רשתות אלחוטיות מרובות של Input (MIMO) שינו את התקשורת המודרנית על ידי הגדלת נתונים באופן דרמטי באמצעות ידע ואמינות רשת.מרכז לקידום זה הוא מגוון מרחבי - טכניקה המעסיקה אנטנה מרובים הן משדר והן מקלט כדי להילחם אותות קידוד והתערבות. בעידן שבו הביקוש לקישוריות חלקה ממשיך לזייף, להבין את יעילות המגוון המרחבי במערכות MIMO הוא חיוני למהנדסים, מעצבים, וחובבי טכנולוגיות דומות, כמו גם ליישומים עתידיים, ולאתגרים של טכנולוגיות, כמו גם בתחום הגמישות, מציאות, ויישומים עתידיים, ויישומים עתידיים, וטכנולוגיות, כמו גם בתחום זה, כמו גם בתחום המשתנים, כמו גם בתחום זה.

הבנה של מגוון ספארי

(הגיוון החסינות את העובדה כי אותות נסיעה ממגרש למקלט יכולים לקחת מספר מסלולים בשל השתקפות, דיפרציה, ופיזור בסביבה. במערכת חד-נטנה אחת, דעיכה עמוקה על נתיב אחד יכול לגרום לאובדן מוחלט של האות (באנטנות מרובות), ההסתברות שכל הנתיבים העמוקים מתפוגגות בו-זמנית יכול להיות מוקטן באופן דרסטי בשלושה אורגניזמים עיקריים:

(העיקרון המרכזי הוא לשלוח עותקים של אותו זרם נתונים על פני אנטנות נפרדות מרחבית.ב המקלט, עותקים אלה משולבים או נבחרים כדי לייצר פלט חזק, טכניקה זו יעילה במיוחד נגד FLT:0RayleighingFLT 1 ו-FLT: 2 מאפיל על אלגוריתמים מקוריים (FLT) 3, אשר נפוצים בסביבות עירוניות ובתוך, לדוגמה, ב-2 ×2, כך גם אם כן, 2 גלקסיות) ניתן לשלב את יחס של 2 אלגוריתמים המקורי (FLT5) ו- 4 אלגוריתמים (מפרק:2 אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים של 2 אלגוריתמים של אנטנותק 3.

גורם מפתח בגיוון מרחבי הוא הפרדה אנטנה: אנטנה חייבת להיות מנומנמת מספיק בנפרד (בדרך כלל לפחות חצי אור גל) כדי להבטיח כי תגובות הערוץ קשורות לתפאורה. בפועל, זה אומר כי עבור תדרים סביב 2.4 GHz, הפרדה של בערך 6 ס"מ הוא מספיק.ספא נכון מבטיח כי נתיבי קידוד עצמאי הם מובנות, למקסם את רווח המגוון.

היתרונות של מגוון ספאטי במערכות MIMO

היתרונות של מגוון מרחבי המשתרעים על פני ממדים מרובים של ביצועים אלחוטיים, בעוד במאמר המקורי יש ארבעה יתרונות מרכזיים, אנו לחקור כל אחד לעומק גדול יותר ולהוסיף ניואנסים נוספים.

יעילות מוגברת וצמצום יכולת הזינוק

היתרון המשמעותי ביותר של מגוון מרחבי הוא צמצום דרמטי בהסתברות מחוץ לבית - הסיכוי שהאות נופל מתחת לסף שניתן להעלות על הדעת.עם אנטנה בודדת, דוע עמוק יכול לגרום לאובדן מוחלט של קישוריות.על ידי שימוש ב-FLT:0NIRFLT:1 אנטנה עצמאית, ההסתברות שכל הנתיבים דוהמים בו זמנית מופחתת באופן אקספוננציאלי, המסדר (lope of the bit) עם מספר בלתי-קלנטימי, כמו אנטנות-אקציוניות, כמו כלי רכב אוטונומיים, כלומר, ירידה משמעותית.

שיעור נתונים גבוה ויעילות ספקטרלית

מגוון ספאטי תומך ישירות בשיעורי נתונים גבוהים יותר על ידי מתן מספר זרמי נתונים עצמאיים - טכניקה המכונה FLT:0 spatial multixingFLT:1 ; בעוד מגוון מרחבי טהור מתמקד שליחת עותקים מחוסנים, מערכות MIMO לעתים קרובות משלבות גם מגוון וגם מרובותxing. עם מספרxing מרחבי, כל אנטנה משדר זרם נתונים שונה, ואת המקלטים נפרדים אותם באמצעות עיבוד מתקדם של אותות.

שיפור איכות האות והתאמה

מספר אנטנות לקבל מאפשרות למקלט לשלב אותות באופן הממקסים את יחס האות-ל-אין (SNR) לטכניקות כמו MRC משקל את התרומות מכל אנטנה על ידי רווחי הערוץ שלהם, ביעילות ביטול רעש והתערבות.בנוסף, סיועי גיוון מרחביים בדיכוי על ידי כך שאפשר למקבל להבחין בין אותות והתערבות הרצויים מ משדרים אחרים.זה הוא בעל ערך במיוחד בסביבות עירוניות רבות עבור אותם מכשירים לספקטרום.

כיסוי מורחב ו- Cell Radius

על ידי שיפור תקציב הקישור (האפקט המשולב של העברת כוח, אנטנות רווחים ואובדן נתיב), מגוון מרחבי מאפשר אותות לנוע רחוק יותר תוך שמירה על איכות מקובלת. עבור תחנות בסיס סלולרי, זה אומר אזורי כיסוי תאים גדולים יותר עם פחות שיחות ירד.ברשתות Wi-Fi, זה מתורגם ביצועים טובים יותר בקצה טווח הגישה.

דרישות כוח Transmit

מכיוון שרווחי המגוון משפרים את ה-SNR האפקטיבי, המשדר יכול להשתמש בפחות כוח כדי להשיג את אותה שיעור שגיאות מעט.זה מועיל במיוחד למכשירים המופעלים על סוללות כמו טלפונים חכמים, חיישנים IoT, ורחפנים נמוכים יותר גם מפחיתים את ההתערבות לתאי השכנות, שיפור יכולת הרשת הכוללת - תופעה המכונה FLT:0network-wide Energyיעילות אנרגיה גבוהה F-1LT:1LT.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות הרבים שלה, מגוון מרחבי מציג כמה אתגרים מעשיים שיש לנהל בקפידה.

מורכבות מערכת מוגברת

אנטנות מרובות דורשות גלי רדיו מרובים (RF) שרשראות - כל אחד כולל מגבר, מערבלים, אנלוגיים-לספריים ממירים, ומסננים.זה מגביר את העלות החומרית, צריכת החשמל, ואת הגודל הפיזי של מכשירים. עבור לחיצות ניידות, מגבלות חלל מגבילות את מספר האנאנטות שניתן לשלב.מהנדסים חייבים לאזן מגוון נגד גורם צורה וחיי סוללה.

המונחים Overhead

כדי לממש את היתרונות של מגוון מרחבי, אלגוריתמים מתוחכמים נדרשים עבור הערכת ערוצים, סינכרוניזציה, וסימן שילוב. אלגוריתמים אלה דורשים משאבים חישוביים משמעותיים, במיוחד במערכות בזמן אמת.לדוגמה, זיהוי סבירות מקסימלי הופך לאיסור חישובי עבור מערך אנטנה גדול. כתוצאה מכך, מערכות מעשיות לעתים קרובות להשתמש בגישות תת-אופטימיות אך יעילות כמו לינאריזציה (לבטלה או MMSE).

מיקום ושחיתות

אם אנאנטנות ממוקמות קרוב מדי ביחד, תגובות הערוץ הופכות לתואמים, צמצום הרווח הגיוון האפקטיבי.במכשירים קטנים כמו שעונים חכמים או אוזניות אלחוטיות, השגת הפרדה אנטנה מספקת היא מכשול עיצוב גדול, בצד התחנה הבסיסית, יש לארגן אנטנה בזהירות כדי למזער הפיכה הדדית ועיוות.

דרישות מידע על מדינות ערוצים (CSI)

טכניקות רבות של מגוון דורשות ידע מדויק של הערוץ במדר או המקלט.עבור מגוון (למשל, קודים בלוק בזמן חלל), המקלט צריך CSI כדי לפענח את האות. עבור טכניקות סגורות כמו beamforming, המשדר צריך CSI כדי לנווט את הכיוון האות. Obtaining CSI מוסיף מעל פני במונחים של סמלים טייסים משוב, צמצום יעילות ספקטרום.

Inter-Cell Interference

בעוד מגוון מרחבי מקטין את ההתערבות בתא, זה יכול להחמיר התערבות בין תאי אם לא מנוהל כראוי.לדוגמה, ברשת סלולרית, תחנות בסיס מרובות עשויות להשתמש במגוון מרחבי, מה שגורם אותות להדליף לתוך תאים שכנים. טכניקות מתקדמות כמו FLT:0Coתואמים Multi-Point (CoMP)FLT:1 נדרשים כדי להקטין את המורכבות של הרשת.

טכניקות רבותי

טכניקות ספציפיות משמשות ליישום מגוון מרחבי במערכות MIMO.הבנתן מסייעות להבהיר כיצד היתרונות מממשים בפועל.

קודים חסימת חלל (STBC)

STBC המפורסם ביותר הוא האלגוריתם של FLT:0 [Alamouti PlanFLT] 1, המספק מגוון שידור מלא עם שתי אנטנה ואלגוריתם פשוט של קידוד ליניארי.זה היה פריצת דרך כי הוא השיג את אותו סדר גיוון כמו MRC ב המקלט, אבל ללא צורך CSI במדור.

שילוב מקסימאלי (MRC)

ב המקלט, MRC הוא טכניקה אופטימלית המשלבת עבור מגוון כאשר הרעש הוא לבן. זה משקל כל אחד מקבל אות על ידי סגדו המורכב של רווח הערוץ שלה, ואז מסכם אותם.ה-SNR וכתוצאה מכך הוא הסכום של SNRs מכל ענף. MRC הוא פשוט ליישם ומספק את הרווח המגוון המקסימלי האפשרי עבור מספר מסוים של אנטנה.

בחירת שילוב ו-Switch Diversity

בבחירת שילוב, המקלט לפקח על SNR או אות כוח על כל אנטנה ובוחר את הטוב ביותר עבור הדגמה.זה פחות אינטנסיבי חישובי מאשר MRC אבל מניב ביצועים נמוכים במקצת.מגוון Switch הוא גרסה שבה מתגי המקלט לאנטנה שונה רק כאשר האות הנוכחי טיפות מתחת לסף, צמצום הצורך במעקב מתמשך.

Cyclic Delay Diversity (CDD)

CDD הוא טכניקת מגוון שידור בשימוש ב-DM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) מערכות.זה מציג שינוי מחזורי בסימן הזמן-דומיין לפני שידור מכל אנטנה.זה מעלה באופן מלאכותי את הסלקטיביות של הערוץ, שיפור המגוון התדר והופכת את המערכת חזקה יותר לקידוד אדפטטיבי בתדרים.D משמש LTE ו-5GNR.

יישום אמיתי בעולם של מגוון ספארי

מגוון ספאטי אינו רק מושג תיאורטי; הוא מוטבע כמעט בכל הסטנדרטים האלחוטיים המודרניים.

4G LTE ו-5G רדיו חדש

(ה LTE ו-5G NR מסתמכים מאוד על MIMO עם מגוון מרחבי. LTE תומך עד 4×4 MIMO על הקישור, בעוד 5G NR מרחיבה את זה ל-MIMO מסיבי עם 64 או יותר אלמנטים אנטנה בתחנת הבסיס.ב-5G, מגוון מרחבי משולב עם beamforming כדי לספק את האמינות וגם גבוהה באמצעות חישוב.

Wi-Fi 6 ו-Wi-Fi 6E

תקן IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) מחייב תמיכה לפחות בשתי אנטנות בנקודת הגישה (AP) ולעיתים קרובות ארבע או יותר.מגוון ספאטי משמש לשיפור הביצועים בסביבות צפופות כמו איצטדיוןים ומשרדים.עם חלוקת תדר אורטוקונים גישה מרובות (OFDMA) ו MU-MO, Wi-Fi 6s יכול לשרת עשרות מכשירים במקביל, תוך שמירה על חיבורים אמינים אפילו על סיקור קצה.

אינטרנט ו-LoRaWAN

רשתות רחבות עוצמה נמוכה (LPWAN) כמו LoRaWAN משלבות יותר ויותר לקבל מגוון בשער.על ידי שימוש בשתי אנטנות או יותר, שערים יכולים לפענח אותות חלשים מחיישנים IoT מרוחקים, להרחיב טווח ולשפר את האמינות uplink. כמה שערים מתקדמים משתמשים במערךים בשלבים כדי לנווט דפוסים.

תקשורת לווין

מערכות לוויין, במיוחד מסלול נמוך-earth (LEO) קבוצות כוכבים, משתמשים בגיוון מרחבי כדי להילחם בגשם דועך ופגיעה אטמוספרית אחרת.מספר מסופי הקרקע יכולים לקבל את אותו אות מלוויינים שונים, המשלב אותם כדי לשמור על קשר חזק.זה קריטי עבור שירותי אינטרנט רחב לווייני.

כיוונים עתידיים

האבולוציה של מגוון מרחבי ממשיכה כאשר חוקרים דוחפים לעבר התקשורת טרהארצץ (THz), משטחים חכמים המשקפים (IRS), ומשטחים אינטליגנטיים מחדש של תצורת תצורה (RIS) במערכות THz, אורכי גל קצרים מאוד מאפשרים אנטנות רבות להיות ארוז לתוך שטח קטן, המאפשרת מסיבי MIMO וגיוון מרחבי מקבל מעבר לכל דבר מעשי כיום.

כיוון מבטיח נוסף הוא (FLT:0) מערכות אנטנה (FASIRFLT) 1:1, שבו אנטנה אחת יכולה להיות נענית מבחינה מכנית או אלקטרונית לעמדות מרובות באזור קטן.זה למעשה יוצר סדר מגוון גדול ללא צורך בשרשראות RF מרובות, פוטנציאל להפחית את העלות והצריכה של כוח.

למידת מכונה גם מוחלת על אופטימיזציה של מגוון מרחבי - לדוגמה, באמצעות רשתות עצביות כדי ללמוד אופטימלית שילוב משקולות בזמן אמת, להסתגל לשינוי תנאי ערוץ ללא CSI מפורש.זה יכול לפשט את המקלט ולשפר את הביצועים בסביבות מורכבות.

מסקנה

מגוון ספארי נשאר אבן הפינה של רשתות אלחוטיות MIMO, המספקים רווחים מוכחים באמינות, שיעור נתונים, כיסוי ויעילות אנרגיה. בעוד אתגרים כגון מורכבות חומרה ו- CSI overhead נמשכים, חידושים מתמשכים - מ-MIMO מסיבי ב 5G ועד טכנולוגיות מתפתחות כמו אנאנטנות נוזלים - על מנת לדחוף את הגבולות של מה אפשרי.

לקריאה נוספת, להתייעץ עם המשאבים הבאים:

  • (ב) ,0) ,IEEE: סקר ב-MIMO Spatial diversity Techniques (2022)
  • (ב) כרך ראשון (בתרגום חופשי:0)3GPP (בתרגום חופשי: ⁇ )
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇