سیستم های چند ورودی چند خروجی

مقدمه
میمو یا مایمو (MIMO ) ، که عبارت اختصاری چند ورودی – چند خروجی (Multiple Input – Multiple Output) 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 برد لینک مخابراتی، 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. به عنوان مثال استاندارد هایی مانند IEEE n۸۰۲.۱۱ (وای فای Wifi) و 4G و 3GPP Long Term Evolution و وای‌مکس و HSPA+ از این فناوری بهره می برند. همچنین، فناوری مایمو شروع به سازگاری با سیستم های ارتباطی غیر بی سیم، نموده است. برای نمونه، استاندارد۹۹۶۳ ITU-T G. ، 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.

پیشینۀ مایمو
فناوری های بنیادی پیشین
اندیشه های نخستین در این زمینه به تلاش های A.R. Kaye و D.A. George در سال ۱۹۷۰ و W. van Etten در سال های ۱۹۷۵ و ۱۹۷۶ میلادی بر می گردد. Jack Winters و Jack Salz در سال های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۶ و در آزمایشگاه های Bell چندین مقاله پیرامون کاربرد های شكل دهي پرتو به چاپ رساندند.
بنیان
در سال ۱۹۹۳ Arogyaswami Paulraj و تامس کیلات مفهوم مالتی پلکس فاصله ای spatial multiplexing (به اختصار اس ام SM) را با بهره گیری از مایمو پیشنهاد دادند. شماره ثبت اختراع آنها، ۵٬۳۴۵٬۵۹۹ با موضوع مالتی پلکس فضایی، در سال ۱۹۹۴ صادر شده است و بر پخش بی سیم تکیه دارد. در سال ۱۹۹۶، Greg Raleigh و Gerard J. Foschini با ارائۀ شیوه های نوین و کارآمد خود، پیکره ای را پیشنهاد کردند که شامل مجموعه ای از چند آنتن در فرستنده بود تا توسط آن گذردهی داده ها به طور کارآمدی، افزایش یابد. مجموعۀ آزمایشگاهی بل در سال ۱۹۹۸، نخستین جایی بود که نمونۀ آزمایشگاهی مالتی پلکس فضایی را به نمایش گذاشت و نشان داد که مالتی پلکس فضایی، یک فناوری بنیادی، برای بهبود کارکرد سیستم های مخابراتی مایمو است.
استاندارد های بی سیم
از جنبه ی تجاری، در سال ۲۰۰۱، شرکت Iospan Wireless نخستین سیستم تجاری ای را پدید آورد که از مایمو به همراه فناوری تقسیم فرکانس متعامد با دسترسی چند گانه (اُ اف دی ام آ OFDMA) بهره می گرفت (MIMO-OFDMA). فناوری Iospan، هم از کدگذاری گونه گون (diversity coding) و هم از مالتی پلکس فضایی، پشتیبانی می کند. در سال ۲۰۰۵، شرکت Airgo Networks، پیشگامانه به پیاده سازی IEEE802.11 n پرداخت. به دنبال آن در سال ۲۰۰۶، چندین شرکت (از جمله Intel، برودکام و Marvell)، بر پایۀ یک پیش استاندارد برای استاندارد وای فای ۸۰۲.۱۱n، یک راه حل مایمو-OFDM عرضه نمودند. همچنین در سال ۲۰۰۶، شرکت های گوناگونی (Beceem Communications، Samsung، Runcom Technologies، etc)، به گسترش راه حل هایی بر پایۀ مایمو-OFDMA برای استاندارد IEEE E۸۰۲.۱۶، پرداختند که یک استاندارد پهن باند وای مکس برای تلفن های همراه است. همۀ سیستم های 4G آینده نیز، مایمو را به خدمت خواهند گرفت. چندین گروه پژوهشی نمونه های اولیه ای با بیش از ۱ گیگا بیت بر ثانیه به نمایش گذارده اند.

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 محوشدگی (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.
گونه های مایمو
گونه های چند آنتنه
تا کنون [فوریۀ ۲۰۱۱]، فناوری مایموی چند آنتنه (یا مایموی تک کاربره)، توسعۀ زیادی یافته است و در قالب برخی استاندارد ها، مانند محصولات ۸۰۲.11n، پیاده سازی شده است.
تک ورودی و تک خروجی (SISO)/تک ورودی و چند خروجی (SIMO)/چند ورودی و تک خروجی (MISO)، زیر گروه هایی از مایمو هستند.
چند ورودی و تک خروجی (MISO) این حالت هنگامی است که گیرنده، تنها یک آنتن داشته باشد.
تک ورودی و چند خروجی (SIMO) این حالت هنگامی است که فرستنده، تنها یک آنتن داشته باشد.
تک ورودی و تک خروجی (SISO) یک سیستم رادیویی است که در آن، نه فرستنده و نه گیرنده، هیچ کدام چند آنتنه، نیستند.
شیوه های پایه ای تک کاربره برای مایمو
مکان-زمان لایه ای آزمایشگاه های بل (BLASTبلست)، Gerard. J. Foschini (سال ۱۹۹۶)
کنترل نرخ به ازای هر آنتن (PARC)، کار Varanasi و Guess (سال ۱۹۹۸) و Chung و Huang و Lozano (سال ۲۰۰۱)
کنترل نرخ انتخابی به ازای هر آنتن (SPARC)، کار Ericsson (سال ۲۰۰۴)