Podstawowa Idea: Tworzenie Większej Liczby Pasów Ruchu

Multipleksacja z podziałem przestrzennym (SDM) to najbardziej fundamentalny i intuicyjny sposób na zwiększenie pojemności systemu komunikacyjnego. W swej istocie, SDM polega na tworzeniu wielu fizycznie oddzielonych kanałów w przestrzeni, aby przesyłać różne sygnały jednocześnie.

Pomyśl o autostradzie. Jeśli na jednym pasie jest zbyt duży ruch, najprostszym rozwiązaniem jest dobudowanie kolejnych pasów obok. SDM stosuje tę samą logikę w transmisji danych. Zamiast wysyłać wszystkie dane jedną ścieżką, tworzymy wiele równoległych ścieżek.

Proste Przykłady

• Wieloparowe Kable Miedziane: Standardowy kabel Ethernet zawiera cztery pary skręconych drutów miedzianych. Każda para może działać jako oddzielny kanał przestrzenny.
• Wiązki Światłowodowe: Kabel telekomunikacyjny może zawierać wiązkę setek pojedynczych włókien światłowodowych. Każde włókno jest odrębnym kanałem przestrzennym, zdolnym do przenoszenia ogromnych ilości danych i całkowicie odizolowanym od sąsiadów.

W tych przypadkach SDM polega po prostu na „powielaniu toru transmisyjnego”, włączając w to urządzenia wejściowe i wyjściowe powiązane z każdym medium fizycznym.

Zaawansowane SDM w Komunikacji Bezprzewodowej

Koncepcja podziału przestrzennego staje się bardziej wyrafinowana w systemach bezprzewodowych, gdzie "medium" to otwarta przestrzeň. Tutaj tworzymy kanały przestrzenne bez fizycznych przewodów.

• Anteny Kierunkowe i Wiązki Punktowe: Używając anten o wysokiej kierunkowości, możemy skupić fale elektromagnetyczne w wąskie wiązki. Pozwala to na przykład satelicie na tworzenie wielu „wiązek punktowych” (spot beams), z których każda pokrywa inny obszar geograficzny (np. różne województwa lub kraje). Każda wiązka jest kanałem przestrzennym i może przenosić inną treść, wykorzystując tego samego satelitę.
• Architektura Sieci Komórkowej: Cały system telefonii komórkowej jest zastosowaniem SDM na masową skalę. Obszar geograficzny jest podzielony na mniejsze regiony zwane komórkami, z których każda jest obsługiwana przez własną Stację Bazową. Ograniczone widmo radiowe jest zarządzane przez ponowne użycie tych samych częstotliwości w komórkach, które są na tyle od siebie oddalone, że nie zakłócają się nawzajem. Ta przestrzenna separacja i ponowne użycie to potężna forma SDM, która pozwala milionom użytkowników na jednoczesną komunikację. Jest to znane jako Współczynnik Ponownego Użycia.

Szczytowe Osiągnięcie SDM: Technologia MIMO

Najbardziej zaawansowaną i szeroko stosowaną formą SDM jest technologia MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output). Technologia ta zamienia dawny problem – propagację wielodrogową, gdzie sygnały odbijają się od obiektów i docierają do odbiornika z wielu kierunków – w ogromną zaletę.

Jak Działa MIMO

1. Podział Danych: Początkowy strumień danych o dużej prędkości jest dzielony na wiele podstrumieni o niższej prędkości.
2. Transmisja z Wielu Anten: Każdy podstrumień jest wysyłany jednocześnie z innej anteny w nadajniku.
3. Kanał Wielodrogowy: Sygnały docierają do odbiornika różnymi ścieżkami w otoczeniu (odbijając się od ścian, budynków itp.). Każda antena odbiorcza otrzymuje unikalną mieszankę wszystkich nadanych sygnałów.
4. Separacja Sygnałów: Potężny cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) w odbiorniku używa zaawansowanych algorytmów, aby rozwiązać tę „układankę”. Znając unikalną charakterystykę ścieżki do każdej anteny, jest w stanie matematycznie rozdzielić zmieszane sygnały i odtworzyć oryginalne podstrumienie.
5. Ponowne Połączenie Danych: Rozdzielone podstrumienie są z powrotem łączone w jeden strumień o dużej prędkości.

MIMO to magia stojąca za wysokimi prędkościami nowoczesnych sieci Wi-Fi (np. Wi-Fi 5, 6, 7) oraz sieci komórkowych, takich jak LTE i 5G. Pozwala nam wysyłać wiele „strumieni przestrzennych” danych jednocześnie w tym samym paśmie częstotliwości, drastycznie zwiększając przepustowość bez potrzeby posiadania szerszego widma.