Στην εξελικτική ιστορία των τεχνολογιών κινητής επικοινωνίας, κάθε γενιά τεχνολογικής επανάληψης συνοδεύεται από σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση του δικτύου και η εμφάνιση της τεχνολογίας 5G έχει επιφέρει ακόμη και ανατρεπτικές αλλαγές. Τα δίκτυα 5G στοχεύουν στην κάλυψη διαφορετικών αναγκών, όπως τα υψηλής υψηλής ποιότητας δεδομένων, η εξαιρετικά χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση και οι μαζικές συνδέσεις συσκευών. Η επίτευξη αυτών των στόχων βασίζεται σε μια σειρά βασικών τεχνολογιών, μεταξύ των οποίων η μαζική τεχνολογία MIMO (τεράστια πολλαπλή εκροή πολλαπλών εισόδων) διαδραματίζει βασικό ρόλο στην αναβάθμιση των κεραιών ραδιοσυχνοτήτων 5G σταθμού βάσης, αναδιαμορφώνοντας την κάλυψη του δικτύου επικοινωνίας με έναν πρωτοφανή τρόπο.
Στα παραδοσιακά δίκτυα επικοινωνίας, οι κεραίες σταθμού βάσης συνήθως υιοθετούν μονοκατοικίες μονής εισόδου (SISO) ή τεχνολογίες πολλαπλής εισόδου (MIMO). Τα συστήματα SISO χρησιμοποιούν μόνο μια ενιαία κεραία μετάδοσης και μία κεραία λήψης, με περιορισμένη χωρητικότητα μετάδοσης δεδομένων, καθιστώντας δύσκολη την κάλυψη των αυξανόμενων αναγκών επικοινωνίας. Πάρτε το πρώτο δίκτυο 2G ως παράδειγμα. Σύμφωνα με την τεχνολογία SISO, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων δικτύου μπορεί να φτάσει μόνο σε δεκάδες KBPs, η οποία δεν είναι σε θέση να υποστηρίξει την ταχεία μετάδοση δεδομένων μεγάλης χωρητικότητας, όπως εικόνες και βίντεο υψηλής ευκρίνειας. Η τεχνολογία MIMO, από την άλλη πλευρά, εξοπλίζοντας πολλαπλές κεραίες τόσο στον σταθμό βάσης όσο και στον τερματικό, και χρησιμοποιώντας τεχνολογίες χωρικής πολυπλεξίας και ποικιλομορφίας, βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα και την αξιοπιστία του συστήματος χωρίς να αυξάνουν τους πόρους του φάσματος. Για παράδειγμα, σε δίκτυα 4G, οι κοινές τεχνολογίες MIMO 2 × 2 MIMO ή 4 × 4 MIMO έχουν αυξήσει τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων δικτύου στο επίπεδο εκατό megabit, βελτιώνοντας σημαντικά την εμπειρία των χρηστών. Ωστόσο, με την ταχεία ανάπτυξη του κινητού Διαδικτύου, η ζήτηση των χρηστών για κυκλοφορία δεδομένων έχει αυξηθεί εκθετικά και η απόδοση της παραδοσιακής τεχνολογίας MIMO έχει προσεγγίσει σταδιακά την συμφόρηση, ανίκανος να ικανοποιήσει τις αυστηρές απαιτήσεις των δικτύων 5G. Τα στατιστικά στοιχεία δείχνουν ότι σε σενάρια, όπως χώρους μεγάλης κλίμακας εκδηλώσεων ή πυκνές αστικές περιοχές, τα δίκτυα 4G συχνά υποφέρουν από συμφόρηση και μειωμένη ταχύτητα, καθιστώντας δύσκολη την υποστήριξη ενός μεγάλου αριθμού χρηστών να συμμετέχουν ταυτόχρονα σε εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις εύρους ζώνης, όπως η αναπαραγωγή βίντεο υψηλής ευκρίνειας και τα online παιχνίδια.
Ως περαιτέρω εξέλιξη της τεχνολογίας MIMO, η μαζική τεχνολογία MIMO αύξησε σημαντικά τον αριθμό των κεραιών σταθμού βάσης, επεκτείνοντας από μερικές ή δεκάδες κεραίες σε παραδοσιακές MIMO έως εκατοντάδες ή και χιλιάδες κεραίες. Αυτή η σημαντική αύξηση του αριθμού των κεραιών φέρνει πολλαπλά τεχνικά πλεονεκτήματα, αναμορφώνοντας έτσι την κάλυψη των δικτύων επικοινωνίας. Κατ 'αρχήν, το μαζικό MIMO χρησιμοποιεί τη χωρική ανεξαρτησία των καναλιών. Εξοπλίζοντας έναν μεγάλο αριθμό κεραιών στο σταθμό βάσης, μπορεί να επικοινωνεί ταυτόχρονα με πολλούς χρήστες, επιτυγχάνοντας πολυπλεξία χωρικής διάστασης. Στα παραδοσιακά συστήματα επικοινωνίας, λόγω του περιορισμένου αριθμού κεραιών, τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν μόνο σε μερικούς χρήστες ταυτόχρονα. Ωστόσο, τα μαζικά συστήματα MIMO, αυξάνοντας τον αριθμό των κεραιών, μπορούν να υποστηρίξουν περισσότερους χρήστες με τους ίδιους πόρους χρονικής συχνότητας, βελτιώνοντας σημαντικά την ικανότητα του συστήματος και την αποτελεσματικότητα του φάσματος. Οι θεωρητικές μελέτες έχουν δείξει ότι όταν ο αριθμός των κεραιών του σταθμού βάσης τείνει να είναι άπειρος, η αποτελεσματικότητα του φάσματος και η ενεργειακή απόδοση των μαζικών συστημάτων MIMO θα βελτιωθούν σημαντικά.
Από την άποψη της κάλυψης του δικτύου, η μαζική τεχνολογία MIMO έχει βελτιώσει σημαντικά το εύρος κάλυψης και την ποιότητα των σημάτων μέσω της τεχνολογίας Beamforming. Η BeamForming αναφέρεται στη στάθμιση των σημάτων που μεταδίδονται από τις κεραίες σταθμού βάσης σύμφωνα με τις πληροφορίες του καναλιού, έτσι ώστε η ενέργεια σήματος να συγκεντρωθεί σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση για να σχηματίσει μια δέσμη. Σε μαζικά συστήματα MIMO, λόγω του μεγάλου αριθμού κεραιών, μπορεί να επιτευχθεί πιο ακριβής έλεγχος δέσμης, ο οποίος μπορεί να κατευθύνει με ακρίβεια την ενέργεια σήματος για να στοχεύσει τους χρήστες, να μειώσει την απώλεια σήματος σε άλλες κατευθύνσεις και έτσι να βελτιώσει το εύρος κάλυψης και τη δύναμη των σημάτων. Ειδικά σε πολύπλοκα αστικά περιβάλλοντα, όπου τα κτίρια μπλοκάρουν και αντανακλούν σήματα, οδηγώντας σε ξεθώριασμα και παρεμβολές σήματος, η μαζική τεχνολογία Beamforming της MIMO μπορεί να ξεπεράσει αποτελεσματικά αυτά τα προβλήματα, εξασφαλίζοντας ότι οι χρήστες μπορούν να αποκτήσουν σταθερές και υψηλής ταχύτητας υπηρεσίες επικοινωνίας σε διαφορετικά σενάρια.
Επιπλέον, η μαζική τεχνολογία MIMO μπορεί επίσης να βελτιώσει την αξιοπιστία των συστημάτων επικοινωνίας μέσω της τεχνολογίας της διαφορετικότητας. Η τεχνολογία ποικιλομορφίας αναφέρεται στη μετάδοση των ίδιων πληροφοριών μέσω πολλαπλών ανεξάρτητων καναλιών για τη μείωση της επίδρασης της εξασθένισης του καναλιού στη μετάδοση σήματος. Σε μαζικά συστήματα MIMO, λόγω του μεγάλου αριθμού κεραιών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες μεθόδους ποικιλομορφίας, όπως η χωρική ποικιλομορφία, η ποικιλομορφία του χρόνου και η ποικιλομορφία της συχνότητας για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της μετάδοσης σήματος. Όταν ένα συγκεκριμένο κανάλι επηρεάζεται από εξασθένιση ή παρεμβολή, άλλα κανάλια μπορούν ακόμα να μεταδίδουν σήματα κανονικά, εξασφαλίζοντας έτσι τη συνέχεια και τη σταθερότητα της επικοινωνίας. Αυτή η υψηλή αξιοπιστία είναι ιδιαίτερα σημαντική για εφαρμογές 5G με υψηλές απαιτήσεις σχετικά με την ποιότητα της επικοινωνίας, όπως η αυτόνομη οδήγηση και η τηλεϊατρική. Στο σενάριο της αυτόνομης οδήγησης, τα οχήματα πρέπει να αλληλεπιδρούν με το σύννεφο και τα γύρω οχήματα σε πραγματικό χρόνο με μεγάλο αριθμό δεδομένων, το οποίο έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις στην αξιοπιστία του δικτύου και τη χαμηλή καθυστέρηση. Η μαζική τεχνολογία MIMO μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά το ποσοστό σφάλματος bit κατά τη μετάδοση σήματος μέσω της τεχνολογίας της ποικιλομορφίας, να εξασφαλίσει την ακριβή και έγκαιρη μετάδοση των εντολών ελέγχου οχημάτων και να εγγυηθεί την ασφάλεια οδήγησης. Στην τηλεϊατρική, όταν οι γιατροί διεξάγουν απομακρυσμένη διάγνωση και χειρουργικές επεμβάσεις σε ασθενείς μέσω βίντεο υψηλής ευκρίνειας, το σταθερό και αξιόπιστο δίκτυο που παρέχεται από μαζικές τεχνολογίες MIMO μπορεί να εξασφαλίσει την ομαλή μετάδοση εικόνων βίντεο, αποφεύγοντας διαγνωστικά σφάλματα ή χειρουργικούς κινδύνους που προκαλούνται από προβλήματα δικτύου.
Από την άποψη της πραγματικής ανάπτυξης, η εφαρμογή μαζικής τεχνολογίας MIMO στην αναβάθμιση των κεραιών ραδιοσυχνοτήτων βάσης 5G αντιμετωπίζει επίσης πολλές προκλήσεις. Πρώτον, η χρήση μεγάλου αριθμού κεραιών θα αυξήσει το κόστος του υλικού και την κατανάλωση ενέργειας του σταθμού βάσης. Κάθε κεραία πρέπει να είναι εξοπλισμένη με αντίστοιχο εξοπλισμό ραδιοσυχνοτήτων, συμπεριλαμβανομένων των ενισχυτών ισχύος, των ενισχυτών χαμηλού θορύβου, των φίλτρων κλπ. Με την αύξηση του αριθμού των κεραιών, ο αριθμός αυτών των συσκευών θα αυξηθεί σημαντικά, οδηγώντας σε σημαντική αύξηση του κόστους του εξοπλισμού σταθμών βάσης. Ταυτόχρονα, η λειτουργία μεγάλου αριθμού κεραιών θα καταναλώσει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια, αυξάνοντας το λειτουργικό κόστος των χειριστών. Δεύτερον, λόγω του μεγάλου αριθμού κεραιών, το περιβάλλον του καναλιού είναι πιο περίπλοκο, καθιστώντας πιο δύσκολη την ακριβή εκτίμηση των πληροφοριών κατάστασης του καναλιού, οι οποίες απαιτούν πιο προηγμένους αλγόριθμους και τεχνολογίες. Επιπλέον, η επεξεργασία των σημάτων που μεταδίδονται και λαμβάνονται από μεγάλο αριθμό κεραιών απαιτεί ισχυρή υπολογιστική ισχύ, η οποία προσφέρει υψηλότερες απαιτήσεις στη μονάδα επεξεργασίας σήματος του σταθμού βάσης.
Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, οι ερευνητές και οι επιχειρήσεις επικοινωνίας έχουν καταβάλει μεγάλες προσπάθειες στην τεχνολογική έρευνα και την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση του εξοπλισμού. Όσον αφορά το υλικό, μέσω της υιοθέτησης νέων τεχνολογιών υλικών και ενσωμάτωσης, το κόστος και η κατανάλωση ενέργειας των κεραιών και του εξοπλισμού εμπρόσθιου άκρου ραδιοσυχνοτήτων μειώνονται συνεχώς. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τη ζώνη συχνοτήτων χιλιοστών για επικοινωνία, η οποία έχει άφθονους πόρους φάσματος και μπορεί να καλύψει τις ανάγκες των δικτύων 5G για μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας. Ταυτόχρονα, οι κεραίες χιλιοστών κύματος είναι μικρές σε μέγεθος, το οποίο είναι βολικό για την ενσωμάτωση ενός μεγάλου αριθμού κεραιών στο σταθμό βάσης. Επί του παρόντος, ορισμένοι κατασκευαστές έχουν αναπτύξει τεράστιες συστοιχίες κεραίας MIMO με βάση κύματα χιλιοστών, τα οποία μειώνουν αποτελεσματικά τον όγκο και το κόστος της συσκευής μέσω του εξαιρετικά ολοκληρωμένου σχεδιασμού. Όσον αφορά την επεξεργασία σήματος, οι αλγόριθμοι εκτίμησης καναλιών και ανίχνευσης σήματος μελετώνται συνεχώς και βελτιώνονται για να βελτιωθεί η ακρίβεια και η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες τεχνητής νοημοσύνης, όπως η βαθιά μάθηση για την πρόβλεψη και την εκτίμηση των πληροφοριών του καναλιού, τη βελτίωση της ακρίβειας και της ταχύτητας εκτίμησης του καναλιού.
Με τη συνεχή ανάπτυξη και την ωριμότητα της τεχνολογίας, η εφαρμογή μαζικής τεχνολογίας MIMO σε δίκτυα 5G θα γίνει πιο εκτεταμένη και σε βάθος. Στο μέλλον, η μαζική τεχνολογία MIMO δεν θα εφαρμοστεί μόνο στους σταθμούς βάσης μακροεντολών, αλλά και να προωθηθεί σε μικρούς σταθμούς βάσης, όπως σταθμούς μικρο -βάσης και σταθμούς βάσης PICO, περαιτέρω βελτιστοποίηση της κάλυψης και της χωρητικότητας του δικτύου. Ταυτόχρονα, η μαζική τεχνολογία MIMO θα συνδυαστεί επίσης με άλλες βασικές τεχνολογίες 5G, όπως η επικοινωνία των χιλιοστών και το τεμαχισμό του δικτύου, για να παρέχουν στους χρήστες καλύτερες και πιο διαφοροποιημένες υπηρεσίες επικοινωνίας. Στην έρευνα της τεχνολογίας 6G, η μαζική τεχνολογία MIMO θα συνεχίσει να διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, να προχωρήσει προς τους στόχους υψηλότερης απόδοσης και να θέσει μια σταθερή βάση για την ανάπτυξη μελλοντικών δικτύων επικοινωνίας.
