اقرأ في هذا المقال
يوجد عدد من تكوينات أو تنسيقات (MIMO) المختلفة التي يمكن استخدامها، وهي (SISO وSIMO وMISO وMIMO)، كما توفر تنسيقات (MIMO) المختلفة مزايا وعيوب مختلفة، بحيث يمكن موازنة ذلك لتوفير الحل الأمثل لأي تطبيق معين، وتتطلب تنسيقات (MIMO) المختلفة أعداداً مختلفة من الهوائيات بالإضافة إلى مستويات مختلفة من التعقيد، كما قد تكون المعالجة مطلوبة في أحد طرفي الارتباط أو في الطرف الآخر، ويمكن أن يكون لذلك تأثير على أي قرارات يتم اتخاذها.
ما هي تقنية MIMO اللاسلكية؟
تقنية متعددة المدخلات متعددة المخرجات (MIMO): هي تقنية اتصالات لاسلكية أو تقنية (RF) يتم ذكرها واستخدامها في العديد من التقنيات الجديدة هذه الأيام، وهي تقنية لاسلكية تستخدم أجهزة إرسال واستقبال متعددة لنقل المزيد من البيانات في نفس الوقت، كما أنّ جميع المنتجات اللاسلكية مع (802.11n) تدعم (MIMO)، وتساعد هذه التقنية في السماح لـ (802.11n) بالوصول إلى سرعات أعلى من المنتجات التي لا تحتوي على (802.11n).
تستخدم واي فاي (Long Term Evolution) والعديد من تقنيات الراديو واللاسلكية و(RF) تقنية (MIMO) اللاسلكية الجديدة لتوفير سعة ارتباط متزايدة وكفاءة طيفية مقترنة بتحسين موثوقية الارتباط باستخدام ما كان يُنظر إليه على أنّه مسارات تداخل.
تطوير وتاريخ MIMO:
تم تطوير تقنية (MIMO) على مدار سنوات عديدة، ولم يقتصر الأمر على ضرورة صياغة مفاهيم (MIMO) الأساسية، ولكن بالإضافة إلى ذلك كانت هناك حاجة إلى تطوير تقنيات جديدة لتمكين تنفيذ (MIMO) بالكامل، كما كانت هناك حاجة إلى مستويات جديدة من المعالجة للسماح ببعض ميزات تعدد الإرسال المكاني وكذلك للاستفادة من بعض مكاسب التنوع المكاني.
حتى التسعينيات، كان التنوع المكاني غالباً يقتصر على الأنظمة التي تقوم بالتبديل بين هوائيين أو دمج الإشارات لتوفير أفضل إشارة، كما تم تنفيذ أشكال مختلفة من تبديل الحزمة ولكن في ضوء مستويات المعالجة المعنية ودرجات المعالجة المتاحة، كانت الأنظمة بشكل عام محدودة نسبياً، ولكن مع المستويات الإضافية لقوة المعالجة التي بدأت في التوفر، كان من الممكن استخدام كل من التنوع المكاني وتعدد الإرسال المكاني الكامل.
ركز العمل الأولي على أنظمة (MIMO) على التنوع المكاني الأساسي، كما تم استخدام نظام (MIMO) للحد من التدهور الناجم عن الانتشار متعدد المسيرات، وكانت هذه هي الخطوة الأولى فقط حيث بدأ النظام بعد ذلك في الاستفادة من الانتشار متعدد المسيرات وتحويل مسارات الإشارة الإضافية إلى ما يمكن اعتباره فعلياً قنوات إضافية لنقل بيانات إضافية.
كما كان الباحثان (Arogyaswami Paulraj وThomas Kailath) أول من اقترح استخدام مضاعفة الإرسال المكاني باستخدام (MIMO) في عام 1993م، ومع ذلك فقد كان على شركة (Bell Labs) أن تكون أول من أظهر نموذجاّ أولياً للمختبر لتعدد الإرسال المكاني في عام 1998م.
أساسيات MIMO:
قد تتأثر القناة بالخبو وهذا سيؤثر على نسبة الإشارة إلى الضوضاء، كما سيؤثر هذا بدوره على معدل الخطأ بافتراض إرسال البيانات الرقمية، أمّا مبدأ التنوع هو تزويد المستقبل بإصدارات متعددة من نفس الإشارة، بحيث إذا كان من الممكن جعلها تتأثر بطرق مختلفة بمسار الإشارة فإنّ احتمالية تأثرها جميعاً في نفس الوقت تقل بشكل كبير، كما يساعد التنوع على استقرار الارتباط وتحسين الأداء، ممّا يقلل من معدل الخطأ.
1. تنوع الوقت – Time diversity:
باستخدام تنوع الوقت يمكن إرسال رسالة في أوقات مختلفة، فعلى سبيل المثال باستخدام فترات زمنية مختلفة وتشفير القنوات.
2. تنوع التردد – Frequency diversity:
يستخدم هذا النوع من التنوع ترددات مختلفة، كما قد يكون في شكل استخدام قنوات مختلفة أو تقنيات مثل انتشار الطيف (OFDM).
3. تنوع الفضاء – Space diversity:
يستخدم تنوع الفضاء بأوسع معاني التعريف كأساس لـ (MIMO)، وهي تستخدم هوائيات موجودة في مواقع مختلفة للاستفادة من المسارات الراديوية المختلفة الموجودة في بيئة أرضية نموذجية.
تُعد (MIMO) تقنية فعالة للهوائي الراديوي حيث تستخدم هوائيات مختلفة ومتعددة في المرسل والمستقبل لتمكين مجموعة متنوعة من مسارات الإشارة لحمل البيانات، واختيار مسارات منفصلة لكل هوائي لتمكين استخدام مسارات إشارة متعددة.
إحدى الأفكار الأساسية وراء معالجة إشارة المكان للأنظمة اللاسلكية هي (MIMO)، حيث يتم استكمال الوقت البعد الطبيعي لبيانات الاتصال الرقمي بالبعد المكاني المتأصل في استخدام هوائيات متعددة موزعة مكانياً، أي استخدام هوائيات متعددة موجودة في نقاط مختلفة، وفقاً لذلك يمكن اعتبار أنظمة (MIMO) اللاسلكية امتداداً منطقياً للهوائيات الذكية التي تم استخدامها لسنوات عديدة لتحسين الاتصال اللاسلكي.
كما أنّ المسارات المتعددة تعمل فقط على إدخال التداخل، وباستخدام (MIMO) يمكن استخدام هذه المسارات الإضافية للاستفادة منها، كما يمكن استخدامها لتوفير متانة إضافية للوصلة الراديوية عن طريق تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء أو عن طريق زيادة سعة بيانات الارتباط.
التنسيقات الرئيسية لـ MIMO:
1. التنوع المكاني – Spatial diversity:
غالباً ما يشير التنوع المكاني المستخدم بهذا المعنى الضيق إلى إرسال واستقبال التنوع، كما تُستخدم هاتان المنهجيتان لتوفير تحسينات في نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وتتميزان بتحسين موثوقية النظام فيما يتعلق بأشكال الخبو المختلفة.
2. تعدد الإرسال المكاني – Spatial multiplexing:
يستخدم هذا الشكل من (MIMO)، للعما على توفير سعة بيانات زائدة من خلال استخدام المسارات المختلفة لنقل حركة إضافية أي زيادة قدرة نقل البيانات.
تكوينات MIMO:
1. ناتج واحد مدخل واحد – SISO:
يمكن تعريف أبسط شكل من أشكال الارتباط الراديوي بمصطلحات (MIMO)، مثل (SISO) حيث أنّ هذه قناة راديو قياسية بشكل فعال، حيث يعمل هذا المرسل بهوائي واحد كما هو جهاز الاستقبال، ولا يوجد تنوع ولا تتطلب معالجة إضافية.
ميزة نظام (SIS) هي بساطته، ولا تتطلب (SISO) أي معالجة من حيث الأشكال المختلفة للتنوع التي يمكن استخدامها، ومع ذلك فإنّ قناة (SISO) محدودة في أدائها وسيؤثر التداخل والخبو على النظام أكثر من نظام (MIMO) الذي يستخدم شكلاً من أشكال التنوع، كما أنّ عرض نطاق القناة مقيد بقانون شانون حيث تعتمد الإنتاجية على عرض نطاق القناة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء.
2. مدخلات واحدة متعددة النواتج – SIMO:
يحدث إصدار (SIMO) أو (Single Input Multiple Output) من (MIMO) حيث يحتوي جهاز الإرسال على هوائي واحد ويكون للمستقبل هوائيات متعددة، ويُعرف هذا باسم تنوع الاستلام وغالباً ما يستخدم لتمكين نظام استقبال يستقبل إشارات من عدد من المصادر المستقلة لمكافحة آثار الخبو، ولقد تم استخدامه لسنوات عديدة مع محطات الاستماع أو الاستقبال على الموجات القصيرة لمكافحة آثار الخبو والتداخل في الغلاف الجوي المتأين.
تتمتع (SIMO) بميزة أنّها سهلة التنفيذ نسبياً على الرغم من أنّ لها بعض العيوب من حيث أنّ المعالجة مطلوبة في جهاز الاستقبال، وقد يكون استخدام (SIMO) مقبولاً تماماً في العديد من التطبيقات ولكن في حالة وجود جهاز الاستقبال في جهاز محمول مثل الهاتف المحمول، قد تكون مستويات المعالجة محدودة بالحجم والتكلفة واستنزاف البطارية.
أنواع SIMO:
- تنوع مبدّل (SIMO): يبحث هذا النوع من (SIMO) عن أقوى إشارة ويتحول إلى هذا الهوائي.
- أقصى نسبة تجمع بين (SIMO): يأخذ هذا الشكل من (SIMO) كلاً من الإشارات ويجمعها لإعطاء تركيبة، وبهذه الطريقة تساهم الإشارات من كلا الهوائيين في الإشارة الإجمالية.
3. متعددة المدخلات وانتاج واحد – MISO:
يُطلق على (MISO) تنوع الإرسال، كما يتم إرسال نفس البيانات بشكل متكرر من هوائيي الإرسال، وعندئذٍ يكون جهاز الاستقبال قادراً على استقبال الإشارة المثلى التي يمكنه استخدامها بعد ذلك لاستخراج البيانات المطلوبة.
تتمثل ميزة استخدام (MISO) في أنّ الهوائيات المتعددة والتشفير أو معالجة التكرار يتم نقلهما من المستقبل إلى المرسل، وفي حالات مثل (UEs) للهواتف المحمولة يمكن أن يكون هذا ميزة كبيرة من حيث المساحة للهوائيات وتقليل مستوى المعالجة المطلوبة في المستقبل لتشفير التكرار، وهذا له تأثير إيجابي على الحجم والتكلفة وعمر البطارية؛ لأنّ المستوى الأدنى للمعالجة يتطلب استهلاكاً أقل للبطارية.
4. إنتاج متعدد المدخلات – MIMO:
في حالة وجود أكثر من هوائي واحد في أي من طرفي الارتباط الراديوي، يُطلق على ذلك اسم (MIMO) ناتج متعدد المدخلات، كما يمكن استخدام (MIMO) لتوفير تحسينات في كل من متانة القناة وكذلك معدل نقل القناة، ومن أجل التمكن من الاستفادة الكاملة من (MIMO) فمن الضروري أن تكون قادراً على استخدام التشفير على القنوات لفصل البيانات عن المسارات المختلفة، كما يتطلب هذا معالجة ولكنّه يوفر قوة إضافية للقناة أو سعة نقل البيانات.
هناك العديد من تنسيقات (MIMO) التي يمكن استخدامها من (SISO) عبر (SIMO وMISO) إلى أنظمة (MIMO) الكاملة، كما أنّها كلها قادرة على تقديم تحسينات كبيرة في الأداء ولكن بشكل عام على حساب المعالجة الإضافية وعدد الهوائيات المستخدمة، ويجب إجراء موازنة الأداء مقابل التكاليف والحجم والمعالجة المتاحة وعمر البطارية الناتج عند اختيار الخيار الصحيح.
نتيجةً لاستخدام هوائيات متعددة، فإنّ تقنية (MIMO) اللاسلكية قادرة على زيادة سعة قناة معينة بشكل كبير مع استمرار الامتثال لقانون شانون، ومن خلال زيادة عدد هوائيات الاستقبال والإرسال يمكن زيادة إنتاجية القناة خطياً مع إضافة كل زوج من الهوائيات إلى النظام، ممّا يجعل تقنية (MIMO) اللاسلكية واحدة من أهم التقنيات اللاسلكية التي تم توظيفها في السنوات الأخيرة.
ونظراً لأنّ عرض النطاق الطيفي أصبح سلعة أكثر قيمة لأنظمة الاتصالات الراديوية، فهناك حاجة إلى تقنيات لاستخدام عرض النطاق الترددي المتاح بشكل أكثر فعالية، كما تُعد تقنية (MIMO) اللاسلكية إحدى هذه التقنيات.
