MIMO masiv

parapamje|450x450px|MIMO masiv
Teknologjia masive multiple-input-multiple-output është një avancim i sistemeve MIMO, në të cilën stacioni bazë (BS) ka në përbërje një varg me një numër të madh antenash aktive dhe i përdorë ato për të komunikuar me një numër poashtu të madh antenash në marrës. Kjo teknologji ka vërtetuar të ketë një potencial shumë të madh për të rritur shpejtësinë e transmetimit në sistemet komunikuese. Poashtu përmes saj po ofrohen shërbime tjera, si komunikimi makinë-te-makinë, bankat e Internetit, interneti i gjërave (Internet of things – IoT),etj. për të cilat është rritur shumë kërkesa për përdorim në jetën e përditshme. Ideja për këtë teknologji si teori është paraqitur viteve të 80’-ta, por nuk ka gjetur zbatim, meqë pajisjet tjera shoqëruese nuk kanë qenë të avancuara mjaftueshëm sa për të mbështetur numër kaq të madh antenash. Numri i antenave shkon nga dhjetëra, deri në mijëra sosh. 

## Hyrje 
Teknologjia Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) po tërheqë vëmendjen e shumë kërkuesve për aftësinë e saj për të siguruar një besueshmëri të përmirësuar të lidhjes dhe kapacitet të sistemit pa shtuar burime tjera spektrale. MIMO u paraqit në një numër të sistemeve të avancuara të komunikimeve pa tela, të tilla si WiMAX dhe LTE. Standardi më i fundit i LTE (Release-12) mund të mbështesë deri në transmetim me 8-shtresa, i cili është i barabartë me 8 antena në stacionin bazë (BS) dhe 8 antena në stacionin mobil (MS). Teknologjia MIMO ka treguar se mund të ofrojë përmirësim të madh të efiçiencës spektrale, efiçiencës së energjisë dhe fuqisë së sistemit. Në sistemet MIMO masive, edhe transmetuesi edhe marrësi janë të pajisur me një numër të madh të elementeve të antenave (në mënyrë tipike nga dhjetëra ose qindra). Duhet të merret parasysh se antenat transmetuese mund të jenë në të njëjtin lokacion ose në një lokacion të shpërndarë. Poashtu edhe antenat marrëse mund të jenë pjesë e një pajisje të vetme, ose të shpërndahen në pajisje të ndryshme. MIMO masiv mund të ndërtohet me komponente me kosto të vogël, sepse kërkesa për amplifikues të antenave është e vogël kur çdo antene iu ndahet më pak rrymë. Duke përdorur Multi-User MIMO (MU-MIMO) në sistemet e MIMO masiv, shtresa MAC (Medium Access Control) mund të thjeshtohet duke shmangur algoritmet e komplikuara të skedulimit. Të gjitha këto e bëjnë MIMO masiv të jetë një kandidat premtues i 5G në rrjetet pa tela.

Edhe pse MIMO masiv ofron shumë përparësi, ekzistojnë disa sfida që duhet të adresohen para përdorimit praktik të tij. Është esenciale për transmetuesin të ketë Informacionin për Gjendjen e Kanalit (Channel State Information-CSI) për të arritur rritje të plotë të kapacitetit qe ofrohet nga MIMO masiv, sidomos në skenarët me shumë përdorues. Gjithsesi, me rritjen e numrit të antenave rritet edhe madhësia e CSI. Zgjidhja mund të arrihet në sistemet me Time Division Duplex (TDD) të cilat mund të reduktojnë CSI-në. Në anën tjetër, në sistemet që përdorin Frequency Division Duplex (FDD), sistemet do të vazhdojnë të kenë këtë problem. Tjetër sfidë është edhe rritja e kompleksitetit të kodimit dhe detektimit me rritjen e numrit të antenave. Kur numri i antenave transmetuese rritet më shumë se numri i antenave pranuese, koderët dhe detektuesit e thjeshtë linearë mund të ofrojnë performancë optimale. Mirëpo, kur numri i antenave transmetuese është i krahasueshëm ose më i vogël se i antenave pranuese, dizajni i koderëve dhe detektuesve bëhet më sfidues. Edhe pyetja se si arrihet të vendoset një numër aq i madh i antenave në një zonë të vogël (të limituar) është mjaft sfiduese. Gjithsesi, në sipërfaqet me formë kubi mund të arrihet një rritje më e madhe e kapacitetit të kanalit.

## Potenciali 
Disa nga specifikat e MIMO masiv janë:

1)  MIMO masiv mund të rritë kapacitetin 10 herë ose më shumë dhe në të njëjtën kohë të përmirësojë efiçiencën e energjisë së rrezatuar deri në 100 herë. Efiçienca rezulton në multipleksimin hapësinor që përdoret në MIMO. Principi fundamental që bën rritjen e efiçiencës së energjisë është që me numër më të madh të antenave, energjia mund të fokusohet në regjione të vogla të hapësirës ku operon antena e caktuar. Baza fizike qëndron të superponimi koherent i valëve. Duke i formësuar sinjalet që dërgohen nga antenat, stacioni bazë mund të bëjë të mundur që të gjitha valët e emetuara kolektivisht të shtohen në mënyrë konstruktive në lokacionet e caktuara të terminaleve, por në mënyrë destruktive pothuajse gjithkund tjetër. Interferenca mes terminaleve mund të shtypet duke përdorur p.sh. zero-forcing (ZF). Kjo mund të japë më shumë energji secilës antenë që përdoret si pjesë e sistemit.
parapamje|350x350px|Këmbimi mes efiçiencës së energjisë dhe efiçiencës spektrale në tri skenare të ndryshëme
Figura paraqet shkëmbimin mes efiçiencës së energjisë në numër total të bitëve të transmetuar për Joule për terminal dhe efiçiencës spektrale në numër total të bitëve të transmetuar për njësi të spektrit të konsumuar. Figura ilustron edhe lidhjen për uplink, nga terminalet te stacioni bazë (downlink është i ngjashëm). Figura tregon këmbimin për tri raste:

* Një sistemi referent me një antenë të vetme që shërben si terminal (me ngjyrë të vjollcë)
* Një sistem me 100 antena që shërbejnë si një terminal i vetëm (me të gjelbër)
* Një sistem MIMO masiv me 100 antena që në të njëjtën kohë shërbejnë terminale të shumta (deri në 40 në këtë rast) (me ngjyrë të kuqe, ndërsa me ngjyrë të kaltër bashkë me ZF).

2)  MIMO masiv mund të krijohet me komponente të lira, me energji të vogël. MIMO masiv konsiderohet si një teknologji që ndërron gjithë tregun, si në teori, sisteme dhe implementim. Me MIMO masiv, amplifikatorët e shtrenjtë ultra-linerar 50 W që përdoren në sistemet konvencionale zëvendësohen me qindra amplifikatorë me kosto të vogël, me energji të daljes në rang të mili-Watëve. Shumë pjesë të shtrenjta dhe të rënda, si kabllot koaksiale të mëdha, mund të eliminohen totalisht. MIMO masiv zvogëlon kufizimet në saktësinë dhe linearitetin e secilit përforcues individualë. E rëndësishme është vetëm veprimi i tyre i kombinuar
parapamje|350x350px|Skema e thjeshtuar për MIMO masiv
3) MIMO masiv mundëson reduktimin e vonesës në ajër. Performanca e sistemeve të komunikimit pa tela normalisht është e kufizuar nga zbehja. Zbehja mund ta bëjë fuqinë e marrë të sinjalit shumë të vogël në kohë të caktuara. Kjo ndodh kur sinjali i dërguar nga një stacion bazë udhëton nëpër shtigje të shumta para se të arrijë në terminal dhe valët që rezultojnë nga këto shtigje të shumta ndërhyjnë në mënyrë shkatërruese. Është kjo zbehje që e bën të vështirë ndërtimin e rrjeteve pa tela me vonesë të ulët. MIMO masiv mbështetet në ligjin e numrave të mëdhenj dhe të rrezatimit në mënyrë që të shmangë dobësimin nga zbehja, kështu që zbehja nuk e kufizon më vonesën.

4)  MIMO masiv e lehtëson shtresën MAC. Për shkak të numrit të madh të antenave, nuk është e mundur të përdoren teknikat e skedulimit. Me OFDM, çdo nënbartës në sistemin e MIMO masiv mund të ketë rritje të kanalit. Secilit terminal mund t'i jepet e gjithë gjerësia e brezit, e cila bën që pjesa më e madhe e kontrollit të shtresës fizike të jetë e tepërt.

5)  MIMO masiv rritë qëndrueshmërinë ndaj interferencës së paqëllimshme të krijuar nga njerëzit dhe nga pengesa e qëllimshme (jamming). Pengimi i qëllimshëm po bëhet nga një kërcënimet më shqetësuese të sigurisë. Penguesit mund të vendosen në Internet për disa qindra dollarë dhe pajisjet që përdoren në ushtri mund të vendosen për disa mijëra dollarë. Shumë incidente të fundit, sidomos në aplikimet e sigurisë publike, ilustrojnë këtë problem. Për shkak të mungesës së gjerësisë së brezit, përhapja e informacionit mbi frekuencë thjesht nuk është e mundur, kështu që mënyra e vetme për të përmirësuar fuqinë e komunikimeve pa tela është përdorimi i antenave të shumta. MIMO masiv ofron shumë shkallë të tepërta lirie që mund të përdoren për të anuluar sinjalet nga bllokuesit e qëllimshëm. Nëse MIMO masiv zbatohet duke përdorur pilotët e lidhjes për vlerësimin e kanalit, bllokuesit inteligjentë mund të shkaktojnë ndërhyrje të dëmshme me energji modeste të transmetimit. Sidoqoftë, zbatimet më të zgjuara duke përdorur vlerësimin dhe dekodimin e kanalit të përbashkët duhet të jenë në gjendje ta zvogëlojnë këtë problem.

Një skemë e thjeshtë për MIMO masiv shihet në figurë.

## Kontaminimi pilot 
Çdo terminali në sistemin MIMO masiv i ndahet një sekuencë pilot ortogonale e uplink-ut. Sidoqoftë, numri maksimal i sekuencave pilote ortogonale që mund të ekzistojnë kufizohet sipër nga kohëzgjatja e intervalit të koherencës e ndarë nga përhapja e vonesës së kanalit. Në [8], numri maksimal i sekuencave të këtilla në një interval koherent 1 ms është 200. Është e lehtë të shterosh furnizimin e disponueshëm të sekuencave pilot ortogonale në një sistem shumëqelizor. Efekti i ripërdorimit të pilotëve nga njëra qelizë në tjetrën dhe pasojave të lidhura negative quhet ndotja e pilotëve (kontaminimi). Më konkretisht, kur grupi i shërbimeve lidh sinjalin e tij pilot të marrë me sekuencën pilot të shoqëruar me një terminal të veçantë, ai në të vërtetë merr një vlerësim të kanalit që është i kontaminuar nga një kombinim linear i kanaleve me terminale të tjerë që ndajnë të njëjtën seksion pilot. Formimi i rrezeve të lidhjes në bazë të rezultateve të vlerësimit të kanalit të ndotur në ndërhyrjet e drejtuara në ato terminale që ndajnë të njëjtën rend pilot. Ndërhyrje e ngjashme shoqërohet me transmetimin e të dhënave në rritje. Kjo ndërhyrje e drejtuar rritet me numrin e antenave të shërbimit në të njëjtën shpejtësi si sinjali i dëshiruar. Edhe sekuencat pilot pjesërisht të lidhura rezultojnë në ndërhyrje të drejtuar.

Kontaminimi pilot si një fenomen themelor nuk është me të vërtetë specifik për MIMO masiv, por efekti i tij në MIMO masiv duket të jetë shumë më i thellë sesa në MIMO klasik., të paktën nën disa supozime specifike mbi kontrollin e energjisë të përdorur, duket se ka të ngjarë që ndotja pilot duhet të trajtohet në njëfarë mënyre. Kjo mund të bëhet në disa mënyra:

* Alokimi i formave valore pilot mund të optimizohet
* Algoritme të zgjuar të vlerësimit të kanalit. Për këto rezultate supozohet CSI e përsosur. Performanca e MIMO masiv llogaritet si një kapacitet më i ulët për formimin e rrezes së konjuguar sipas një formule të nxjerrë në:

C_{sum}>Klog_2\Biggl(1+\frac{M\rho_d}{K(1+\rho_d)}\Biggr)

\rho_d- raporti sinjal-zhurmë (SNR)

M- numri i antenave

K- numri i përdoruesve

C- kapaciteti

Figura e dytë tregon se duke përdorur antena shtesë të stacioneve të bazës, parakodimi linear i përdorur në MIMO masive është shumë konkurrues nga teoria e Shannon-it. Për përdoruesit e K=16 dhe një SINR prej 0.0 dB, lakorja e kaltër përfaqëson efikasitetin total spektral të Shannon-it dhe lakorja e kuqe është efikasiteti total spektral për MIMO masiv, si një funksion i numrit të antenave të stacionit bazë. Për antenat M=64, MIMO masiv jep të njëjtën performancë si kodimi për M=55. Këtu kufiri Shannon llogaritet sipas ekuacionit që jepet në, SSB përcakton performancën bazë të mbulimit të rrjetit. Kanali i transmetimit 4G dërgohet me një rreze të gjerë fikse dhe mbulimi i tij nuk ndryshon në shumicën e rasteve. Sidoqoftë,  SSB në 5G mund të konfigurohet me deri në 7 (struktura e kornizës 2.5 ms) ose 8 (struktura e kornizës 5 ms) rreze sipas strukturës së kornizës. Më shumë rreze SSB rezultojnë në konfigurim fleksibil, d.m.th. mund të konfigurohen rrezet e shumëfishta horizontale ose mund të konfigurohet kombinimi i rrezeve horizontale dhe vertikale. Rrezet e ndryshme mund të konfigurohen në mënyrë fleksibile me gjerësi dhe lartësi të ndryshme, në mënyrë që konfigurimi i rrezes 5G SSB të mund të mbështesë skenarë të bollshëm dhe të përmbushë me saktësi kërkesat e mbulimit. Sidoqoftë, rritja e fleksibilitetit sjell gjithashtu një rritje të ndjeshme të kompleksitetit të konfigurimit. Ka më shumë se dhjetëra mijëra kombinime të konfigurimit të parametrave të antenës për rrezet 5G SSB. Këtu lind një problem i madh teknik se si të gjesh shpejt dhe me saktësi konfigurimin që është më i përshtatshmi për skenarin aktual midis dhjetëra mijëra parametrave të antenës dhe të përputhësh me efikasitet konfigurimin me ndryshimin e skenarëve dhe mënyrave të sjelljes së përdoruesit.

Bazuar në karakteristikat pothuajse ortogonale midis kanaleve me shumë përdorues, MIMO masiv mund të përmirësojë shumë kapacitetin e rrjetit përmes SDMA. Për shkak të kompleksitetit të përhapjes së kanalit pa tel dhe rastësisë së shpërndarjes dhe shërbimeve të përdoruesit, dizajni i një stacioni bazë kërkon një algoritëm të kryer mirë për transmetimin e lidhjes dhe marrjen e lidhjes për të marrë një fitim të qëndrueshëm SDMA me shumë përdorues dhe performancë anti-ndërhyrje . Nën kushtet e një numri të caktuar antenash, kompleksiteti i algoritmit te MIMO masiv rritet me shpejtësi me rritjen e numrit të përdoruesve dhe numrin maksimal të shtresave të shumëfishimit MU-MIMO, e cila bëhet një nga vështirësitë kryesore teknike që ndikojnë në kapacitetin e sistemit.

### Mbulimi i rrjetit 
Ky aspekt përqendrohet në mbulimin e rrjetit në skenarë të ndryshëm. Ngjashëm si te 4G, 5G gjithashtu ndërmerr hapa të shumtë dhe fillon nga zona të dendura urbane ku ambienti i radios mund të jetë shumë i larmishëm dhe kompleks, duke përfshirë rajonin e biznesit me rrokaqiejt, një larmi qendrash tregtare dhe ndërtesa zyrash, zona banimi, rrugë biznesi dhe sheshe. Sfida e parë është përdorimi i 5G me një mbulim të mirë për të gjithë këta skenarë të ndryshëm të vendosjes, veçanërisht kur vendosja e stacioneve bazë makro në fazat e hershme të hapjes së 5G është një përparësi shumë më e lartë sesa vendosja e sistemeve të brendshme të dedikuara. MIMO masiv duhet të shfrytëzohet plotësisht, së bashku me fleksibilitetin dhe saktësinë e SSB, për të vendosur baza të forta për përvojat optimale të përdoruesve dhe aftësinë e jashtëzakonshme të rrjetit.

### Eksperienca e përdoruesit 
Optimizimi i përvojës së përdoruesit duhet të kompensojë dobësinë në mjediset me fushë të dobët, duke siguruar kështu një përvojë me cilësi të lartë në çdo kohë dhe kudo. Nga këndvështrimi i rrjetit të qasjes në radio, përvoja e përdoruesit varet së pari nga mbulimi i rrjetit dhe performanca e lëvizshmërisë. Duke folur në përgjithësi, sa më larg që përdoruesi të jetë larg stacionit bazë, aq më i dobët është sinjali që ata marrin dhe si pasojë aq më e ulët është shkalla e të dhënave. Skaji i qelizës (cell edge) është shpesh vendi më i dobët i rrjetit për sa i përket mbulimit dhe përvojës së përdoruesit. MIMO masiv, me aftësinë e tij për të formuar rreze më të sakta dhe të përqendruar në energji, mund të rrisë shumë sinjalet e marra në skajin e qelizës, të zvogëlojë ndërhyrjen në qelizat fqinje dhe të përmirësojë përvojën e përdoruesit. Një rast tjetër tipik i përvojës së dobët të përdoruesit është kur përdoruesit lëvizin vërtet shpejt, gjë që e bën të dyshimtë bazën e performancës së mirë të MIMO masiv. Në rastet e lëvizshmërisë me shpejtësi të mesme ose të lartë, kanalet e radios midis terminalit dhe stacionit bazë janë në ndryshim të vazhdueshëm dhe të shpejtë, gjë që çon në vjetrimin e kanalit dhe për këtë arsye në përkeqësimin e besueshmërisë së informacionit të kanalit dhe vlerësimit të kanalit. Rrjeti duhet të zbulojë saktë informacionin e gjendjes së kanalit në kohën e duhur dhe të përputhet me politikat përkatëse të algoritmit dhe konfigurimet e parametrave.

### Aftësia e rrjetit 
Me rritjen shpërthyese të numrit të përdoruesve dhe llojeve të shërbimeve, ky do të jetë aspekti më i vlefshëm komercial i aplikacioneve dhe zhvillimit të rrjetit 5G. Rrjeti 5G mund të përfitojë më tej nga MIMO masiv në fronte të tjera sesa thjesht mbulimi dhe përvoja, në mënyrë që 5G jo vetëm ofron mbulim më të mirë dhe shpejtësi më të madhe, por gjithashtu ndihmon në krijimin e më shumë vlerave. Një gjë është të shfrytëzohet më tej dimensioni hapësinor, kur spektri është i kufizuar, për të përmbushur kërkesat gjithnjë në rritje të të dhënave. Në të njëjtën kohë, diferencimi i shërbimeve të bazuara në QoS dhe alokimi i burimeve inteligjente mund të përdoren për të ofruar shërbime të zgjeruara me aftësi edhe më shumë, për të materializuar potencialet e rrjetit dhe të përmirësojë performancën financiare të funksionimit të rrjetit. Në zona të dendura, për shembull, multipleksimi i ndarjes hapësinore MU-MIMO mund të optimizohet më tej për të rritur numrin maksimal të përdoruesve të njëkohshëm, për të përmirësuar efikasitetin e transmetimit dhe gjithashtu të zvogëlojë kohën që duhet për të transmetuar të dhëna dhe për këtë arsye të ulë konsumin e energjisë.

Për më tepër, disa shërbime të ndjeshme ndaj vonesës, të tilla si lojërat interaktive në Internet dhe robotët industrialë, gjithashtu kërkojnë aftësi të rrjetit më të përshtatura për nevojat e tyre përkatëse speciale. Për shembull, SU-MIMO, në vend të MU-MIMO, mund të jetë një mundësi më e mirë për shërbimet e ndjeshme ndaj vonesës.

## Referime