خصائص سعة قناة تقنية المدخلات والمخرجات المتعددة MIMO

توفر أنظمة المدخلات المتعددة والمخرجات متعددة (MIMO) تحسينات كبيرة من حيث معدل البيانات وسعة القناة مقارنة بالأنظمة التقليدية، ومع ذلك فإن الارتباط يحط من أداء النظام ويفرض قيودًا عملية على عدد الهوائيات التي يمكن دمجها في الأجهزة اللاسلكية المحمولة، ويُعد استخدام الهوائيات الطفيلية المبدلة (SPA) حلاً ممكنًا خاصةً عندما يكون من الصعب الحصول على ارتباط مناسب كافٍ للإشارة بالوسائل التقليدية.

ما هي خصائص سعة قناة MIMO

تستخدم أنظمة متعددة المدخلات ومخرجات متعددة (MIMO) هوائيات إرسال واستقبال متعددة لتحسين سعة القناة ومعدلات البيانات باستخدام تعدد الإرسال، ودون زيادة قدرة الإرسال أو عرض النطاق الترددي وتأتي تحسينات الأداء، التي تم الحصول عليها من خلال تقنيات (MIMO) على حساب تنفيذ هوائيات متعددة تشغل مساحة أكبر وتتطلب طاقة أعلى.

كما أنّه يزيد من تعقيد الأجهزة لمعالجة الإشارات متعددة الأبعاد، وعلى الرغم من أنّ أنظمة (MIMO) قادرة على توفير معدلات البيانات المتوقعة نظريًا، إلّا أنّه غالبًا ما يكون غير ممكن عمليًا بسبب الارتباط المكاني بين الهوائيات، حيث يتطلب توليد تدفقات مكانية متعددة مسارات غير مرتبطة لكل تدفق عبر وسيط الانتشار بحيث تصل التدفقات الفردية في المستقبل مع تواقيع مكانية مميزة بدرجة كافية.

يتمثل أحد الحلول لكل هذه المشكلات في استخدام هوائيات ذات أنماط إشعاع مختلفة باستخدام هوائيات طفيلية مبدلة (SPAs)، ممّا يجعل تنوع الأنماط مناسباً في تصميم محطات مستخدم صغيرة لأنظمة اتصالات (MIMO)، كما أنّه في أجهزة الاتصال المحمولة يقلل استخدام (SPA) من التكلفة واستهلاك الطاقة وتعقيد الأجهزة.

ملاحظة:“MIMO” هي اختصار لـ “multiple input, multiple output”. 

ملاحظة:“SPA” هي اختصار لـ “Switched parasitic antennas”. 

مبدأ عمل سعة قناة MIMO

يعتمد مبدأ عمل (MIMO) باستخدام (SPA) على الاقتران الكهرومغناطيسي بين جميع العناصر ويتم التحكم في نمط الحزمة عن طريق تبديل أحمال العناصر الداخلة، وفي (MIMO-SPA) يتم توصيل عدد قليل من العناصر النشطة بسلاسل (RF)، وهي محاطة ببعض العناصر الطفيلية المنتهية بأحمال الممانعات، ومن خلال تعديل أحمال الممانعة التي يمكن التحكم فيها يمكن ضبط العناصر الطفيلية داخل وخارج الرنين.

هذه الهوائيات قادرة على تغيير خصائص الإشعاع الخاصة بها ديناميكيًا عن طريق مفاتيح التردد الراديوي المستخدمة لتغيير التوزيع الحالي على بنية صفيف الهوائي، وبالتالي من الممكن تحسين قدرة الإشارة المستقبلة بطريقة مماثلة لمصفوفات تشكيل الحزمة.

ملاحظة: “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”. 

مشاكل تنوع سعة قناة MIMO

في (MIMO-SPAs) العناصر الطفيلية قادرة على أخذ عينات من المجال الكهرومغناطيسي في مساحة أوسع بكثير مقارنة بأنظمة (MIMO) التقليدية المصنوعة من العناصر النشطة فقط، حيث تساعد هذه التقنية في تحقيق الخبو المستقل عن طريق إرسال أو استقبال مسارات إشارة مختلفة في كل هوائي.

تسمح هوائيات تنوع النمط بعدد من المخططات غير المرتبطة لكل عنصر هوائي لضبط القناة اللاسلكية على النحو الأمثل لتحقيق أعلى كفاءة طيفية، ولديهم أنماط إشعاع متنوعة بزوايا مناسبة وأظهرت العديد من الدراسات لأنظمة (MIMO) فوائد تنوع الأنماط من خلال القياسات العملية مع تصميمات الصفيف، والتي تستخدم (SPA).

ومن ناحية أخرى، فإنّ التعديل الدقيق لمخططات الإشعاع للهوائيات المختلفة لديه القدرة على تقليل ارتباط القنوات وتحسين كسب تعدد الإرسال، ومن خلال تحديد تكوين المصفوفة بشكل صحيح باستخدام (SPAs) من الممكن اختيار سيناريو القناة الذي يسمح بأعلى معدل نقل في أنظمة الاتصالات اللاسلكية (MIMO).

تشتمل قناة (MIMO) بشكل عام على بيئة الانتشار فضلاً عن تصميمات صفيف هوائي الإرسال والاستقبال المادية، حيث يمكن للتغييرات في أي من هذه الأنظمة الفرعية أن تؤثر بشكل كبير على سعة القناة وتسمح أنظمة (MIMO) بنمو معدل الإرسال الخطي من حيث الحد الأدنى لعدد الهوائيات، في كل طرف من الوصلة اللاسلكية.

ويعتمد تحسين الأداء هذا بشدة على جودة معلومات حالة القناة (CSI) المتوفرة في جهاز الإرسال ووصلات المتلقي، حيث يمكن تحقيق أفضل أداء عندما تكون (CSI) كاملة ومثالية على طرفي ارتباط الاتصال ومع ذلك فإنّ هذا غير ممكن عمليًا، لا سيما في جانب المرسل بسبب التغذية المرتدة ومتطلبات النطاق الترددي ومع ذلك يمكن تحقيق ذلك بمعرفة مصفوفة التغاير ويمكن إعادته إلى جهاز الإرسال.

ملاحظة:“CSI” هي اختصار لـ “channel state information”. 

ما هي خاصية انتشار القيمة الذاتية في نظام MIMO

إنّ انتشار القيمة الذاتية (EVS) لمصفوفة التغاير هو المؤشر الأكثر استخدامًا للانتقائية المكانية لتقدير الروابط المكانية الفعالة الممكنة داخل نظام (MIMO)، والمقياسات المهمة لقناة (MIMO) القائمة على القيم الذاتية هي الرتبة ورقم الشرط (CN)، وتكشف عن خصائص نظام (MIMO) المهمة في المجال المكاني وتشير رتبة مصفوفة الإرسال إلى عدد تدفقات البيانات التي يمكن مضاعفة إرسالها مكانيًا على ارتباط (MIMO).

ومع ذلك فإنّه لا يعطي أي إشارة إلى جودة مصفوفة القناة سواء كانت قناة جيدة التكييف أو سيئة، وتشير (CN) إلى جودة القناة وترتبط بالمعدل (EVS) لمصفوفة القناة، كما تشير قيمة (EVS) العالية إلى أنّ القناة مرتبطة برقم حالة مرتفع ويشار إلى ذلك بمصفوفة قناة غير مشروط.

وبالتالي فإن الاختلافات الصغيرة في معاملات القناة ستؤدي إلى اختلافات جذرية في جانب المستقبِل ممّا يجعل النظام غير مستقر، ويستخدم معظم العمل البحثي (CN) كمعيار اختيار لعدة أغراض ويستخدم (CN) للتبديل بين أنماط مختلفة من الهوائيات الدائرية القابلة لإعادة التشكيل، وبالنسبة لخطة التشكيل التكيفية.

للحصول على الانتقائية المكانية للقناة، يتم استخدام (CN) العادي لتقييم جودة مصفوفة القناة لأنّها توفر بعض الأهمية بشأن جودة القناة، وبالتالي يمكن أن تشير (CN) إلى جودة قناة (MIMO) لجهاز الإرسال باستخدام عدد أقل من البتات ويمكنها التغلب على متطلبات عرض النطاق الترددي.

آلية التغذية الراجعة في قناة نظام MIMO

يمكن تصميم آلية التغذية الراجعة بشكل أكثر صرامة وتكون أكثر جدوى في الممارسة إذا كان السلوك الديناميكي للقيم ​​معروفًا إحصائيًا، وفي حالة عدم وجود (CSI) عند المرسل فإنّ أفضل استراتيجية لتوزيع القدرة هي توزيع القدرة بالتساوي عبر الهوائيات، وفي نظام نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية (SNR) يمكن تحقيق سعة أكبر إذا كانت القيم الذاتية أقل انتشارًا.

ومع ذلك في نظام منخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) فإنّ الطريقة المثلى هي إدخال الطاقة في أقوى قيمة ذاتية فقط، كما في حالة تشكيل الحزمة وباستخدام “خوارزمية (WPA)” يمكن تحقيق سعة القناة إذا كانت طاقة الإرسال الموزعة على القيم ​​تعتمد على جودة القناة.

على الرغم من أنّ تقنية (MIMO) تعمل على تحسين معدل الإرسال وتوفر اتصالات موثوقة إلّا أنّ هذه المزايا تأتي بتكلفة عالية، حيث يجب استخدام سلاسل ترددات لاسلكية متعددة (RF)، ولذلك لا يزال التنفيذ الفعال من حيث التكلفة لأنظمة (MIMO) يمثل تحديًا مهمًا.

في النهاية، يتم استخدام أنظمة الاتصالات متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) اهتمامًا كبيرًا بسبب تحسينات السعة والأداء دون زيادة عرض النطاق الترددي المطلوب أو قدرة الإرسال.