Эффективность технологии MIMO (множественный ввод-вывод) во многом определяется способностью поддерживать низкую корреляцию между сигналами, передаваемыми через разные антенны. Низкая корреляция обеспечивает независимость потоков данных, что приводит к повышению пропускной способности системы и её помехоустойчивости. Однако использование антенн с разными характеристиками — будь то форма диаграммы направленности, поляризация, коэффициент усиления или фазовые свойства — часто приводит к повышению корреляции сигналов, что снижает преимущества MIMO.
Это связано с тем, что в условиях сложного многолучевого распространения радиоволны неоднородно отражаются и рассеиваются в окружающей среде. Даже при изначальном различии характеристик антенн, отражения и распространение сигналов могут привести к тому, что их формы после прохождения канала становятся статистически похожими, что увеличивает корреляцию между ними. Помимо этого, антенны с различиями характеристик сложнее согласовать с радиочастотной аппаратурой, что ведёт к проблемам с импедансом, фазовыми сдвигами и балансировкой сигналов, ухудшая качество передачи.
Кроме того, использование разнородных антенн усложняет процессы калибровки и настройки системы, требует дополнительной индивидуальной оптимизации каждой антенны, что повышает временные и ресурсные затраты и снижает надёжность работы системы в целом.
Ключевые формулы для анализа корреляции и эффективности MIMO
1. Коэффициент корреляции сигналов на антеннах выражается формулой:
ρ = E[x₁ x₂*] / √(E[|x₁|²] E[|x₂|²])
где x₁ и x₂ — сигналы с двух разных антенн, E — математическое ожидание, * — комплексное сопряжение. Значение ρ, близкое к нулю по модулю, свидетельствует о низкой корреляции между сигналами.
2. Канал MIMO описывается уравнением:
y = H x + n
где y — вектор принятых сигналов, x — вектор переданных сигналов, n — вектор шума, H — матрица канала размерности Nᵣ × Nₜ (Nᵣ — число приёмных антенн, Nₜ — число передающих).
3. Пропускная способность MIMO-канала определяется выражением:
C = log₂ det (I + (P / (Nₜ N₀)) H H†)
где C — пропускная способность, det — детерминант, I — единичная матрица размерности Nᵣ, P — мощность передачи, N₀ — уровень шума, H† — эрмитово-сопряжённая матрица H.
Минимизация корреляции между столбцами матрицы H, которые соответствуют каналам от разных антенн, является ключевой для максимизации пропускной способности.
Мы рекомендуем применять антенны, которые имеют сходные характеристики и параметры, что позволяет получить более предсказуемое и стабильное поведение сигнала. Такой подход снижает корреляцию между потоками, способствует увеличению пропускной способности и повышает устойчивость связи.
Итог
Для достижения оптимальной производительности и надежности MIMO систем нежелательно использовать антенны с существенными отличиями по характеристикам. Однородные или близкие по параметрам антенны обеспечивают минимальную корреляцию сигналов, что повышает эффективность передачи данных. Различия в антеннах могут повышать корреляцию в условиях многолучевого распространения, вызывать сложности с согласованием и настройкой, что в итоге снижает качество связи. Поэтому при проектировании и эксплуатации MIMO систем предпочтительно использовать однородные антенны и уделять внимание их правильному расположению и согласованию.
