Пространственное мультиплексирование

Пространственное мультиплексирование

2xSMX или STC+2xMRC

Пространственное мультиплексирование или пространственное разделение каналов ( SM , SDM или SMX ) — это метод мультиплексирования в беспроводной связи MIMO , волоконно-оптической связи и других технологиях связи, используемый для передачи независимых каналов, разделенных в пространстве.

Волоконно-оптическая связь

В волоконно-оптической связи SDM означает использование поперечного размера волокна для разделения каналов.

Методы

Многоядерное волокно (MCF)

Многожильные волокна разработаны с более чем одной жилой. Существуют различные типы MCF, из которых наиболее распространен «несвязанный MCF», в котором каждая жила рассматривается как независимый оптический путь. Основным ограничением этих систем является наличие межжильных перекрестных помех. В последнее время были предложены и продемонстрированы различные методы сращивания и методы соединения, и, несмотря на то, что многие из компонентных технологий все еще находятся в стадии разработки, системы MCF уже представляют возможность для огромной пропускной способности. ^{[ необходима цитата ]}

Недавно были продемонстрированы некоторые разработанные компонентные технологии для многожильного оптического волокна, такие как трехмерные Y-разветвители между различными многожильными волокнами, ^[1] универсальное соединение между одними и теми же жилами волокон, ^[2] и устройство для быстрой замены и обмена мультиплексированными по длине волны данными между жилами многожильного оптического волокна. ^[3]

Многомодовые волокна (MMF) и маломодовые волокна (FMF)

Многомодовые волокна имеют более крупный сердечник, который позволяет распространять несколько цилиндрических поперечных мод (также называемых линейно поляризованными модами), в отличие от одномодового волокна (SMF), которое поддерживает только основную моду. Каждая поперечная мода пространственно ортогональна и допускает распространение в обеих ортогональных поляризациях.

Типичные MMF в настоящее время не подходят для SDM, поскольку высокое число мод приводит к неуправляемым уровням модовой связи и дисперсии. В настоящее время рассматривается использование маломодовых волокон, которые представляют собой MMF с размером сердечника, специально разработанным для обеспечения низкого числа пространственных мод.

Из-за физических недостатков моды обмениваются мощностью и испытывают различные эффективные показатели преломления при распространении по волокну. ^[4] Обмен мощностью приводит к модовой связи, и этот эффект, как известно, снижает достижимую емкость волокна, ^[5] если моды испытывают неравное усиление или затухание. Поэтому, если не компенсировать, увеличение емкости не линейно по отношению к количеству мод. Эффективная разница показателей преломления приводит к межсимвольной интерференции, возникающей из-за распространения задержки. ^[6]

Мультиплексоры мод состоят из фотонных фонарей, многоплоскостных преобразователей света и других.

Волоконные пучки

Связанные волокна также считаются формой SDM.

Беспроводная связь

Если передатчик оснащен антеннами, а приемник имеет антенны, то максимальный порядок пространственного мультиплексирования (количество потоков) составляет: ${\displaystyle N_{t}}$ ${\displaystyle N_{r}}$

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

если используется линейный приемник. Это означает, что потоки могут передаваться параллельно, что в идеале приводит к увеличению спектральной эффективности (количества бит в секунду на Гц, которые могут быть переданы по беспроводному каналу). Практический выигрыш от мультиплексирования может быть ограничен пространственной корреляцией , что означает, что некоторые из параллельных потоков могут иметь очень слабые выигрыши канала. ${\displaystyle N_{s}}$ ${\displaystyle N_{s}}$

Кодирование

Подход открытого цикла

В системе MIMO с открытым контуром, имеющей передающие и приемные антенны, соотношение вход-выход можно описать следующим образом: ${\displaystyle N_{t}}$ ${\displaystyle N_{r}}$

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

где — вектор переданных символов, — векторы принятых символов и шума соответственно, — матрица коэффициентов канала. Часто встречающаяся проблема при пространственном мультиплексировании с открытым контуром — это защита от случаев высокой корреляции каналов и сильного дисбаланса мощности между несколькими потоками. Одним из таких расширений, рассматриваемых для систем DVB-NGH , является так называемая схема улучшенного пространственного мультиплексирования (eSM) . ${\displaystyle \mathbf {x} =[x_{1},x_{2},\ldots ,x_{N_{t}}]^{T}}$ ${\displaystyle N_{t}\times 1}$ ${\displaystyle \mathbf {y,n} }$ ${\displaystyle N_{r}\times 1}$ ${\displaystyle \mathbf {H} }$ ${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$

Замкнутый подход

Система MIMO с замкнутым контуром использует информацию о состоянии канала (CSI) на передатчике. В большинстве случаев на передатчике доступна только частичная CSI из-за ограничений канала обратной связи. В системе MIMO с замкнутым контуром отношение вход-выход с подходом с замкнутым контуром можно описать как

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

где — вектор переданных символов, — векторы принятых символов и шума соответственно, — матрица коэффициентов канала, — матрица линейного предварительного кодирования . ${\displaystyle \mathbf {s} =[s_{1},s_{2},\ldots ,s_{N_{s}}]^{T}}$ ${\displaystyle N_{s}\times 1}$ ${\displaystyle \mathbf {y,n} }$ ${\displaystyle N_{r}\times 1}$ ${\displaystyle \mathbf {H} }$ ${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$ ${\displaystyle \mathbf {W} }$ ${\displaystyle N_{t}\times N_{s}}$

Матрица предварительного кодирования используется для предварительного кодирования символов в векторе для повышения производительности. Размер столбца может быть выбран меньше, что полезно, если система требует потоков по нескольким причинам. Примеры причин следующие: либо ранг канала MIMO, либо количество приемных антенн меньше количества передающих антенн. ${\displaystyle \mathbf {W} }$ ${\displaystyle N_{s}}$ ${\displaystyle \mathbf {W} }$ ${\displaystyle N_{t}}$ ${\displaystyle N_{s}(\neq N_{t})}$

Смотрите также

• 3G-МИМО
• Пространственно-временной код
• Пространственно-временной решетчатый код
• WiMAX-MIMO-технология
• Волоконно-оптическая связь
• Мультиплексирование

Ссылки

1. Авад, Эхаб (сентябрь 2015 г.). «Многожильный оптоволоконный Y-разветвитель». Optics Express . 23 (20): 25661–25674. Bibcode : 2015OExpr..2325661A. doi : 10.1364/OE.23.025661 . PMID  26480082.
2. Авад, Эхаб (январь 2018 г.). «Ограниченное оптическое изгибание луча для прямого соединения между жилами различных многожильных волокон». Оптическая и квантовая электроника . 50 (2): 69. Bibcode : 2018OptQE..50...69A. doi : 10.1007/s11082-018-1344-0. S2CID  254897867.
3. Авад, Эхаб (декабрь 2015 г.). «Обмен данными по жилам многожильных оптических волокон». Optical Fiber Technology . 26 : 157. Bibcode : 2015OptFT..26..157A. doi : 10.1016/j.yofte.2015.10.003.
4. Хо, Кинг-По; Кан, Джозеф М. (2011). «Потери и усиления, зависящие от режима: статистика и влияние на мультиплексирование с разделением режимов». Optics Express . 19 (17): 16612–16635. arXiv : 1105.3533 . Bibcode : 2011OExpr..1916612H. doi : 10.1364/OE.19.016612. PMID  21935025.
5. Мелло, Дарли А.А.; Шринивас, Хришикеш; Чоутагунта, Картик; Кан, Джозеф М. (15.01.2020). «Влияние коэффициента усиления, зависящего от поляризации и режима, на емкость систем сверхдальней связи». Журнал Lightwave Technology . 38 (2): 303–318. Bibcode : 2020JLwT...38..303M. doi : 10.1109/JLT.2019.2957110.
6. Антонелли, Кристиан; Мекоцци, Антонио; Штайф, Марк (2015). «Распространение задержки в волокнах для передачи SDM: зависимость от параметров волокна и возмущений». Optics Express . 23 (3): 2196–2302. Bibcode : 2015OExpr..23.2196A. doi : 10.1364/OE.23.002196 . PMID  25836090.