空間多重化

空間多重化または空間分割多重化( SM 、 SDM 、またはSMX )は、 MIMO無線通信、光ファイバー通信、および空間的に分離された独立したチャネルを送信するために使用されるその他の通信技術における多重化技術です。

光ファイバー通信において、SDM はファイバーの横方向の寸法を使用してチャネルを分離することを指します。

マルチコア ファイバーは、1 つ以上のコアで設計されています。さまざまな種類の MCF がありますが、その中で最も一般的なのは「非結合 MCF」で、各コアは独立した光路として扱われます。これらのシステムの主な制限は、コア間のクロストークの存在です。最近では、さまざまなスプライシング技術や結合方法が提案され、実証されており、多くのコンポーネント技術がまだ開発段階にあるにもかかわらず、MCF システムはすでに膨大な伝送容量を実現しています。^{[引用が必要]}

最近、異なるマルチコア光ファイバ間の3次元Yスプリッタ^[1] 、同じファイバコア間のユニバーサル相互接続^[ 2]、およびマルチコア光ファイバのコア間で波長分割多重データを高速に交換および交換するためのデバイス[3]など、マルチコア光ファイバのいくつかの開発された要素技術が実証されています^。

マルチモード ファイバーは、基本モードのみをサポートするシングル モード ファイバー (SMF) とは対照的に、複数の円筒形横モード(直線偏光モードとも呼ばれる)の伝搬を可能にする大きなコアを備えています。各横モードは空間的に直交しており、直交する両方の偏光での伝搬が可能です。

一般的な MMF は、モード数が多いとモード結合と分散のレベルが制御不能になるため、現在 SDM には適していません。少数モード ファイバー (空間モードの数を少なくするように特別に設計されたコア サイズを持つ MMF) の利用が現在検討されています。

物理的な欠陥により、モードは電力を交換し、ファイバーを伝搬する際に異なる有効屈折率を経験します。^[4]電力交換はモード結合をもたらし、この効果は、モードが不均等なゲインまたは減衰を経験する場合、ファイバーの達成可能な容量を減少させることが知られています。 ^[5]したがって、補償されない場合、容量の増加はモード数に対して線形ではありません。有効屈折率の差は、遅延拡散に起因するシンボル間干渉をもたらします。^[6]

モードマルチプレクサは、フォトニックランタン、マルチプレーン光変換などから構成されます。

バンドルされたファイバーも SDM の一種と見なされます。

送信機にアンテナが装備され、受信機にもアンテナがある場合、最大空間多重化順序（ストリーム数）は、 ${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{r}}$

${\displaystyle N_{s}=\min(N_{t},N_{r})\!}$

線形受信機を使用する場合、これはストリームを並列に送信できることを意味し、理想的にはスペクトル効率（無線チャネルを介して送信できる 1 秒あたり Hz あたりのビット数）の向上につながります。実際の多重化ゲインは空間相関によって制限される可能性があり、これは並列ストリームの一部が非常に弱いチャネルゲインを持つ可能性があることを意味します。 ${\displaystyle N_{s}}$${\displaystyle N_{s}}$

送信アンテナと受信アンテナを備えたオープンループMIMOシステムでは、入力と出力の関係は次のように記述できます。 ${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{r}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {Hx} +\mathbf {n} }$

ここで、は送信シンボルのベクトル、 は それぞれ受信シンボルとノイズのベクトル、はチャネル係数の行列です 。オープン ループ空間多重化でよく発生する問題は、チャネル相関が高く、複数のストリーム間で電力の不均衡が大きくなるのを防ぐことです。DVB -NGH システムで検討されているこのような拡張機能の 1 つに、いわゆる拡張空間多重化 (eSM)方式があります。 ${\displaystyle \mathbf {x} =[x_{1},x_{2},\ldots ,x_{N_{t}}]^{T}}$${\displaystyle N_{t}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {y,n} }$${\displaystyle N_{r}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$

閉ループMIMOシステムは、送信機でチャネル状態情報（CSI）を利用します。ほとんどの場合、フィードバックチャネルの制限により、送信機では部分的なCSIしか利用できません。閉ループMIMOシステムでは、閉ループアプローチによる入力と出力の関係は次のように記述できます。

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {HWs} +\mathbf {n} }$

ここで、は送信シンボルのベクトル、はそれぞれ受信シンボルとノイズのベクトル、は チャネル係数の行列、は線形プリコーディング行列です 。 ${\displaystyle \mathbf {s} =[s_{1},s_{2},\ldots ,s_{N_{s}}]^{T}}$${\displaystyle N_{s}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {y,n} }$${\displaystyle N_{r}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{t}\times N_{s}}$

プリコーディング行列は、ベクトル内のシンボルをプリコーディングしてパフォーマンスを向上させるために使用されます。の列次元はよりも小さく選択できます。これは、いくつかの理由によりシステムがストリームを必要とする場合に便利です。理由の例は次のとおりです。MIMO チャネルのランクまたは受信アンテナの数が送信アンテナの数よりも小さい場合。 ${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{s}}$${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{s}(\neq N_{t})}$

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