MIMO

Принципы MIMO восходят к работам 1970-х годов, посвящённым многоканальным системам передачи данных и купированию взаимных помех (перекрёстных наводок) между проводными парами: A. Kaye и D. George (1970)^[2], L. Brandenburg и A. Wyner (1974)^[3], а также W. van Etten (1975, 1976)^[4]. Хотя эти работы не использовали многолучевые эффекты для передачи нескольких информационных потоков по эфиру, некоторые методы математической обработки помех оказались полезными для развития технологий MIMO.

В середине 1980-х годов Д. Зальц (Jack Salz) из Bell Labs шагнул дальше, исследуя многоабонентские системы, функционирующие по «взаимно связным линейным каналам с аддитивными шумами» (например, при временном разделении каналов и в радиосистемах с двойной поляризацией)^[5].

В начале 1990-х разрабатывались методы повышения эффективности и частотной ёмкости сотовых сетей на основе пространственно-частотного разделения с помощью умных антенн (SDMA). Первую такую схему (SDMA) предложили Ричард Рой и Бьёрн Оттерстен из компании ArrayComm в 1991 году (патент США № 5515378, выдан в 1996 году^[6]).

В декабре 1991 года, работая в Стэнфордском университете над проектом DARPA, Аругясвами Полрадж (Arogyaswami Paulraj) обнаружил, что сигналы от двух телефонов, находящихся в одной руке, можно разделить с помощью трёхэлементной приёмной антенны в условиях выраженного многолучевого распространения. Это открытие привело к ключевому патенту на технологию MIMO, поданному в феврале 1992 года с соавтором Томасом Кайлатом. В патенте был предложен способ повышения скоростей передачи пропорционально числу антенн.

Изначально Полрадж рассматривал приложения для телевидения, но вскоре признал перспективы MIMO для мобильной связи. Полрадж вошёл в штат Стэнфордского университета в 1993 году и создал там исследовательскую группу по MIMO, а позднее основал две компании (Iospan Wireless и Beceem Communications) для коммерциализации MIMO в мобильных сетях.

Вклад Полраджа отмечен рядом наград, включая медаль принца Филипа Королевской инженерной академии, медаль Фарадея Института инженеров и технологий, медаль Александра Белла и премию Маркони.

В 1995 году Дж. Фосклини и М. Ганс из Bell Labs опубликовали важные работы по теории ёмкости каналов MIMO и предложили схему BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) для послойной передачи данных с максимизацией ёмкости^[7]. Фосклини за этот вклад был удостоен медали Александра Белла^[8].

Значительный вклад внесли также работы по пространственно-временному кодированию (Г. Рейли, В. Джонс^[9], Е. Телетар^[10]), схеме передачи с пространственным разнообразием (S. Аламоути^[11]). Значительный теоретический вклад также внесён в область многоабонентских MIMO-систем и ограниченной обратной связи^[12].

К 2024 году число научных публикаций по тематике MIMO превышает 450 тысяч, а число патентов — 570 тысяч.

В 1998 году компания Iospan Wireless разрабатывала систему мобильной связи на базе физического уровня MIMO-OFDM (продукт Airburst), включавшую базовые станции, клиентские терминалы и ядро сети. После технологических испытаний системы в 2000–2002 годах и испытания в Дубае компания была приобретена Intel в 2003 году^[13]. Разработки были интегрированы в стандарт WiMAX IEEE 802.16e.

В начале 2000-х на рынок WiMAX-семикондукторов вышли компании Sequans, Samsung, Intel, Alvarion, Beceem Communications. Последняя получила 65 % мирового рынка и была приобретена Broadcom^[14].

3GPP принял MIMO в стандартах HSPA+ (Release 7), а позже в 4G LTE (Release 8), где MIMO-OFDM стала основой мобильной связи, включая сети 5G NR.

В начале 2000-х Atheros, Cisco, Broadcom, Intel, Airgo Networks занялись разработкой чипсетов для MIMO-OFDM Wi-Fi. После длительных согласований стандарт IEEE 802.11n был утверждён только в 2009 году^[15]. Компания Airgo Networks была куплена Qualcomm в декабре 2006 года^[16], Atheros — в мае 2011 года^[17]. Sequans провела IPO в 2011 году, Alvarion обанкротилась в 2013 году.

В настоящее время на долю 4G/5G и Wi-Fi-сетей с MIMO приходится порядка 70 % всех интернет-сервисов и около 10 % мирового ВВП^[18].^[19]

Технология MIMO обычно подразделяется на три основных направления: прекодирование (англ. precoding), пространственное мультиплексирование (spatial multiplexing), и кодирование на разнообразие (diversity coding).

Прекодирование — это многоструйный баимформинг. В широком смысле под прекодированием понимают всю пространственную обработку на передающей стороне. В простейшем случае (один поток) идентичный сигнал с разными фазами и амплитудами подаётся на все передающие антенны, что позволяет максимизировать мощность сигнала на входе приёмника и снизить эффекты многолучевого замирания. В условиях прямой видимости баимформинг формирует чёткий направленный луч, но в условиях клеточных сетей (преимущественно многолучевых) амплитуда сигнала на всех приёмных антеннах не может быть одновременно максимальной, и выгоднее использовать прекодирование множества потоков. Для прекодирования требуется знание состояния канала (CSI) на передатчике и приёмнике.

Пространственное мультиплексирование возможно только при многоканальной конфигурации антенн. Высокоскоростной поток делится на несколько, которые передаются с разных антенн в одном канале. Если на входе приёмных антенн сигналы имеют достаточно разные пространственные сигнатуры и приёмник знает состояние канала, он может разделить эти потоки на (почти) независимые каналы. Это мощный способ увеличения каналной ёмкости при высоких отношениях сигнал/шум.

Кодирование на разнообразие используется при отсутствии информации о канале на передающей стороне. Передаётся один поток, закодированный специальными пространственно-временными кодами (space-time coding), с полным или почти ортогональным кодированием для каждой антенны. Это повышает устойчивость к замиранию.

MIMO с несколькими антеннами (single-user MIMO) реализовано в стандартах типа 802.11n. Варианты:

• SISO, SIMO, MISO — частные случаи MIMO.
  • MISO — у приёмника одна антенна^[20].
  • SIMO — у передатчика одна антенна^[20].
  • SISO — традиционная радиосистема без множества антенн^[21].
• Основные одноабонентские реализации:
  • BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time), Дж. Фосклини (1996)
  • PARC (Per Antenna Rate Control), Варанаси, Гесс (1998), Чанг, Хуанг, Лозано (2001)
  • SPARC (Selective Per Antenna Rate Control), Ericsson (2004)

Ограничением является необходимость большого расстояния между антеннами на базовой станции, тогда как в мобильных устройствах расстояние ограничено габаритами.

• Multi-user MIMO (MU-MIMO) — поддержка для нескольких абонентов одновременно. Более эффективен при небольшом числе приёмных антенн у пользователя.
• Совместный многоячейковый MIMO (Cooperative MIMO, CO-MIMO): базы обмениваются информацией и совместно передают/принимают данные.
• Макроразнообразие (Macrodiversity): используется множество разнесённых базовых станций для одновременной передачи/приёма одному или нескольким пользователям, что обеспечивает устойчивость к затуханию/шуму^[22].
• Маршрутизация MIMO — специфический тип передачи данных узловыми кластерами^[23].
• Массовый MIMO (massive MIMO): число антенн на базовой станции гораздо превышает число абонентов^[24].
• Голографический MIMO: новая концепция для достижения высочайшей спектральной эффективности с помощью поверхностей из подволновых рассеивателей^[25].

MIMO стал фундаментом для современных мобильных и беспроводных стандартов: 3G UMTS/CDMA, 4G LTE, 5G NR, а также Wi-Fi (IEEE 802.11n и далее), где используют алгоритмы пространственного мультиплексирования, пространственно-временного кодирования, баимформинга^[26].

Для повышения устойчивости часто комбинируется с OFDM или OFDMA. Есть реализации для домашних сетей по электросети (ITU-T G.9963), где MIMO позволяет передавать несколько сигналов по различным проводникам (фаза, ноль, земля)^[27].

MIMO-архитектуры и методы обработки сигналов нашли применение в радиолокации (MIMO-радар).

В системе MIMO передатчик отправляет несколько потоков одновременно с помощью нескольких антенн. Передаваемые потоки проходят по каналу, который можно представить в виде матрицы всех путей между передающими и приёмными антеннами. Приёмник с помощью массива приёмных антенн регистрирует сигнал, который затем декодируется в исходную информацию. Для узкополосной системы с плоским затуханием модель описывается выражением:

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} }$

где ${\displaystyle \mathbf {y} }$ и ${\displaystyle \mathbf {x} }$ — вектор принятых и переданных сигналов, ${\displaystyle \mathbf {H} }$ — матрица канала, ${\displaystyle \mathbf {n} }$ — вектор шума.

Ёмкость MIMO-канала зависит от количества антенн и состояния канала. Эргодическая (усреднённая) ёмкость при полном знании канала описывается выражениями:

${\displaystyle C_{\mathrm {perfect-CSI} }=E\left[\max _{\mathbf {Q} ;\,{\mbox{tr}}(\mathbf {Q} )\leq 1}\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]}$

При отсутствии знаний о канале на передатчике ёмкость уменьшается из-за неспособности оптимально распределять мощность между антеннами.

Оценка переданных символов по принятым сигналам и известной матрице канала (${\displaystyle \mathbf {H} }$) — задача MIMO-детектирования. Используются методы нулевого принуждения (Zero-Forcing), подавления помех (V-BLAST), максимального правдоподобия, методы на основе нейросетей^[28].

Проверка оборудования с поддержкой MIMO включает анализ усиления сигнала и искажения (особенно в условиях высокой пиковой мощности сигналов OFDM), моделирование каналов радиоэмуляторами и измерение параметров каналов (“channel sounding”, оценка характеристик канала для правильно настроенного баимформинга)^[29].

Классическими для области считаются работы Дж. Фосклини и М. Ганса^[30], Дж. Фосклини^[31], и Э. Телетара^[32]. Они показали, что ёмкость канала MIMO линейно растёт с минимальным числом антенн на одной из сторон.

Введение в теорию MIMO приведено в монографии: А. Полрадж, Р. Набар, Д. Гор: Introduction to Space-time Communications (Cambridge University Press, 2003).

Существует фундаментальный компромисс между выигрышем от пространственного разнообразия и мультиплексирования (Zheng & Tse, 2003)^[33].

MIMO находит применение не только в радиоканалах, но и в проводных (например, гигабитный DSL с многожильным MIMO-каналом).

Актуальной задачей является восстановление исходных сигналов по многоканальным выходам у приёмника (Shang, Sun, Zhou, 2007)^[34].