MIMO (telecomunicações)

Multiple-Input Multiple-Output ouMIMO("entrada múltipla, saída múltipla" em francês) é umatecnologia demultiplexaçãousada emradar,redes sem fioeredes móveispara transferência de dados em um alcance mais longo e uma taxa mais alta do que com antenas usando o Técnica SISO (Single-Input Single-Output).

Enquanto as redes Wi-Fi mais antigas ou redes GSM padrão usam uma única antena no transmissor e no receptor, o MIMO usa várias antenas no transmissor (por exemplo, roteador ) e no receptor (por exemplo, laptop ou smartphone ).

Histórico

Uma patente sobre um método de comunicação sem fio usando várias antenas foi registrada em 1984 pelo Sr. Jack Winters em nome da Bell Labs . Em 1985, o Sr. Jack Salz publicou um artigo sobre MIMO baseado no trabalho do Sr. Winters. De 1986 a 1995, diversos autores escreveram artigos sobre o assunto. Em 1996, Greg Raleigh (in) e Gerard J. Foschini (in) inventaram novas abordagens para aumentar a eficiência do MIMO. Em 1999, a Emre Telatar estendeu a teoria da informação para sistemas com várias antenas.

Variantes

Existem várias implementações de MIMO que diferem na forma como os dados são enviados e no número de antenas usadas no transmissor (normalmente 2 a 8) ou receptor (2 a 4). Diferentes princípios foram implementados, como, por exemplo, em Wi-Fi com o sistema Atheros Beamforming , que utiliza duas antenas para transmissão e recepção. Nestes sistemas, as antenas transmissoras são alimentadas com sinais idênticos, mas fora de fase, de forma a concentrar a energia transmitida na direção do receptor.

Embora as várias variações da técnica MIMO não estivessem originalmente vinculadas a um padrão, os produtos MIMO Wi-Fi disponíveis comercialmente são compatíveis com a maioria dos produtos mais antigos em conformidade com os padrões 802.11b (taxa de transferência instantânea: 11 Mb / s , alcance: ~ 30 metros, frequência : 2,4 GHz ) e 802.11a / 802.11g (taxa instantânea: 54 Mb / s , faixa: algumas dezenas de metros, frequências: 5 GHz ou 2,4 GHz ), e podem coexistir com produtos compatíveis com os novos padrões de Wi-Fi usando MIMO: 802.11n e 802.11ac oferecendo um rendimento que pode ultrapassar 1 Gb / s em 4x4 modo MIMO.

As velocidades do Wi-Fi anunciadas são máximas teóricas, as velocidades reais de transmissão são mais baixas e também dependem do sistema de criptografia usado para proteger os dados. O alcance também depende dos obstáculos localizados entre o transmissor e o receptor e de possíveis interferências de redes vizinhas.

Princípios

A tecnologia MIMO usa arranjos de antenas para transmissão e / ou recepção para melhorar a qualidade do SNR ( relação sinal-ruído ou SNR inglês) e / ou a taxa de transmissão. Isto também permite reduzir o nível de emissão de sinais de rádio para reduzir a poluição eletromagnética circundante, mas também para estender a autonomia das baterias no caso de um telefone.

Podemos considerar três categorias principais de MIMO:

Diversidade espacial MIMO: a mesma mensagem é transmitida simultaneamente em diferentes antenas na transmissão. Os sinais recebidos em cada uma das antenas receptoras são então re-faseados e somados de forma coerente. Uma versão simplificada usa o sinal de apenas uma das antenas, aquela que recebe o melhor sinal em um determinado momento (antenas polarizadas ). Isso torna possível aumentar a relação sinal-ruído (graças ao ganho de diversidade) da transmissão. Para que essa técnica seja eficaz, os subcanais MIMO devem ser decorrelacionados (independentes) uns dos outros.

Multiplexação espacial MIMO: cada mensagem é dividida em sub-mensagens. As diferentes sub-mensagens são transmitidas simultaneamente em cada uma das antenas de transmissão. Os sinais recebidos nas antenas receptoras são remontados para reconstruir a mensagem original. Tal como acontece com a diversidade MIMO, os subcanais de propagação devem ser decorrelated. A multiplexação MIMO permite aumentar as taxas de transmissão (graças ao ganho da multiplexação). Diversidade MIMO e técnicas de multiplexação podem ser aplicadas juntas. Por exemplo, para um sistema 5 x 5 MIMO (ou seja, 5 antenas de transmissão e 5 antenas de recepção), pode-se configurar um subsistema MIMO 2 x 2 para fazer multiplexação e um subsistema MIMO. 3 x 3 para criar diversidade MIMO.

MIMO - Beamforming : a rede de antenas MIMO é usada para orientar e controlar o feixe de ondas de rádio (amplitude e fase do feixe). Assim, é possível criar lóbulos construtivos / destrutivos e otimizar a transmissão entre o emissor e o alvo. As técnicas de formação de feixe tornam possível estender a cobertura de rádio (de uma estação base ou um ponto de acesso, por exemplo) e limitar a interferência entre os usuários e a poluição eletromagnética circundante (visando o receptor pretendido).

Existem também 2 variantes de MIMO, dependendo do número de usuários que recebem dados simultaneamente nas mesmas operadoras :

O SU-MIMO ( usuário único ) mais comum permite que os dados sejam enviados por meio de várias antenas para um único usuário em um determinado momento; requer várias antenas em cada receptor. Este modo possibilita atingir um fluxo de unidade de pico mais alto.
O MU-MIMO ( Multi User ) permite compartilhar a velocidade do rádio e enviar fluxos de dados para 2 (ou mais) usuários, com por exemplo 4 antenas de transmissão e 2 antenas em cada receptor. Utiliza o modo de “multiplexação espacial” e permite aumentar a eficiência espectral da célula de rádio (throughput geral) sem impor um grande número de antenas em cada terminal.

Formalismo matemático

Considere um sistema MIMO composto de antenas de transmissão e antenas de recepção. Denotamos o vetor de tamanho que contém os símbolos enviados e o vetor que contém os símbolos recebidos. A relação que liga e é então escrita: $m_t$ $Sr$ $x$ $m_t$ $y$ $Sr$ $x$ $y$

y=Hx+não{\ displaystyle y = Hx + n}

{\ displaystyle y = Hx + n}

Onde está a matriz do canal de tamanho e n é o vetor de ruído. A capacidade do canal MIMO é então escrita: $H$ $m_r \ vezes m_t$

VS=registro2⁡(det(eumr+ρHQH∗)){\ displaystyle C = \ log _ {2} (\ det (I_ {m_ {r}} + \ rho HQH ^ {*}))}

{\ displaystyle C = \ log_2 (\ det (I_ {m_r} + \ rho HQH ^ *))}

Nesta fórmula está a matriz de identidade, é a relação sinal-ruído e Q é a matriz de correlação dos símbolos transmitidos. Quando o transmissor não tem conhecimento do canal, a capacidade máxima atingível é expressa como: $I_ {m_r}$ $\ rho$

VS=∑eu=1mtregistro2⁡(1+ρmtλeu){\ displaystyle C = \ sum _ {i = 1} ^ {m_ {t}} \ log _ {2} \ left (1 + {\ frac {\ rho} {m_ {t}}} \ lambda _ {i } \ direito)}

{\ displaystyle C = \ sum_ {i = 1} ^ {m_t} \ log_2 \ left (1+ \ frac {\ rho} {m_t} \ lambda_i \ right)}

$\ lambda_i$ são os valores próprios da matriz $H ^ * H$

Quando o transmissor conhece o canal, a capacidade máxima possível é fornecida pelo algoritmo de enchimento de água .

Usos

A tecnologia MIMO é usada principalmente em padrões: Wi-Fi ( IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac e IEEE 802.11ax ), WiMax ( IEEE 802.16e ) e padrões de telefone celular HSPA + , LTE , LTE Advanced e 5G .

O Freebox v5 HD, ADSL , operador e FAI Free usa a técnica MIMO para transmitir vídeo HD (substituído por um link PLC emJaneiro de 2008) entre as suas duas caixas, bem como para a ligação aos computadores.
O Orange Livebox anunciado em março de 2016 também usa Wi-Fi no modo 4x4 MIMO para conectar a caixa de TV.

Notas e referências

(en) Downlink MIMO em LTE avançado: SU-MIMO vs. MU-MIMO ieeexplore.ieee.org, 9 de fevereiro de 2012
E. Telatar. Capacity of multi-antenas Gaussian channels, in European Transactions on Telecommunications, vol. 10, núm. 6, pág. 585-596, 1999
Orange apresenta seu novo Livebox: o modem e o decodificador de TV se comunicam via WiFi tomshardware.fr, 16 de março de 2016