Многопользовательский MIMO

Многопользовательский MIMO использует несколько пользователей как пространственно распределённые ресурсы передачи, что требует более сложной обработки сигналов. Для сравнения, традиционный однопользовательский MIMO (SU-MIMO) использует исключительно многоантенные устройства на стороне одного пользователя. Алгоритмы MU-MIMO расширяют возможности MIMO-систем, когда количество пользователей превышает один. MU-MIMO подразделяется на две основные категории: MIMO-широковещательные каналы (MIMO BC) и MIMO-многоабонентские каналы (MIMO MAC), тем самым охватывая задачи нисходящей и восходящей связи соответственно. Для SU-MIMO характерна точка-точка (pairwise) архитектура.

Для исключения неоднозначности понятий «приёмник» и «передатчик» часто используются термины «точка доступа» (AP, англ. access point) или «базовая станция», а также «пользователь». Для нисходящих соединений AP/базовая станция — это передатчик, пользователь — приёмник; в случае восходящих соединений — наоборот. В однородных сетях это различие нивелируется из-за их би-ди⁠рекциональности.

MIMO BC — это случай нисходящей передачи, когда один передатчик охватывает несколько получателей в беспроводной сети. Продвинутые методы обработки сигнала на стороне передатчика, применимые к MIMO BC, включают интерференционно-устойчивое предкодирование и расписание пользователей на основе SDMA. Для подобных методов требуется знание состояния канала на передатчике (CSIT, англ. channel state information at the transmitter). Наличие CSIT позволяет увеличить пропускную способность, и поэтому методы получения CSIT играют ключевую роль. MIMO BC-системы обладают существенными преимуществами по сравнению с SU-MIMO, особенно если число антенн на передатчике (AP) больше, чем число антенн на каждом пользовательском устройстве. Способы предкодирования для MIMO BC подразделяются, во-первых, на основанные на «грязном листе» (англ. dirty paper coding, DPC) и линейные методы^[7], во-вторых — гибридные (аналоговые и цифровые) подходы^[8]. В качестве ещё одного метода предкодирования может использоваться так называемая управляющая (steering) матрица^[9], применимая в различных конфигурациях.

В противоположность вышесказанному, MIMO MAC (MIMO Multiple-Access Channel) описывает случай восходящей передачи, когда несколько передатчиков/пользователей взаимодействуют с одним приёмником (AP или базовой станцией). К примеру, к передовым методам обработки сигнала на приёмнике для MAC относятся совместная отмена помех и планирование пользователей на восходящей линии передачи с применением SDMA. Для этих методов приёмнику требуется знание состояния канала на приёмнике (CSIR, англ. channel state information at the receiver). Получение CSIR обычно проще, чем CSIT, однако для этого требуется много ресурсов восходящего канала на передачу пилот-сигналов от каждого пользователя к AP. MIMO MAC-системы показывают преимущества над point-to-point MIMO, особенно если число приёмных антенн на AP больше числа передающих антенн на каждом пользователе.

Межуровневое MIMO (англ. cross-layer MIMO) улучшает производительность MIMO-связей за счёт интегрированного решения проблем, возникающих при внедрении MIMO на различных уровнях стека протоколов. Эти техники могут применяться и к SISO-соединениям. Примеры межуровневых решений включают совместное кодирование источника и канала, адаптивную модуляцию и кодирование (AMC, также «адаптация канала»), гибридные ARQ (HARQ), а также планирование пользователей.

Высокая степень связанности в ad hoc беспроводных сетях увеличивает гибкость организации сетей за счёт роста межпользовательских помех. Для повышения устойчивости к интерференции протоколы PHY/MAC-уровней эволюционировали от конкурентных к кооперативным режимам передачи и приёма. Кооперативная беспроводная связь позволяет использовать помехи, включая самопомехи и помехи от других пользователей, в качестве ресурса: каждый узел может декодировать и устранять достаточно мощные помехи до обработки собственного сигнала. Борьба с низкими отношениями полезного сигнала к помехе (CoI) может осуществляться на всех уровнях сетевой модели.

• Кооперативные технологии с множеством антенн — применение многоантенных решений, когда антенны распределены между соседними беспроводными терминалами.
  • Кооперативное разнообразие (англ. Cooperative diversity) — достижение выигрыша по разнообразию за счёт кооперации между распределёнными антеннами разных независимых узлов.
  • Кооперативный MIMO — использование преимуществ распределённого множества антенн для получения выигрыша, в том числе по пространственному мультиплексированию, посредством передачи или приёма с кооперацией между узлами сети.
• Кооперативное ретрансляция — применение кооперативных концепций к ретрансляторам: здесь цель — оптимизация соотношения между задержкой и производительностью, тогда как в классических подходах основной фокус — на качестве канала при минимальной кооперационной потере.
• Ретрансляционные техники, используемые в кооперации:
  • store-and-forward (S&F), amplify-and-forward (A&F), decode-and-forward (D&F), кодированная кооперация, пространственная кодовая кооперация, compress-and-forward (C&F), неортогональные методы.

Кооперативный MIMO (CO-MIMO), также известный как сетевой MIMO (net-MIMO) или ad hoc MIMO, использует распределённые между разными пользователями антенны, в то время как классический однопользовательский MIMO — только собственные антенны терминала. CO-MIMO повышает производительность беспроводной сети за счёт выигрышей по разнообразию (diversity), мультиплексированию и направленной передаче (beamforming). Если основной интерес связан с увеличением выигрыша по разнообразию, говорят о кооперативном разнообразии. Это разновидность макроразнообразия (macro-diversity), применяемая, например, при мягкой передаче (soft handover). Кооперативный MIMO реализует идею передаточного макроразнообразия (transmitter macro-diversity) или симулькастинга (simulcasting). Простейшая реализация, не требующая сложной обработки сигналов, — одноблочные сети (англ. single frequency networks, SFN), часто используемые в беспроводном вещании. Их сочетание с адаптивным по каналу или трафику расписанием образует динамические одноблочные сети (DSFN, англ. dynamic single frequency networks).

CO-MIMO представляет интерес для будущих сотовых сетей, опирающихся на беспроводные mesh-сети или ad hoc-сети. В ад hoc-сетях несколько узлов-передатчиков взаимодействуют с несколькими узлами-приёмниками. Для оптимизации пропускной способности ад hoc-каналов MIMO-методы применяются к множественным ссылкам между кластерами передающих и принимающих узлов. В отличие от классического однопользовательского многоантенного трансивера, в сетевом MIMO антенны разных узлов распределены по пространству. Достижение высокой ёмкости требует эффективного управления распределёнными радиоресурсами. Для этого применяются такие подходы, как автономное восприятие (cognition) помех, кооперация между узлами и сетевая кодировка с использованием методов грязного листа.