Giới thiệu

Công nghệ MIMO đã trở thành một phần của quá trình tiến hóa của truyền thông không dây. MIMO đã để lại dấu ấn của mình trong các mạng không dây. Khi công nghệ này phát triển, Massive MIMO đã được giới thiệu, cách mạng hóa các mạng không dây, đặc biệt là trong công nghệ 5G . Bằng cách tăng đáng kể số lượng ăng-ten 5G tại trạm gốc, Massive MIMO nâng cao năng lực và hiệu quả của kiến ​​trúc 5G, biến nó thành một yếu tố thiết yếu cho sự tăng trưởng theo cấp số nhân của lưu lượng dữ liệu và sự gia tăng của các thiết bị được kết nối.

Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về công nghệ MIMO.

MIMO là gì?

MIMO là viết tắt của Multiple Input, Multiple Output. Đây là công nghệ ăng-ten được sử dụng trong truyền thông không dây. Công nghệ MIMO sử dụng nhiều ăng-ten MIMO (bộ phát và bộ thu RF) để tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu. Nó cải thiện khả năng truyền vô tuyến bằng cách cho phép dữ liệu truyền qua nhiều đường tín hiệu và đường không gian cùng lúc.

Khi một gói tin được truyền và nhận qua nhiều ăng-ten MIMO, nó tạo ra nhiều phiên bản của cùng một tín hiệu, tăng cơ hội để dữ liệu đến được ăng-ten thu mà không bị ảnh hưởng bởi fading. Điều này dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn và tỷ lệ lỗi thấp hơn, dẫn đến kết nối ổn định hơn và giảm tắc nghẽn.

Công nghệ MIMO rất quan trọng để tăng cường khả năng của nhiều hệ thống khác nhau như hệ thống RF, mạng Wi-Fi, ăng-ten 4G LTE và mạng ăng-ten 5G. Ví dụ, Wi-Fi là một ví dụ về mạng WLAN, sử dụng công nghệ vô tuyến không dây (ăng-ten Wi-Fi tầm xa) để kết nối PC, điện thoại và các thiết bị khác trong không gian hạn chế. Nó giúp tăng cường khả năng hệ thống của WLAN (Mạng cục bộ không dây). Wi-Fi hoạt động trên các tiêu chuẩn IEEE 802.11 và dựa vào AP (điểm truy cập không dây) để kết nối các thiết bị sử dụng tần số 2,4 GHz, 5 GHz và 6 GHz.

Các loại MIMO trong truyền thông không dây

Có hai loại MIMO

• MIMO người dùng đơn (SU-MIMO)
• MIMO đa người dùng (MU-MIMO)

MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) là gì?

• Trong cấu hình MIMO một người dùng, các điểm truy cập (AP) truyền dữ liệu đến một máy khách tại một thời điểm. Mỗi máy khách được phục vụ tuần tự, điều này có nghĩa là máy khách có tốc độ thấp hơn có thể làm chậm thông lượng đường xuống chung cho các máy khách khác trên mạng. SU-MIMO tập trung vào việc tăng cường kết nối giữa AP và một thiết bị duy nhất, cải thiện hiệu suất của nó mà không cần xem xét nhiều thiết bị cùng một lúc.

MIMO đa người dùng (MU-MIMO) là gì?

• MU-MIMO cho phép điểm truy cập gửi nhiều gói dữ liệu đến nhiều máy khách trên cùng một tần số cùng một lúc. Điều này làm tăng đáng kể hiệu quả thời gian phát sóng bất kể phiên bản 802.11 nào được sử dụng. MU-MIMO hoạt động bằng cách chia tài nguyên mạng theo không gian và truyền chúng đồng thời qua nhiều ăng-ten 5G. Phương pháp này cải thiện đáng kể hiệu quả truyền dữ liệu của mạng mà không chiếm thêm tài nguyên phổ.
• MU-MIMO hoạt động kết hợp với công nghệ định hình chùm tia, trong đó một AP MU-MIMO đo các đặc điểm của kênh từ mỗi ăng-ten đến mỗi thiết bị đầu cuối và thực hiện các phép tính mã hóa trước trên dữ liệu được truyền. Điều này đảm bảo rằng mỗi thiết bị đầu cuối chỉ nhận được dữ liệu dành cho nó, tương tự như việc định hình các chùm tia định hướng đến mỗi thiết bị đầu cuối.
• MU-MIMO có thể được phân loại thành MU-MIMO đường xuống (DL MU-MIMO) và MU-MIMO đường lên (UL MU-MIMO) dựa trên hướng truyền. DL MU-MIMO cho phép AP gửi dữ liệu đến nhiều thiết bị đầu cuối cùng lúc, trong khi UL MU-MIMO cho phép AP nhận dữ liệu từ nhiều thiết bị đầu cuối cùng lúc.
• Nó tận dụng khái niệm nhiều ăng-ten trên cả điểm truy cập (bộ định tuyến) và các thiết bị truyền và nhận dữ liệu đồng thời. DL MU-MIMO và UL MU-MIMO được sử dụng trong các mạng Wi-Fi có nhiều thiết bị. DL MU-MIMO được giới thiệu trong Wi-Fi 5 (802.11ac Wave 2) trong khi UL MU-MIMO được giới thiệu trong Wi-Fi 6 (802.11ax). Chúng giúp nâng cao trải nghiệm của người dùng bằng cách giảm thiểu thời gian chờ truyền dữ liệu, tăng tốc quá trình tải lên và tải xuống.

Massive MIMO là gì?

Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một dạng công nghệ MIMO tinh vi được sử dụng rộng rãi trong cả công nghệ 5G NR (5G New Radio) và 5G RedCap (5G Reduced Capability) . Phương pháp này liên quan đến việc triển khai một số lượng lớn ăng-ten mạng tại trạm gốc—một sự tương phản hoàn toàn với các hệ thống MIMO truyền thống, thường chỉ có một vài ăng-ten. Các hệ thống Massive MIMO được đặc trưng bởi việc sử dụng hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn ăng-ten, cho phép chúng quản lý hiệu quả các tình huống truyền thông phức tạp, mật độ cao.

Nguyên lý cốt lõi của Massive MIMO nằm ở việc sử dụng mảng ăng-ten rộng lớn này để tạo ra nhiều kênh không gian giữa trạm gốc và người dùng. Thiết lập này cho phép Massive MIMO xử lý việc truyền và nhận đồng thời nhiều luồng dữ liệu. Do đó, Massive MIMO tăng cường đáng kể hiệu suất phổ, dung lượng và độ tin cậy của liên kết truyền thông, biến nó thành nền tảng của mạng 5G hiện đại. Bằng cách tận dụng khả năng của Massive MIMO, các nhà khai thác mạng có thể đảm bảo cung cấp dịch vụ mạnh mẽ và hiệu quả ngay cả ở những khu vực có mật độ người dùng cao, do đó tối đa hóa lợi ích về hiệu suất của công nghệ 5G .

Kỹ thuật MIMO được sử dụng trong mạng di động

Sự đa dạng không gian

Phân tập không gian là một kỹ thuật được sử dụng trong các thiết bị truyền thông không dây để cải thiện chất lượng và độ tin cậy của tín hiệu. Kỹ thuật này sử dụng nhiều ăng-ten có cùng đặc điểm nhưng tách biệt về mặt vật lý với nhau. Sự tách biệt này giúp giảm thiểu tác động của hiện tượng fading tín hiệu, có thể xảy ra khi tín hiệu truyền qua nhiều đường dẫn và đến bộ thu Wi-Fi với các cường độ và pha khác nhau.

Việc tín hiệu gặp phải chướng ngại vật như tòa nhà, cây cối hoặc núi sẽ khiến tín hiệu bị mờ dần, thậm chí có thể gây mất tín hiệu hoàn toàn. Sự đa dạng về không gian giúp khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten để thu tín hiệu.

Mỗi ăng-ten nhận được một phiên bản tín hiệu hơi khác nhau do các đường dẫn khác nhau của tín hiệu. Bằng cách kết hợp các phiên bản khác nhau này, nó cải thiện chất lượng tín hiệu tổng thể và giảm tác động của hiện tượng fading tín hiệu.

Đa kênh không gian

Ghép kênh không gian trong 5G, còn được gọi là ghép kênh phân chia không gian (SDM), là một kỹ thuật được sử dụng trong nhiều hệ thống truyền thông khác nhau, bao gồm truyền thông không dây và truyền thông cáp quang, để tăng khả năng truyền dữ liệu. Nó tận dụng miền không gian bằng cách truyền nhiều luồng dữ liệu độc lập đồng thời qua nhiều ăng-ten.

Ghép kênh không gian chủ yếu là một phần của truyền thông Wi-Fi. Nó bao gồm việc gửi nhiều luồng không gian qua nhiều ăng-ten Wi-Fi, sau đó được tách ra tại bộ thu Wi-Fi thông qua xử lý không gian. Bộ thu Wi-Fi giải mã các luồng được truyền riêng lẻ, cho phép tăng thông lượng dữ liệu cho băng thông kênh cố định. Trong khi ghép kênh không gian tăng hiệu quả phổ, nó không cung cấp mức tăng đa dạng.

Kết hợp OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) trong các thiết bị truyền thông không dây MIMO dẫn đến tăng hiệu quả phổ vì độ lợi ăng-ten ghép kênh không gian do MIMO cung cấp được sử dụng kết hợp với điều chế đa sóng mang. Sự kết hợp này cũng tăng cường tính ổn định của kết nối và cung cấp chất lượng dịch vụ cao.

Định hình chùm tia

Kỹ thuật này tập trung tín hiệu theo một hướng cụ thể để đạt được mức tăng lớn nhất có thể ở đầu thu. Beamforming có thể là analog (thực hiện với một mảng pha), digital (sử dụng precoding với luồng dữ liệu được điều chế để xây dựng một mẫu chùm tia) hoặc hybrid (kết hợp analog và digital, ghép kênh theo không gian/thời gian). Các phương pháp beamforming 5G khác nhau yêu cầu các phương pháp xử lý tín hiệu khác nhau để precode và giải mã tín hiệu.

Precoding

Tiền mã hóa là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong các thiết bị truyền thông không dây để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu nhiễu. Nó bao gồm việc mã hóa các tín hiệu được truyền trước khi chúng được gửi đi, nhằm mục đích tối ưu hóa các tín hiệu đã nhận ở đầu thu. Nó bổ sung cho việc định hình chùm tia. Tiền mã hóa tập trung vào việc xử lý tín hiệu ở đầu phát, trong khi định hình chùm tia xảy ra ở đầu thu và hướng tín hiệu về phía thu. Nó tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), giảm thiểu nhiễu và cuối cùng cải thiện chất lượng và độ tin cậy chung của việc truyền dữ liệu.

Ưu điểm của Massive MIMO trong công nghệ 5G

Tăng hiệu suất quang phổ

Massive MIMO cải thiện đáng kể hiệu suất phổ, cho phép truyền nhiều bit hơn trong cùng một lượng phổ. Điều này rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu tốc độ dữ liệu cao của mạng không dây hiện đại.

Nâng cao năng lực mạng

Bằng cách sử dụng số lượng lớn ăng-ten, Massive MIMO có thể phục vụ nhiều người dùng cùng lúc, tăng đáng kể dung lượng mạng. Điều này đặc biệt có lợi ở những khu vực đông dân cư, nơi nhiều người dùng cạnh tranh tài nguyên mạng.

Tiêu thụ năng lượng tối ưu

Mặc dù sử dụng nhiều ăng-ten, Massive MIMO có thể tiết kiệm năng lượng hơn các hệ thống truyền thống. Bằng cách tập trung năng lượng trực tiếp vào nơi cần thiết, hệ thống có thể giảm mức tiêu thụ điện năng tổng thể.

Phạm vi mở rộng

MIMO lớn có thể mở rộng vùng phủ sóng của các trạm gốc, cung cấp dịch vụ tốt hơn cho người dùng ở rìa ô và giảm vùng chết trong mạng.

Ứng dụng Ăng ten MIMO

Truyền thông di động

Công nghệ ăng-ten MIMO cải thiện đáng kể mạng lưới truyền thông di động bằng cách tăng cường cường độ tín hiệu và giảm nhiễu, do đó cải thiện chất lượng cuộc gọi và tốc độ truyền dữ liệu.

Băng thông rộng không dây

Ăng-ten MIMO rất quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ băng thông rộng không dây ổn định và nhanh chóng. Điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực đô thị đông dân, nơi thông lượng dữ liệu cao và độ tin cậy của mạng là điều cần thiết.

Truyền thông vệ tinh

Trong truyền thông vệ tinh, công nghệ MIMO giúp đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn và kết nối đáng tin cậy hơn giữa vệ tinh và trạm mặt đất, ngay cả trong điều kiện thời tiết bất lợi.

Mạng Wi-Fi

Công nghệ MIMO được sử dụng trong các thiết bị và bộ định tuyến Wi-Fi để tăng phạm vi và tốc độ của mạng không dây trong nhà và doanh nghiệp, cho phép phát trực tuyến, chơi game và duyệt internet nhanh hơn.

Hệ thống radar

Ăng-ten MIMO được sử dụng trong hệ thống radar cho các ứng dụng ô tô và hàng không, tăng cường khả năng phát hiện và theo dõi các vật thể bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten để gửi và nhận tín hiệu.

Thiết bị IoT

Trong Internet vạn vật (IoT), ăng-ten MIMO giúp quản lý giao tiếp giữa một số lượng lớn thiết bị, đảm bảo truyền và nhận dữ liệu hiệu quả trên các mạng phức tạp.

Ghi chú kết thúc

MIMO, đặc biệt là Massive MIMO trong công nghệ 5G , là công nghệ nền tảng cho mạng 5G do khả năng đáp ứng các yêu cầu về tốc độ cao, độ trễ thấp và kết nối lớn của 5G. Nó cho phép mạng xử lý nhiều dữ liệu và người dùng hơn theo cấp số nhân cùng lúc, điều này rất cần thiết để hỗ trợ các công nghệ mới nổi và các ứng dụng IoT như thực tế ảo và xe tự hành. Ngoài ra, khả năng và phạm vi phủ sóng được nâng cao của Massive MIMO khiến nó trở nên lý tưởng để cung cấp trải nghiệm di động chất lượng cao, nhất quán cho người dùng, đây là mục tiêu chính của mạng 5G. Tận dụng các lợi thế của Massive MIMO, mạng 5G có thể cung cấp làn sóng đổi mới công nghệ và kết nối IoT tiếp theo.

‍