Truyền thông số sử dụng MIMO (multiple-input multiple-output, có sự tồn tại nổi bật như là một trong những kỹ thuật quan trọng phá vỡ truyền thông hiện dại. Đặc tính công nghệ nổi bật dựa trên cải tiến kỹ thuật hiện có với việc thay đổi bài toán về tắc nghẽn của dung lượng đường truyền trong các mạng vô tuyến trong tương lai. Hệ thống MIMO có thể định nghĩa đơn giản, cho bất kì một hệ thống truyền thông vô tuyến, chúng ta xem xét liên kết giữa đầu cuối phát cũng như đầu cuối thu sẽ được trang bị với các phần tử anten. Được minh hoạ trong hình 1.1.
Ý tưởng ở đằng sau MIMO là các tín hiệu trên các anten phát tại một đầu cuối và các anten thu tại một đầu cuối khác được kết hợp sao cho chất lượng tỉ lệ lỗi bit (BER) hoặc tốc độ dữ liệu (bits/sec) của việc truyền thông cho mỗi người dùng sẽ được cải thiện. Một điều kiện thuận lợi để tăng cường chất lượng dịch vụ mạng và hoạt động thu nhận. Ý tưởng cốt lõi trong hệ thống MIMO là xử lý tín hiệu không gian thời gian.
Đặc tính nổi bật trong hệ thống MIMO là khả năng làm cho lan truyền đa đường, là khó khăn truyền thống của truyền thông vô tuyến trở thành lợi ích cho người dùng. Điều cải thiện quan trọng là không làm tăng lên phổ tần trong truyền thông vô tuyến (duy nhất là phần cứng và độ phức tạp sẽ thêm vào) và cũng là thành công của hệ thống MIMO.
Xem xét hệ thống nhiều anten trong hình 1.1. Nguồn số nén ở dạng chùm dữ liệu nhị phân được cho vào khối truyền dẫn chứa hàm của mã hoá điều khiển lỗi và sắp xếp với các kiểu điều chế tín hiệu (QPSK, M-QAM, v.v…). Sản phẩm sau đó chia thành các chùm dữ liệu. Mỗi một chùm dữ liệu đó rồi sẽ được sắp xếp lên trên các anten phát TX. Sau khi chuyển đổi tần số lên cao, lọc và khuếch đại, các tín hiệu sẽ được phát trên kênh vô tuyến. Tại nơi thu, tín hiệu được thu nhận bởi nhiều anten và hoạt động giải điều chế và giải sắp xếp được thực hiện để khôi phục bản tin ban đầu. Với mức độ thông minh, sự phức tạp và sử dụng kiến thức kênh trước đó trong việc chọn lọc các thuật toán mã hoá và sắp xếp anten có thể thay đổi phụ thuộc rất lớn vào các ứng dụng. Điều này sẽ xác định tầng lớp và chất lượng của giải pháp nhiều anten được bổ sung.
Việc kết hợp mảng anten tuyến tính đơn giản có thể cung cấp một mối quan hệ truyền thông có mặt điều kiện lan truyền ngược như là fading và nhiễu. Làm tăng lên tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu do năng lượng tiêu thụ thông qua hướng mong muốn, trong mỗi bộ phát hoặc bộ thu.
Xem xét hệ thống MIMO với N anten phát và M anten thu thể hiện trong hình 1.2. Để đơn giản chúng ta chỉ xem xét fading phẳng nghĩa là fading không chọn lọc tần số. Khi phát hiện tín hiệu s, được phát động từ anten phát thứ j, tất cả Mr anten thu xem xét bản sao phức của tín hiệu được truyền. Chúng ta biểu thị rằng tín hiệu thu được tại anten thu thứ i là hijs, ở đó hij là tương ứng kênh dẫn giữa anten phát thứ j và anten thu thứ i.Vecto [h1j h2j …hMj]T là tín hiệu từ anten phát thứ j đến mảng anten thu. Điều thuận tiện để biểu thị kênh dẫn MIMO được kí hiệu bởi ma trận (H).
Ma trận kênh (H) chỉ rõ mối liên kết ngõ vào ngõ ra của hệ thống MIMO và nó được biết đến như là hàm chuyển đổi kênh dẫn. Nếu vecto tín hiệu x = [x1 x2 …xN]T được phát từ mảng anten phát (xj được phát từ anten phát thứ j) rồi tín hiệu thu được tại mảng anten thu y = [y1 y2 …yM]T có thể được viết như là
y = Hx + v (1.2)
Trong đó xu là ma trận tín hiện N x 1 phát từ người dùng thứ u. Kiểu hệ thống này có thể dễ dàng mở rộng ra một số bất kì các anten phát từ những người sử dụng khác nhau.
Xem xét hệ thống MIMO với một anten phát và hai anten thu như thể hiện trong hình 1.3. Hai anten thu sẽ nhận những bản sao khác nhau, s1 và s2, của cùng một tín hiệu được phát s. Tín hiệu s1 và s2 có biên độ và pha khác nhau xác định bởi điều kiện lan truyền. Nếu kênh dẫn được biết tại nơi thu, các kỹ thuật xử lý tín hiệu thích hợp có thể được áp dụng để kết hợp các tín hiệu s1 và s2 để công suất tín hiệu thu được được tăng cường, ảnh hưởng đến việc cải thiện chất lượng tín hiệu. Đặc biệt là SNR tại đầu ra là tổng của SNR của các tuyến nối cá nhân đơn lẻ. Việc tăng lên trung bình công suất tín hiệu tại đầu thu được định nghĩa như là độ lợi mảng và tỉ lệ với số anten thu.
Sử dụng duy nhất trong hệ thống SIMO. Hình 1.4 thể hiện hệ thống phân tập thu. Tín hiệu s được phát từ anten đơn lẻ tại nơi phát. Hai anten thu sẽ thu hai bản sao độc lập, s1 và s2, của cùng một tín hiệu phát s. Nơi thu sẽ kết hợp hai tín hiệu này bằng kỹ thuật xử lý thích hợp với mục đích cuối cùng là thu được tín hiệu giảm sự thay đổi về biên độ bằng cách so sánh hai tín hiệu s1 và s2. Sự thay đổi về biên độ có thể giảm bớt bởi việc thêm vào nhiều anten tại bộ thu. Phân tập trong hệ thống được đặc trưng bởi số nhánh fading độc lập, cũng biết đến như là bậc phân tập. Bậc phân tập của hệ thống trong hình 1.4 là hai và nhìn chung là bằng số anten thu M trong hệ thống SIMO.
Phân tập không gian phát được áp dụng khi nhiều anten được sử dụng tại nơi phát. Mã hoá không gian thời gian là kỹ thuật phân tập phát mạnh nhất. Hình 1.5 thể hiện đặc điểm chung sắp xếp phân tập phát cho hệ thống với hai anten phát và một anten thu. Tại bộ phát, tín hiệu s1 và s2 được lấy từ tín hiệu gốc ban đầu s để truyền, vì vậy tín hiệu s có thể được khôi phục từ một trong các tín hiệu thu được s11 hoặc s21. Bộ thu kết hợp các tín hiệu thu được bằng cách so sánh s11 và s21 để có kết quả là tín hiệu đầu ra sẽ giảm fading. Bậc phân tập của hệ thống này là hai và nhìn chung là nó bằng số anten phát N của hệ thống MISO.
Sử dụng phân tập trong hệ thống MIMO yêu cầu kết hợp phân tập thu và phát như mô tả trên đây. Hệ thống MIMO bao gồm N x M liên kết SISO. Nếu tín hiệu được phát thông qua mỗi tuyến liên kết này trải qua fading độc lập. Khi đó bậc phân tập của hệ thống được cho bởi N x M. Như vậy bậc phân tập của hệ thống MIMO tỉ lệ tuyến tính với tích của số anten phát và thu.
Dấu hiệu để nhận biết sự thuận lợi của hệ thống MIMO là việc thực hiện tăng cường số lượng anten đưa vào mà điều này không cung cấp trong hệ thống SIMO hoặc MISO. Chúng ta quy cho tác dụng đòn bẩy này là độ lợi ghép kênh và điều này thực sự được biết đến qua kỹ thuật gọi là ghép kênh không gian. Hình 1.6 thể hiện nguyên lý cơ bản của ghép kênh không gian cho hệ thống với hai anten phát và hai anten thu. Chùm ký hiệu được phát chia thành hai chùm con nửa tốc độ và điều chế thành dạng tín hiệu s1, s2 được phát tương tự từ các anten riêng lẻ.
Chúng ta sẽ tìm hiểu ngắn gọn về ý tưởng MIMO mà được sáng tạo của Foschini và Telatar dựa trên dung lượng của các kênh dẫn MIMO. Cho rằng số anten phát là N, và số anten thu là M, chúng ta sẽ nghiên cứu dung lượng của các hệ thống anten khác nhau để thấy được sự tăng lên ấn tượng về dung lượng đạt được bởi việc sử dụng hệ thống MIMO.