SDM: równoległe kanały przestrzenne
Multipleksacja z podziałem przestrzennym (SDM) zwiększa pojemność przez utworzenie kilku fizycznie rozdzielonych dróg transmisji. Każda droga przenosi inny sygnał w tym samym czasie, a separacja przestrzenna ogranicza wzajemne zakłócenia. Włókna, pary przewodów, rdzenie lub wiązki radiowe mogą pełnić funkcję takich dróg.
Autostrada pomaga zobrazować tę zasadę. Gdy jeden pas jest przeciążony, dodatkowe pasy zwiększają liczbę pojazdów przejeżdżających w tym samym czasie. W transmisji danych analogiczny efekt daje utworzenie wielu równoległych dróg.
Przykłady kanałów przestrzennych
- Wieloparowe kable miedziane: Typowy kabel Ethernet zawiera cztery pary skręconych przewodów miedzianych. Każda para tworzy fizycznie odrębną drogę, a konkretny standard określa, ile par wykorzystuje do transmisji.
- Wiązki światłowodowe: Kabel telekomunikacyjny może zawierać wiązkę setek pojedynczych włókien światłowodowych. Każde włókno jest odrębnym kanałem przestrzennym, zdolnym do przenoszenia dużej ilości danych, a jego oddzielenie od sąsiadów ogranicza sprzężenie między kanałami.
W tych przypadkach kanały są rozdzielone przestrzennie na odcinku transmisyjnym. Nadajniki i odbiorniki korzystają z interfejsów dopasowanych do liczby oraz rodzaju dróg.
SDM w łączności bezprzewodowej
W systemach bezprzewodowych wspólnym medium jest otwarta przestrzeń. Separację przestrzenną uzyskuje się przez kierunkowość anten, wiązki radiowe oraz odległość między komórkami, bez prowadzenia osobnych przewodów.
- Anteny kierunkowe i wiązki punktowe: Antena o dużej kierunkowości skupia falę elektromagnetyczną w wąskiej wiązce. Satelita może w ten sposób tworzyć wiele „wiązek punktowych” (spot beams), z których każda pokrywa inny obszar geograficzny, na przykład różne województwa lub kraje. Każda wiązka stanowi kanał przestrzenny i może przenosić inną treść przy użyciu tego samego satelity.
- Architektura sieci komórkowej: Sieć komórkowa dzieli obszar geograficzny na mniejsze regiony zwane komórkami. Każda komórka jest obsługiwana przez własną . Ograniczone widmo radiowe jest zarządzane przez ponowne użycie tych samych częstotliwości w komórkach oddalonych na tyle, aby ograniczyć interferencję między kanałami. Przestrzenna separacja i ponowne użycie częstotliwości pozwalają milionom użytkowników komunikować się jednocześnie. Ten sposób planowania opisuje .
MIMO jako przestrzenne multipleksowanie
Szeroko stosowaną bezprzewodową formą SDM jest technologia . Propagacja wielodrogowa powoduje, że sygnały odbijają się od obiektów i docierają do odbiornika różnymi drogami. Odbiornik rozróżnia te drogi na podstawie odpowiedzi kanału i wykorzystuje je do separacji strumieni.
Przebieg transmisji MIMO
- Podział danych: Początkowy strumień danych jest dzielony na kilka warstw lub podstrumieni.
- Transmisja z wielu anten: Warstwy są wysyłane równocześnie z różnych anten nadajnika.
- Kanał wielodrogowy: Sygnały docierają do odbiornika różnymi drogami, między innymi po odbiciu od ścian i budynków. Każda antena odbiorcza otrzymuje inną mieszaninę wszystkich nadanych sygnałów.
- Separacja sygnałów: Procesor sygnałowy (DSP) estymuje odpowiedź kanału i stosuje detektor, który rozdziela mieszaniny. Skuteczność separacji zależy od rangi kanału, stosunku sygnału do szumu oraz jakości informacji o kanale.
- Połączenie danych: Rozdzielone warstwy są łączone w jeden strumień wyjściowy.
MIMO stosuje się w sieciach Wi-Fi (Wi-Fi 5, 6 i 7) oraz w sieciach komórkowych, takich jak LTE i 5G. Przy warunkach kanałowych pozwalających rozróżnić kilka warstw umożliwia równoczesne przesyłanie wielu „strumieni przestrzennych” w tym samym paśmie, co zwiększa przepustowość bez przydzielania szerszego widma.