Massive MIMO เป็นเทคโนโลยี sub-6 GHz ในชั้นกายภาพ (physical layer) ที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการเข้าถึงแบบไร้สายในอนาคต แนวความคิดหลักคือการใช้เสาอากาศแบบอาร์เรย์จำนวนมากที่สถานีฐาน (base station) เพื่อให้ผู้ใช้งานจำนวนมากสามารถรับและส่งข้อมูลได้ในเวลาเดียวกัน ภายใต้ช่องสัญญาณวิทยุเดียวกัน โดยเสาอากาศเหล่านี้จะเชื่อมโยงถึงกัน เพื่อลดการเกิดความผิดพลาดและเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่าย
Massive MIMO ที่ใช้งานใน 5G ช่วยเพิ่มขีดความสามารถของเครือข่าย โดยให้อัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น และรองรับมัลติมีเดียแบบทันที (real-time) ได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ความถี่เพิ่มเติม นอกจากนี้ Massive MIMO ยังลดการใช้พลังงานโดยการกำหนดสัญญาณเป้าหมายแก่ผู้ใช้งานแต่ละรายผ่านกระบวนการ beamforming ซึ่งเป็นวิธีการที่รวมสัญญาณจากเสากาศหลายต้นกลายเป็นลำคลื่นเดียวที่มีกำลังส่งสูง
ประโยชน์ของ Massive MIMO
Massive MIMO เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการส่งข้อมูลในอัตราที่รวดเร็วของ 5G ซึ่งประโยชน์ของ Massive MIMO สามารถสรุปได้ดังนี้
- ช่วยเพิ่มความจุของเครือข่าย ซึ่งความจุของเครือข่ายถูกกำหนดเป็นปริมาณข้อมูลทั้งหมดที่สามารถให้บริการแก่ผู้ใช้และจำนวนผู้ใช้บริการสูงสุดที่สามารถให้บริการได้ ซึ่ง Massive MIMO จะช่วยสนับสนุนการเพิ่มความจุโดยการปรับใช้ 5G New radio (NR) ในช่วงความถี่สูงใน sub-6 GHz (เช่น 3.5 GHz) และใช้ MU-MIMO ที่ให้ผู้ใช้งานจำนวนมากได้รับบริการในเวลาเดียวกันและใช้ทรัพยากรความถี่เดียวกัน
- ปรับปรุงการครอบคลุมพื้นที่ โดยในการใช้งาน Massive MIMO ผู้ใช้จะได้รับประสบการณ์ที่เหมือนกันทั่วทั้งเครือข่ายแม้จะอยู่ที่บริเวณขอบของพื้นที่ให้บริการ ดังนั้นผู้ใช้บริการจึงสามารถคาดหวังบริการในอัตราการส่งข้อมูลสูงได้เกือบทุกที่ นอกจากนี้ 3D beamforming ยังช่วยให้สามารถครอบคลุมผู้ใช้งานที่กำลังเคลื่อนที่ และปรับความครอบคลุมเพื่อให้เหมาะกับตำแหน่งของผู้ใช้ได้
- มีการใช้สเปกตรัมอย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้วิธี Spatial Multiplexing ของผู้ใช้งานจำนวนมากที่เวลาและความถี่เดียวกัน ซึ่งวิธีการดังกล่าวเป็นการส่งข้อมูลหลายชุดออกไปพร้อมกันในช่องสัญญาณเดียวกัน รวมทั้งมีการขยายจำนวนของช่องสัญญาณเสมือนให้เพียงพอแก่ผู้ใช้งาน ทำให้เพิ่มขีดความสามารถและความเร็วในการรับส่งข้อมูลโดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มสถานีฐานและความถี่ ดังแสดงในรูปที่ 1
- มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ โดยอาศัยการขยายอาร์เรย์ซึ่งทำให้สามารถลดการแผ่พลังงานได้ นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพดีเมื่อใช้งานกับสัญญาณที่มีความแม่นยำต่ำ และการประมวลผลเชิงเส้น (linear processing) ยังช่วยให้ประหยัดพลังงานได้มากขึ้น
ลักษณะสำคัญทางเทคโนโลยีของ Massive MIMO
- มีการประมวลผลแบบดิจิทัลทั้งหมด โดยเสาอากาศแต่ละต้นจะมีความถี่วิทยุและการเชื่อมต่อเบสแบนด์แบบดิจิทัล (digital baseband) ของตัวเอง ซึ่งเสาอากาศทั้งหมดของแต่ละสถานีจะประมวลผลร่วมกัน ทำให้สามารถวัดความน่าจะเป็นในการตอบสนองของช่องสัญญาณบนอัปลิงค์ได้ และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในช่องสัญญาณอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้การประมวลผลแบบดิจิทัลยังช่วยให้สามารถใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
- มีการใช้การแลกเปลี่ยนของการแพร่กระจายสัญญาณ และการทำงานของ TDD ทำให้ช่อง
สัญญาณดาวน์ลิงค์ถูกประเมินจากอัปลิงค์ไพลอตและจำเป็นต้องรู้โครงสร้างช่องสัญญาณที่ใช้แพร่กระจาย - อัลกอริทึม precoding/decoding ที่ราคาไม่แพง ทำให้รูปแบบของอัตราส่วนสูงสุด (ที่รู้จักกันในชื่อ conjugate beamfoming) หรือ zero-forcing processing ซึ่งฟังก์ชันของ Massive MIMO จะทำงานได้ดีใกล้เคียงกับการส่งข้อมูลแบบ single-carrier และ OFDM โดยเฉพาะอย่างยิ่ง conjugate beamforming กับ OFDM ที่เทียบเท่ากับ time-reversal ในระบบ single-carrier
- การเพิ่มขึ้นของอาร์เรย์ทำให้เกิดการเพิ่ม closed-loop link budget ตามจำนวนเสาอากาศของสถานีฐาน
- ช่องสัญญาณมีความคงทน ทำให้มีประสิทธิภาพในการกำจัดผลกระทบของการลดทอนอย่างรวดเร็ว รวมทั้งการเชื่อมต่อของสถานีฐานปลายทางแต่ละสถานีจะกลายเป็นช่องสัญญาณแบบสกเลาร์ที่เพิ่มเสถียรภาพในการกำหนดช่องสัญญาณ ซึ่งช่วยลดปัญหาในการจัดสรรทรัพยากร
- คุณภาพการให้บริการที่ดีและสม่ำเสมอแก่ผู้ใช้งานทั้งหมดที่อยู่ภายในขอบเขตการให้บริการ
เป็นผลมากจากการเพิ่มอาร์เรย์ที่ทำให้มีการปรับปรุง link budget และความละเอียดของสเปกตรัมของอาร์เรย์ทำให้สามารถกำจัดสัญญาณรบกวนได้ นอกจากนี้ยังมีอัลกอริทึมที่ควบคุมพลังงานพื้นฐานของผู้ใช้งานแต่ละรายให้เท่าเทียมกัน - สถานีฐานทำงานแบบอัตโนมัติ โดยไม่มีการใช้ข้อมูล payload หรือข้อมูลสถานะช่องสัญญาณร่วมกับขอบเขตการให้บริการอื่นๆ และไม่มีข้อกำหนดของ time synchronization
- มีความเป็นไปได้ที่จะลดความแม่นยำและความละเอียดของ transceiver front-end รวมถึงการประมวลผลแบบดิจิทัลและการแทนจำนวนในการคำนวณ
ข้อจำกัดในการทำงานของ Massive MIMO
Massive MIMO สามารถปรับขนาดได้ตามเสาอากาศ ดังนั้นการเพิ่มเสาอากาศจึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่าย แต่ข้อจำกัดสูงสุดจะถูกกำหนดจากการเคลื่อนที่ โดยทุกช่วงที่เชื่อมโยงกัน (เวลาที่เชื่อมโยงกันคูณด้วยแบนด์วิทธ์ที่เชื่อมโยงกัน) จำเป็นต้องรองรับอัปลิงค์ไพลอต และ payload ในอัปลิงค์และดาวน์ลิงค์ เมื่อมีการเคลื่อนที่มากขึ้นการเชื่อมโยงกันของช่องสัญญาณจะน้อยลงและมีไพลอตที่สามารถรองรับได้น้อยลง
ในสภาพแวดล้อมแบบ macro-cellular ที่มีการเคลื่อนที่จำนวนมาก (highway) จะจำกัดอัตราขยายการมัลติเพล็กซ์ (Multiplexing gain) ไปยังผู้ใช้ปลายทางจำนวนหนึ่ง แต่ในสภาพแวดล้อมที่มีการเคลื่อนที่น้อยหรือไม่มีการเคลื่อนที่ผู้ใช้งานจำนวนมากจะสามารถใช้งานการมัลติเพล็กซ์แบบปกติได้
