Пространственное мультиплексирование

Пространственное мультиплексирование или мультиплексирование с пространственным разделением каналов ( SM , SDM или SMX ) — это метод мультиплексирования в MIMO беспроводной связи , оптоволоконной 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.

Техники

Многожильное волокно (MCF)

Многожильные волокна имеют более одной сердцевины. Существуют различные типы MCF, из которых наиболее распространенным является «несвязанный MCF», в котором каждое ядро рассматривается как независимый оптический путь. Основным ограничением этих систем является наличие межъядерных перекрестных помех. В последнее время были предложены и продемонстрированы различные методы сращивания и методы соединения, и, несмотря на то, что многие технологии компонентов все еще находятся на стадии разработки, системы MCF уже обладают способностью обеспечивать огромную пропускную способность. ^{[ нужна ссылка ]}

Недавно были продемонстрированы некоторые разработанные технологии компонентов для многосердцевинного оптического волокна, такие как трехмерные Y-разветвители между различными многосердцевинными волокнами. ^{[ 1 ]} универсальное соединение между одними и теми же жилами волокна, ^{[ 2 ]} и устройство для быстрой замены и обмена мультиплексированными данными с разделением по длине волны между сердцевинами многосердцевинного оптического волокна. ^{[ 3 ]}

Многомодовые волокна (MMF) и маломодовые волокна (FMF)

Многомодовые волокна имеют большую сердцевину, которая позволяет распространять несколько цилиндрических поперечных мод (также называемых модами с линейной поляризацией), 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 большое количество мод приводит к неуправляемым уровням модальной связи и дисперсии. В настоящее время рассматривается возможность использования маломодовых волокон, которые представляют собой MMF с размером сердцевины, специально разработанным для обеспечения малого количества пространственных мод.

Из-за физических несовершенств моды обмениваются мощностью и имеют разные эффективные показатели преломления при распространении по волокну. ^{[ 4 ]} Обмен мощностью приводит к модальной связи, и этот эффект, как известно, снижает достижимую пропускную способность волокна. ^{[ 5 ]} если моды имеют неодинаковое усиление или затухание. Следовательно, если не компенсировать, увеличение мощности не зависит от количества режимов линейно. Эффективная разница показателей преломления приводит к межсимвольным помехам, возникающим в результате разброса задержки. ^{[ 6 ]}

Модовые мультиплексоры состоят из фотонных фонарей, многоплоскостных преобразователей света и других.

Пучки волокон

Связанные волокна также считаются формой SDM.

Беспроводная связь

Если передатчик оснащен $N_{t}$ антенны и приемник имеет $N_{r}$ антенн, максимальный порядок пространственного мультиплексирования (количество потоков) составляет,

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

если используется линейный приемник. Это означает, что $N_{s}$ потоки могут передаваться параллельно, что в идеале приводит к $N_{s}$ увеличение спектральной эффективности (количества бит в секунду на Гц, которое можно передать по беспроводному каналу). Практический выигрыш от мультиплексирования может быть ограничен пространственной корреляцией , а это означает, что некоторые из параллельных потоков могут иметь очень слабый коэффициент усиления канала.

Кодирование

Открытый подход

В разомкнутой системе MIMO с $N_{t}$ передающие антенны и $N_{r}$ антенн приемника, соотношение ввода-вывода можно описать как

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

где $\mathbf {x} =[x_{1},x_{2},\ldots ,x_{N_{t}}]^{T}$ это $N_{t}\times 1$ вектор передаваемых символов, $\mathbf {y,n}$ являются $N_{r}\times 1$ векторы полученных символов и шума соответственно и $\mathbf {H}$ это $N_{r}\times N_{t}$ матрица коэффициентов канала. Часто встречающаяся проблема при пространственном мультиплексировании с разомкнутым контуром заключается в предотвращении случаев высокой корреляции каналов и сильного дисбаланса мощности между несколькими потоками. Одним из таких расширений, которое рассматривается для систем DVB-NGH, является так называемая схема расширенного пространственного мультиплексирования (eSM) .

Замкнутый подход

Система MIMO с обратной связью использует информацию о состоянии канала (CSI) в передатчике. В большинстве случаев на передатчике доступна только частичная CSI из-за ограничений канала обратной связи. В системе MIMO с обратной связью отношения ввода-вывода при подходе с обратной связью можно описать как

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

где $\mathbf {s} =[s_{1},s_{2},\ldots ,s_{N_{s}}]^{T}$ это $N_{s}\times 1$ вектор передаваемых символов, $\mathbf {y,n}$ являются $N_{r}\times 1$ векторы полученных символов и шума соответственно, $\mathbf {H}$ это $N_{r}\times N_{t}$ матрица канальных коэффициентов и $\mathbf {W}$ это $N_{t}\times N_{s}$ линейная предварительного кодирования матрица .

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

См. также

Ссылки

^ Авад, Эхаб (сентябрь 2015 г.). «Многожильный оптоволоконный Y-разветвитель» . Оптика Экспресс . 23 (20): 25661–25674. Бибкод : 2015OExpr..2325661A . дои : 10.1364/OE.23.025661 . ПМИД 26480082 .
^ Авад, Эхаб (январь 2018 г.). «Ограниченный изгиб оптического луча для прямого соединения жил различных многожильных волокон» . Оптическая и квантовая электроника . 50 (2): 69. Бибкод : 2018OptQE..50...69A . дои : 10.1007/s11082-018-1344-0 . S2CID 254897867 .
^ Авад, Эхаб (декабрь 2015 г.). «Обмен данными по ядрам многожильных оптических волокон» . Оптоволоконные технологии . 26 : 157. Бибкод : 2015OptFT..26..157A . дои : 10.1016/j.yofte.2015.10.003 .
^ Хо, Кеанг-По; Кан, Джозеф М. (2011). «Потери и выигрыш в зависимости от режима: статистика и влияние на мультиплексирование с разделением по режимам». Оптика Экспресс . 19 (17): 16612–16635. arXiv : 1105.3533 . Бибкод : 2011OExpr..1916612H . дои : 10.1364/OE.19.016612 . ПМИД 21935025 .
^ Мелло, Дарли А.А.; Шринивас, Хришикеш; Чутагунта, Картик; Кан, Джозеф М. (15 января 2020 г.). «Влияние коэффициента усиления, зависящего от поляризации и режима, на пропускную способность систем сверхдальней связи» . Журнал световых технологий . 38 (2): 303–318. Бибкод : 2020JLwT...38..303M . дои : 10.1109/JLT.2019.2957110 .
^ Антонелли, Кристиан; Мекоцци, Антонио; Штайф, Марк (2015). «Разброс задержки в волокнах для передачи SDM: зависимость от параметров волокна и возмущений». Оптика Экспресс . 23 (3): 2196–2302. Бибкод : 2015OExpr..23.2196A . дои : 10.1364/OE.23.002196 . ПМИД 25836090 .

[1] Авад, Эхаб (сентябрь 2015 г.). «Многожильный оптоволоконный Y-разветвитель» . Оптика Экспресс . 23 (20): 25661–25674. Бибкод : 2015OExpr..2325661A . дои : 10.1364/OE.23.025661 . ПМИД 26480082 .

[2] Авад, Эхаб (январь 2018 г.). «Ограниченный изгиб оптического луча для прямого соединения жил различных многожильных волокон» . Оптическая и квантовая электроника . 50 (2): 69. Бибкод : 2018OptQE..50...69A . дои : 10.1007/s11082-018-1344-0 . S2CID 254897867 .

[3] Авад, Эхаб (декабрь 2015 г.). «Обмен данными по ядрам многожильных оптических волокон» . Оптоволоконные технологии . 26 : 157. Бибкод : 2015OptFT..26..157A . дои : 10.1016/j.yofte.2015.10.003 .

[4] Хо, Кеанг-По; Кан, Джозеф М. (2011). «Потери и выигрыш в зависимости от режима: статистика и влияние на мультиплексирование с разделением по режимам». Оптика Экспресс . 19 (17): 16612–16635. arXiv : 1105.3533 . Бибкод : 2011OExpr..1916612H . дои : 10.1364/OE.19.016612 . ПМИД 21935025 .

[5] Мелло, Дарли А.А.; Шринивас, Хришикеш; Чутагунта, Картик; Кан, Джозеф М. (15 января 2020 г.). «Влияние коэффициента усиления, зависящего от поляризации и режима, на пропускную способность систем сверхдальней связи» . Журнал световых технологий . 38 (2): 303–318. Бибкод : 2020JLwT...38..303M . дои : 10.1109/JLT.2019.2957110 .

[6] Антонелли, Кристиан; Мекоцци, Антонио; Штайф, Марк (2015). «Разброс задержки в волокнах для передачи SDM: зависимость от параметров волокна и возмущений». Оптика Экспресс . 23 (3): 2196–2302. Бибкод : 2015OExpr..23.2196A . дои : 10.1364/OE.23.002196 . ПМИД 25836090 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]