В системах радиосвязи в последние годы все чаще применяют многоантенное системы MIMO (Mutliple In Multiple Out), то есть используют сразу по нескольку соответствующим образом настроенных антенны как на стороне передачи, так и приема.

Покажем три основных преимущества, использования нескольких антенн по сравнению с традиционными системами с одной антенной на передатчике и приемнике. На протяжении многих лет этим преимуществам давали много разных названий. Их можно суммировать следующим общим образом:

1. Усиление сигнала при формировании диаграммы направленности (Beamforming);

2. Пространственное мультиплексирование;

3. Пространственное диверсификация.

Рассмотрим их по очереди.

1.    Усиление сигнала при формировании диаграммы направленности (Beamforming)

Как известно, мощность сигнала падает обратно пропорционально квадрату расстояния между приёмником и передатчиком d (см. рисунок 1 ниже и подробнее в этой публикации).

Поэтому для усиления часто используют несколько передающих и приемных антенн вместо одной. Причем, это делали уже довольно давно, однако, как и многие полезные изобретения, практическое применение такой подход нашёл много десятилетий спустя.

Например, итальянский радиотехник и предприниматель Гульельмо Маркони (которого наряду с российским учёным А.С. Поповым считают изобретателем радио) ещё в 1901 году совершил первую трансатлантическую телеграфную радиопередачу с помощью двух высоких антенных опор, установленных в Великобритании и двух – в США.

Немецкий физик Карл Фердинанд Браун которому (наряду с Маркони) в 1909 г. была присуждена Нобелевская премия , в 1905 году провел аналогичный эксперимент с использованием трёх антенн.

Американский изобретатель шведского происхождения Эрнст Ф. В. Александерсон в 1917 году подал заявку на патент по практическому применению радиосвязи с использованием формирования луча (примерно то же, что сейчас называется beamforming). В патенте этот термин не упоминался, но были изложены его преимущества, описанные ниже.

Как известно из физики, мощность принимаемого радиосигнала пропорциональна квадрату его амплитуды (будем рассматривать импульс синусоидального сигнала p(t) с амплитудой А, частотой f и длительностью T),которая рассчитывается следующим образом:

(1)

Предположим, что мощность принимаемого сигнала недостаточна для его правильного приёма и интерпретации, и, для того чтобы можно было правильно принять сигнал, нужно увеличить мощность принимаемого сигнала в 10 раз. Однако, при этом мощность передатчика должна возрасти в 100 раз!

  

Такое 100-кратное увеличение мощности передатчика часто бывает связано с техническими сложностями. Однако, можно использовать не один, а десять передатчиков такой же мощности, как и раньше, что реализовать легче. Если соответствующим образом управлять фазой передаваемого сигнала, передавая импульсы синхронно, то на стороне приёма это даст 100-кратное увеличение мощности полезного сигнала, что даст возможность правильно его распознать.

Может показаться, что дополнительная мощность сигнала «волшебным образом» создается при объединении в эфире M передаваемых сигналов. Простое, но физически точное объяснение состоит в том, что передача становится «пространственно направленной» в сторону приемника. Другими словами, при наблюдении на удаленном приемнике комбинация М передаваемых сигналов выглядит как сигнал, излучаемый одной антенной с высокой направленностью. То есть, получается некая «виртуальная антенна», имеющая коэффициент усиления в M раз выше, чем у М отдельных физических антенн.

На рисунке ниже показана «решётка» с М = 4 изотропными (распространяющими сигнал во всех возможных направлениях) антеннами, установленными в линию. Соседние антенны отстоят друг от друга на половину длины волны: λ/2 = c/(2f) (с – скорость света). Если все антенны передают сигнал Ap(t) одновременно, то каждая из излучаемых составляющих сигнала будет излучать, как в случае с одной антенной, описанном ранее. Суперпозицию M компонентов сигнала можно наблюдать в каждой точке пространства. Компоненты сигнала обычно проходят разные расстояния, чтобы достичь рассматриваемой точки, и, следовательно, задерживаются по-разному.

В общем, если сравнить передачу с помощью одной антенны с передачей с помощью M антенн, то можно уменьшить общую мощность передачи в 1/M раз, сохраняя при этом мощность принимаемого сигнала постоянной. Как это возможно?

При передаче одного и того же сигнала от всех антенн в такой одномерной решетке, сигналы каждой антенны будут распространяться примерно синхронно по времени в направлении, перпендикулярном решетке, что приводит к конструктивной интерференции (то есть усилению амплитуды сигнала) в горизонтальном направлении. В других направлениях синхронность сигналов будут уменьшаться, так как расстояния до приёмника для разных антенн будут различаться больше, что приведет к частично конструктивной или полностью деструктивной интерференции (полному подавлению сигнала).

Если расстояние λ/2 между двумя передающими антеннами намного меньше расстояний распространения до приемной антенны, то можно считать расстояние d для всех четырех передающих антенн примерно одинаковым. Если антенны передают один и тот же сигнал, на стороне приемника будет происходить конструктивная интерференция (то есть, синхронные волны будут усиливать друг друга).

На рисунке 2(а) показана мощность принимаемого сигнала в разных направлениях и на расстоянии до 200 м при передаче сигнала мощностью 1 Вт от одной изотропной антенны. Оттенок цвета показывает мощность принимаемого сигнала в dBm (темнее – больше) при использовании формулы (1) для расчета затухания при распространении в свободном пространстве сигнала с частотой f = 3 ГГц.

На рисунке 2(б) показано использование одномерного массива с числом антенн М=10, расположенных по вертикали с расстоянием между антеннами в половину длины волны λ/2 и мощностью излучения каждой антенны 0,1 Вт. Хотя каждая антенна излучает сигнал во всех направлениях, на рисунке 2(б) показана мощность суммарного сигнала.

На рисунке 2(с) показано излучение тех же 10 антенн, мощность каждой из которых равна 1 Вт. Видно, что на расстоянии 100 м от массива мощность сигнала значительно выше, чем в случае использования одной изотропной антенны.

На рисунке 3 показано, как будет выглядеть пространственное представление излучаемой мощности в случае рисунка 2(с).

Продолжение, где описаны преимущества 2 и 3, следует.