MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que en español se traduce a "múltiples entradas múltiples salidas", es una tecnología que ha agregado una nueva dimensión en las comunicaciones inalámbricas.
Uno de los elementos fundamentales en todo sistema inalámbrico es la antena (o varias de ellas). Las antenas son los puntos finales del sistema transmisor y del receptor. Entre ambas antenas, sólo queda el aire o vacío, y los obstáculos físicos que pudieran haber (edificios, árboles, montañas, etc.).Y es entre éstas dos antenas que se concreta la comunicación "sin cables", creándose así el "enlace", pues después de ellas, ya entramos nuevamente a circuitos eléctricos/electrónicos y sus sub-sistemas.
Como es conocido, en las transmisiones inalámbricas se presentan diversos problemas que generan ineficiencia e introducen pérdidas en las señales. Para mejorar ésto, se idearon configuraciones de antenas llamadas en "diversidad", en donde se agregan antenas para mayor confiabilidad del enlace. Si una antena es receptora, está "escuchando", por lo que si agregamos otra antena, también "escuchando", la probabilidad de que la transmisión sea "escuchada" es mucho mayor. Y así se realizó por mucho tiempo.
Sin embargo, en años recientes, surgieron nuevas configuraciones de antenas, que asociadas a procesamiento avanzado de señales, permitieron una mejora aún mayor. Son los sistemas MIMO, que se presentan con nomenclaturas como 2x2, 4x4, entre otras (cantidad de transmisores x cantidad de receptores). Cuando más sube el número, por ejemplo 8x8, 32x32, 128x128, es mayor la complejidad del sistema y más complicado el procesamiento. Lo que MIMO está haciendo, en términos sencillos es que, utiliza la diversidad para enviar/recibir flujos de información diferentes, en lugar de los métodos anteriores que enviaban la misma información por las vías principal/diversidad. En la Figura 1, se observa un equipo de prototipos MIMO.
Fig. 1. Equipo de prototipos MIMO de National Instruments.
Tratar el tema de MIMO lleva libros completos, por lo que me limito a éste nivel de conceptualización.
En éste artículo de National Instruments [1]. se describen brevemente las tendencias de investigación (research) para sistemas MIMO "masivos", en inglés Massive MIMO.
Puede resultar útil para quien esté proyectando trabajos de investigación en el área, o bastante informativo para quien desee simplemente conocerlo un poco más.
Reseño a continuación las 10 tendencias mencionadas en el artículo.
1) Distributed Massive MIMO (MIMO masivo distribuído): En general hasta hoy, se está trabajando con MIMO con radios co-localizados. Se necesita evaluar también la implementación de antenas distribuídas, para mejorar la diversidad espacial.
2) High mobility (alta movilidad): en conjunto con MIMO, viene asociada una técnica llamada "beamforming", que permite orientar la energía de radiación hacia los receptores finales. Cuando los usuarios móviles se mueven a altas velocidades, se puede complicar el seguimiento de su posición. Se requieren mejoras en ésto también.
3) Antenna patterns (patrones de antenas): Se ha mencionado que MIMO utiliza varias antenas. Sin embargo, la configuración en que son dispuestas éstas antenas, influye en el rendimiento del sistema. Es necesario conocer qué tipo de "arrays" (arreglos) pueden dar los mejores beneficios.
4) Hybrid beamforming (beamforming híbrido): El proceso de beamforming normalmente se realiza con procesamiento digital, pero ésto implica mayores costos. Para mejorar ésto, se propone agregar una etapa de beamforming analógico, transformando así a un sistema híbrido digital-analógico.
5) Energy efficiency (eficiencia energética): Considerando que Massive MIMO requiere utilizar hasta incluso cientos de transmisores, ésto conlleva un importante consumo de energía, que se complica en el momento de implementarlo en radiobases reales. Por lo tanto, se busca reducir éste consumo mediante algoritmos más eficientes.
6) Improvements in Channel State Information Feedback (mejoras en la utilización de la información de estado del canal): Durante la comunicación, el dispositivo móvil debe enviar información sobre el estado de su canal de radio a la radiobase, para que se puedan tomar acciones cuando varíe en determinados parámetros. Esta información ocupa "espacio" que podría ocupar información real que el usuario desea enviar, por lo que se genera ineficiencia. Se busca reducir ésta pérdida.
7) MAC layer control (control de capa MAC): Esta funcionalidad es la que permite a varios usuarios utilizar un mismo medio de comunicación (MAC - medium access control, control de acceso al medio). Con tantas antenas y "canales" disponibles, es necesario optimizar la forma en que éstos son distribuídos.
8) Network MIMO (MIMO a nivel de red): Esto se refiere a que los distintos canales sean proveídos por diferentes radiobases en forma simultánea. Para ésto, se requiere coordinación y sincronización entre ellas..
9) FDD Massive MIMO (MIMO masivo con método FDD): En varios sistemas MIMO en desarrollo, se utilizan métodos TDD (multiplexación en tiempo). Pero en la realidad, la mayoría de redes actuales utilizan FDD (multiplexación en frecuencia). Con FDD, la información de canal mencionada en el punto 6) se vuelve más crítico, por lo que se debe minimizar ésa cantidad de información.
10) Spectrum sharing (compartición de espectro): Está basado en técnicas dentro de lo llamado Cognitive Radio (CR), en donde el transmisor verifica el espectro utilizado por otros sistemas, para utilizarlo en caso de estar disponible en ése intervalo de tiempo, sin interferir con el otro sistema. Combinar éstas técnicas con MIMO también pueden generar mejoras.
Como se puede confirmar, es un tema muy extenso y complicado, pero muy interesante.
Para quien esté interesado en detalles, éste sitio puede resultar útil [2].
De todas formas, más adelante seguiremos tratando sobre tecnologías MIMO.
¡¡Gracias por leer!!
Referencias
[1] http://www.comsoc.org/massive-mimo-top-10-research-topics-need-prototyping
[2] https://massivemimo.eu/research-library