MIMO (multi input multi output) hay còn gọi là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu. MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy
thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE.
Hình 2.7. Ví dụ về công nghệ mimo
Ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing): Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO).Trong ví dụ trên mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.Các khái niệm cơ bản của MIMO sử dụng việc tuyên truyền tín hiệu đa đường được hiện diện trong tất cả các thông tin liên lạc trên mặt đất.
MIMO đang được sử dụng ngày càng nhiều công nghệ tốc độ dữ liệu cao bao gồm cả Wi-Fi và các công nghệ không dây và di động khác để cung cấp mức độ cải thiện hiệu quả. Về cơ bản MIMO sử dụng nhiều anten trên máy thu và máy phát để sử dụng các hiệu ứng đa đường dẫn mà luôn luôn tồn tại để truyền tải dữ liệu bổ sung, hơn là gây nhiễu.
Đối với đường xuống, một cấu hình của hai ăng-ten truyền tại các trạm cơ sở và hai ăng-ten nhận được trên thiết bị đầu cuối di động được sử dụng làm cơ sở, mặc dù cấu hình với bốn anten cũng đang được xem xét.
Hai định dạng chính cho MIMO được đưa ra dưới đây:
Đa dạng không gian: không gian đa dạng được sử dụng trong ý nghĩa này hẹp hơn thường đề cập đến truyền và nhận sự đa dạng. Hai phương pháp được sử dụng để cung cấp những cải tiến trong các tín hiệu tỉ lệ nhiễu và họ được đặc trưng bằng cách cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các hình thức khác nhau của mờ dần.
Không gian ghép: Hình thức MIMO được sử dụng để cung cấp thêm dữ liệu dung lượng bằng cách sử dụng các đường dẫn khác nhau để thực hiện giao thông khác, tức là tăng khả năng thông lượng dữ liệu.
Hầu hết các hệ thống không dây hiện nay đều hoạt động theo chế độ này, và một bộ phát sóng thứ hai trên cùng tần số được xem là nhiễu không mong muốn,làm giảm chất lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong thực tế, có thể thấy rằng ngay cả một tín hiệu duy nhất cũng bị phản xạ và tán xạ bởi những đối tượng trong lộ trình truyền, và đầu kia nhận được vài bản sao của tín hiệu ban đầu từ những góc độ khác nhau vào những thời điểm hơi lệch nhau một chút. Đối với những công nghệ truyền không dây đơn giản, các bản sao này cũng là nhiễu không mong muốn. Nhưng LTE lại lợi dụng sự tán xạ và phản xạ trên lộ trình truyền bằng cách truyền vài dòng dữ liệu độc lập qua những ăng-ten riêng. Các ăng-ten này được đặt cách nhau ít nhất là một nửa bước sóng, điều này tự nó tạo ra những cuộc truyền riêng biệt, vốn phản ứng khác nhau khi chúng gặp những chướng ngại trong lộ trình truyền. Ở phía máy thu, những dòng dữ liệu khác nhau được bắt (pick up) bởi các ăng-ten độc lập và các dây chuyền thiết bị thu độc lập. Việc truyền vài tín hiệu độc lập trên cùng băng tần này được gọi là MIMO và Trong thực tế, điều này có nghĩa là vài lưới tài nguyên LTE được gửi đồng thời trên cùng tần số nhưng thông qua những ăng-ten khác nhau.
Chuẩn LTE chỉ định hai và bốn cuộc truyền riêng biệt trên cùng một băng tần, tức đòi hỏi phải có hai hoặc bốn ăng-ten tương ứng ở cả máy phát lẫn máy thu. Hệ quả là, những cuộc truyền như vậy được gọi là 2x2 MIMO và 4x4 MIMO.
Trong thực tế, 2x2 MIMO nhiều khả năng sẽ được dùng trước, do bởi những ràng buộc về kích cỡ của các UE và do sự kiện là các ăng-ten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng. Hơn nữa, hầu hết các UE đều cho phép dùng vài băng tần, mỗi băng thường đòi hỏi bộ ăng-ten của riêng nó trong trường hợp hoạt động MIMO được hậu thuẫn trong băng đó. Ở phía mạng, có thể có được những cuộc truyền 2x2 MIMO bằng một ăng-ten phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách sao cho mỗi ăng-ten truyền đi một dòng dữ liệu riêng biệt với một dạng phân cực khác nhau (ngang và đứng).
Hình 2.7 mô tả khái niệm tổng quát của truyền MIMO, nhưng nó không chính xác ở phía máy thu, bởi vì mỗi ăng-ten nhận không phải chỉ một tín hiệu duy nhất mà là một sự kết hợp của tất cả các tín hiệu khi chúng chồng chéo lên nhau trong không gian. Vì thế, mỗi dây chuyền thiết bị thu cần phải tính toán một cách truyền kênh có xét đến mọi cuộc truyền để phân biệt các cuộc truyền với nhau. Các ký hiệu truyền pilot đã nói ở trên được dùng cho mục đích này. Những thành tố cần thiết cho các tính toán này bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) và các ảnh hưởng đa đường truyền (multipath effect) cho mỗi lộ trình truyền độc lập. Vì khuôn khổ có hạn, tài liệu này không đi sâu vào cách tính toán này. Bởi vì các kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO có thể làm tăng tốc độ truyền tổng thể lên hai lần, còn 4x4 MIMO thì tăng lên bốn lần. Tuy nhiên điều này chỉ có thể đạt được trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng. Vì vậy, MIMO chỉ được dùng cho các cuộc truyền hướng xuống trong LTE, bởi vì bộ phát sóng của trạm cơ sở ít bị ràng buộc về công suất hơn bộ phát sóng ở hướng lên. Trong những điều kiện
liệu duy nhất và cũng giảm luôn cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16-QAM hay thậm chí QPSK. Ngoài ra, như đã trình bày trong phần nói về HSPA+, còn có một sựquân bình (được này mất kia) giữa điều chế cấp cao hơn và sử dụng MIMO. Vì thế trong những điều kiện tín hiệu kém hơn lý tưởng, truyền MIMO chỉ được dùng với điều chế 16-QAM thôi, như vậy không thể gấp đôi tốc độ truyền so với truyền một dòng duy nhất sử dụng 64-QAM.Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích cỡ ăng-ten hạn chế và công suất ngõ ra của nó, cho nên chuẩn LTE hiện nay không có MIMO. Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên. Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, một số công ty đang tính tới việc thực hiện MIMO cộng tác (collaborative MIMO), hay còn gọi là MIMO đa người dùng (multiuser MIMO), trong tương lai. Ở đây, hai UE sử dụng cùng một kênh hướng lên cho lưới tài nguyên của chúng. Về phía trạm cơ sở, hai dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO và được xử lý như là hai cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, chứ không phải như hai cuộc truyền từ một thiết bị duy nhất nên phải được kết hợp lại. Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể.
LTE ngay từ đầu đã hỗ trợ kỹ thuật nhiều anten tại cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối như là một phần không thể thiếu trong đặc điểm kỹ thuật. Xét trên nhiều mặt thì việc sử dụng nhiều anten là một kỹ thuật quan trọng để đạt được những mục tiêu mạnh mẽ cho hiệu năng của LTE. Như đã biết thì việc sử dụng nhiều anten được áp dụng cho nhiều trường hợp với nhiều mục đích khác nhau:
Nhiều anten thu có thể được sử dụng cho việc thu phân tập (receive diversity). Đối với truyền dẫn đường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng cho các hệ thống tế bào từ nhiều năm trước. Tuy nhiên, khi mà cấu hình hai anten thu trở thành cơ sở cho tất cả các thiết bị đầu cuối LTE thì hiệu suất đường lên cũng được cải thiện đáng kể. Phương pháp đơn giản nhất của việc sử dụng
nhiều anten là kỹ thuật phân tập thu cổ điển để khử fading, nhưng lợi ích thêm được đó là việc giới hạn được nhiễu nếu các anten được sử dụng không chỉ cung cấp sự phân tập để chống fading mà còn dùng để triệt nhiễu
Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể được sử dụng cho phân tập phát và các dạng tạo chùm tia khác (beam forming). Mục tiêu chính của việc tạo chùm tia là cải thiện tỷ số SNR hoặc SIR thu được, đồng thời cải thiện năng suất hệ thống và tầm phủ sóng.
Ghép kênh không gian, đôi khi cũng được xem như là MIMO, việc sử dụng nhiều anten cho cả máy phát và máy thu được hỗ trợ bởi LTE. Việc ghép kênh không gian dẫn đến việc cho phép tăng tốc độ trong những tình huống mà điều kiện kênh truyền có băng thông bị giới hạn bằng cách tạo ra nhiều kênh song song.
Nói chung, các kỹ thuật đa anten đều mang lại lợi ích trong những hoàn cảnh khác nhau. Ví dụ, tại tỷ số SNR và SIR tương đối thấp, chẳng hạn như khi tải trọng cao hoặc tại biên tế bào, việc ghép kênh không gian sẽ đem lại một số lợi ích nhất định. Đáng lẽ, trong những trường hợp này, phải dùng nhiều anten tại đầu phát để nâng SNR/SIR bằng phương pháp tạo chùm tia (beam forming). Mặt khác, trong trường hợp khi mà SNR và SIR tương đối cao, ví dụ như trong những tế bào nhỏ, việc nâng cao chất lượng tín hiệu mang lại những lợi ích phụ khi mà tốc độ dữ liệu thu được bị giới hạn chủ yếu bởi băng thông hơn là do giới hạn về SIR/SNR. Trong những trường hợp như vậy, đáng lẽ ra phải dùng kỹ thuật ghép kênh không gian để khai thác triệt để những trạng thái kênh truyền tin cậy. Hệ thống đa anten được sử dụng dưới sự điều khiển của trạm gốc để từ đó có thể lựa chọn được sơ đồ phù hợp cho mỗi đường truyền.