MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) היא טכנולוגיה המשתמשת באנטנות מרובות כדי לשלוח ולקבל אותות בתחום התקשורת האלחוטית. טכנולוגיית MIMO משמשת בעיקר בתחום ה-Wi-Fi (WiFi) ותקשורת סלולרית, שיכולה לשפר ביעילות את קיבולת המערכת, הכיסוי ויחס האות לרעש. באופן כללי, M×N MIMO אומר שיש M אנטנות בקצה השולח ו-N אנטנות בקצה המקבל.
מ-SISO ל-MIMO
SISO (Input Single-Input Single-Output)
לפני הצגת MIMO, עלינו להסביר מהי SISO. SISO היא שליחה וקבלה בודדת, היא מערכת כניסה ויציאה בודדת, הנתיב בין אנטנת המשדר לאנטנה המקבלת הוא ייחודי, והשידור הוא אות 1. במערכות אלחוטיות, אנו מגדירים כל אות כזרם מרחבי.
מכיוון שהנתיב בין האנטנות המשדרות לקליטות הוא ייחודי, מערכת שידור כזו אינה אמינה וקצב השידור מוגבל.
SIMO (Input Multiple Output)
על מנת לשנות את חוסר האמינות והמצב המוגבל של SISO, מתווספת אנטנה במסוף, כך שהקצה הקולט יכול לקלוט שני אותות בו זמנית, כלומר שליחה בודדת ולקבל יותר. מערכת שידור כזו היא פלט מרובות קלט יחיד, כלומר SIMO.
למרות שיש שני אותות, שני האותות נשלחים מאותה אנטנת שידור, כך שהנתונים הנשלחים זהים, והשידור הוא עדיין רק אות אחד. בדרך זו, אין זה משנה אם חלק מאותות אחד אבד, כל עוד הטרמינל יכול לקבל נתונים מלאים מהאות השני. למרות שהקיבולת המקסימלית היא עדיין נתיב אחד, האמינות מוכפלת. גישה זו נקראת גיוון קבלה.
MISO (Multiple-Input Single-Output)
אם נשנה את הדרך שבה אנחנו חושבים על זה, מה יקרה אם נגדיל את מספר האנטנות המשדרות לשתיים ונשמור על מספר אנטנות הקליטה לאחת?
מכיוון שיש רק אנטנת קליטה אחת, בסופו של דבר יש לשלב את שני הנתיבים לאחד, מה שמוביל לכך שאנטנת המשדר יכולה לשלוח רק את אותם נתונים, והשידור הוא עדיין רק אות אחד. זה למעשה יכול להשיג את אותו האפקט כמו SIMO, מערכת ההילוכים נקראת פלט יחיד של כניסות מרובות, או MISO. שיטה זו נקראת גם גיוון פליטות.
MIMO (Multiple-Input Multiple Output)
אם מגדילים את אנטנת מקלט המשדר לשניים בו זמנית, האם ניתן לשלוח שני אותות באופן עצמאי ולהכפיל את הקצב? התשובה היא כן, כי מהניתוח הקודם של SIMO ו-MISO, יכולת השידור תלויה במספר האנטנות משני הצדדים. ומערכת ריבוי מקלטים זו היא MIMO.
טכנולוגיית MIMO מאפשרת למספר אנטנות לשלוח ולקבל אותות מרובים בו-זמנית, ויכולה להבחין בין אותות הנשלחים אל או מהאוריינטציות המרחביות השונות. באמצעות ריבוי חלוקת שטח וטכנולוגיית גיוון החלל, ניתן לשפר את קיבולת המערכת, הכיסוי ויחס האות לרעש מבלי להגדיל את צריכת רוחב הפס.
מהם סוגי MIMO?
MIMO היא טכנולוגיה המשתמשת במספר אנטנות כדי לשלוח ולקבל אותות, המשמשת במקור להעברת נתונים למשתמש בודד. עם זאת, עם התפתחותה של טכנולוגיית שידור מרובה משתמשים, צצו מגוון טכנולוגיות MIMO מרובי משתמשים על בסיס MIMO. על מנת להקל על הבידול, ה-Single-user MIMO נקרא SU-MIMO (Single-user MIMO). טכנולוגיית MIMO מרובה משתמשים כוללת בעיקר את הסוגים הבאים.
MU-MIMO (MIMO מרובה משתמשים):מאפשר למשדר להעביר נתונים למספר משתמשים בו זמנית. תקן ה-Wi-Fi 5 החל לתמוך ב-MU-MIMO עבור 4 משתמשים, ותקן ה-Wi-Fi 6 הגדיל את מספר המשתמשים ל-8.
CO-MIMO (Cooperative MIMO):התקנים אלחוטיים מרובים נוצרים למערכת מרובת אנטנות וירטואלית כדי לממש שידור בו-זמני של נתונים בין התקני שידור סמוכים למספר משתמשים.
MIMO מאסיבי:טכנולוגיית אנטנות בקנה מידה גדול משפרת מאוד את מספר האנטנות, MIMO מסורתית משתמשת בדרך כלל ב-2 עד 8 אנטנות, בעוד Massive MIMO יכולה להגיע לאנטנות של 64/128/256. זה יכול לשפר מאוד את קיבולת המערכת ויעילות השידור, והיא טכנולוגיית המפתח של תקשורת סלולרית 5G.
בגדול, ניתן לסווג את טכנולוגיית MIMO מרובת משתמשים כטכנולוגית MIMO, אך כאשר אנו מתייחסים ל-MIMO, אנו מתייחסים בדרך כלל למושג ה-MIMO המסורתי, כלומר SU-MIMO.
איך MIMO עובד ב-Wi-Fi?
בתחום ה-Wi-Fi, טכנולוגיית MIMO הוצגה החל מתקן Wi-Fi 4 (802.11n). MIMO משתמשת בעיקר בשתי טכנולוגיות מפתח: גיוון בחלל וריבוי חלוקת חלל. בין אם מדובר בטכנולוגיית גיוון או בטכנולוגיית ריבוי, מדובר בטכנולוגיה שהופכת נתונים אחד למספר נתונים, שניתן לסווג אותם כטכנולוגיית קידוד מרחב-זמן.
גיוון בחלל
הרעיון של טכנולוגיית המגוון המרחבי הוא ליצור גרסאות שונות של אותו זרם נתונים, לקודד ולוונן אותם באנטנות שונות, ולאחר מכן לשדר אותם. זרם נתונים זה יכול להיות זרם הנתונים המקורי שיישלח, או שהוא יכול להיות זרם נתונים חדש שנוצר לאחר טרנספורמציה מתמטית מסוימת של זרם הנתונים המקורי. המקלט משתמש באקולייזר החלל כדי להפריד את האות המתקבל, לאחר מכן לבטל ולפענח, ולשלב את האותות השונים שנקלטו של אותו זרם נתונים כדי לשחזר את האות המקורי. טכנולוגיית המגוון המרחבי מאפשרת העברת נתונים אמינה יותר.
הגיוון המרחבי משפר למעשה את האמינות של העברת הנתונים וחל על תרחישים שבהם מרחק השידור ארוך והקצב אינו גבוה.
ריבוי חלוקת חלל
טכנולוגיית ריבוי חלוקת החלל פירושה שהנתונים שישודרו מחולקים למספר זרמי נתונים, המקודדים ומאופנים על ידי אנטנות שונות, ולאחר מכן משודרים, כדי לשפר את קצב השידור של המערכת. האנטנות אינן תלויות זו בזו, אנטנה שווה ערך לערוץ עצמאי, המקלט משתמש באקולייזר חלל כדי להפריד את האות המתקבל, ולאחר מכן מנותק, פוענח, מספר זרמי נתונים מוזגו כדי לשחזר את האות המקורי.
ריבוי חלוקת שטח משפר ביעילות את קצב העברת הנתונים, ומתאים לתרחישים עם מרחקי שידור קצרים ודרישות מהירות גבוהות.
מה זה M×N MIMO?
במפרטים של מוצרי WLAN רואים בדרך כלל מחוון M×N MIMO, כתוב גם MTNR, מה המשמעות של מחוון זה? למעשה, הוא משמש לייצוג מספר אנטנות MIMO, M מייצג את מספר האנטנות בצד השולח, N מייצג את מספר האנטנות בצד המקבל. לדוגמה, 4×3 MIMO פירושו ארבע אנטנות משדרות ושלוש אנטנות קולטות.
רוב הנתבים האלחוטיים הביתיים בשוק יכולים לראות מספר אנטנות, אנטנה אחת יכולה לרוב לתמוך בקבלה ובשליחה, כך שניתן פשוט לשפוט לפי מספר האנטנות, מספר האנטנות הוא הערך של M ו-N. למשל, נתב אלחוטי עם 4 אנטנות יכול להיחשב 4x4 MIMO, כמובן, מפרט המוצר הספציפי גובר. ככל שיותר אנטנות, הביצועים גבוהים יותר, המחיר יקר יותר.
במערכת MIMO, אם מספר האנטנות המקבלות והמקבלות אינו שווה, מספר הזרמים המרחביים שניתן לשדר קטן או שווה למספר האנטנות הקטנות יותר בקצה המקבל/השולח. לדוגמה, מערכת MIMO 4×4 (4T4R) יכולה לשדר ארבעה או פחות זרמים מרחביים, בעוד שמערכת 3×2 (3T2R) MIMO יכולה לשדר שניים או זרם מרחבי אחד.
ביישומים מעשיים, ל-AP יש מספר גדול יותר של אנטנות, החל מ-4 אנטנות ועד 16 אנטנות, אך למסופים (כגון טלפונים ניידים) יש בדרך כלל רק 1-2 אנטנות. גם אם טכנולוגיית האנטנה משתפרת כל הזמן, אך מוגבלת על ידי גודל המוצר המסוף, גם אם היא יכולה להכיל 1-2 אנטנות, היא נמוכה בהרבה ממספר האנטנות של AP, מה שאומר שמספר האנטנות המרחביות הזרמים הניתנים לשידור מוגבלים על ידי הטרמינל, מה שגורם לעובדה שלא ניתן ליהנות במלואו מקצב הגידול במספר הזרמים המרחביים, מה שגורם לבזבוז של אנטנה משאבים ב-AP. למרבה המזל, טכנולוגיית MIMO מרובת משתמשים צצה ופתרה בעיה זו, כמו MU-MIMO, המאפשרת ל-AP לשדר אותות עם מספר מסופים בו-זמנית, והמספר הכולל של האנטנות של מספר מסופים שווה למספר אנטנות של AP, כך שניתן להפעיל את יכולת ה-AP במלואה.
