ميمو

هناك أجزاء من هذه المقالة (تلك المتعلقة بشبكة الجيل الخامس) تحتاج إلى التحديث . يرجى المساعدة في تحديث هذه المقالة لتعكس الأحداث الأخيرة أو المعلومات المتوفرة حديثًا. ( فبراير 2019 )

جزء من سلسلة عن
الهوائيات
أنواع شائعة ثنائي القطب كسورية حلقة احادي القطب طبق القمر الصناعي تلفزيون سوط
عناصر بالون محول كتلة كابل محوري موازنة (نظام الأرض) يٌطعم خط التغذية محول خفض الضوضاء المنخفض مشع سلبي المتلقي محور دوار كعب جهاز الإرسال الموالف الرصاص المزدوج
الأنظمة مزرعة الهوائيات راديو الهواة الشبكة الخلوية نقطة اتصال الشبكة اللاسلكية البلدية راديو أبراج وأبراج الراديو واي فاي لاسلكي
السلامة والتنظيم إشعاعات الأجهزة اللاسلكية والصحة الأجهزة الإلكترونية اللاسلكية والصحة الاتحاد الدولي للاتصالات ( لوائح الراديو ) المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية
مصادر الإشعاع/المناطق خط البصر السحابة البؤرية مستوى الارض الفص الرئيسي المجال القريب والبعيد الفص الجانبي المستوى العمودي
صفات كسب المصفوفة الاتجاهية كفاءة الطول الكهربائي نصف القطر المكافئ عامل معادلة انتقال فريس يكسب ارتفاع نمط الإشعاع مقاومة الإشعاع انتشار الراديو طيف الراديو نسبة الإشارة إلى الضوضاء انبعاث زائف
التقنيات توجيه الشعاع إمالة الشعاع تشكيل الشعاع خلية صغيرة مختبرات بيل للزمكان الطبقي (BLAST) نظام الإدخال المتعدد والمخرجات المتعدد الضخم (MIMO) إعادة التكوين طيف الانتشار الوصول المتعدد بتقسيم المساحة عريض النطاق (WSDMA)
ف ت هـ

في الراديو ، تعد تقنية المدخلات والمخرجات المتعددة ( MIMO ) ( / ˈmaɪmoʊ , ˈmiːmoʊ / ) طريقة لمضاعفة سعة رابط راديو باستخدام هوائيات إرسال واستقبال متعددة لاستغلال انتشار المسارات المتعددة . [ 1 ^{] [2]} أصبحت تقنية MIMO عنصرًا أساسيًا في معايير الاتصالات اللاسلكية بما في ذلك IEEE 802.11n ( Wi - Fi 4)، و IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)، و HSPA+ (3G)، و WiMAX ، والتطور الطويل الأمد (LTE). وفي الآونة الأخيرة، تم تطبيق تقنية MIMO على اتصالات خطوط الطاقة للتركيبات ثلاثية الأسلاك كجزء من معيار ITU G.hn ومواصفات HomePlug AV2. ^{[3] [4]}

في وقت ما، كان مصطلح "MIMO" في الاتصالات اللاسلكية يشير إلى استخدام هوائيات متعددة في المرسل والمستقبل. وفي الاستخدام الحديث، يشير مصطلح "MIMO" على وجه التحديد إلى فئة من التقنيات لإرسال واستقبال أكثر من إشارة بيانات في وقت واحد عبر نفس القناة اللاسلكية من خلال استغلال الفرق في انتشار الإشارة بين الهوائيات المختلفة (على سبيل المثال بسبب انتشار المسارات المتعددة ). بالإضافة إلى ذلك، يشير استخدام MIMO الحديث غالبًا إلى إشارات بيانات متعددة يتم إرسالها إلى مستقبلات مختلفة (باستخدام هوائي استقبال واحد أو أكثر) على الرغم من أن هذا يُطلق عليه بشكل أكثر دقة "MU-MISO" متعدد المستخدمين ومتعدد المدخلات ومخرج واحد.

غالبًا ما يعود تاريخ MIMO إلى أوراق بحثية من سبعينيات القرن العشرين تتعلق بأنظمة النقل الرقمي متعددة القنوات والتداخل (التداخل) بين أزواج الأسلاك في حزمة كابل: AR Kaye و DA George (1970)، ^[5] Branderburg و Wyner (1974)، ^[6] و W. van Etten (1975، 1976). ^[7] على الرغم من أن هذه ليست أمثلة على استغلال انتشار المسارات المتعددة لإرسال تدفقات معلومات متعددة، فقد أثبتت بعض التقنيات الرياضية للتعامل مع التداخل المتبادل أنها مفيدة لتطوير MIMO. في منتصف الثمانينيات، ذهب جاك سالز في مختبرات بيل بهذا البحث إلى أبعد من ذلك، حيث قام بالتحقيق في أنظمة متعددة المستخدمين تعمل عبر "شبكات خطية مقترنة بشكل متبادل مع مصادر ضوضاء إضافية" مثل الإرسال المتعدد بتقسيم الوقت وأنظمة الراديو ثنائية الاستقطاب. ^[8]

تم تطوير طرق لتحسين أداء شبكات الراديو الخلوية وتمكين إعادة استخدام التردد بشكل أكثر عدوانية في أوائل التسعينيات. يستخدم الوصول المتعدد بتقسيم المساحة (SDMA) هوائيات اتجاهية أو ذكية للتواصل على نفس التردد مع المستخدمين في مواقع مختلفة ضمن نطاق نفس المحطة الأساسية. اقترح ريتشارد روي وبيورن أوترستن ، الباحثون في ArrayComm ، نظام SDMA في عام 1991. تصف براءة اختراعهما الأمريكية (رقم 5515378 الصادرة في عام 1996 ^[9] ) طريقة لزيادة السعة باستخدام "مجموعة من هوائيات الاستقبال في المحطة الأساسية" مع "تعدد المستخدمين عن بعد".

في عام 1993، اقترح أروجياسوامي بولراج وتوماس كايلاث تقنية إرسال عكسي متعددة تعتمد على SDMA. ووصفت براءة اختراعهما الأمريكية (رقم 5,345,599 الصادرة في عام 1994 ^[10] ) طريقة البث بمعدلات بيانات عالية عن طريق تقسيم إشارة عالية المعدل "إلى عدة إشارات منخفضة المعدل" ليتم إرسالها من "أجهزة إرسال منفصلة مكانيًا" واستردادها بواسطة مجموعة هوائي الاستقبال بناءً على الاختلافات في "اتجاهات الوصول". حصل بولراج على جائزة ماركوني المرموقة في عام 2014 عن "مساهماته الرائدة في تطوير نظرية وتطبيقات هوائيات MIMO. ... لقد أحدثت فكرته لاستخدام هوائيات متعددة في كل من محطات الإرسال والاستقبال - والتي تشكل جوهر أنظمة WiFi عالية السرعة الحالية وأنظمة الهاتف المحمول 4G - ثورة في مجال الاتصالات اللاسلكية عالية السرعة." ^[11]

في ورقة بحثية نُشرت في أبريل 1996 وحصلت على براءة اختراع لاحقًا، اقترح جريج رالي أنه يمكن استغلال الانتشار متعدد المسارات الطبيعي لنقل تدفقات معلومات متعددة ومستقلة باستخدام هوائيات مشتركة ومعالجة إشارات متعددة الأبعاد. ^[12] حددت الورقة أيضًا حلولًا عملية للتعديل ( MIMO-OFDM ) والتشفير والمزامنة وتقدير القناة. في وقت لاحق من ذلك العام (سبتمبر 1996) قدم جيرارد جيه فوشيني ورقة بحثية اقترحت أيضًا أنه من الممكن مضاعفة سعة رابط لاسلكي باستخدام ما وصفه المؤلف بـ "هندسة الزمان والمكان الطبقية". ^[13]

أسس جريج رالي وفي كيه جونز ومايكل بولاك شركة كلاريتي وايرلس في عام 1996، وقاموا ببناء واختبار نموذج أولي لنظام MIMO ميدانيًا. ^[14] استحوذت شركة سيسكو سيستمز على شركة كلاريتي وايرلس في عام 1998. ^[15] قامت مختبرات بيل ببناء نموذج أولي للمختبر يوضح تقنية V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) في عام 1998. ^[16] أسس أروجياسوامي بولراج شركة Iospan Wireless في أواخر عام 1998 لتطوير منتجات MIMO-OFDM. استحوذت شركة إنتل على شركة Iospan في عام 2003. ^[17] لم تقم كل من شركة كلاريتي وايرلس ولا شركة Iospan Wireless بشحن منتجات MIMO-OFDM قبل الاستحواذ عليها. ^[18]

تم توحيد تقنية MIMO لشبكات LAN اللاسلكية وشبكات الهاتف المحمول 3G وشبكات الهاتف المحمول 4G وهي الآن مستخدمة تجاريًا على نطاق واسع. أسس جريج رالي وفي كيه جونز شركة Airgo Networks في عام 2001 لتطوير شرائح MIMO-OFDM لشبكات LAN اللاسلكية. أنشأ معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ( IEEE ) مجموعة عمل في أواخر عام 2003 لتطوير معيار شبكة LAN لاسلكية يوفر ما لا يقل عن 100 ميجابت في الثانية من معدل نقل بيانات المستخدم. كان هناك اقتراحان رئيسيان متنافسان: تم دعم TGn Sync من قبل شركات بما في ذلك Intel و Philips ، وتم دعم WWiSE من قبل شركات بما في ذلك Airgo Networks و Broadcom و Texas Instruments . اتفقت المجموعتان على أن معيار 802.11n سيعتمد على MIMO-OFDM مع خيارات قناة 20 ميجا هرتز و40 ميجا هرتز. ^[19] تم دمج TGn Sync وWWiSE ومقترح ثالث (MITMOT، بدعم من Motorola و Mitsubishi ) لإنشاء ما يسمى بالمقترح المشترك. ^[20] في عام 2004، أصبحت شركة Airgo أول شركة تشحن منتجات MIMO-OFDM. ^[21] استحوذت شركة Qualcomm على شركة Airgo Networks في أواخر عام 2006. ^[22] يدعم معيار 802.11n النهائي سرعات تصل إلى 600 ميجابت في الثانية (باستخدام أربعة تدفقات بيانات متزامنة) وتم نشره في أواخر عام 2009. ^[23]

أسس سوريندرا بابو ماندافا وأروجياسوامي بولراج شركة Beceem Communications في عام 2004 لإنتاج شرائح MIMO-OFDM لشبكة WiMAX . استحوذت شركة Broadcom على الشركة في عام 2010. ^[24] تم تطوير WiMAX كبديل لمعايير الهاتف الخلوي، ويستند إلى معيار 802.16e ، ويستخدم MIMO-OFDM لتقديم سرعات تصل إلى 138 ميجابت في الثانية. يتيح معيار 802.16m الأكثر تقدمًا سرعات تنزيل تصل إلى 1 جيجابت في الثانية. ^[25] تم بناء شبكة WiMAX على مستوى البلاد في الولايات المتحدة بواسطة Clearwire ، وهي شركة تابعة لشركة Sprint-Nextel ، تغطي 130 مليون نقطة حضور (PoPs) بحلول منتصف عام 2012. ^[26] أعلنت شركة Sprint لاحقًا عن خططها لنشر LTE (معيار 4G الخلوي) لتغطية 31 مدينة بحلول منتصف عام 2013 ^[27] وإغلاق شبكة WiMAX الخاصة بها بحلول نهاية عام 2015. ^[28]

تم اقتراح أول معيار خلوي 4G بواسطة NTT DoCoMo في عام 2004. ^[29] يعتمد التطور طويل الأمد (LTE) على MIMO-OFDM ويستمر تطويره بواسطة مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP). يحدد LTE معدلات تنزيل تصل إلى 300 ميجابت في الثانية ومعدلات تنزيل تصل إلى 75 ميجابت في الثانية ومعايير جودة الخدمة مثل زمن الوصول المنخفض. ^{[30] يضيف} LTE Advanced دعمًا لخلايا picocells وخلايا femtocells وقنوات متعددة الناقلات يصل عرضها إلى 100 ميجا هرتز. تم تبني LTE من قبل مشغلي GSM / UMTS و CDMA. ^[31]

تم إطلاق خدمات LTE الأولى في أوسلو وستوكهولم بواسطة شركة TeliaSonera في عام 2009. ^[32] اعتبارًا من عام 2015، كان هناك أكثر من 360 شبكة LTE في 123 دولة تعمل مع ما يقرب من 373 مليون اتصال (جهاز). ^[33]

يمكن تقسيم MIMO إلى ثلاث فئات رئيسية: التشفير المسبق ، والإرسال المتعدد المكاني (SM)، والتشفير المتنوع .

الترميز المسبق هو تشكيل شعاع متعدد التدفقات، بالتعريف الأضيق. وبعبارات أكثر عمومية، يُعتبر كل معالجة مكانية تحدث عند المرسل. في تشكيل الشعاع (بتدفق واحد)، يتم بث نفس الإشارة من كل هوائيات الإرسال مع وزن الطور والمكسب المناسبين بحيث يتم تعظيم قوة الإشارة عند مدخل المستقبل. تتمثل فوائد تشكيل الشعاع في زيادة مكسب الإشارة المستقبلة - عن طريق جعل الإشارات المنبعثة من هوائيات مختلفة تتراكم بشكل بناء - وتقليل تأثير التلاشي متعدد المسارات. في انتشار خط البصر ، ينتج عن تشكيل الشعاع نمط اتجاهي محدد جيدًا. ومع ذلك، فإن الحزم التقليدية ليست تشبيهًا جيدًا في الشبكات الخلوية، والتي تتميز بشكل أساسي بالانتشار متعدد المسارات . عندما يكون لدى المستقبل هوائيات متعددة، لا يمكن لتشكيل شعاع الإرسال تعظيم مستوى الإشارة في وقت واحد عند جميع هوائيات الاستقبال، وغالبًا ما يكون الترميز المسبق بتدفقات متعددة مفيدًا. يتطلب الترميز المسبق معرفة معلومات حالة القناة (CSI) عند المرسل والمستقبل.

يتطلب الإرسال المتعدد المكاني تكوين هوائي MIMO. في الإرسال المتعدد المكاني، يتم تقسيم إشارة عالية المعدل إلى تدفقات متعددة منخفضة المعدل ويتم إرسال كل تدفق من هوائي إرسال مختلف في نفس قناة التردد. إذا وصلت هذه الإشارات إلى مجموعة هوائيات المستقبل بتوقيعات مكانية مختلفة بدرجة كافية وكان لدى المستقبل CSI دقيق، فيمكنه فصل هذه التدفقات إلى قنوات متوازية (تقريبًا). الإرسال المتعدد المكاني هو تقنية قوية جدًا لزيادة سعة القناة عند نسب إشارة إلى ضوضاء (SNR) أعلى. يقتصر العدد الأقصى للتدفقات المكانية على أقل عدد من الهوائيات في المرسل أو المستقبل. يمكن استخدام الإرسال المتعدد المكاني بدون CSI في المرسل، ولكن يمكن دمجه مع الترميز المسبق إذا كان CSI متاحًا. يمكن أيضًا استخدام الإرسال المتعدد المكاني للإرسال المتزامن إلى مستقبلات متعددة، والمعروف باسم الوصول المتعدد بتقسيم المساحة أو MIMO متعدد المستخدمين ، وفي هذه الحالة يكون CSI مطلوبًا في المرسل. ^[34] يسمح جدولة المستقبلات ذات التوقيعات المكانية المختلفة بالفصل الجيد.

تُستخدم تقنيات ترميز التنوع عندما لا توجد معرفة بالقناة لدى المرسل. في طرق التنوع، يتم إرسال تيار واحد (على عكس التيارات المتعددة في الإرسال المتعدد المكاني)، ولكن يتم ترميز الإشارة باستخدام تقنيات تسمى الترميز المكاني الزمني . يتم بث الإشارة من كل هوائيات الإرسال بترميز كامل أو شبه متعامد. يستغل ترميز التنوع التلاشي المستقل في روابط الهوائي المتعددة لتعزيز تنوع الإشارة. نظرًا لعدم وجود معرفة بالقناة، فلا يوجد تكوين شعاعي أو مكسب صفيف من ترميز التنوع. يمكن دمج ترميز التنوع مع الإرسال المتعدد المكاني عندما تكون بعض معرفة القناة متاحة لدى المستقبل.

تم تطوير تقنية MIMO متعددة الهوائيات (أو MIMO للمستخدم الفردي) وتنفيذها في بعض المعايير، على سبيل المثال، منتجات 802.11n.

• SISO /SIMO/MISO هي حالات خاصة من MIMO.
  • تعد تقنية الإدخال المتعدد والإخراج الفردي (MISO) حالة خاصة عندما يكون لدى المستقبل هوائي واحد. ^[35]
  • يُعد الإدخال الفردي والمخرجات المتعددة (SIMO) حالة خاصة عندما يكون لدى المرسل هوائي واحد. ^[35]
  • نظام الإدخال الفردي والإخراج الفردي (SISO) ^[36] هو نظام راديو تقليدي حيث لا يحتوي المرسل ولا المستقبل على هوائيات متعددة.
• تقنيات MIMO الأساسية للمستخدم الفردي
  • مختبرات بيل، الفضاء الزمني الطبقي (BLAST)، جيرارد جيه فوشيني (1996)
  • التحكم في معدل الهوائي (PARC)، فاراناسي، جيس (1998)، تشونغ، هوانغ، لوزانو (2001)
  • التحكم الانتقائي في معدل الهوائي (SPARC)، شركة إريكسون (2004)
• بعض القيود
  • تم اختيار التباعد المادي للهوائي ليكون كبيرًا؛ أطوال موجية متعددة عند المحطة الأساسية. إن فصل الهوائي عند جهاز الاستقبال مقيد بشدة بالمساحة في الهواتف المحمولة، على الرغم من أن تصميم الهوائي المتقدم وتقنيات الخوارزمية قيد المناقشة. راجع: MIMO متعدد المستخدمين

• MIMO متعدد المستخدمين (MU-MIMO)
  • في معايير 3GPP و WiMAX الحديثة ، يتم التعامل مع تقنية MU-MIMO باعتبارها واحدة من التقنيات المرشحة التي يمكن تبنيها في المواصفات من قبل عدد من الشركات، بما في ذلك Samsung وIntel وQualcomm وEricsson وTI وHuawei وPhilips وNokia وFreescale. بالنسبة لهذه الشركات وغيرها من الشركات النشطة في سوق الأجهزة المحمولة، فإن تقنية MU-MIMO أكثر جدوى للهواتف المحمولة منخفضة التعقيد مع عدد صغير من هوائيات الاستقبال، في حين أن معدل نقل البيانات الأعلى لكل مستخدم في تقنية SU-MIMO هو أكثر ملاءمة للأجهزة الأكثر تعقيدًا مع عدد أكبر من الهوائيات.
  • تحسين MIMO متعدد المستخدمين: 1) يستخدم تقنيات فك التشفير المتقدمة، 2) يستخدم تقنيات الترميز المسبق المتقدمة
  • يمثل SDMA إما الوصول المتعدد بتقسيم المساحة أو الوصول المتعدد بتقسيم فائق حيث يؤكد super على عدم استخدام التقسيم المتعامد مثل تقسيم التردد والوقت ولكن يتم استخدام الأساليب غير المتعامدة مثل ترميز التراكب.
• MIMO التعاوني (CO-MIMO)
  • يستخدم محطات أساسية متعددة مجاورة لإرسال واستقبال البيانات من/إلى المستخدمين بشكل مشترك. ونتيجة لذلك، لا تتسبب محطات الأساس المجاورة في حدوث تداخل بين الخلايا كما هو الحال في أنظمة MIMO التقليدية.
• التنوع الكبير MIMO
  • شكل من أشكال مخطط تنوع المساحة الذي يستخدم محطات إرسال أو استقبال متعددة للتواصل بشكل متماسك مع مستخدم واحد أو أكثر من المستخدمين الذين من الممكن أن يتم توزيعهم في منطقة التغطية، في نفس الوقت ومورد التردد. ^{[37] [38] [39]}
  • إن أجهزة الإرسال متباعدة عن بعضها البعض على النقيض من مخططات MIMO التقليدية للتنوع الدقيق مثل MIMO للمستخدم الفردي. وفي سيناريو MIMO متعدد المستخدمين للتنوع الكلي، قد يكون المستخدمون متباعدين أيضًا. لذلك، فإن كل رابط مكون في رابط MIMO الافتراضي له متوسط ​​نسبة إشارة إلى ضوضاء مميز . ويرجع هذا الاختلاف بشكل أساسي إلى الإعاقات المختلفة طويلة المدى للقناة مثل فقدان المسار وتلاشي الظل التي تعاني منها الروابط المختلفة.
  • تشكل مخططات MIMO ذات التنوع الكبير تحديات نظرية وعملية غير مسبوقة. ومن بين العديد من التحديات النظرية، ربما يكون التحدي الأكثر جوهرية هو فهم كيفية تأثير متوسط ​​نسبة الإشارة إلى الضوضاء المختلفة للرابط على سعة النظام الإجمالية وأداء المستخدم الفردي في بيئات التلاشي. ^[40]
• توجيه MIMO
  • توجيه مجموعة عن طريق مجموعة في كل قفزة، حيث يكون عدد العقد في كل مجموعة أكبر أو يساوي واحدًا. يختلف توجيه MIMO عن التوجيه التقليدي (SISO) حيث تقوم بروتوكولات التوجيه التقليدية بتوجيه عقدة بعقدة في كل قفزة. ^[41]
• تقنية MIMO الضخمة (mMIMO)
  • تقنية يكون فيها عدد المحطات أقل بكثير من عدد هوائيات المحطة الأساسية (المحطة المتنقلة). ^[42] في بيئة التشتت الغنية، يمكن استغلال المزايا الكاملة لنظام MIMO الضخم باستخدام استراتيجيات تشكيل الحزمة البسيطة مثل أقصى نسبة إرسال (MRT)، ^[43] أو أقصى نسبة دمج (MRC) ^[44] أو القوة الصفرية (ZF). لتحقيق هذه الفوائد من MIMO الضخم، يجب أن يكون CSI الدقيق متاحًا تمامًا. ومع ذلك، في الممارسة العملية، يتم تقدير القناة بين المرسل والمستقبل من تسلسلات تجريبية متعامدة محدودة بوقت تماسك القناة. والأهم من ذلك، في إعداد متعدد الخلايا، فإن إعادة استخدام تسلسلات تجريبية لعدة خلايا مشتركة في القناة ستخلق تلوثًا للطيار. عندما يكون هناك تلوث للطيار، يتدهور أداء MIMO الضخم بشكل كبير. لتخفيف تأثير تلوث الطيار، يقترح Tadilo E. Bogale و Long B. Le ^[45] طريقة بسيطة لتعيين الطيار وتقدير القناة من تسلسلات تدريب محدودة. ومع ذلك، في عام 2018، نُشر بحث أجراه إميل بيورنسون وجاكوب هويديس ولوكا سانجوينيتي ^[46] والذي يُظهر أن تلوث الطيار قابل للحل وأن سعة القناة يمكن دائمًا زيادتها، سواء من الناحية النظرية أو العملية، عن طريق زيادة عدد الهوائيات.
• تقنية MIMO ثلاثية الأبعاد
  • هناك تقنية حديثة أخرى وهي MIMO الهولوغرافية لتحقيق كفاءة عالية في الطاقة والطيف مع دقة مكانية عالية جدًا. ^[47] تعد MIMO الهولوغرافية من العناصر الأساسية المفاهيمية التي اكتسبت شعبية متزايدة مؤخرًا، بسبب بنيتها اللاسلكية التحويلية منخفضة التكلفة والتي تتكون من جزيئات تشتت معدنية أو عازلة بطول موجة فرعية، وهي قادرة على تشويه خصائص الموجة الكهرومغناطيسية، وفقًا لبعض الأهداف المرغوبة. ^[48]

يسمح الجيل الثالث (3G) (CDMA و UMTS) بتنفيذ مخططات تنوع الإرسال المكاني الزمني، بالاشتراك مع تشكيل شعاع الإرسال في محطات القاعدة. يحدد الجيل الرابع (4G) LTE و LTE Advanced واجهات هوائية متقدمة للغاية تعتمد بشكل كبير على تقنيات MIMO. يركز LTE في المقام الأول على MIMO أحادي الرابط بالاعتماد على الإرسال المتعدد المكاني والتشفير المكاني الزمني بينما يوسع LTE-Advanced التصميم إلى MIMO متعدد المستخدمين. في شبكات المنطقة المحلية اللاسلكية (WLAN)، يتم تنفيذ تقنية MIMO IEEE 802.11n (Wi-Fi) في المعيار باستخدام ثلاث تقنيات مختلفة: اختيار الهوائي والتشفير المكاني الزمني وربما تشكيل الشعاع. ^[49]

تجعل تقنيات الإرسال المتعدد المكاني أجهزة الاستقبال معقدة للغاية، وبالتالي يتم دمجها عادةً مع الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) أو مع التعديل المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA)، حيث يتم التعامل بكفاءة مع المشكلات التي تنشأ عن قناة متعددة المسارات. يتضمن معيار IEEE 802.16e تقنية MIMO-OFDMA. يوصي معيار IEEE 802.11n، الذي صدر في أكتوبر 2009، بتقنية MIMO-OFDM.

تُستخدم تقنية MIMO في معايير الهاتف اللاسلكي المحمول مثل 3GPP و 3GPP2 . وفي 3GPP، تأخذ معايير High-Speed ​​Packet Access plus (HSPA+) و Long Term Evolution (LTE) تقنية MIMO في الاعتبار. وعلاوة على ذلك، لدعم البيئات الخلوية بشكل كامل، تقترح اتحادات أبحاث MIMO بما في ذلك IST-MASCOT تطوير تقنيات MIMO المتقدمة، على سبيل المثال، MIMO متعدد المستخدمين (MU-MIMO).

يمكن تطبيق هياكل الاتصالات اللاسلكية MIMO وتقنيات المعالجة على مشاكل الاستشعار. تتم دراسة هذا في فرع فرعي يسمى رادار MIMO .

يمكن استخدام تقنية MIMO في أنظمة الاتصالات غير اللاسلكية. ومن الأمثلة على ذلك معيار الشبكات المنزلية ITU-T G.9963 ، الذي يحدد نظام اتصالات خطوط الطاقة الذي يستخدم تقنيات MIMO لنقل إشارات متعددة عبر أسلاك تيار متردد متعددة (الطور والمحايد والأرضي). ^[3]

في أنظمة MIMO، يرسل المرسل تدفقات متعددة من خلال هوائيات إرسال متعددة. تمر تدفقات الإرسال عبر قناة مصفوفة تتكون من جميع المسارات بين هوائيات الإرسال في المرسل وهوائيات الاستقبال في المستقبل. بعد ذلك، يحصل المستقبل على متجهات الإشارة المستقبلة من خلال هوائيات الاستقبال المتعددة ويفك تشفير متجهات الإشارة المستقبلة إلى المعلومات الأصلية. يتم تصميم نظام MIMO ذي التلاشي المسطح ضيق النطاق على النحو التالي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}${\displaystyle N_{t}N_{r}}$${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{r}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} }$

حيث و هما متجه الاستقبال والإرسال على التوالي، و و هما مصفوفة القناة ومتجه الضوضاء على التوالي. ${\displaystyle \mathbf {y} }$${\displaystyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle \mathbf {n} }$

بالإشارة إلى نظرية المعلومات ، فإن سعة القناة المريحة لأنظمة MIMO حيث يكون لدى كل من المرسل والمستقبل معلومات حالة القناة اللحظية المثالية هي ^[51]

${\displaystyle C_{\mathrm {perfect-CSI} }=E\left[\max _{\mathbf {Q} ;\,{\mbox{tr}}(\mathbf {Q} )\leq 1}\log _ {2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right]=E\left[\log _ {2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {D} \mathbf {S} \mathbf {D} \right)\right]}$

حيث يشير إلى النقل الهيرميتي و هي النسبة بين قدرة الإرسال و قدرة الضوضاء (أي نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الإرسال). يتم تحقيق تباين الإشارة الأمثل من خلال تحليل القيمة المفردة لمصفوفة القناة ومصفوفة تخصيص الطاقة القطرية المثلى . يتم تحقيق تخصيص الطاقة الأمثل من خلال ملء المياه ، ^[52] أي ${\displaystyle ()^{H}}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \mathbf {Q} =\mathbf {VSV} ^{H}}$${\displaystyle \mathbf {UDV} ^{H}\,=\mathbf {H} }$${\displaystyle \mathbf {S} ={\textrm {diag}}(s_{1},\ldots ,s_{\min(N_{t},N_{r})},0,\ldots ,0)}$

${\displaystyle s_{i}=\left(\mu -{\frac {1}{\rho d_{i}^{2}}}\right)^{+},\quad {\textrm {for}}\,\,i=1,\ldots ,\min(N_{t},N_{r}),}$

أين هي العناصر القطرية لـ ، تكون صفرًا إذا كانت حجتها سلبية، ويتم تحديدها بحيث . ${\displaystyle d_{1},\ldots ,d_{\min(N_{t},N_{r})}}$${\displaystyle \mathbf {D} }$${\displaystyle (\cdot )^{+}}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle s_{1}+\ldots +s_{\min(N_{t},N_{r})}=N_{t}}$

إذا كان المرسل يحتوي فقط على معلومات حالة القناة الإحصائية، فإن سعة القناة الإرجودية ستنخفض حيث لا يمكن تحسين تباين الإشارة إلا من حيث متوسط ​​المعلومات المتبادلة كما هو الحال ^[51]${\displaystyle \mathbf {Q} }$

${\displaystyle C_{\mathrm {statistical-CSI} }=\max _{\mathbf {Q} }E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +\rho \mathbf {H} \mathbf {Q} \mathbf {H} ^{H}\right)\right].}$

إن الارتباط المكاني للقناة له تأثير قوي على سعة القناة الإرجودية بالمعلومات الإحصائية.

إذا لم يكن لدى المرسل معلومات عن حالة القناة ، فيمكنه تحديد تباين الإشارة لزيادة سعة القناة في ظل أسوأ الإحصائيات، مما يعني وفقًا لذلك ${\displaystyle \mathbf {Q} }$${\displaystyle \mathbf {Q} =1/N_{t}\mathbf {I} }$

${\displaystyle C_{\mathrm {no-CSI} }=E\left[\log _{2}\det \left(\mathbf {I} +{\frac {\rho }{N_{t}}}\mathbf {H} \mathbf {H} ^{H}\right)\right].}$

اعتمادًا على الخصائص الإحصائية للقناة، فإن السعة الإرجودية لا تزيد عن أضعاف سعة نظام SISO. ${\displaystyle \min(N_{t},N_{r})}$

تتمثل إحدى المشكلات الأساسية في اتصالات MIMO في تقدير متجه الإرسال، ، بالنظر إلى المتجه المستقبل، . يمكن طرح هذا كمشكلة اكتشاف إحصائية، ومعالجتها باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات بما في ذلك القوة الصفرية، ^[53] وإلغاء التداخل المتتالي المعروف أيضًا باسم V-blast ، وتقدير أقصى احتمالية ، ومؤخرًا، اكتشاف MIMO للشبكة العصبية . ^[54] تفترض مثل هذه التقنيات عادةً أن مصفوفة القناة معروفة لدى المستقبل. في الممارسة العملية، في أنظمة الاتصالات، يرسل المرسل إشارة تجريبية ويتعلم المستقبل حالة القناة (أي، ) من الإشارة المستقبلة وإشارة التجريبية . مؤخرًا، توجد أعمال على اكتشاف MIMO باستخدام أدوات التعلم العميق والتي أثبتت أنها تعمل بشكل أفضل من الطرق الأخرى مثل القوة الصفرية. ^[55]${\displaystyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \mathbf {y} }$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle X}$

يركز اختبار إشارة MIMO أولاً على نظام الإرسال/الاستقبال. يمكن أن تنتج المراحل العشوائية لإشارات الموجة الحاملة الفرعية مستويات طاقة لحظية تتسبب في ضغط مكبر الصوت، مما يتسبب مؤقتًا في حدوث تشوهات وأخطاء في الرمز في النهاية. يمكن للإشارات ذات نسبة الذروة إلى المتوسط ​​العالية أن تتسبب في ضغط مكبرات الصوت بشكل غير متوقع أثناء الإرسال. إشارات OFDM ديناميكية للغاية وقد يكون من الصعب اكتشاف مشاكل الضغط بسبب طبيعتها الشبيهة بالضوضاء. ^[56]

إن معرفة جودة قناة الإشارة أمر بالغ الأهمية أيضًا. يمكن لمحاكي القناة محاكاة كيفية أداء الجهاز عند حافة الخلية، ويمكنه إضافة ضوضاء أو محاكاة شكل القناة عند السرعة. لتقييم أداء جهاز الاستقبال بشكل كامل، يمكن استخدام جهاز إرسال مُعاير، مثل مولد إشارة متجه (VSG)، ومحاكي قناة لاختبار جهاز الاستقبال في ظل مجموعة متنوعة من الظروف المختلفة. وعلى العكس من ذلك، يمكن التحقق من أداء جهاز الإرسال في ظل عدد من الظروف المختلفة باستخدام محاكي قناة وجهاز استقبال مُعاير، مثل مُحلل إشارة متجه (VSA).

إن فهم القناة يسمح بالتلاعب بالطور والسعة لكل جهاز إرسال من أجل تكوين شعاع. لتشكيل شعاع بشكل صحيح، يحتاج جهاز الإرسال إلى فهم خصائص القناة. تسمى هذه العملية سبر القناة أو تقدير القناة . يتم إرسال إشارة معروفة إلى الجهاز المحمول مما يتيح له بناء صورة لبيئة القناة. يرسل الجهاز المحمول خصائص القناة إلى جهاز الإرسال. يمكن لجهاز الإرسال بعد ذلك تطبيق تعديلات الطور والسعة الصحيحة لتشكيل شعاع موجه إلى الجهاز المحمول. هذا ما يسمى بنظام MIMO ذو الحلقة المغلقة. بالنسبة لتشكيل الشعاع ، يلزم ضبط أطوار وسعة كل جهاز إرسال. في جهاز تشكيل الشعاع المحسن للتنوع المكاني أو الإرسال المتعدد المكاني، ينقل كل عنصر هوائي في وقت واحد مجموعة مرجحة من رمزين للبيانات. ^[57]

أظهرت أوراق بحثية لجيرارد جيه فوشيني ومايكل جيه جانز، ^[58] فوشيني ^[59] وإمري تيلاتار ^{[60] أن} سعة القناة (حد أعلى نظري لمعدل نقل النظام) لنظام MIMO تزداد مع زيادة عدد الهوائيات، بما يتناسب مع صغر عدد هوائيات الإرسال وعدد هوائيات الاستقبال. يُعرف هذا باسم مكسب الإرسال المتعدد، وهذا الاكتشاف الأساسي في نظرية المعلومات هو ما أدى إلى طفرة في البحث في هذا المجال. على الرغم من نماذج الانتشار البسيطة المستخدمة في الأعمال الرائدة المذكورة أعلاه، فإن مكسب الإرسال المتعدد هو خاصية أساسية يمكن إثباتها في ظل أي نموذج انتشار قناة فيزيائي تقريبًا وباستخدام أجهزة عملية معرضة لضعف جهاز الإرسال والاستقبال. ^[61]

وقد نشر كتاب مدرسي من تأليف أ. بولراج، و ر. نابار، و د. جور مقدمة لهذا المجال. ^[62] وهناك العديد من الكتب المدرسية الرئيسية الأخرى المتاحة أيضًا. ^{[63] [64] [65]}

توجد مقايضة أساسية بين تنوع الإرسال ومكاسب الإرسال المتعدد المكاني في نظام MIMO (Zheng and Tse, 2003). ^[66] وعلى وجه الخصوص، فإن تحقيق مكاسب الإرسال المتعدد المكاني العالية له أهمية كبيرة في الأنظمة اللاسلكية الحديثة. ^[67]

نظرًا لطبيعة MIMO، فهي لا تقتصر على الاتصالات اللاسلكية. بل يمكن استخدامها أيضًا في الاتصالات السلكية. على سبيل المثال، تم اقتراح نوع جديد من تقنية DSL (Gigabit DSL) يعتمد على قنوات MIMO الرابطة.

إن السؤال المهم الذي يجذب انتباه المهندسين والرياضيين هو كيفية استخدام الإشارات متعددة المخرجات في جهاز الاستقبال لاستعادة الإشارات متعددة المدخلات في جهاز الإرسال. في Shang وSun وZhou (2007)، تم وضع الظروف الكافية والضرورية لضمان الاستعادة الكاملة للإشارات متعددة المدخلات. ^[68]

• قياسات انتشار القنوات بتقنية UWB-MIMO من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في طيف التردد 2–8 جيجاهرتز أرشيف 2016-03-03 على موقع Wayback Machine
• مراجعة الأدبيات حول MIMO
• التفاعل بين الهوائي والقنوات الافتراضية متعددة المسارات اللاسلكية