MIMO Çeşitleme ve Çoklama Teknikleri

Geçmişteki çalışmalar MIMO sistemlerin yüksek veri hızı, yüksek kapasite ve telsiz haberleşme sistemlerinde daha verimli bir spektrumu karşılamak adına umut vaat eden bir çözüm olduğu anlaşıldı. MIMO sistem, hem alıcı hem de verici tarafta zengin bir çok yollu uzay-zaman boyutlandırmasından yararlanmak için çoklu anten veya adaptif işaret işleyicilerle birleşmiş elemanlar kullanmaktadır. Bu metod tek girişli tek çıkışlı sistemler üzerinde kapasiteyi arttırmaya yöneliktir. MIMO kapasitesi performansı kanal matrisinin karakterine bağlıdır. Đlişkilendirilmemiş kanal yol kazancı sayısına eşit olan kanal matrisinin derecesi kapasiteyle düzgün olarak artmaktadır. En iyi kapasite performansı çok yollu işaretler arasında düşük ilişki olmasının sonucunda kanal matrisinin derecesi tam olduğu zaman gerçekleşir. Dizi konfigürasyonu, ışıma paterni,polarizasyon ve çok modlu uyarılma gibi anten parametrelerinden yararlanan çeşitleme teknikleri, istenen bu sonucu ortaya çıkartmaktadır. Bu ise MIMO sistem performansını optimize etmeye yarayan ve anten tasarlamayı geniş boyutlara taşımaya sağlayan teknolojiye izin vermektedir.

3.3.1 Uzaysal Çeşitleme

En basit haliyle uzaysal çeşitleme,alıcı verici kanalları arasındaki yolları arttırmak için alıcı ve/veya vericide birden fazla sayıda anten elemanı kullanılarak elde edilen çeşitleme yöntemidir. Gerekli uzaysal elemanla, doğru sayıda ve uygun dizi geometrisi ve topolojisiyle, telsiz kanal üzerinde işaret kalitesine ulaşılmaktadır. Bu şemayı MIMO sistemi için düşünürsek, kanal kapasitesi en iyi seviyeye ulaşacaktır. Şekil 3.4 uzaysal çeşitleme kavramını uzamsal elemanlarla birlikte göstermektedir.

26

Kural olarak, her elemanın üzerinde bağımsız zayıflama olduğundan emin olmak için anten elmanı uzaklıkları frekans dalgaboyunun bir çarpanı olmalıdır. Yinede,gezgin telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar gibi küçük el terminali cihazları için boyut ve tutar uzaysal çeşitlemenin tam potansiyeline bir limit getirmektedir. Anten elemanları arasındaki yetersiz mesafe, giriş empedans değişikliği ve patern distorsiyonu oluşmasına sebep olup elemanlar arasında karşılıklı empedansa yol açmaktadır.

3.3.2 Polarizasyon Çeşitlemesi

Uzaysal çeşitlemenin daha genişlemesiyle oluşan polarizasyon çeşitlemesi karşılıklı bağlantıyı azaltabilmektedir. Şekil 3.5’de dikey ve yatay polarizasyon çeşitlemesi görülmektedir. Doğrusal polarizasyonun tipik bir halinde, işaretler yatay ve dikey bir yol oluşturacak şekilde iletilir ve alınırlar.

Şekil 3.5 : Dikey ve yatay polarizasyon çeşitlemesi

Đki farklı polarizasyonun dik olması, her anten üzerinde işaretlerin bağımsız ve ilişkilendirilmemiş olmasını ve tam dereceli MIMO kanal matrisinin oluşmasını sağlamaktadır.

Dikey polarize işaretler yatay polarize işaretlerden daha iyi yayıldığı için çiftlenmiş dikey polarize alıcı ve verici antenler genellikle en iyi performansa ulaşmak adına daha çok tercih edilirler. Yine de, saha içi uygulamalar için olan MIMO sistemi, çapraz-polarizasyon yüksek yansımalardan dolayı kötü yönde etkileyecektir. Bu çapraz polarizasyon faktörü, alınan işaretin iletilen işarete dik olduğu yerlerde doğal bir sonuç olarak düşünülür.

Hem alıcı hem verici tarafta yatay polarizeli antenlerle birçok polarizasyona sahip olma, saha içi MIMO kanallar için önemli bir çözüm temin etmektedir. Sağ el ve sol el kuralına göre polarize olmuş antenlerin dairesel polarizasyonda kullanma seçeneği de çok yollu işaretleri birbirinden ayırımda önemli bir çözümdür. Dairesel polarizasyon çeşitlemesine sahip olan dizi elemanları en az uzaklığa sahip olacak şekilde düzenlenebilir ve herhangi bir fiziksel tasarım sınırlandırmasının üstesinden gelebilir ve düşük uzaysal ilişkiyi gerçekleyebilir. Bunun gerçeklenebilmesi için elemanların farklı polarizasyon yönelimlerinden kaynaklanan izolasyon probleminin çözülmesine bağlıdır.

3.3.3 Patern Çeşitlemesi

Şekil 3.6’da gösterildiği gibi iki elemanlı anten dizisi için farklı ışıma paternine sahip anten tasarlama işlemi sonucunda patern çeşitlemesinin oluştuğunu gözlemleriz.

Şekil 3.6 : Patern çeşitlemesi

Yüksek ilişkilendirme, MIMO kanal üzerinde alıcı verici işaretlerin açısal uzaklıklarının kullanılmasını azaltmaktadır.Açısal çeşitlilikle, iletilen işaretlerin gidiş açısı veya alınan işaretlerin geliş açısı, özel olarak her anten yönünü gösteren yönlü antenlerin kullanılmasıyla sağlanır. Bu ise her alıcı ve verici işaretin arasında izolasyon olduğunu gösterir ve işaretler üzerinde düşük ilişkilendirme olduğunu belirtir. Açısal çeşitlilik, çok büyük bir oranda her antenin çok yollu işareti farklı birçok yoldan alabildiği durumda baskındır. Bu durum açısal mesafenin çok dar yapılmasına ve çakışmayan ışıma paternlerinden dolayı yüksek bir yönelticilik oluşmasına müsaade eder. Büyük ölçüde dik anten paternleri istenen oranda ilişkilendirilmiş veya hiç ilişkilendirilmemiş MIMO işaretleri üretirler. Küçük antenler ise, MIMO kanalda yüksek ilişkilendirme etkisine sebep olan geniş açı mesafesinden dolayı çakışan ve tüm yönlü ışıma paternleri üretmeye meyillidir.

28

MIMO sistemde yüksek kapasiteyi garanti eden bir diğer yöntem ise, çok modlu çeşitlemenin istisnai tekniğini kullanmaktır. Bu yöntem, farklı uyarma modları için dik ışıma paternleri oluşturan çok modlu antenlerin karakteristiklerinden faydalanır. Ayrıca, temel TEM modlarına göre uyarma yapan tek çok modlu anten, diğer çeşitleme sistemlerinin aksine, çoklu anten elemanlarının ihtiyacını ortadan kaldırırken düşük ilişkilendirme etkisini gerçekleştirebilmek için çoklu dik bileşenleri sahip olma avantajını sağlayabilir. Çift konikli çok modlu antenin MIMO saçılma kanalı ortamında, anten dizisine yakın bir kapasite kazancı sağladığı gösterilmiştir. Çok modlu anten sadece bir elemana ihtiyaç duyduğu için, bir dizinin uzaysal gereksinimlerinden ve elemanların ayarlanmasından kaçındığı görülmektedir. Ayrıca, farklı ve çeşitli uyarma modlarına bir anten üzerinde aynı işlem frekansında sahip olma ve bu modların daha sonra antenin değişik portlarında yayılması mümkündür.