АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

MIMO

Экспертиза РАН

Logo-ran.pngLogo-ran-black.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Times2.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

MIMO (англ. Multiple-input and multiple-output) — технология беспроводной связи, позволяющая увеличивать пропускную способность радиоканала за счёт использования нескольких приёмных и передающих антенн. MIMO стала ключевой технологией широкополосных беспроводных коммуникаций, применяемой в мобильных стандартах 4G WiMAX (IEEE 802.16e, m), 3GPP 4G LTE, 5G NR, а также в стандартах Wi-Fi: IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, IEEE 802.11ax.

Технология MIMO использует пространственное измерение для увеличения ёмкости канала связи. Для этого на передающей и приёмной сторонах применяются множественные антенны с соответствующей цифровой обработкой сигналов, что обеспечивает увеличение скорости передачи данных примерно пропорционально количеству антенн на каждом конце.

Исходный поток данных с высокой скоростью демультиплексируется на несколько потоков с меньшей скоростью, которые затем модулируются и одновременно передаются с разных антенн на одной и той же частоте, но с различным кодированием. На приёмной стороне эти взаимно мешающие потоки имеют разные пространственные сигнатуры (схемы усиления и фаз на антеннах приёмника), что позволяет приёмнику разделять, демодулировать и ремультиплексировать их в исходный высокоскоростной поток. Такой подход также называется пространственным мультиплексированием.

Ключевым моментом в работе MIMO является наличие достаточно различных пространственных сигнатур потоков, что достигается за счёт широкого углового рассеяния многолучевых сигналов[1], а также необходимого расстояния между элементами антенн. В средах с богатым многолучевым распространением сигнала, например, в сотовых и Wi-Fi сетях, достаточно расстояния между антеннами в несколько длин волн. В случае слабого многолучевого рассеяния требуется большее расстояние между элементами антенны на передающей, приёмной или на обеих сторонах.

История

Ранние исследования многоканальных систем

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]).

Изобретение MIMO

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.

Развитие технологии MIMO

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.

Мобильные сети

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.

Wi-Fi сети

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.

Экономическое значение

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]

Функции

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.

Формы технологии MIMO

undefined

Многоантенные варианты (single-user MIMO)

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.

Многоабонентские варианты (multi-user MIMO)

  • 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].

Применение

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).

Математическое описание

undefined

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:

где и — вектор принятых и переданных сигналов, — матрица канала, — вектор шума.

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

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

Детектирование MIMO

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

Тестирование

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].

Исследования

Основные исследователи

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).

Баланс между разнообразием и мультиплексированием

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

Другие применения

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

Теория выборки в MIMO

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

См. также

Примечания

  1. ↑ Lipfert, Hermann MIMO OFDM Space Time Coding – Spatial Multiplexing, Increasing Performance and Spectral Efficiency in Wireless Systems, Part I Technical Basis (нем.). Institut für Rundfunktechnik (август 2007). Дата обращения: 13 июля 2025.
  2. ↑ Kaye, AR; George, DA (октябрь 1970). “Transmission of multiplexed PAM signals over multiple channel and diversity systems”. IEEE Transactions on Communication Technology. 18 (5): 520—526. DOI:10.1109/TCOM.1970.1090417. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  3. ↑ Brandenburg, LH; Wyner, AD (май–июнь 1974). “Capacity of the Gaussian Channel with Memory: The Multivariate Case”. Bell Syst. Tech. J. 53 (5): 745—78. DOI:10.1002/j.1538-7305.1974.tb02768.x. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  4. ↑ Van Etten, W (февраль 1976). “Maximum likelihood receiver for multiple channel transmission systems” (PDF). IEEE Transactions on Communications. 24 (2): 276—283. DOI:10.1109/TCOM.1976.1093265. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  5. ↑ Salz, J (июль–август 1985). “Digital transmission over cross-coupled linear channels”. Technical Journal. 64 (6): 1147—59. Bibcode:1985ATTTJ..64.1147S. DOI:10.1002/j.1538-7305.1985.tb00269.x. S2CID 10769003. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  6. ↑ Spatial division multiple access wireless communication systems (англ.). USPTO. Дата обращения: 13 июля 2025.
  7. ↑ Foschini, Gerard J. (1996). “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas”. Bell Labs Technical Journal. 1 (2): 41—59. DOI:10.1002/bltj.2015. ISSN 1538-7305.
  8. ↑ Gerard J. Foschini (англ.). ETHW (16 сентября 2024). Дата обращения: 13 июля 2025.
  9. ↑ Raleigh, G.G.; Jones, V.K. (май 1999). “Multivariate modulation and coding for wireless communication”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 17 (5): 851—866. DOI:10.1109/49.768200. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  10. ↑ Telatar, I.E.; Tse, D.N.C. (июль 2000). “Capacity and mutual information of wideband multipath fading channels”. IEEE Transactions on Information Theory. 46 (4): 1384—1400. DOI:10.1109/18.850678. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  11. ↑ Alamouti, S.M. (октябрь 1998). “A simple transmit diversity technique for wireless communications”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451—1458. DOI:10.1109/49.730453. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  12. ↑ Schwarz, Stefan; Heath, Robert W.; Rupp, Markus (19 марта 2013). “Single-user MIMO versus multi-user MIMO in distributed antenna systems with limited feedback”. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing [англ.]. 2013 (1): 54. DOI:10.1186/1687-6180-2013-54. ISSN 1687-6180.
  13. ↑ Iospan ceases operations (англ.). RCR Wireless News (27 февраля 2003). Дата обращения: 13 июля 2025.
  14. ↑ IT Infrastructure recent news (англ.). Information Week. Дата обращения: 13 июля 2025.
  15. ↑ IEEE 802.11n-2009 (англ.). Wikipedia (19 июня 2025). Дата обращения: 13 июля 2025.
  16. ↑ Airgo Networks (англ.). Wikipedia (6 июня 2025). Дата обращения: 13 июля 2025.
  17. ↑ Atheros (англ.). Wikipedia (11 мая 2025). Дата обращения: 13 июля 2025.
  18. ↑ The Mobile Economy 2024 (брит. англ.). GSMA Intelligence (26 февраля 2024). Дата обращения: 13 июля 2025.
  19. ↑ Szymanski, Christopher Wi-Fi® on track to unlock $3.5 trillion in economic value by 2023 - but first we need more spectrum to maximize societal benefits (англ.). Wi-Fi Alliance. Дата обращения: 13 июля 2025.
  20. ↑ 1 2 Слюсар, В.И.; Титов, И.В. Коррекция характеристик каналов передачи в активной цифровой антенной решетке // Радиоэлектроника и связь. – 2004, т. 47, № 8, с. 9–10. []
  21. ↑ Akash, Moynul Hasan. Performance Analysis of Novel Design and Simulation of a Microstrip Patch Antenna for Ku-Band Satellite Communications // 2021 International Conference on Advances in Electrical, Computing, Communication and Sustainable Technologies (ICAECT) / Moynul Hasan Akash, Md. Joynal Uddin, Morshedul Haque … [и др.]. — 2021. — P. 1–5. — ISBN 978-1-7281-5791-7. — doi:10.1109/ICAECT49130.2021.9392467.
  22. ↑ Karakayali, M.K.; Foschini, G.J.; Valenzuela, R.A. (2006). “Advances in smart antennas – Network coordination for spectrally efficient communications in cellular systems”. IEEE Wireless Communications. 13 (4): 56—61. DOI:10.1109/MWC.2006.1678166. S2CID 34845122.
  23. ↑ S. Cui; A. J. Goldsmith; A. Bahai (август 2004). “Energy-efficiency of MIMO and Cooperative MIMO in Sensor Networks”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 22 (6): 1089—1098. DOI:10.1109/JSAC.2004.830916. S2CID 8108193. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  24. ↑ Marzetta, Thomas L. (2010). “Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas”. IEEE Transactions on Wireless Communications. 9 (11): 3590—3600. Bibcode:2010ITWC....9.3590M. DOI:10.1109/TWC.2010.092810.091092. S2CID 17201716.
  25. ↑ C. Huang и др., Holographic MIMO Surfaces for 6G Wireless Networks: Opportunities, Challenges, and Trends // IEEE Wireless Communications, 2020
  26. ↑ MIMO Wireless Networks Channels, Techniques and Standards for Multi-Antenna, Multi-User and Multi-Cell Systems / Bruno Clerckx, Claude Oestges. 2013. Раздел 1.8.
  27. ↑ Berger, Lars T. MIMO Power Line Communications: Narrow and Broadband Standards, EMC, and Advanced Processing / Berger, Lars T., Schwager, Andreas, Pagani, Pascal … [и др.]. — CRC Press, февраль 2014. — ISBN 978-1-4665-5752-9. — doi:10.1201/b16540-1.
  28. ↑ Yang, Shaoshi; Hanzo, Lajos (четвёртый квартал 2015). “Fifty Years of MIMO Detection: The Road to Large-Scale MIMOs”. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 17 (4): 1941—1988. arXiv:1507.05138. DOI:10.1109/COMST.2015.2475242. S2CID 834673. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  29. ↑ MIMO Channel Modeling and Emulation Test Challenges (англ.). Keysight. Дата обращения: 13 июля 2025.
  30. ↑ Gerard J. Foschini; Michael. J. Gans (январь 1998). “On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas”. Wireless Personal Communications. 6 (3): 311—335. DOI:10.1023/A:1008889222784. S2CID 6157164. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  31. ↑ Gerard J. Foschini (осень 1996). “Layered space-time architecture for wireless communications in a fading environment when using multi-element antennas”. Bell Labs Technical Journal. 1 (2): 41—59. DOI:10.1002/bltj.2015. S2CID 16572121. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  32. ↑ Telatar, Emre (1999). “Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels”. European Transactions on Telecommunications. 10 (6): 585—95. DOI:10.1002/ett.4460100604. Архивировано из оригинала 2012-02-08. Используется устаревший параметр |url-status= (справка)
  33. ↑ L. Zheng; D. N. C. Tse (май 2003). “Diversity and multiplexing: A fundamental tradeoff in multiple-antenna channels”. IEEE Trans. Inf. Theory. 49 (5): 1073—1096. Bibcode:2003ITIT...49.1073Z. DOI:10.1109/TIT.2003.810646. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  34. ↑ Z. Shang; W. Sun; X. Zhou (январь 2007). “Vector sampling expansions in shift invariant subspaces”. Journal of Mathematical Analysis and Applications. 325 (2): 898—919. Bibcode:2007JMAA..325..898S. DOI:10.1016/j.jmaa.2006.02.033. Проверьте дату в |date= (справка на английском)

Категории