WiMAXMIMO

WiMAX MIMO とは、WiMAXにおける MIMO ( Multiple-input multiple-output) 通信技術の使用を指し、 IEEE 802.16規格の実装における技術ブランド名です。

WiMAX は、 PHY (物理層)および MAC (メディア アクセス制御層) での無線インターフェイスを規定する 標準IEEE 802.16の実装に対するテクノロジ ブランド名です。さまざまなチャネル帯域幅のサポートと適応変調およびコーディングの規定に加えて、優れた非見通し (NLOS)特性を提供する MIMO アンテナのサポートも規定しています。

参照: WiMax フォーラム

MIMO は、 Multiple Input and Multiple Outputの略で、基地局に複数のアンテナがあり、モバイル デバイスにも複数のアンテナがある技術を指します。複数アンテナ技術の一般的な使用法としては、2 つのアンテナを備えた携帯電話、2 つのアンテナを備えたラップトップ (画面の左側と右側に内蔵されているものなど)、および複数のスプラウト アンテナを備えたCPEデバイスなどがあります。

セルラー ネットワークの一般的な実装では、基地局に複数のアンテナを設置し、モバイル デバイスに 1 つのアンテナを設置します。これにより、モバイル無線のコストが最小限に抑えられます。モバイル デバイスの無線周波数(RF) コンポーネントのコストが下がると、モバイル デバイスに 2 つ目のアンテナを設置することが一般的になる可能性があります。現在、複数のモバイル デバイス アンテナがWi-Fiテクノロジ (IEEE 802.11n など) で使用されており、WiFi 対応の携帯電話、ラップトップ、その他のデバイスには 2 つ以上のアンテナが設置されていることがよくあります。

MIMO技術を使用したWiMAXの実装が重要になってきています。MIMO技術の使用により受信が改善され、伝送距離と速度が向上します。また、MIMOの実装により、WiMAXのスペクトル効率が大幅に向上します。^[1]

802.16 で定義された MIMO 構成は、個々の基地局とモバイル ステーション間で動的にネゴシエートされます。802.16 仕様では、異なる MIMO 機能を持つモバイル ステーションの混合をサポートする機能がサポートされています。これにより、さまざまなベンダーのモバイル ステーションのさまざまな機能を活用して、セクター スループットを最大化できます。

802.16 仕様は、送信ダイバーシティの複数入力単一出力 (MISO)技術をサポートしています。これは一般に空間時間コード (STC)と呼ばれます。この方法では、送信機に 2 つ以上のアンテナが使用され、受信機に 1 つのアンテナが使用されます。複数の受信アンテナ (つまり MIMO) を使用すると、STC 送信信号の受信がさらに向上します。

送信ダイバーシティ レート = 1 (802.16 標準では「マトリックス A」とも呼ばれる) の場合、同じシンボル中に 2 つの異なるアンテナで異なるデータ ビット コンステレーションが転送されます。同じ 2 つのコンステレーションの共役および/または逆コンステレーションが、次のシンボル中に同じアンテナで再度転送されます。STC によるデータ転送レートは、ベースライン ケースと同じままです。この方法では、送信の冗長性により、受信信号がより堅牢になります。この構成では、受信アンテナが 2 つ、送信アンテナが 1 つの場合と同様のパフォーマンスが得られます。

802.16 仕様では、空間多重化 (SMX)の MIMO 技術もサポートされています。これは、送信ダイバーシティ レート = 2 (802.16 標準では「マトリックス B」とも呼ばれます) とも呼ばれます。この方法では、同じビットを 2 つのアンテナで送信する代わりに、シンボルごとに最初のアンテナから 1 つのデータ ビットを送信し、2 番目のアンテナから別のビットを同時に送信します。受信機に複数のアンテナがあり、信号の品質が十分であれば、受信機は信号を分離できます。この方法では、送信機と受信機の両方で複雑さとコストが増加します。ただし、送信アンテナが 2 つと受信アンテナが 2 つあるため、受信アンテナが 1 つだけのスペース タイム コードを使用するシステムと比較して、データを 2 倍の速度で送信できます。

空間多重化の具体的な用途の 1 つは、信号品質が最も高いユーザーにこれを適用して、そのユーザーへの送信に要する時間を短縮することです。信号品質が低すぎて空間多重化信号を解決できないユーザーは、従来の送信のままです。これにより、オペレーターは一部のユーザーに高いデータ レートを提供したり、より多くのユーザーにサービスを提供したりすることができます。WiMAX 仕様の動的ネゴシエーション メカニズムは、この用途を可能にします。

802.16 仕様では、4 つのアンテナの使用もサポートされています。3 つの構成がサポートされています。

レート = 1 で 4 つのアンテナを使用すると、データはシンボルごとに 4 回送信され、そのたびにデータは共役化および/または反転されます。これによりデータ レートは変更されませんが、信号の堅牢性が高まり、エラー レートの急激な増加が回避されます。

レート = 2 で 4 つのアンテナを使用すると、データ レートは 2 倍になるだけですが、2 つのアンテナを使用する場合に同じデータが 1 回だけ送信されるのに対して、2 回送信されるため、堅牢性が向上します。

4 つのアンテナのみで使用可能な 3 番目の構成はマトリックス C です。この構成では、シンボルごとに 4 つのアンテナから異なるデータ ビットが送信され、ベースライン データ レートが 4 倍になります。

注: MRC (最大比合成)はベンダーの裁量で、速度と範囲が向上します。WiMAX では、ベース ステーションの MRC は受信ビームフォーミングと呼ばれることもあります。

参照:時空間符号化と空間多重化

関連する技術はアップリンク コラボレーティブ MIMO と呼ばれ、ユーザーは同じ周波数で同時に送信します。このタイプの空間多重化は、モバイル デバイスで複数の送信アンテナを必要とせずにセクター スループットを向上させます。OFDMA でこれを実現する一般的な非 MIMO 方式は、OFDMA 時間周波数マップ内の異なるポイントに異なるモバイル ステーションをスケジュールすることです。コラボレーティブ空間多重化 (コラボレーティブ MIMO) は、複数のデータ ストリームが同じデバイス上の複数のアンテナから送信される通常の空間多重化に相当します。

WiMAXの場合、アップリンク コラボレーティブ MIMO は、それぞれ 1 つのアンテナを持つ 2 つの異なるデバイスによる空間多重化です。これらの送信デバイスは、制御された状況下で意図的なオーバーラップが発生するように、両方のデバイスが時間と周波数で同期する必要があるという意味でコラボレーティブです。2 つのデータ ストリームは相互に干渉します。信号品質が十分に良好で、ベース ステーションの受信機に少なくとも 2 つのアンテナがある限り、2 つのデータ ストリームを再び分離できます。この技術は、仮想空間多重化と呼ばれることもあります。

WiMAX で使用できる MIMO 関連の技術は、AAS またはビームフォーミングと呼ばれます。複数のアンテナと複数の信号が使用され、目的のステーションへの送信を改善する目的でビームが形成されます。その結果、目的のユーザーへの信号が増加し、他のユーザーへの信号が減少するため、干渉が減少します。

WiMAX システムで使用できるが 802.16 仕様の範囲外である別の MIMO 関連技術は、巡回遅延ダイバーシティとして知られています。この技術では、1 つ以上の信号が送信前に遅延されます。信号は 2 つのアンテナから送信されるため、各スペクトルはマルチパス フェーディングによる山とノッチによって特徴付けられ、受信スペクトルは異なります。受信機では信号が結合され、結合受信によってスペクトル山が浅くなり、スペクトル ノッチが少なくなるため、受信が改善されます。信号が特定の電力レベルでフラット チャネルに近づくほど、得られるスループットが高くなります。

WiMaxフォーラムには、PHYおよびMAC仕様準拠のための標準化された適合性テスト手順のセットがあり、これは無線適合性テスト (RCT) と呼ばれています。無線インターフェイスの特定の実装のあらゆる技術的側面は、まず RCT を受ける必要があります。一般に、RCT にテスト手順がない IEEE 802.16 標準の側面は、まだ広く実装されていないと想定できます。

WiMAX MIMOをサポートするRFICを製造している企業としては、Intel、Beceem [1]、NXP Semiconductors、PMC-Sierraなどがあります。

• 高度なMIMO通信
• IEEE802.16 規格
• 集積回路設計
• ミモ
• 直交周波数分割多重
• ワイマックス
• Wi-Fi

• Louay MA Jalloul および Sam. P. Alex、「IEEE 802.16e システムの評価方法とパフォーマンス」、IEEE 通信および信号処理協会、オレンジ カウンティ合同支部 (ComSig) で 2006 年 12 月 7 日に発表。http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html から入手可能。
• Alex, SP; Jalloul, LMA; 「IEEE802.16e/WiMAX における MIMO のパフォーマンス評価」、IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing、vol.2、no.2、pp. 181–190、2008 年 4 月

• WiMAXフォーラム
• 802.16 の IEEE ウェブサイト
• PMC-Sierra WiMAX 製品
• WiMAX Evolution: Emerging Technologies and Applications、M. Katz および F. Fitzek 編、2009 年。第 16 章、WiMAX システム向け MIMO テクノロジ: 現在と将来、C.-B. Chae、K. Huang、T. Inoue 著
• GEDOMIS (MIMO システム用汎用ハードウェア デモ レータ): MIMO モバイル WiMAX の PHY 層実装