مایمو یا mimo چیست؟

[akbari]

382px-Prinzip_MIMO.png

مایمو یا MIMO که عبارت اختصاری (Multiple Input - Multiple Output) چند ورودی - چند خروجی است، یک فناوری انتشار امواج (آنتن) برای سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم است، بدین صورت که در هر دو طرف فرستنده و گیرنده از چند آنتن استفاده می‌شود. سیگنال های ارسالی در انتهای مدار مخابراتی با هم ترکیب می‌شوند تا خطا به حداقل رسیده، سرعت انتقال اطلاعات به بیشینه، افزایش پیدا کند. دقت کنید که واژه های ورودی و خروجی در عنوان مقاله، به کانال رادیویی حامل پیام بر می گردد، نه به سیستم شامل آنتن ها. فناوری مایمو، با افزودن چشمگیر گذردهی داده ها (data throughput) و مسافت اثر مفید، آن هم بدون نیاز به پهنای باند یا توان ارسالی اضافی، جایگاه ویژه ای در مخابرات بی‌سیم یافته است. دستیابی مایمو به این امر، بوسیلۀ بازدهی طیفی (spectral efficiency) بالاتر (تعداد بیت های بیشتر در هر ثانیه در هر هرتز از پهنای باند) و قابلیت اطمینان ارتباط است. به سبب این ویژگی ها، مایمو بخش مهمی از استاندارد های مخابرات بی سیم گشته است. استاندارد هایی مانند IEEE ۸۰۲.۱۱n (وای فای Wifi) و ۴G و ۳GPP Long Term Evolution و WiMAX و HSPA+. همچنین، فناوری مایمو شروع به سازگاری با سیستم های ارتباطی غیر بی سیم، نموده است. برای نمونه، استاندارد ITU-T G.۹۹۶۳، استانداردی نو، برای شبکۀ خانگی است که یک سیستم ارتباطی خط قدرت را تعریف می کند که از فنون مایمو برای ارسال چند سیگنال، روی سیم های جریان متناوب (فاز و نول و زمین) بهره می برد.
کارکرد های مایمو
کارکرد های مایمو را می توان به سه گروه، تقسیم کرد، پیش کدگذاری (precoding)، مالتی پلکس فاصله ای(spatial multiplexing) یا SM، و کدگذاری گونه گون (diversity coding).

پیش کدگذاری (Precoding) در تعریفی ظریف، می توان آن را beamforming چند جریانه، معرفی کرد. اما به بیان کلی تر، پیش کد گذاری را می توان، همۀ پردازش فاصله ای دانست که در فرستنده رخ می دهد. در بیم فورمینگ (تک لایه)، سیگنالی یکسان، از سوی تک تک آنتن ها فرستاده می شود که این سیگنال، دارای فاز (و گاهی بهره) مناسب است و به گونه ای وزن دهی (weighting) می شود که توان سیگنال در ورودی گیرنده، بیشینه باشد. از مزاياي استفاده از بیم فورمینگ، افزایش بهرۀ سیگنال دریافتی، با مجموع گرفتن از سیگنال های آنتن های گوناگون، و کاهش اثر محو شدگي چند مسیره (multipath fading)، است. بیم فورمینگ، در نبود پخش شدگی (scattering)، الگوی جهتی بسیار خوبی است، اما در حالت کلی، ستون های (beams) قرار دادی سلولی، تقارن و همسانی خوبی ندارند. هنگامی که گیرنده دارای چندین آنتن است، بیم فورمینگ ارسالی، نمی تواند هم زمان، سطح سیگنال را در همۀ آنتن های گیرنده، بیشینه کند و برای همین، پیش کد گذاری با جریان چند گانه، به کار برده می شود. توجه داشته باشید که پیش کد گذاری، نیازمند آگاهی از اطلاعات حالت کانال (channel state information) یا به اختصار (CSI)، در فرستنده است.

مالتی پلکس فاصله ای (Spatial multiplexing) نیازمند پیکره بندی مایمو است. در مالتی پلکس فاصله ای، یک سیگنال با نرخ بالا، به جریان های موجی دارای نرخ کوچک تر، تقسیم می شود و هر کدام از آن جریان ها، از سوی آنتن متفاوتی و درون کانال فرکانسی مشترک، فرستاده می شود. اگر این سیگنال ها، با تأثیر به اندازۀ کافی متفاوت، به گیرنده برسند، گیرنده می تواند این جریان های موجی را، (تقریباً) به صورت کانال های موازی جدا، در نظر بگیرد. مالتی پلکس فاصله ای، فنی بسیار کارآمد، در افزودن گنجایش کانال، برای نسبت های بزرگ سیگنال به نویز (SNR) است. بیشینه شمار جریان های موجی فاصله ای، بوسیلۀ کمینه شمار آنتن ها در فرستنده یا گیرنده، محدود می شود. می توان مالتی پلکس فاصله ای را، بدون آگاهی از چگونگی کانال انتقال، به کار گرفت. همچنین، می توان مالتی پلکس فاصله ای را، برای ارسال هم زمان، به گیرنده های گوناگون، به کار گرفت که نام این کار، تقسیم فضا با دسترسی چند گانه (space-division multiple access) است. به کمک برنامه ریزی گیرنده ها، با اثر های مکانی متفاوت، می توان از تفکیک خوب جریان ها، خاطر جمع بود.

کد گذای گونه گون (Diversity Coding) این شیوه را هنگامی به کار می گیریم، که آگاهی از کانال (channel knowledge) در فرستنده، وجود ندارد. در شیوه های گونه گون (diversity)، یک جریان موجی یکه (بر خلاف جریان های چند گانه، در مالتی پلکس فاصله ای)، فرستاده می شود، اما سیگنال، با بهره گیری از شیوه هایی، کد می شود، که به آن کد گذاری مکان-زمان (space-time coding)، می گویند. در این شیوه، سیگنال از سوی هر آنتن فرستنده، با کد گذاری کاملاً یا تقریباً متعامد، گسیل می شود. کد گذاری گونه گون، از بی فروغی (fading) نابسته(مستقل) ای که در پیوند های (links) آنتن های چند گانه وجود دارد، برای افزایش گوناگونی سیگنال، بهره برداری می کند. از آنجا که هیچ آگاهی از چگونگی کانال وجود ندارد، هیچ بیم فورمینگ یا بهرۀ چیدمان (array gain)، از سوی کد گذاری گونه گون، در کار نیست. همچنین، هنگامی که آگاهی از چگونگی کانال، در فرستنده، وجود دارد، مالتی پلکس فاصله ای می تواند با پیش کد گذاری ترکیب شود، یا هنگامی که از کیفیت کد گشایی، مطمئن نیستیم، می تواند با کد گذاری گونه گون ترکیب شود.