MIMO (متعدد المدخلات والمخرجات المتعددة) هي تقنية تستخدم هوائيات متعددة لإرسال واستقبال الإشارات في مجال الاتصالات اللاسلكية. تُستخدم تقنية MIMO بشكل أساسي في مجال شبكة Wi-Fi (WiFi) والاتصالات المتنقلة، والتي يمكنها تحسين قدرة النظام والتغطية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل فعال. بشكل عام، M×N MIMO يعني وجود هوائيات M في الطرف المرسل وهوائيات N في الطرف المستقبل.
من سيسو إلى MIMO
SISO (مدخل فردي ومخرج فردي)
قبل تقديم MIMO، نحتاج إلى شرح ما هو SISO. SISO هو نظام إرسال واستقبال فردي، وهو نظام إدخال وإخراج فردي، والمسار بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال فريد، والإرسال عبارة عن إشارة واحدة. في الأنظمة اللاسلكية، نحدد كل إشارة على أنها تيار مكاني.
وبما أن المسار بين هوائيات الإرسال والاستقبال فريد من نوعه، فإن نظام الإرسال هذا لا يمكن الاعتماد عليه ومعدل الإرسال محدود.
SIMO (إدخال واحد ومخرجات متعددة)
من أجل تغيير عدم الموثوقية والوضع المقيد لـ SISO، تمت إضافة هوائي في المحطة، بحيث يمكن للطرف المستقبل استقبال إشارتين في نفس الوقت، أي إرسال واحد واستقبال المزيد. نظام النقل هذا عبارة عن مدخل واحد ومخرجات متعددة، أي SIMO.
على الرغم من وجود إشارتين، يتم إرسال الإشارتين من نفس هوائي الإرسال، وبالتالي فإن البيانات المرسلة هي نفسها، ولا يزال الإرسال إشارة واحدة فقط. وبهذه الطريقة، لا يهم إذا تم فقدان جزء من إشارة واحدة، طالما أن المحطة يمكنها استقبال البيانات الكاملة من الإشارة الأخرى. على الرغم من أن السعة القصوى لا تزال عبارة عن مسار واحد، إلا أن الموثوقية تضاعفت. ويسمى هذا النهج تنوع الاستقبال.
MISO (مخرج فردي متعدد المدخلات)
إذا غيرنا طريقة تفكيرنا في الأمر، ماذا سيحدث إذا قمنا بزيادة عدد هوائيات الإرسال إلى اثنين وحافظنا على عدد هوائيات الاستقبال إلى هوائي واحد؟
نظرًا لوجود هوائي استقبال واحد فقط، يجب في النهاية دمج المسارين في مسار واحد، مما يؤدي إلى أن هوائي الإرسال يمكنه فقط إرسال نفس البيانات، ولا يزال الإرسال عبارة عن إشارة واحدة فقط. يمكن أن يحقق هذا في الواقع نفس تأثير SIMO، ويسمى نظام النقل متعدد المدخلات والمخرجات الفردية، أو MISO. وتسمى هذه الطريقة أيضًا بتنوع الانبعاثات.
MIMO (مدخلات متعددة ومخرجات متعددة)
إذا تمت زيادة هوائي جهاز الإرسال والاستقبال إلى اثنين في نفس الوقت، فهل من الممكن إرسال إشارتين بشكل مستقل ومضاعفة المعدل؟ الجواب هو نعم، لأنه من التحليل السابق لـ SIMO و MISO فإن سعة الإرسال تعتمد على عدد الهوائيات على كلا الجانبين. ونظام الإرسال المتعدد متعدد الاستقبال هذا هو MIMO.
تسمح تقنية MIMO للهوائيات المتعددة بإرسال واستقبال إشارات متعددة في نفس الوقت، ويمكنها التمييز بين الإشارات المرسلة من أو إلى اتجاهات مكانية مختلفة. من خلال تكنولوجيا تعدد الإرسال والتنوع المكاني، يمكن تحسين سعة النظام والتغطية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء دون زيادة استهلاك عرض النطاق الترددي.
ما هي أنواع MIMO؟
MIMO هي تقنية تستخدم هوائيات متعددة لإرسال واستقبال الإشارات، وكانت تستخدم في الأصل لنقل البيانات إلى مستخدم واحد. ومع ذلك، مع تطور تكنولوجيا النقل متعدد المستخدمين، ظهرت مجموعة متنوعة من تقنيات MIMO متعددة المستخدمين على أساس MIMO. من أجل تسهيل التمايز، يُطلق على MIMO للمستخدم الواحد اسم SU-MIMO (MIMO للمستخدم الواحد). تتضمن تقنية MIMO متعددة المستخدمين بشكل أساسي الأنواع التالية.
MU-MIMO (MIMO متعدد المستخدمين): يسمح لجهاز الإرسال بإرسال البيانات إلى عدة مستخدمين في وقت واحد. بدأ معيار Wi-Fi 5 في دعم MU-MIMO لـ 4 مستخدمين، كما زاد معيار Wi-Fi 6 عدد المستخدمين إلى 8.
CO-MIMO (MIMO التعاونية): يتم تشكيل أجهزة لاسلكية متعددة في نظام افتراضي متعدد الهوائي لتحقيق النقل المتزامن للبيانات بين أجهزة الإرسال المجاورة ومستخدمين متعددين.
MIMO ضخمة: تعمل تقنية الهوائي واسع النطاق على تحسين عدد الهوائيات بشكل كبير، حيث يستخدم MIMO التقليدي عمومًا من 2 إلى 8 هوائيات، بينما يمكن أن يصل Massive MIMO إلى 64/128/256 هوائيًا. يمكنه تحسين قدرة النظام وكفاءة النقل بشكل كبير، وهو التكنولوجيا الرئيسية للاتصالات المتنقلة 5G.
بشكل عام، يمكن تصنيف تقنية MIMO متعددة المستخدمين على أنها تقنية MIMO، ولكن عندما نشير إلى MIMO، فإننا نشير عادةً إلى مفهوم MIMO التقليدي، وهو SU-MIMO.
كيف يعمل MIMO في شبكة Wi-Fi؟
وفي مجال الواي فاي، تم تقديم تقنية MIMO بدءًا من معيار Wi-Fi 4 (802.11n). يستخدم MIMO بشكل أساسي تقنيتين رئيسيتين: تنوع الفضاء وتعدد الإرسال بتقسيم الفضاء. سواء كانت تقنية التنوع أو تقنية تعدد الإرسال، فهي تقنية تحول البيانات الواحدة إلى بيانات متعددة، والتي يمكن تصنيفها على أنها تقنية تشفير الزمكان.
التنوع المكاني
تتمثل فكرة تقنية التنوع المكاني في إنشاء إصدارات مختلفة من نفس تدفق البيانات، وترميزها وتعديلها في هوائيات مختلفة، ثم نقلها. يمكن أن يكون دفق البيانات هذا هو دفق البيانات الأصلي المراد إرساله، أو يمكن أن يكون دفق بيانات جديدًا تم تشكيله بعد تحويل رياضي معين لتدفق البيانات الأصلي. يستخدم جهاز الاستقبال المعادل الفضائي لفصل الإشارة المستقبلة، ثم إزالة التشكيل وفك التشفير، والجمع بين الإشارات المختلفة المستقبلة لنفس دفق البيانات لاستعادة الإشارة الأصلية. تتيح تقنية التنوع المكاني نقل بيانات أكثر موثوقية.
يعمل التنوع المكاني على تحسين موثوقية نقل البيانات بشكل فعال وينطبق على السيناريوهات التي تكون فيها مسافة الإرسال طويلة والمعدل ليس مرتفعًا.
مضاعفة تقسيم الفضاء
تعني تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء أن البيانات التي سيتم إرسالها مقسمة إلى تدفقات بيانات متعددة، والتي يتم تشفيرها وتعديلها بواسطة هوائيات مختلفة، ثم يتم إرسالها، وذلك لتحسين معدل إرسال النظام. الهوائيات مستقلة عن بعضها البعض، والهوائي يعادل قناة مستقلة، ويستخدم جهاز الاستقبال معادل مساحة لفصل الإشارة المستقبلة، ثم يتم إزالة تشكيلها وفك تشفيرها ودمج العديد من تدفقات البيانات لاستعادة الإشارة الأصلية.
يعمل تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء على تحسين معدل نقل البيانات بشكل فعال، وهو مناسب للسيناريوهات ذات مسافات الإرسال القصيرة ومتطلبات السرعة العالية.
ما هو M×N MIMO؟
في مواصفات منتجات WLAN، عادة ما ترى مؤشر M×N MIMO، مكتوب أيضًا MTNR، ما معنى هذا المؤشر؟ في الواقع، يتم استخدامه لتمثيل عدد هوائيات MIMO، ويمثل M عدد الهوائيات على جانب الإرسال، ويمثل N عدد الهوائيات على جانب الاستقبال. على سبيل المثال، 4×3 MIMO يعني إرسال أربعة هوائيات واستقبال ثلاثة هوائيات.
يمكن لمعظم أجهزة التوجيه اللاسلكية المنزلية الموجودة في السوق رؤية عدة هوائيات، وغالبًا ما يدعم هوائي واحد الاستقبال والإرسال، لذلك يمكنك ببساطة الحكم وفقًا لعدد الهوائيات، فعدد الهوائيات هو قيمة M وN. على سبيل المثال، يمكن اعتبار جهاز التوجيه اللاسلكي المزود بـ 4 هوائيات 4x4 MIMO، وبطبيعة الحال، تسود مواصفات المنتج المحددة. كلما زاد عدد الهوائيات، زاد الأداء، وكلما زاد السعر.
في نظام MIMO، إذا كان عدد هوائيات الاستقبال والاستقبال غير متساوٍ، فإن عدد التدفقات المكانية التي يمكن إرسالها يكون أقل من أو يساوي عدد الهوائيات الأصغر في طرف الاستقبال/الإرسال. على سبيل المثال، يمكن لنظام MIMO 4×4 (4T4R) إرسال أربعة تدفقات مكانية أو أقل، بينما يمكن لنظام MIMO 3×2 (3T2R) إرسال تيارين مكانيين أو واحد.
في التطبيقات العملية، تميل أجهزة aps إلى امتلاك عدد أكبر من الهوائيات، تتراوح من 4 هوائيات إلى 16 هوائيًا، لكن المحطات الطرفية (مثل الهواتف المحمولة) عادةً ما تحتوي على هوائيات 1-2 فقط. حتى لو كانت تقنية الهوائي تتحسن باستمرار، ولكنها محدودة بحجم المنتج الطرفي، حتى لو كانت قادرة على استيعاب 1-2 هوائيات، فهي أقل بكثير من عدد هوائيات AP، مما يعني أن عدد الهوائيات المكانية التدفقات التي يمكن إرسالها محدودة بواسطة المحطة، مما يؤدي إلى حقيقة أن معدل الزيادة في عدد التدفقات المكانية لا يمكن الاستمتاع به بالكامل، مما يؤدي إلى إهدار موارد الهوائي على AP. ولحسن الحظ، ظهرت تقنية MIMO متعددة المستخدمين وحلت هذه المشكلة، مثل MU-MIMO، التي تسمح لنقطة الوصول بإرسال إشارات بمحطات متعددة في نفس الوقت، كما أن العدد الإجمالي للهوائيات للمحطات المتعددة يساوي عدد هوائيات AP، بحيث يمكن تشغيل قدرة AP بشكل كامل.
