در تاریخ تکاملی فناوریهای ارتباطات سیار، هر نسل از تکرارهای فناوری با پیشرفتهای قابل توجهی در عملکرد شبکه همراه بوده است و ظهور فناوری 5G حتی تغییرات خرابکارانهای را به همراه داشته است. هدف شبکههای 5G برآورده کردن نیازهای مختلف مانند نرخ داده بسیار بالا، تأخیر بسیار کم و اتصالات گسترده دستگاه است. دستیابی به این اهداف متکی بر یک سری فناوریهای کلیدی است که در میان آنها فناوری Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) نقش اصلی را در ارتقای آنتنهای فرکانس رادیویی ایستگاه پایه 5G ایفا میکند و پوشش شبکه ارتباطی را به شیوهای بیسابقه تغییر میدهد.
در شبکههای ارتباطی سنتی، آنتنهای ایستگاه پایه معمولاً از فناوریهای تک ورودی تک خروجی (SISO) یا چند ورودی چند خروجی (MIMO) استفاده میکنند. سیستمهای SISO تنها از یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده استفاده میکنند که ظرفیت انتقال داده محدودی دارد، که رفع نیازهای ارتباطی رو به رشد را دشوار میکند. به عنوان مثال شبکه 2G اولیه را در نظر بگیرید. تحت فناوری SISO، سرعت انتقال دادههای شبکه تنها میتواند به دهها کیلوبیت در ثانیه برسد، که نمیتواند از انتقال سریع دادههای با ظرفیت بالا مانند تصاویر و ویدیوهای با کیفیت بالا پشتیبانی کند. از سوی دیگر، فناوری MIMO با تجهیز چندین آنتن در ایستگاه پایه و ترمینال و استفاده از فناوریهای مالتی پلکس فضایی و تنوع، ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم را بدون افزایش منابع طیف به طور قابل توجهی بهبود میبخشد. به عنوان مثال، در شبکههای 4G، فناوریهای رایج 2×2 MIMO یا 4×4 MIMO نرخ انتقال دادههای شبکه را تا سطح صد مگابیت افزایش دادهاند و تجربه آنلاین کاربران را تا حد زیادی بهبود میبخشند. با این حال، با توسعه سریع اینترنت تلفن همراه، تقاضای کاربران برای ترافیک داده به طور تصاعدی افزایش یافته است و عملکرد فناوری سنتی MIMO به تدریج به گلوگاه نزدیک شده است و قادر به برآورده کردن الزامات سختگیرانه شبکه های 5G نیست. آمارها نشان میدهند که در سناریوهایی مانند مکانهای رویدادهای بزرگ یا مناطق شهری متراکم، شبکههای 4G اغلب از ازدحام و کاهش سرعت رنج میبرند، که پشتیبانی از تعداد زیادی از کاربران را برای مشارکت همزمان در برنامههایی با پهنای باند بالا مانند پخش ویدیو با کیفیت بالا و بازیهای آنلاین دشوار میکند.
به عنوان تکامل بیشتر فناوری MIMO، فناوری عظیم MIMO به طور قابل توجهی تعداد آنتن های ایستگاه پایه را افزایش داده است و از چند یا ده ها آنتن در MIMO سنتی به صدها یا حتی هزاران آنتن افزایش یافته است. این افزایش قابل توجه در تعداد آنتن ها مزایای فنی متعددی را به همراه دارد و در نتیجه پوشش شبکه های ارتباطی را تغییر شکل می دهد. در اصل، Massive MIMO از استقلال فضایی کانال ها استفاده می کند. با تجهیز تعداد زیادی آنتن در ایستگاه پایه، می تواند با چندین کاربر به طور همزمان ارتباط برقرار کند و به مالتی پلکس شدن ابعاد فضایی دست یابد. در سیستمهای ارتباطی سنتی، به دلیل محدود بودن تعداد آنتنها، دادهها را میتوان تنها به چند کاربر به طور همزمان منتقل کرد. با این حال، سیستمهای عظیم MIMO، با افزایش تعداد آنتنها، میتوانند از کاربران بیشتری در منابع فرکانس زمانی یکسان پشتیبانی کنند و ظرفیت سیستم و کارایی طیف را تا حد زیادی بهبود بخشند. مطالعات نظری نشان دادهاند که وقتی تعداد آنتنهای ایستگاه پایه بینهایت باشد، راندمان طیف و بازده انرژی سیستمهای Massive MIMO تا حد زیادی بهبود مییابد.
از نظر پوشش شبکه، فناوری Massive MIMO به طور قابل توجهی محدوده پوشش و کیفیت سیگنال ها را از طریق فناوری شکل دهی پرتو بهبود بخشیده است. Beamforming به وزن دادن سیگنال های ارسال شده توسط آنتن های ایستگاه پایه بر اساس اطلاعات وضعیت کانال اشاره دارد، به طوری که انرژی سیگنال در یک جهت خاص متمرکز شده و یک پرتو تشکیل می دهد. در سیستم های Massive MIMO به دلیل تعداد زیاد آنتن ها می توان به کنترل پرتو دقیق تری دست یافت که می تواند انرژی سیگنال را به طور دقیق به سمت کاربران هدف هدایت کند، تلفات سیگنال را در جهات دیگر کاهش دهد و در نتیجه محدوده پوشش و قدرت سیگنال ها را بهبود بخشد. به خصوص در محیط های پیچیده شهری، که در آن ساختمان ها سیگنال ها را مسدود کرده و منعکس می کنند و منجر به محو شدن و تداخل سیگنال می شود، فناوری شکل دهی پرتو عظیم MIMO می تواند به طور موثر بر این مشکلات غلبه کند و تضمین کند که کاربران می توانند خدمات ارتباطی پایدار و با سرعت بالا را در سناریوهای مختلف دریافت کنند.
علاوه بر این، فناوری Massive MIMO همچنین می تواند قابلیت اطمینان سیستم های ارتباطی را از طریق فناوری تنوع بهبود بخشد. فناوری تنوع به انتقال اطلاعات یکسان از طریق چندین کانال مستقل برای کاهش تأثیر محو شدن کانال بر انتقال سیگنال اشاره دارد. در سیستمهای Massive MIMO به دلیل تعداد زیاد آنتنها، میتوان از روشهای مختلف تنوع مانند تنوع مکانی، تنوع زمانی و تنوع فرکانس برای بهبود قابلیت اطمینان انتقال سیگنال استفاده کرد. هنگامی که یک کانال خاص تحت تأثیر محو شدن یا تداخل قرار می گیرد، کانال های دیگر همچنان می توانند سیگنال ها را به طور معمول ارسال کنند، بنابراین تداوم و پایداری ارتباط را تضمین می کنند. این قابلیت اطمینان بالا به ویژه برای برنامه های 5G با الزامات بالا در کیفیت ارتباط، مانند رانندگی مستقل و پزشکی از راه دور، مهم است. در سناریوی رانندگی خودمختار، وسایل نقلیه نیاز به تعامل با ابر و وسایل نقلیه اطراف در زمان واقعی با مقدار زیادی داده دارند، که الزامات بسیار بالایی در قابلیت اطمینان شبکه و تأخیر کم دارد. فناوری عظیم MIMO می تواند به طور موثر نرخ خطای بیت را در هنگام انتقال سیگنال از طریق فناوری تنوع کاهش دهد، از انتقال دقیق و به موقع دستورات کنترل خودرو اطمینان حاصل کند و ایمنی رانندگی را تضمین کند. در پزشکی از راه دور، هنگامی که پزشکان از طریق ویدئوهای با کیفیت بالا، تشخیص از راه دور و عملیات جراحی را بر روی بیماران انجام می دهند، شبکه پایدار و قابل اعتماد ارائه شده توسط فناوری Massive MIMO می تواند از انتقال روان تصاویر ویدئویی، جلوگیری از خطاهای تشخیصی یا خطرات جراحی ناشی از مشکلات شبکه اطمینان حاصل کند.
از منظر استقرار واقعی، استفاده از فناوری Massive MIMO در ارتقای آنتنهای فرکانس رادیویی ایستگاه پایه 5G نیز با چالشهای زیادی مواجه است. اولاً، استفاده از تعداد زیادی آنتن، هزینه سخت افزاری و مصرف برق ایستگاه پایه را افزایش می دهد. هر آنتن باید به تجهیزات فرکانس رادیویی مربوطه از جمله تقویت کننده های قدرت، تقویت کننده های کم نویز، فیلترها و غیره مجهز شود. با افزایش تعداد آنتن ها، تعداد این دستگاه ها نیز به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و منجر به افزایش قابل توجه هزینه تجهیزات ایستگاه پایه می شود. در عین حال، بهره برداری از تعداد زیادی آنتن، انرژی الکتریکی بیشتری مصرف می کند و هزینه های عملیاتی اپراتورها را افزایش می دهد. ثانیاً، به دلیل تعداد زیاد آنتنها، محیط کانال پیچیدهتر است و تخمین دقیق اطلاعات وضعیت کانال را دشوارتر میکند، که به الگوریتمها و فناوریهای پیشرفتهتری نیاز دارد. علاوه بر این، پردازش سیگنال های ارسال شده و دریافت شده توسط تعداد زیادی آنتن نیازمند قدرت محاسباتی قوی است که نیازهای بالاتری را در واحد پردازش سیگنال ایستگاه پایه ایجاد می کند.
برای مقابله با این چالش ها، محققان و شرکت های ارتباطی تلاش های زیادی در تحقیق و توسعه فناوری و بهینه سازی تجهیزات انجام داده اند. از نظر سخت افزاری، از طریق پذیرش مواد جدید و فناوری های یکپارچه سازی، هزینه و توان مصرفی آنتن ها و تجهیزات فرکانس رادیویی به طور مداوم کاهش می یابد. به عنوان مثال، استفاده از باند فرکانس موج میلی متری برای ارتباطات، که دارای منابع طیف فراوانی است و می تواند نیازهای شبکه های 5G را برای انتقال داده با سرعت بالا برآورده کند. در عین حال، آنتن های موج میلی متری از نظر اندازه کوچک هستند که برای ادغام تعداد زیادی آنتن در ایستگاه پایه مناسب است. در حال حاضر، برخی از تولید کنندگان آرایه های آنتن عظیم MIMO را بر اساس امواج میلی متری توسعه داده اند که به طور موثر حجم و هزینه دستگاه را از طریق طراحی بسیار یکپارچه کاهش می دهد. از نظر پردازش سیگنال، الگوریتم های تخمین کانال و تشخیص سیگنال به طور مداوم مورد مطالعه و بهبود قرار می گیرند تا دقت و کارایی الگوریتم ها بهبود یابد. به عنوان مثال، استفاده از فناوریهای هوش مصنوعی مانند یادگیری عمیق برای پیشبینی و برآورد اطلاعات وضعیت کانال، بهبود دقت و سرعت تخمین کانال.
با توسعه و بلوغ مداوم فناوری، استفاده از فناوری Massive MIMO در شبکههای 5G گستردهتر و عمیقتر میشود. در آینده، فناوری Massive MIMO نه تنها برای ایستگاههای پایه ماکرو به کار میرود، بلکه در ایستگاههای پایه کوچک مانند ایستگاههای پایه میکرو و ایستگاههای پایه pico نیز ارتقا خواهد یافت و پوشش و ظرفیت شبکه را بیشتر بهینه میکند. در عین حال، فناوری Massive MIMO نیز با سایر فناوریهای کلیدی 5G، مانند ارتباطات امواج میلیمتری و برش شبکه، ترکیب میشود تا خدمات ارتباطی بهتر و متنوعتری را در اختیار کاربران قرار دهد. در تحقیقات فناوری 6G، فناوری Massive MIMO همچنان نقش مهمی را ایفا می کند و به سمت اهداف عملکرد بالاتر حرکت می کند و پایه ای محکم برای توسعه شبکه های ارتباطی آینده ایجاد می کند.
