تکنولوژی پر قدرت برای شبکه‌های بی‌سیم

MIMO فناوری پیشرفته در مخابرات بی‌سیم است که از چندین آنتن برای افزایش ظرفیت و بهبود کیفیت ارتباطات استفاده می‌کند. این فناوری از چندین مسیر برای انتشار سیگنال بهره می‌برد تا داده‌ها را به‌صورت موازی انتقال دهد؛ فناوری MIMO سبب کاهش تداخلات سیگنال‌ها، افزایش پهنای باند، کاهش افت و بهبود تجربه کاربری می‌شود. این تکنولوژی در شبکه‌های بی‌سیم مانند Wi-Fi (به‌ویژه استانداردهای IEEE 802.11n و 802.11ac/ax)، LTE و در نسل‌های جدیدتر شبکه مانند 5G مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عنوان یکی از پایه‌های کلیدی برای دستیابی به سرعت انتقال و ارتباطات پایدارتر عمل می‌کند. این فناوری در انواع مختلفی از جمله SISO (Single Input, Single Output)، MISO (Multiple Input, Single Output)، SIMO (Single Input, Multiple Output) و MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ارائه می‌شود. که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

از فناوری SISO تا فناوری MIMO

فناوری SISO

فناوری SISO (Single-Input Single-Output) یک مسیر یکتا بین آنتن‌های فرستنده (Tx) و گیرنده (Rx) فراهم می‌کند تا بتواند سیگنال‌ها را از طریق یک جریان فضایی ارسال می‌کند. نکته قابل توجه در این فناوری غیرقابل‌اعتماد بودن او محدودیت در سرعت انتقال اطلاعات می‌باشد.

فناوری SIMO

برای دستیابی قابل اعتماد و مطمئن در انتقال اطلاعات فناوری SIMO (Single-Input Multiple-Output) معرفی شد. عملکرد این فناوری به این شکل است که  یک آنتن به گیرنده (STA) اضافه می‌شود تا دو سیگنال به‌طور همزمان دریافت شوند. همانطور که در تصویر مشاهده می‌کنید؛ دو سیگنال حاوی داده‌های یکسان از یک آنتن فرستنده (Tx) ارسال می‌شود و اگر یکی از سیگنال‌ها به‌طور جزئی از دست برود، گیرنده همچنان می‌تواند داده‌های کامل را از سیگنال دیگر دریافت نماید. اگرچه ظرفیت تغییری نمی‌کند (همچنان یک مسیر در حال استفاده است)، اما قابلیت اطمینان دو برابر می‌شود. این حالت به‌عنوان تنوع در دریافت (Receive Diversity) شناخته می‌شود.

فناوری MISO

نظر شما چیست اگر بخواهیم از دو آنتن فرستنده (Tx) استفاده کنیم در حالی که فقط یک آنتن گیرنده (Rx) حفظ شود؟
در فناوری MISO (Multiple-Input Single-Output) با توجه به اینکه تنها یک آنتن گیرنده (Rx) وجود دارد، سیگنال‌هایی که از دو آنتن فرستنده (Tx) ارسال می‌شوند باید داده‌های یکسانی داشته باشند تا بتوانند به‌عنوان یک سیگنال در گیرنده ترکیب شوند. این حالت به‌عنوان MISO یا تنوع در ارسال (Transmit Diversity) شناخته می‌شود، در واقع همان تأثیر SIMO را ارائه می‌دهد.

فناوری MIMO

تحلیل‌ فناوری‌های SIMO و MISO نشان می‌دهد که ظرفیت انتقال بستگی به تعداد آنتن‌های فرستنده (Tx) و گیرنده (Rx) دارد. بنابراین، استفاده از دو آنتن در هر دو طرف (فرستنده و گیرنده) می‌تواند سرعت ارسال و دریافت دو سیگنال را به‌صورت جداگانه دو برابر کند. در این حالت استفاده از آنتن‌های متعدد در هر دو طرف فرستنده و گیرنده، MIMO نامیده می‌شود. فناوری MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) به آنتن‌های متعدد این امکان را می‌دهد که جریان‌های فضایی (سیگنال‌های متعدد) را به‌طور همزمان ارسال و دریافت کنند و سیگنال‌های ارسال‌ شده یا دریافت‌ شده از موقعیت‌های فضایی مختلف را تمایز قائل شوند.
فناوری MIMO به آنتن‌های متعدد این امکان را می‌دهد که جریان‌های فضایی (سیگنال‌های متعدد) را به‌طور همزمان ارسال و دریافت کنند و سیگنال‌های ارسال‌شده به یا دریافت‌شده از موقعیت‌های فضایی مختلف را تمایز قائل شوند. با بهره‌گیری از فناوری‌هایی مانند Spatial Multiplexing و Space Diversity، MIMO ظرفیت سیستم، محدوده پوشش و نسبت سیگنال به نویز (SNR) را بدون مصرف پهنای باند اضافی افزایش می‌دهد. فناوری MIMO اغلب در حوزه ارتباطات Wi-Fi به‌خصوص موبایل و مودم‌ها را تحت تأثیر قرار داده و به طور چشمگیری عملکرد و کارایی آن‌ها در ظرفیت سیستم، پوشش دهی، افزایش سرعت اینترنت، پایداری اتصال و نسبت سیگنال به نویز (SNR) را بهبود بخشیده است.

"در یک سیستم MxN MIMO حرف M نشان‌دهنده تعداد آنتن‌های ارسال (Tx) و N نشان‌دهنده تعداد آنتن‌های دریافت (Rx) است."

همانطور که در بالا اشاره کردیم فناوری MIMO از آنتن‌های متعدد برای ارسال و دریافت سیگنال‌ها استفاده می‌کند. در ابتدا برای انتقال داده به‌صورت تک‌ کاربره (single-user data transmission) مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما با توسعه فناوری‌ها انتقال داده چند کاربره (multi-user transmission) انواع مختلفی از فناوری MIMO برای پشتیبانی از چندین کاربر به وجود آمد که این پیشرفت‌ها باعث شد فناوری MIMO بتواند به‌طور همزمان داده‌ها را به چندین کاربر ارسال کند و عملکرد شبکه‌های بی‌سیم را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد.

انواع فناوری‌های MIMO

Single-User MIMO (SU-MIMO) :SU-MIMOاصلی‌ترین فناوری MIMO است که برای انتقال داده به‌صورت تک‌کاربره استفاده می‌شود. این فناوری از آنتن‌های متعدد در فرستنده و گیرنده استفاده می‌کند تا عملکرد و قابلیت اطمینان لینک ارتباطی را افزایش دهد. در حقیقت SU-MIMO، تنها با یک دستگاه گیرنده و یک دستگاه فرستنده در هر زمان  می‌تواند ارتباط برقرار کند.
MIMO چند کاربره MU-MIMO :(MU-MIMO) به فرستنده این امکان را می‌دهد که به‌طور هم‌زمان داده‌ها را به چندین کاربر منتقل کند به این صورت ظرفیت و عملکرد کلی سیستم افزایش می‌یابد. MU-MIMO در Wi-Fi 5 از چهار کاربر پشتیبانی می‌کند در حالی که Wi-Fi 6 تعداد کاربران MU-MIMO را به هشت کاربر افزایش می‌دهد.
Cooperative MIMO (CO-MIMO): چندین دستگاه یا فرستنده بی‌سیم را به یک سیستم مجازی چندآنتن متصل می‌کند. این پیکربندی به فرستنده‌های مجاور این امکان را می‌دهد تا داده‌ها را به‌طور هم‌زمان به چندین کاربر منتقل شود.
Massive MIMO: تعداد آنتن‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. MIMO سنتی از دو تا هشت آنتن استفاده می‌کند، در حالی که massive MIMO از حداکثر 64، 128 یا 256 آنتن پشتیبانی می‌کند. این فناوری یک فناوری کلیدی برای ارتباطات موبایلی 5G است و ظرفیت سیستم و کارایی انتقال را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد.

نحوه عملکرد MIMO در Wi-Fi

فناوری MIMO نقش حیاتی در شبکه‌های Wi-Fi ایفا می‌کند و یکی از ویژگی‌های تکنولوژی MIMO، افزایش سرعت انتقال داده‌ها در شبکه‌های بی‌سیم است که با افزایش تعداد آنتن‌ها در هر دو سمت ارتباطی، فضای بیشتری برای ارسال داده‌ها فراهم می‌کند.

• تنوع فضایی (Space Diversity): در فناوری Wi-Fi، MIMO با استفاده از تنوع فضایی پیاده‌سازی می‌شود که شامل ارسال نسخه‌های مختلف از همان جریان داده روی آنتن‌های متعدد است. جریان داده ممکن است داده خام اصلی یا نسخه‌ای تغییر یافته از آن باشد. هر آنتن قبل از ارسال، جریان داده را کدگذاری و modulated می‌کند. در گیرنده، یک موازن فضایی سیگنال‌های دریافتی از آنتن‌های مختلف را تفکیک کرده و آن‌ها را ترکیب می‌کند تا جریان داده اصلی را بازسازی کند. تنوع فضایی قابلیت اطمینان انتقال داده‌ها را بهبود می‌بخشد، به ویژه در سناریوهای مسافت طولانی که اولویت با قابلیت اطمینان بیشتر از سرعت‌های بالا است. فناوری Beamforming که در Wi-Fi 4 معرفی شده، می‌تواند به عنوان یک نوع از تنوع فضایی نیز در نظر گرفته شود. این فناوری شرایط کانال را شناسایی کرده و سیگنال‌های ارسالی روی هر آنتن را بهینه می‌کند، که باعث تقویت قدرت سیگنال و بهبود عملکرد گیرنده می‌شود.

• چندپخشی فضایی (Spatial Multiplexing): چندپخشی فضایی داده‌هایی که قرار است ارسال شوند را به چندین جریان داده تقسیم می‌کند به طوری که جریان‌های داده کدگذاری، مدوله و سپس روی آنتن‌های مختلف ارسال شوند. آنتن‌ها از یکدیگر مستقل هستند و هر آنتن یک کانال مستقل فراهم می‌آورد. گیرنده از یک موازن فضایی برای دریافت سیگنال‌ها به‌طور جداگانه استفاده کرده و سپس عملیات demodulation و کدگشایی را انجام می‌دهد تا جریان‌های داده را ترکیب کرده و سیگنال‌های اصلی را بازسازی کند. چندپخشی فضایی به طور قابل توجهی سرعت انتقال داده را بهبود می‌بخشد و برای سناریوهای که دارای مسافت کوتاه‌ هستند مناسب می‌باشند.

MxN MIMO چیست؟

MxN MIMO نمایانگر قابلیت‌های MIMO یک دستگاه WLAN است، که در آن M تعداد آنتن‌های فرستنده (Tx) و N تعداد آنتن‌های گیرنده (Rx) را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، MIMO 4x3 نشان‌دهنده چهار آنتن فرستنده و سه آنتن گیرنده است. تعداد جریان‌های فضایی موجود در یک سیستم MIMO بستگی به کمترین مقدار بین تعداد آنتن‌های فرستنده و گیرنده دارد.مودم‌های رایج در بازار دارای چندین آنتن هستند که هر یک می‌توانند سیگنال‌ها را ارسال و دریافت کنند. شما به سادگی می‌توانید مقادیر M و N در MIMO را بر اساس تعداد آنتن‌ها تعیین کنید. به عنوان مثال، یک مودم با چهار آنتن می‌تواند به عنوان یک روتر MIMO 4x4 در نظر گرفته شود. البته قابلیت‌های واقعی MIMO به مشخصات محصول بستگی دارد. دستگاهی با آنتن‌های بیشتر عملکرد بالاتری دارد و همچنین هزینه آن‌ها نیز بالاتر است.

دستگاه‌های دسترسی سطح شرکتی (Enterprise-level APs) آنتن‌های بیشتری دارند و می‌توانند شبکه‌های بی‌سیم سریع‌تر و قابل اعتمادتر برای شرکت‌ها فراهم کنند. به عنوان مثال، Huawei AirEngine 8760-X1-PRO — یک AP پیشرفته Wi-Fi 6 برای شرکت‌ها — از MIMO 4x4 در فرکانس 2.4 گیگاهرتز و MIMO 12x12 در فرکانس 5 گیگاهرتز پشتیبانی می‌کند. این AP دارای 16 آنتن است و از نرخ انتقال تا 10.75 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کند، که تجربه بی‌سیم مشابه فیبر نوری را برای کاربران فراهم می‌آورد.

مودم‌های فیبرنوری با تکنولوژی MIMO:

تمامی مودم‌های فیبرنوری هواوی و فایبرهوم از تکنولوژی MIMO پشتیبانی می‌کنند که در زیر تعدادی از آن‌ها را معرفی می‌نماییم:

• HG8245H | MIMO 2x2
• HG8245Q2 | MIMO 3x3
• EG8245W5 | MIMO 4x4

فناوری MIMO یکی از پیشرفته‌ترین و کارآمدترین راهکارها در حوزه ارتباطات بی‌سیم است که با بهره‌گیری از آنتن‌های متعدد، امکان افزایش ظرفیت، سرعت، و پایداری شبکه را فراهم می‌کند. این فناوری، از انتقال داده‌ها به‌صورت هم‌زمان در مسیرهای مختلف فضایی بهره می‌برد و از طریق تکنیک‌هایی مانند تنوع فضایی و چندپخشی فضایی، تجربه کاربری را بهبود می‌بخشد.