Massive MIMO

ในตอนที่แล้วได้กล่าวไว้ว่า Massive MIMO หมายถึงการใช้เสาอากาศจำนวนมากที่สถานีฐาน เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญใน 5G ที่ทำให้ Coverage ในขา Downlink ไกลขึ้น โดยอาศัยเทคนิคที่เรียกว่า Beamforming ซึ่งสามารถโฟกัสคลื่นไปยังมือถือทำให้ได้รับสัญญาณแรงขึ้น นอกจากนี้ Massive MIMO ยังมีประโยชน์ในแง่มุมต่างๆ ซึ่งจะขออธิบายในตอนนี้

การส่งสัญญาณและข้อมูล ของเสาอากาศในยุค 4G เทียบกับ Massive MIMO

ในเทคโนโลยี LTE เสาอากาศของสถานีฐานที่ใช้ส่วนใหญ่จะเป็นแบบ 2T2R, 4T4R หรือ 8T8R (mTnR หมายถึง เสาอากาศจำนวน m ในฝั่งขาส่งและจำนวน n ในฝั่งขารับ) การส่งสัญญาณจะครอบคลุมพื้นที่บริเวณลักษณะเป็น Sector ของวงกลม (1 Sector ถือว่าเป็น 1 Cell) ดังรูปที่ 1 

รูปที่ 1 การส่งสัญญาณจากเสาอากาศของ 4G 

มือถือที่อยู่ใน Sector เดียวกันจะอยู่ภายใต้สัญญาณคลื่น Beam เดียวกัน มือถือที่อยู่ห่างออกไปจากเสาสัญญาณก็จะได้รับสัญญาณที่อ่อนกว่าตามคุณสมบัติของคลื่นด้วยกำลังส่งและแพทเทิร์น (Radiation Pattern) ที่คงที่ สมมติว่าเราอยู่ในบริเวณที่สัญญาณอ่อน หากเราต้องการให้สัญญาณดีขึ้น เราก็ต้องเดินหาตำแหน่งอื่นที่อาจจะใกล้เสามากขึ้น

การส่งข้อมูลจากเสาสัญญาณจะแบ่งกันใช้ Time-Frequency resource ดังรูปที่ 2 

รูปที่ 2 การใช้ Time-Frequency resource ของ 4G

ในกรณีของ Massive MIMO มือถือแต่ละเครื่องจะติดต่อกับเสาสัญญาณด้วย Beam ของตัวเอง ตามรูปที่ 3 แทนที่เสาอากาศจะใช้กำลังส่งทั้งหมดในการส่งข้อมูลไปทั้ง Sector ก็จะโฟกัสสัญญาณไปยังมือถือแต่ละเครื่อง ทำให้มือถือแต่ละเครื่องรับสัญญาณได้แรงขึ้น ตัวเสาสัญญาณเองก็ใช้กำลังส่งได้อย่างมีประสิทธิภาพตรงตำแหน่งที่ต้องการ อีกทั้งเป็นการลดสัญญาณรบกวนไปยังตำแหน่งอื่นๆที่ไม่มีความจำเป็นในการรับข้อมูลส่วนนั้น คุณภาพของสัญญาณโดยรวมที่มือถือได้รับจึงดีขึ้นด้วย หากมือถือมีการเคลื่อนที่เปลี่ยนตำแหน่ง Beam ที่ใช้รับส่งข้อมูลก็จะเปลี่ยนตาม

รูปที่ 3 การส่งสัญญาณจากเสาอากาศแบบ Massive MIMO

ในการส่งข้อมูลยังจะต้องแบ่ง Time-Frequency Resource ระหว่างมือถือ แต่จะมีกรณีพิเศษคือหากมือถือสองเครื่องอยู่ในตำแหน่งที่ Beam ไม่มีการการรบกวนกัน (ทางเทคนิคเรียกว่าคุณสมบัติ Channel Orthogonality) Massive MIMO สามารถที่จะใช้ Time-Frequency Resource เดียวกันในการส่งข้อมูลไปยังมือถือสองเครื่องในขณะเดียวกัน เทคนิคนี้เรียกว่า Multiuser MIMO หรืออีกชื่อหนึ่งคือ Spatial  Division Multiple Access (SDMA) ดังรูปที่ 4 ประโยชน์ก็คือสามารถรองรับ User และปริมาณ Traffic ของ Cell ได้มากขึ้น Cell Capacity สูงขึ้น การใช้ Multiuser MIMO จะมีประสิทธิภาพมากในกรณีที่มี User จำนวนมาก เนื่องจากโอกาสที่จะหาคู่มือถือสองเครื่องในตำแหน่งที่เหมาะสมก็จะมีมากขึ้น 

รูปที่ 4 การใช้ Time-Frequency resource ของ Multiuser MIMO

การที่ Massive MIMO ส่งสัญญาณแบบ Beamforming ไม่ได้หมายความว่า Coverage ของ Massive MIMO จะเป็นจุดๆตามตำแหน่งของมือถือ อันที่จริง Massive MIMO ยังมี Beam ที่เรียกว่า Coverage Beam เพื่อบอกให้มือถือรู้ว่าบริเวณนั้นมีสัญญาณ ซึ่ง Coverage Beam จะครอบคลุมพื้นที่โดยรวม แต่ Beam จะไม่คมเท่ากับ Beam ที่ใช้ในการส่งข้อมูล 

ในปัจจุบัน Massive MIMO ที่ใช้กันแพร่หลายใน 5G ได้แก่แบบ 32T3R และ 64T64R โดย 32T32R จะถูกใช้แถบชานเมืองหรือบริเวณที่ไม่ได้มีตึกสูง หากมีตึกสูง 64T64R จะถูกนำมาใช้เพื่อทำ Beamforming ในแนว Vertical ด้วย ตามรูปที่ 5

รูปที่ 5 Vertical และ Horizontal Beamforming ของ 64T64R

(ภาพจากบทความใน International Journal of Electronics and Communication Engineering, vol.12, no.1)

บทความโดย บาปอม :: ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีเครือข่ายโทรคมนาคม