Technologie MIMO – Vícecestného vstupu a výstupu signálu (Multiple In – Multiple Out) - byla zavedena s cílem zvýšit kapacitu a kvalitu bezdrátových sítí. Technologie je známa delší dobu, dnes se s ní běžně setkáváme ve WiFi sítích – zařízení, která mají více antén. Základní úvaha je jednoduchá: pokud může zařízení vysílat z více antén a na více anténách signál přijímat, bude možné si vybrat lepší kvalitu signálu, případně se snažit o rekonstrukci dat. Je to možné díky vícecestnému odrazu, kdy do antény přijímače dorazí nejenom původní signál, ale i jeho odrazy od překážek, které jsou časově zpomaleny a fakticky se projevují jako šum. Do toho přidejme jinou komunikaci sousedních zařízení (plus jejich odrazy) a je jasné, že nějaká snaha šum odfiltrovat bude prospěšná. Což je to, o co se MIMO účinně snaží.
Jen pro pořádek připomenu, že integraci MIMO do uživatelského terminálu (aka mobilky aka UE) nemusíte na první pohled poznat, nejsou to dvě antény trčící z mobilu, ale spíše dvě integrované antény na opačných koncích telefonu nebo dokonce jedna rozdělená na dvě poloviny, jelikož s ohledem na vlnovou délku už těch pár centimetrů udělá své. Na základnové stanici se používá koncept dvou vertikálně polarizovaných antén vzdálených minimálně 10 lambda (cca 1,4 m) nebo jedna anténa s polarizační diverzitou posunutou o 45 stupňů.
Proces vícecestného šíření signálu lze znázornit pomocí následujícího schématu:
graph TD
A[Zdroj signálu] -->|Přímá cesta| B[Anténa přijímače]
A -->|Odražená cesta 1| C[Budova] --> B
A -->|Odražená cesta 2| D[Strom] --> B
A -->|Odražená cesta 3| E[Terén] --> B
Tímto způsobem technologie MIMO využívá tyto údalosti pro prostorové multiplexování a zlepšení kvality přenosu dat. dříve představovalo šum, a proměnit ho v užitečné datové proudy.
MIMO v Release 7: Základní koncepty
První implementace MIMO v mobilních sítích byla součástí HSPA+ Release 7. Zahrnovala konfiguraci 2x2 MIMO, tedy dvě antény na základnové stanici a dvě na uživatelském zařízení (UE). Technologie D-TxAA (Double Transmit Antenna Array) umožnila přenos dvou nezávislých datových proudů, což vedlo k teoretické přenosové rychlosti až 28 Mb/s v downlinku. MIMO bylo omezeno na downlink a neaplikovalo se na uplink.
LTE Release 8: Rozšíření MIMO
LTE Release 8 přineslo širší využití MIMO, včetně podpory 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation) spolu s 2x2 MIMO. Tento release zavedl pokročilé metody zpracování signálu, včetně precodingu a zpětné vazby od uživatelských zařízení pomocí PCI (Precoding Control Information) a CQI (Channel Quality Indicator).
LTE Release 9–12: Vyšší kapacita a beamforming
Beamforming: Směrování signálu pro vyšší efektivitu
Beamforming, nebo-li vícenásobné směrování signálu, je technologie využívaná k efektivnímu směrování signálu pomocí anténní matice. Umožňuje zesílit signál ve směru požadovaného uživatele a minimalizovat interferenci v jiných směrech. Beamforming existuje ve dvou hlavních formách – analogový a digitální.
Analogový beamforming směruje signál na úveru analogového zpracování, kdy je upravován fázový posun a amplituda signálů před jejich zesílením. Tento přístup je jednodušší na implementaci a energeticky účinnější, ale omezuje možnost obsluhy více uživatelů současně. V raných fázích LTE (Release 9) byl používán pro směrování signálu na okraje buněk.
Digitální beamforming zpracovává signály na úveru digitálních procesorů (DSP), což umožňuje vícenásobné směrování signálů a jejich optimalizaci pro každého uživatele zvlášť. Tento přístup je vysoce flexibilní a podporuje obsluhu více uživatelů, ale je náročnější na hardware a spotřebu energie. Poprvé byl zaveden v LTE-Advanced (Release 10) a stál se základem pro moderní sítě 5G (Release 15 a vyšší).
Postupný vývoj beamformingu v rámci LTE a 5G zahrnuje:
- Release 9: Zavedení kombinace beamformingu a MIMO, které zlepšilo signálovou kvalitu na okrajích buněk. Používal se především analogový beamforming.
- Release 10 (LTE-Advanced): Podpora digitálního beamformingu, který umožnil vícenásobné směrování signálu a jeho přizpůsobení každému uživateli. Konkrétně jde o podporu konfigurací až 4x4 MIMO v downlinku a 2x2 MIMO v uplinku.
- Release 11–12: Pokrok ve využití koordinovaného MIMO (CoMP - Coordinated Multipoint) a zlepšení zpracování interferencí.
- Release 13 (LTE-Advanced Pro): Hybridní beamforming kombinoval analogové a digitální metody pro vyšší flexibilitu.
- Release 15 a vyšší (5G): Zavedení pokročilého digitálního beamformingu ve spojitosti s masivním MIMO a podporou vysokých frekvenčních pásem (např. mmWave).
LTE-Advanced Pro a 5G (Release 13–16)
S příchodem LTE-Advanced Pro (Release 13) a 5G (Release 15 a dále) technologie MIMO dosáhla nových výšin:
- Massive MIMO: Nasazení masivního MIMO umožnilo konfigurace s desítkami až stovkami antén, přinášející zlepšení hustoty a výkonu sítě.
- Beamforming: Zavedení digitálního beamformingu umožnilo přesnější směrování signálu.
- Full-Dimension MIMO (FD-MIMO): Rozšíření MIMO na všechny směry, včetně vertikálního paprsku.
Současný vývoj a Release 17–19
Moderní standardy 5G, jako Release 17 a Release 18, integrují umělou inteligenci pro optimalizaci MIMO systémů. Tyto technologie zahrnují:
- Algoritmy řízení spektra: Automatizace výběru beamů a dynamického přizpůsobení kanálů.
- Kooperativní MIMO: Sdílení informací mezi základnovými stanicemi pro vyšší efektivitu.
Role společností ve vývoji
- Huawei a ZTE: Přispěly k vývoji FD-MIMO a pokročilých beamformingových algoritmů.
- Qualcomm: Zajistil průlomové technologie precodingu a koordinovaného MIMO.
- Ericsson a Nokia: Podílely se na masivním MIMO a integraci sítě s nízkou latencí.
Budoucí směřování
Další vývoj zahrnuje integraci MIMO s novými frekvenčními pásmy (např. mmWave) a využití integrovaného smyslového a komunikačního systému v rámci 6G.
| 