Tek kullanıcı ve Çok Kullanıcı Mimo'nun Dense Networks'teki Performans Karşılaştırması

Kablosuz iletişim ağları son iki yılda dönüşüme maruz kaldı, ağ altyapısına uygun bir şekilde baskı yaptı.Bu bağlamda, çoklu-Input Multi-Output (MIMO) teknolojisi, modern kablosuz sistemlerdeki en etkili yeniliklerin çoğalması ve gerçek zamanlı uygulamaları anlaması, MIMO'nun her ikisinde de güvenilir bir şekilde optimize edilmesi, MIMO'nun dinamikleri ve ağ bağlantıdaki birçok teleskoplu yaklaşımları artırmak için çok sayıda anteni kullanmaktadır.

MIMO Teknolojisinin Temelleri

MIMO teknolojisi, iletişim performansını geliştirmek için kablosuz yayılımın mekansal boyutunu kullanır. MIMO, uzaysal akışlar olarak bilinen bağımsız iletişim yolları oluşturmak için birden fazla antene dayanır. Bu akışlar üç birincil şekilde kullanılabilir: uzaysal çeşitlilik, uzaysal çokluxing ve kiriş.

[[Dönetici çeşitliliği[[Dönetici:0) Farklı antenlerden gelen sinyalleri farklı fading desenleri ileterek, aynı verileri birden fazla anten üzerinden iletiler iletir, alıcı sinyalleri derin bir şekilde aşarak birleştirir (daha zengin bir şekilde yayılan)

MIMO kablosuz standartlarda çeşitli şekillerde uygulanmaktadır. 4G LTE'de MIMO, her iki kullanıcı ve çoklu kullanıcı modlarına eleştirel olarak giriş yaptı. 5G NR (Yeni Radyo), büyük MIMO bunu onlarca veya yüzlerce antene genişletiyor, her MIMO programının performansı, verici durumdaki kanal durumu bilgilerine (CSI) eleştirel olarak bağlıdır.

Single-User MIMO (SU-MIMO) in Information

Tek kullanıcı MIMO (SU-MIMO), onlara verilen bir zaman-freze kaynağında tek bir kullanıcı cihazına tüm uzaysal akışları ayırmaktadır. Örneğin, 8×8-MIMO sistemi, zengin bir multipati ortamındaki tek bir sisteme kadar iletebilir.

SU-MIMO özellikle kullanıcı yoğunluğu düşük veya bireysel kullanıcılar çok yüksek bant genişliği gerektirdiğinde, büyük dosyaları indirme veya yüksek çözünürlüklü video yayınlama gibi senaryolarda etkilidir. Ancak, yoğun ağlarda verimliliğin azalması birkaç neden vardır:

Bu dezavantajlara rağmen, SU-MIMO, tek bir abone cihazının birden fazla antenle donatılmış senaryolar için ilgili olarak kalır.

Multi-User MIMO (MU-MIMO) in Information

Multi-User MIMO (MU-MIMO), birden fazla kullanıcı ile aynı zaman frekans kaynaklarını kullanarak iletişim kurmanın bir temel istasyonu veya erişim noktası sağlar. Tüm uzaysal akışları bir kullanıcıya tahsis etmek yerine MU-MIMO, farklı akışlara hizmet etmek için uzaysal çokluxing kullanır.Bu, her kullanıcının diğer kullanıcıların akışlarından en az müdahale ile amaçlanan sinyalleri kullanarak ileri gelen sinyallerin elde edilmesiyle elde edilir.

MU-MIMO'nun temel imkanları şöyledir: 0.Komşturma[Dönlendirmeler) Kullanıcılar arasında etkili bir şekilde müdahale gerektiren, MU-MIMO aynı kaynak bloğunda birden çok kullanıcıya hizmet edebilir, ağın agresyonu ve verimliliği dramatik bir şekilde artırabilir.

MU-MIMO birkaç ticari standartlarda görünüyor. Wi-Fi'de, 802.11ac (Wave 2), MU-MIMO'yu alt bağlantı için tanıttı ve 802.11ax (Wi-Fi 6) her iki bağlantıya ve daha iyi bir zamanlama ile genişletilebilir.In hücresel, MU-MIMO, 10'dan beri LTE'nin bir parçası olmuştur ve düzinelerce kullanıcının aynı anda hizmet edebileceği bir taştır.

MU-MIMO'nun avantajları yoğun senaryolarda en belirgindir. Birden fazla kullanıcı bir kez daha queuing gecikmelerini azaltır ve adilliği geliştirir. Ancak bu kazanımlara ulaşmak birkaç faktöre dikkat etmek gerekir:

Dense Network Scenarios'larda Performans Karşılaştırması

SU-MIMO ve MU-MIMO'yu yoğun ağlarda karşılaştırmak için, birkaç anahtar performans ölçümlerini incelemeliyiz: bu koşullar altında, iki MIMO modları arasındaki farklar yüksek kullanıcı yoğunluğu (bana ayak uydurulur) ile karakterize edilir.

Forput and Spectral Verimliliği

Ağ kapasitesinin en doğrudan ölçüsü, sabit bir şekilde kullanıcılar tarafından yapılır - her biri zaman birim başına teslim edilir. Düşük seviyeli senaryolarda, SU-MIMO, bireysel kullanıcılar için yüksek zirve oranları elde edebilir, ancak en az sayıda kullanıcı ile sabit olarak, her biri zaman tahmin edilen bir şekilde hizmet ediyorsa, MU-MIMO'nun arsa akışları ile aynı anda kullanılabilir, bu da zengin bir kanalda taban istasyonu anten sayısına göre orantılıdır.

Ancak, hücre başına 20 kullanıcı ile tipik bir yoğun ağda ve bir taban istasyonu, 8 anten ile donatılmış bir temel istasyonda 20 zaman dilimin tüm kullanıcılara hizmet etmesi, tüm 20 kullanıcı için en fazla 8 akıştan bir kullanıcıya teslim edilmesi (bu kullanıcının 8 antene sahip olduğu varsayılır). MU-MIMO, tek bir slotta 8 kullanıcıya hizmet edebilir (her biri veya iki akışta) Tüm 20 saat boyunca toplam zamanlama süresini 3'e kadar uzatabilir.

MU-MIMO'nun 2-4 kat daha yüksek ⁇ verimliliğinin, örneğin, 5G'de bir 2018 IEEE kağıtı MU-MIMO'nun yüksek yük altında 3,4 kat daha yüksek ⁇ verimliliğini sağladığını gösteriyor. (Bak:0) Dense Urban Environment)

Latency

Latency, ses, oyun ve endüstriyel kontrol gibi gerçek zamanlı uygulamalar için kritik bir ölçümdür, çünkü kullanıcılar zaman zaman zaman çizelgesinde dönüşlerini beklemeli, sıra dışı kullanıcılarla büyümektedir.In yoğun Wi-Fi ağları, MU-MIMO aynı zamanda% 50 oranında gecikmeyi yaşayabilir.

Fairness

Kaynak tahsisinde Fairness, kullanıcıların farklı kanal koşullarına sahip olmaları açısından önemlidir. SU-MIMO, kullanıcıların iyi kanallarla (örneğin, yüksek SINR ile daha yakın olan temel istasyona) kıyasla daha fazla uzaysal akışlar elde edebilir. Bu, daha uygun fiyatlı kullanıcılar için açlık çekebilir.

Interference Management

Dense ağları komşu hücrelerden veya erişim puanlarından gelen co-channel müdahaleden muzdariptir. SU-MIMO, kooperatifsel kirişler gibi tekniklerle müdahale edebilir, ancak bu, temel istasyonlardan gelen ve karmaşıklıklardan gelen bir kullanıcı ile iletişim kurma yeteneğinden ciddi şekilde etkilenebilir. MU-MIMO'nun tek bir hücredeki farklı müdahaleye sahip olması, ancak inter-cella müdahalesini azaltılabilir.

Uygulama Challenges and Trade-offs

MU-MIMO yoğun ağlarda üstün performans vaat ederken, yararlarına karşı tartılması gereken önemli uygulama zorlukları getiriyor. Bu ticaret-offs etki dağıtım kararları.

Kanal Devleti Bilgileri Geri Bildirim

Doğru CSIT, MU-MIMO precoding için gereklidir. Sık sık sık kullanılan CSID (FD) sistemlerde kullanıcılar kanalı tahmin etmeli ve bu bilgiyi temel istasyona geri beslemelidir. geri bildirim yükü, sabit bir şekilde birçok aktif kullanıcı ile büyür, ancak TDD, yasal kısıtlamalar veya mevcut dağıtımlar nedeniyle her zaman mümkün değildir.

Donanım ve Güç Tüketimi

Massive MIMO baz istasyonları düzinelerce veya yüzlerce antenler sofistike radyo frekansı (RF) zincirleri, hızlı analog- sayısal dönüştürücüler (ADC), ve güçlü bazband işlemcileri ile, bu, donanım maliyeti, güç tüketimi ve ısı yönetimi gereksinimlerine sahiptir. küçük antenler için (örneğin, resim veya femto hücreler), hücre başına maliyet yasaklanabilir. SU-MIMO, temel istasyonda ihtiyaç duyulan daha az antenler ile, özellikle de küçük antenler ile sınırlı olduğunda.

Karmaşıklık

MU-MIMO, hesaplamalı karmaşık bir zamanlama problemini ortaya koyar: temel istasyon kullanıcıları, tümocate akışları, tasarım önkodları seçmek ve kanal koşullarını değiştirmek için adapte olmak zorundadır - tüm gerçek zamanlı olarak. optimizasyon sorunu (maksim ve güç kısıtlamalarına konu olmak) genel olarak NP-hard'dır. Heuristic algoritmaları (e.g., açgözlü kullanıcı seçimi) kullanılır, ancak tüm senaryolarda en iyi performans elde edemezler.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Standartları

SU-MIMO ve MU-MIMO arasındaki seçim her zaman mutlak değildir; modern sistemler hem modları destekler ve trafik ve kanal koşullarına dinamik olarak geçebilir. Bu esneklik büyük kablosuz standartlarda inşa edilir.

Wi-Fi (IEEE 802.11ac/ax)

Wi-Fi 5 (802.11ac Wave 2), konferans odaları ve halk noktaları gibi birçok cihazda en faydalı olan 4 anten ile aynı anda hizmet etmek için erişim noktası izin veriyor.In practice, Wi-Fi MU-MIMO birçok cihazla en iyi şekilde olmuştur, çünkü ofisler, konferans odaları ve halk noktaları MU-MIMO ile birlikte 4 × 8 veya 8 veya sonlu frekans-düşüklü erişim için fazla erişim sağlar.

5G Yeni Radyo ve Kitlesel MIMO

5G NR temel olarak büyük MIMO etrafında tasarlanmıştır, bu, gelişmiş mobil geniş bant (örneğin, 64 veya 128 anten ile, 5G gNB her zaman aynı anda 16 veya daha fazla kullanıcı hizmet edebilir. Bu, ultra yüksek kapasiteli ve düşük gecikmeli bir kullanıcı tam uzaysal erişim süresine ihtiyaç duyduğunda kullanılır (LC).In 5G gNB, MU-MIMO is not optional - bu varsayılan işletim modudur.

Wi-Fi 7 ve Ötesinde

Önümüzdeki Wi-Fi 7 (802.11be) daha fazla MU-MIMO'yu 16 uzaysal akışlara ve çok bağlantıya destek vererek, yoğun dağıtımlarda hücre içi müdahaleyi yönetmek için birden fazla erişim noktası arasında koordineli bir şekilde genişletir.

Future Yol Tarifi

MIMO'nun evrimi, gelecekteki yoğun ağlardaki performans karşılaştırmasını şekillendirecek birkaç umut verici araştırma ile devam ediyor.

[FONT:0]AI-Enhanced MIMO: Makine öğrenme algoritmaları kullanıcı seçimi, precoder tasarımı ve gerçek zamanlı olarak, performans geliştirirken MU-MIMO'nun karmaşıklığını azaltabilir. Deep Support learning can a adaptif geçişini trafik modellerine dayanarak sağlayabilir.

[FONT:0) Tam-Duplex MIMO: [Dönetici: [Dönetici: 1) Tam-duks radyolar aynı frekansta eşzamanlı iletim ve resepsiyona izin verir. MIMO ile birlikte, tam-duplex iki katına çıkar ve gecikmeyi daha da azaltabilir.

[FONT:0)Reformurable Akıllı Yüzeyler (RIS): ), birçok pasif yansıtma elementinden oluşan paneller, MIMO kanal koşullarını geliştirmek için radyo ortamını şekillendirebilir. Yoğun ağlarda, RIS, kullanıcıların ortogonalliğini artırabilir ve büyük anten dizilerine olan ihtiyacı azaltır.

[FONT:0)Cell-Free Massive MIMO: Birçok kullanıcının cep sınırlarını etkin bir şekilde ortadan kaldırmak için işbirliği yaptığı bir mimari.Böyle sistemlerde MU-MIMO, çok sayıda AP'de faaliyet göstermektedir, bu tür sistemlerde eşi benzeri olmayan bir adillik ve kapasite sunuyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yoğun ağlarda, tek kullanıcı yoğunluğu arasındaki performans karşılaştırması ve çok kullanıcı MIMO'nun kararlı bir şekilde destekleyici olarak destekleyici bir şekilde faydalanması, bu avantajın donanım, verimli sinyal işleme ve etkili geri bildirim mekanizmalarına yönelik önemli bir yatırım gerektirdiğini fark eder. Network planlayıcıları, ticaret hacminin düşük maliyetli, karmaşık ve dağıtım senaryolarında ilerlemelere ve gelecekteki ilerlemelere karşı daha fazla yatırım yapma yeteneği olarak kabul eder.

Teknik ayrıntılara daha derin atmayı isteyenler için, Yong Soo Cho et al tarafından "MIMO-OFDM Kablosuz İletişim" seminal ders kitabına atıfta bulun., 3GPP teknik raporu TR 38.901 kanal modellemesi için yoğun kentsel ortamlarda ve son IEEE anketleri için büyük MIMO uygulamaları.