MIMO: ¿Cómo pueden dos antenas tan juntas recibir señales diferentes?

Hay diferentes tipos de MIMO. Esos son precodificación, multiplexación espacial y codificación de diversidad.

Precodificación

La idea detrás de MIMO es que en las frecuencias que se utilizan, la longitud de onda es lo suficientemente pequeña como para que incluso una separación de 30 cm sea suficiente para recibir la señal en diferentes fases. Como dijo Brain, la longitud de onda es de unos 12,5 cm para 2,4 GHz. Esto significa que, independientemente de la distancia a la que se encuentre de las dos antenas, el retardo (o retardo de fase) entre las dos antenas siempre será fijo para cualquier ángulo dado.

Puede aprovechar esta diferencia de fase para crear una dirección del haz. La implementación matemática y real de esto es compleja, pero la idea general es relativamente simple. Si las dos señales están en fase, entonces sabes que la fuente de esa señal está a la misma distancia de cada antena, lo que significa que tu fuente debe estar en algún lugar a lo largo de la línea de simetría.

A medida que la fuente comienza a moverse, la señal llegará primero a una u otra antena y el ángulo del receptor se puede determinar en función de la cantidad de retraso entre las dos. Esto le permite configurar "sectores" o haces en función de la cantidad de retraso que se aplica a la señal entrante.

Ahora, técnicamente, el dibujo que mostré es solo MISO (Multi in single out), pero la lógica es cierta cuando agrega otra antena para crear un MIMO completo. Además, en el lado de la transmisión, puede hacer lo mismo de lo que hablé con la recepción, pero en su lugar se aplica un retraso a una u otra antena para crear un haz en una dirección específica fuera del transmisor.

La precisión del ángulo de entrada y salida de cada par de antenas está determinada tanto por el espaciado de la antena como por la precisión de la electrónica para producir y detectar un cambio de fase específico.

Además, las cosas se vuelven más complejas a medida que comienza a tener en cuenta el hecho de que en algunos lugares puede parecer que la señal llega a las antenas al mismo tiempo, pero en realidad están separadas por 1 ciclo completo. También tiene que haber una configuración de sistema de control para saber en qué dirección debe dirigir su haz, especialmente cuando tiene un dispositivo en movimiento.

Pero para llegar a su pregunta directamente, no importa si su fuente tiene 2 antenas o no, se trata de la misma manera en el extremo receptor. Lo que importa es el ángulo que la fuente es desde el destino. Básicamente, terminas con una fuente que dirige su haz en la dirección general del receptor y luego el receptor dirige su haz en la dirección general del transmisor.

La gran ventaja de usar MIMO es que no está creando mucho ruido adicional para los dispositivos vecinos y, por lo tanto, puede colocar más dispositivos en un área pequeña. Además, dado que la señal es más direccional, hay menos para rebotar, lo que da como resultado menos problemas con rutas múltiples.

A 2,4 GHz, la longitud de onda es de unos 12,5 cm. Entonces, las antenas receptoras están en diferentes fases de la señal fuente.

El entorno de MIMO no consiste simplemente en N transmisores y M receptores, sino que también consta de R reflectores de señal que crean una dispersión de señal de caminos múltiples. Estos reflectores entre Tx y Rx, y cerca de ellos, consisten en cosas como edificios, paredes, árboles, archivadores, automóviles, personas, etc. Cualquier comunicación que no se realice en un plano ininterrumpido tendrá varios reflectores alrededor que generarán señales de trayectos múltiples. en los receptores.

Multipath crea el efecto de que hay muchas señales recibidas desde muchas direcciones diferentes. Como tal, una vez que las antenas receptoras están separadas λ/2, sus señales esencialmente no están correlacionadas.

Ahora que las antenas Rx no están correlacionadas, es posible crear dos señales en el Tx de modo que cada antena Rx reciba solo una de las señales. Esto es multiplexación por división espacial.

Si esto suena fantasioso, considere lo siguiente. Dos fuentes de señal están conectadas por dos cables coaxiales a dos receptores. Cada señal se recibe sin contaminar. Esto es lo que MIMO está tratando de emular. Ahora considere que los dos cables tienen fugas y diafonía. Las dos señales estarán contaminadas por parte de la otra señal. Si las posiciones de los cables son fijas, entonces se puede medir la cantidad de diafonía, luego las señales de transmisión se pueden agrupar juntas de manera que la diafonía se elimine en la recepción. Si los cables se mueven, se debe volver a medir la diafonía y construir nuevas matrices.

El entorno MIMO de rutas múltiples es como una serie de cables con muchas fugas. Durante un marco de tiempo de sub-ms, la ruta del canal permanece lo suficientemente estable como para ser medida, luego se construyen matrices en Tx y Rx, de modo que parecen varios canales independientes. La corrección de errores permite que haya pequeños cambios en la ganancia del canal que dan como resultado solo una pequeña degradación de los canales, en lugar de que dejen de funcionar.

Está asumiendo que TX está enviando señales similares desde sus antenas, por lo que serían iguales en 30 metros. Esto no es cierto. TX no transmite 2 señales similares cada vez desde sus antenas. Por lo tanto, RX tampoco recibe señales similares. Es la relación entre esas señales lo que MIMO está aprovechando.

Considere un sistema MIMO con dos antenas en el transmisor y dos en el receptor y deje que los coeficientes del canal sean h11, h12, h21, h22. Suponga que el transmisor transmite x_1 y x_2 ​​desde sus antenas 1 y 2 al mismo tiempo. El receptor recibe dos señales en las antenas y_1=h11*x_1+h21*x_2 e y_2=h12*x_1+h_22*x_2 asumiendo que el sistema está libre de ruido. Suponiendo que los coeficientes de canal se han obtenido en el receptor utilizando señales piloto previas, podemos extraer x_1 y x_2, transmitidas por el transmisor, si estas dos ecuaciones son independientes. Eso sería posible si los coeficientes del canal no están correlacionados. Las antenas deben estar espaciadas para lograr esto. Entonces se dice que el sistema MIMO ha logrado la multiplexación espacial. Una distancia probable podría ser al menos 10*lambda, la longitud de onda.

La multiplexación espacial MIMO depende matemáticamente de 2 factores: 1-El rango de la matriz del canal y 2-Su número de condición Físicamente ahora esto también se traduce en dos factores: La resolución del conjunto de antenas tanto en RX como en Tx y la dispersión angular o angular diferencia entre diferentes trayectos múltiples. Siempre que la diferencia angular expresada en términos de cosenos sea mayor que la resolución de la matriz, que es inversamente proporcional a la longitud de la matriz normalizada a la frecuencia, los flujos transportados por diferentes trayectos múltiples pueden resolverse y separarse de forma casi ortogonal. En un entorno de dispersión rica (amplia dispersión angular de potencia), una separación de antena de media longitud de onda es suficiente para distinguir entre diferentes firmas.