi-upit-upitectd (כלומר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 50%) ב-HD-HD-HDF-Fi-HD) ב-HD-Fi-HD-HD) ב-HDF-HDF-Fi-Fi-F-F-IF-ILTC-F-FLTC-F-uptiscoditectdowty-upitectdowdowdowdowditectdance, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הוא פחות

ירידות

ירידות בהקצאת משאבים הופכת חשובה כאשר משתמשים יש תנאי ערוץ מגוונים.SU-MIMO נוטה לתמוך משתמשים עם ערוצים טובים (למשל, אלה קרוב יותר לתחנת הבסיס עם SINR גבוה) כי הם יכולים לנצל יותר זרמים מרחביים.זה יכול להוביל לרעב של משתמשים מתקדמים. MU-MO, על ידי קיבוץ משתמשים עם תכונות ערוץ שונות, יכול לקטוע דרך יותר באופן אפילו, אם תחנת הבסיס לא יכול לסבול תזמון גבוה, כמו משתמשים מתקדמים, כמו ביצועים, או אלגוריתמים, כגון ביצועים, סבירים, כגון, או אלגוריתמים, או אלגוריתמים, כמו גם כן, כמו משתמשים מתקדמים, או אלגוריתמים, או אלגוריתמים, כמו משתמשים.

ניהול השוואתי

רשתות Dense סובלות מהתערבות משותפת של תאים שכנים או נקודות גישה.SU-MIMO מציעה מעט הפחתה חד-משמעית - משתמש המקבל נתונים משרת BS עשוי להיות מושפע קשות על ידי שידורים מהפרעה קרובה המפריע BS MU-MI עם תיאום מתאים (למשל, multipoint או CoMP) יכול להפחית באמצעות טכניקות כגון שיתוף פעולה, אבל זה דורש מידע בין תחנות שטח כדי להפחית מורכבות בתוך תאים בודדים.

אתגרים וסחר-offs

בעוד MU-MIMO מבטיח ביצועים מעולים ברשתות צפופות, הוא מביא אתגרים משמעותיים ליישום שיש לשקול נגד היתרונות.המסחר הזה משפיע על החלטות פריסה.

מידע על ערוצים

מערכות אימות CSIT חיוני עבור MU-MIMO precoding. inתדירות-division duplex (FDD) מערכות, משתמשים חייבים להעריך את הערוץ ולהזין בחזרה את המידע הזה לתחנת הבסיס.ה משוב גדל ליניארי עם מספר המשתמשים והאנטנות הקיימות.ברשת צפופה עם משתמשים פעילים רבים, משאבים uplink הנצרכים על ידי משוב CSI יכול להפוך לבק.

חומרה וכוח

תחנות בסיס Massive MIMO עם עשרות או מאות אנטנות דורשות שרשראות תדר רדיו מתוחכמות (RF), ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים מהירים (ADCs), ומעבדי בסיס חזקים.זה מגביר את עלויות החומרה, צריכת החשמל, דרישות ניהול תרמי.עבור התקנים קטנים תאים (למשל, פיקו או תאי העובר), העלות של התא עשויה להיות מונעת.

המונחים: Complexity

MU-MIMO מהווה בעיה תזמון מורכבת חישובית: תחנת הבסיס חייבת לבחור משתמשים, להקצות זרמים, עיצוב precoders, ולהתאים לשינוי תנאי ערוצים - כל הזמן האמיתי.בעיית האופטימיזציה (הקצבה שיעור הסכומים בכפוף להגינות ומגבלות כוח) הוא NP-Hard באלגוריתמים הייסטרקטיים (למשל, בחירת משתמשים חמדנים) משמשים, אך הם עשויים לא להשיג ביצועים אופטימליים בכל תרחישי התזמון, כלומר, כל זמן פשוט יותר פשוט יותר.

יישומים אמיתיים וסטנדרטים

הבחירה בין SU-MIMO לבין MU-MIMO אינה תמיד מוחלטת; המערכות המודרניות תומכות בשני המצבים והן יכולות לעבור דינמיות בהתבסס על תנאי תנועה וערוץ. גמישות זו בנויה לסטנדרטים אלחוטיים גדולים.

Wi-Fi (IEEE 802.11ac/ax)

Wi-Fi 5 (802.11ac Wave 2) הציג את הלינק MU-MIMO, המאפשר נקודת גישה עם 4 אנאנטות לשרת עד 4 משתמשים בו זמנית.בפרקטיקה, Wi-Fi MU-MIMO כבר מועיל ביותר בסביבות עם מכשירים רבים, כגון משרדים, חדרי ישיבות, ונקודות חמות ציבוריות (Wi-Fi 602.comx) מרחיבים את MU-MI כדי להגביר את הלינק וכן לתמוך בתדירות גבוהה של 8FEEFEEFEE (FEE) ל-FEED.

5G רדיו חדש ו-Masive MIMO

5G NR תוכנן בעיקר סביב MIMO מסיבי, שהוא צורה של MU-MIMO עם מערך אנטנה גדול מאוד בתחנת הבסיס. עם 64 או 128 אנטנה, GG GNB יכול לשרת בו זמנית 16 או יותר משתמשים בכל מרווח זמן.זה קריטי עבור עמידה בקיבולת אלחוטית גבוהה דרישות שקיפות נמוכה של פס רחב יותר (eMB) ו- אולטרה סגולה נמוכה (Freable) הוא רק יכולת הפעלה אחת (OC) היא מוגבלת).

Wi-Fi 7 ו- Beyond

ה-Wi-Fi המתקרב (802.11be) משפר את MU-MIMO על ידי תמיכה עד 16 זרמים מרחביים ומבצע רב-קישורי.הוא גם מציג מתואם בין נקודות גישה מרובות לניהול התערבות בין תאית בפריסה צפופה, ביעילות מרחיבה MU-MIMO על פני תאים.

כיוונים עתידיים

האבולוציה של MIMO ממשיכה עם מספר כיוונים מחקר מבטיחים אשר יעצבו את ההשוואה של הביצועים ברשתות צפופות בעתיד.

(FLT:0)AI-Enhanced MIMO: אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לייעל את בחירת המשתמשים, עיצוב קודר, וניהול באם בזמן אמת, פוטנציאל להפחית את המורכבות מעל פני MU-MI תוך שיפור ביצועים.

(FLT:0) מלא דופלקס MIMO:FLT:1 קרינת רדיו מלא-דופלקס מאפשר שידור וקבלה בו זמנית באותו תדירות. בשילוב עם MIMO, מלא-דופלקס יכול להכפיל יעילות ספקית ולהפחית את הכדאיות עוד.

(FLT:0) Reconfigurable Surfaces (RIS): איורים 1 RIS המורכבים מאלמנטים רפלקטיביים רבים יכולים לעצב את סביבת הרדיו כדי לשפר את תנאי ערוץ MIMO. ברשתות צפופות, RIS יכול לשפר את האורטוקיונאליות של משתמשים, מה שהופך את MU-MI יעיל יותר ולהפחית את הצורך במערך האנטנה מסיבי.

(FLT:0)Cell-Free Massive MIMO: ההרחבה 1 (Arcerph:1) אדריכלות שבה נקודות גישה מבוזרות רבות משתפות פעולה כדי לשרת את כל המשתמשים באופן קוהרנטי, ביעילות לחסל גבולות תאים. במערכות כאלה, MU-MIMO פועל על פני מספר רב של APs, המציעות הוגנות חסרת תקדים ויכולת בסביבות צפופות.

מסקנה

ברשתות צפופות, ההשוואה בין משתמש יחיד MIMO לבין רב-משתמש MIMO תומך באופן מכריע MU-MI עבור יכולת מצטברת, יעילות ספקטרלית, ו- latency.SU-MIMO נשאר בעל ערך עבור חיבורים מבוימים מבודדים, אבל כמו צפיפות המשתמש עולה, היכולת של MUGMI לשרת משתמשים מרובים במקביל מספקת יתרון בסיסי.

עבור אלה המבקשים לצלול עמוק יותר לפרטים הטכניים, מתייחס לספר הלימוד "MIMO-OFDM Wireless Communications" על ידי יונג סוו צ'ו אל, הדו"ח הטכני של 3GPP TR 38.901 לערוץ מודלים בסביבה עירונית צפופה, וסקרי IEEE לאחרונה על אתגרים מינו מסיבי יישום.