การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่เชิงตั้งฉากหลายอินพุตหลายเอาต์พุต ( MIMO-OFDM ) เป็นอินเทอร์เฟซไร้สาย หลัก สำหรับการสื่อสารไร้สายบรอดแบนด์4Gและ5G เทคโนโลยีนี้ผสมผสานเทคโนโลยี MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output ) ซึ่งเพิ่มความจุโดยการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันผ่านเสาอากาศหลายตัว และการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่เชิงตั้งฉาก (OFDM) ซึ่งแบ่งช่องสัญญาณวิทยุออกเป็นช่องสัญญาณย่อยจำนวนมากที่อยู่ใกล้กัน เพื่อให้การสื่อสารมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นที่ความเร็วสูง งานวิจัยในช่วงกลางทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นว่า แม้ว่า MIMO จะสามารถใช้ร่วมกับอินเทอร์เฟซไร้สายยอดนิยมอื่นๆ เช่น TDMA ( Time-Division Multiple Access ) และ CDMA ( Code-Division Multiple Access ) ได้ แต่การผสมผสานระหว่าง MIMO และ OFDM นั้นเหมาะสมที่สุดสำหรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น

MIMO-OFDM เป็นพื้นฐานของมาตรฐานเครือข่ายไร้สายในพื้นที่จำกัด ( Wireless LAN ) และ เครือข่าย บรอดแบนด์เคลื่อนที่ ขั้นสูงส่วนใหญ่ เนื่องจากมี ประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่สูงสุดจึงให้ความจุและปริมาณข้อมูลสูงสุด เกร็ก เรลีย์ คิดค้น MIMO ในปี 1996 โดยแสดงให้เห็นว่าสามารถส่งข้อมูลหลายกระแสพร้อมกันบนความถี่เดียวกันได้ โดยใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าสัญญาณที่ส่งผ่านอวกาศจะสะท้อนจากวัตถุ (เช่น พื้นดิน) และเดินทางไปหลายเส้นทางถึงตัวรับ นั่นคือ โดยการใช้เสาอากาศหลายตัวและการเข้ารหัสข้อมูลล่วงหน้า ข้อมูลหลายกระแสสามารถส่งผ่านเส้นทางที่แตกต่างกันได้ เรลีย์เสนอและพิสูจน์ในภายหลังว่าการประมวลผลที่จำเป็นสำหรับ MIMO ที่ความเร็วสูงจะจัดการได้ดีที่สุดโดยใช้การมอดูเลชั่น OFDM เนื่องจาก OFDM แปลงช่องสัญญาณข้อมูลความเร็วสูงให้เป็นช่องสัญญาณความเร็วต่ำแบบขนานจำนวนมาก

ในความหมายสมัยใหม่ คำว่า "MIMO" ไม่ได้หมายถึงแค่การมีเสาอากาศส่งสัญญาณหลายตัว (multiple input) และเสาอากาศรับสัญญาณหลายตัว (multiple output) เท่านั้น แม้ว่าเสาอากาศส่งสัญญาณหลายตัวจะใช้สำหรับการสร้างลำแสง (beamforming ) และเสาอากาศรับสัญญาณหลายตัวจะใช้สำหรับ การกระจายสัญญาณ ( diversity)แต่คำว่า "MIMO" หมายถึงการส่งสัญญาณหลายสัญญาณพร้อมกัน ( spatial multiplexing ) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ (capacity) ให้มากขึ้น

ตามธรรมเนียมแล้ว วิศวกรวิทยุถือว่าการแพร่กระจายสัญญาณแบบหลายเส้นทาง ตามธรรมชาติ เป็นอุปสรรคที่ต้องลดทอนลง MIMO เป็นเทคโนโลยีวิทยุแรกที่มองว่าการแพร่กระจายสัญญาณแบบหลายเส้นทางเป็นปรากฏการณ์ที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ MIMO เพิ่มขีดความสามารถของลิงก์วิทยุโดยการส่งสัญญาณหลายสัญญาณผ่านเสาอากาศหลายตัวที่อยู่ใกล้กัน ซึ่งทำได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานหรือแบนด์วิดท์เพิ่มเติม มีการใช้ รหัสเวลาและอวกาศเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณที่ส่งผ่านเสาอากาศต่างๆ นั้นตั้งฉากกัน ทำให้ผู้รับสามารถแยกแยะสัญญาณแต่ละสัญญาณได้ง่ายขึ้น แม้ว่าจะมีเส้นทางการมองเห็นโดยตรงระหว่างสองสถานี การใช้การโพลาไรซ์เสาอากาศคู่ก็อาจถูกนำมาใช้เพื่อให้แน่ใจว่ามีเส้นทางที่แข็งแรงมากกว่าหนึ่งเส้นทาง

OFDM ช่วยให้การสื่อสารบรอดแบนด์มีความน่าเชื่อถือโดยการกระจายข้อมูลผู้ใช้ไปยังช่องสัญญาณย่อยแบบแคบๆ ที่อยู่ใกล้กันจำนวนมาก^{[ 1 ]}การจัดเรียงนี้ทำให้สามารถกำจัดอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดต่อการสื่อสารบรอดแบนด์ที่มีความน่าเชื่อถือนั่นคือ การรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ (ISI) ISI เกิดขึ้นเมื่อการทับซ้อนระหว่างสัญลักษณ์ที่ต่อเนื่องกันมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับระยะเวลาของสัญลักษณ์ โดยปกติ อัตราข้อมูลสูงจะต้องการสัญลักษณ์ที่มีระยะเวลาสั้นกว่า ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของ ISI การแบ่งกระแสข้อมูลอัตราสูงออกเป็นกระแสข้อมูลอัตราต่ำจำนวนมาก OFDM ช่วยให้สามารถใช้สัญลักษณ์ที่มีระยะเวลายาวขึ้นได้ อาจมีการแทรก คำนำหน้าแบบวนรอบ (CP) เพื่อสร้างช่วงเวลาป้องกัน (เวลา) ที่ป้องกัน ISI ได้อย่างสมบูรณ์ หากช่วงเวลาป้องกันยาวกว่าการกระจายความล่าช้าซึ่งเป็นความแตกต่างของความล่าช้าที่สัญลักษณ์ที่ส่งผ่านช่องสัญญาณประสบ จะไม่มีการทับซ้อนระหว่างสัญลักษณ์ที่อยู่ติดกัน และด้วยเหตุนี้จึงไม่มีการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ แม้ว่า CP จะลดความจุสเปกตรัมลงเล็กน้อยโดยการใช้แบนด์วิดท์ที่มีอยู่เพียงเล็กน้อย แต่การกำจัด ISI ทำให้เป็นการแลกเปลี่ยนที่คุ้มค่าอย่างยิ่ง

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ OFDM คือสามารถใช้การแปลงฟูริเยร์แบบเร็ว (FFT) เพื่อลดความซับซ้อนในการใช้งาน การแปลงฟูริเยร์จะแปลงสัญญาณไปมาระหว่างโดเมนเวลาและโดเมนความถี่ ดังนั้น การแปลงฟูริเยร์จึงสามารถใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่ารูปคลื่นที่ซับซ้อนใดๆ ก็สามารถแยกออกเป็นชุดของไซน์แบบง่ายๆ ได้ ในแอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณการแปลงฟูริเยร์แบบไม่ต่อเนื่อง (DFT) จะถูกใช้เพื่อดำเนินการกับตัวอย่างสัญญาณแบบเรียลไทม์ DFT สามารถนำไปใช้กับสัญญาณ OFDM แบบผสมได้ หลีกเลี่ยงความจำเป็นสำหรับกลุ่มออสซิลเลเตอร์และดีโมดูเลเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับซับแคริเออร์แต่ละตัวการแปลงฟูริเยร์แบบเร็วเป็นอัลกอริธึมเชิงตัวเลขที่คอมพิวเตอร์ใช้ในการคำนวณ DFT ^{[ 2 ]}

นอกจากนี้ FFT ยังช่วยให้ OFDM สามารถใช้แบนด์วิดท์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่องสัญญาณย่อยจะต้องมีระยะห่างของความถี่ที่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ารูปคลื่นในโดเมนเวลาของแต่ละช่องสัญญาณตั้งฉากกัน ในทางปฏิบัติ หมายความว่าช่องสัญญาณย่อยสามารถทับซ้อนกันบางส่วนในความถี่ได้

MIMO-OFDM เป็นการผสมผสานที่มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ เนื่องจาก MIMO ไม่พยายามลดการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง และ OFDM หลีกเลี่ยงความจำเป็นในการปรับสมดุล สัญญาณ MIMO-OFDM สามารถบรรลุประสิทธิภาพสเปกตรัมสูงมาก แม้ว่าตัวส่งสัญญาณจะไม่มีข้อมูลสถานะช่องสัญญาณ (CSI) ก็ตาม เมื่อตัวส่งสัญญาณมี CSI (ซึ่งสามารถหาได้จากการใช้ลำดับการฝึกฝน) ก็สามารถเข้าใกล้ความจุช่องสัญญาณ ตามทฤษฎี ได้ ตัวอย่างเช่น CSI อาจใช้เพื่อจัดสรรกลุ่มสัญญาณขนาดต่างๆ ให้กับคลื่นพาหะย่อยแต่ละตัว ทำให้ใช้ช่องทางการสื่อสารได้อย่างเหมาะสมที่สุดในแต่ละช่วงเวลา

การพัฒนาล่าสุดของ MIMO-OFDM ได้แก่MIMO แบบหลายผู้ใช้ (MU-MIMO), การใช้งาน MIMO ลำดับสูงขึ้น (จำนวนสตรีมเชิงพื้นที่มากขึ้น) และการวิจัยเกี่ยวกับ MIMO ขนาดใหญ่และMIMO แบบร่วมมือ (CO-MIMO) เพื่อนำไปรวมไว้ในมาตรฐาน 5G ที่กำลังจะมาถึง

MU-MIMO เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐาน IEEE 802.11acซึ่งเป็นมาตรฐาน Wi-Fi แรกที่ให้ความเร็วในระดับกิกะบิตต่อวินาที MU-MIMO ช่วยให้จุดเชื่อมต่อ (AP) สามารถส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์ไคลเอ็นต์ได้สูงสุดสี่เครื่องพร้อมกัน ซึ่งจะช่วยขจัดความล่าช้าจากการแย่งชิง แต่จำเป็นต้องมีการวัดช่องสัญญาณบ่อยครั้งเพื่อกำหนดทิศทางของสัญญาณอย่างถูกต้อง ผู้ใช้แต่ละรายอาจใช้สตรีมเชิงพื้นที่ได้สูงสุดสี่สตรีมจากแปดสตรีมที่มีอยู่ ตัวอย่างเช่น AP ที่มีเสาอากาศแปดต้นสามารถสื่อสารกับอุปกรณ์ไคลเอ็นต์สองเครื่องที่มีเสาอากาศสี่ต้น โดยให้สตรีมเชิงพื้นที่สี่สตรีมแก่แต่ละเครื่อง หรืออีกทางหนึ่ง AP เดียวกันสามารถสื่อสารกับอุปกรณ์ไคลเอ็นต์สี่เครื่องที่มีเสาอากาศสองต้น โดยให้สตรีมเชิงพื้นที่สองสตรีมแก่แต่ละเครื่อง^{[ 3 ]}

เทคโนโลยีการสร้างลำแสง MIMO สำหรับผู้ใช้หลายคน (Multi-user MIMO beamforming) ยังให้ประโยชน์แม้กระทั่งอุปกรณ์ที่มีสตรีมข้อมูลเดียว ก่อนที่จะมีเทคโนโลยี MU-MIMO beamforming จุดเชื่อมต่อ (access point) ที่สื่อสารกับอุปกรณ์ไคลเอ็นต์หลายเครื่องจะสามารถส่งข้อมูลได้ครั้งละหนึ่งเครื่องเท่านั้น แต่ด้วยเทคโนโลยี MU-MIMO beamforming จุดเชื่อมต่อสามารถส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ที่มีสตรีมข้อมูลเดียวได้สูงสุดถึงสี่เครื่องพร้อมกันในช่องสัญญาณเดียวกัน

มาตรฐาน 802.11ac ยังรองรับความเร็วสูงสุดถึง 6.93 Gbit/s โดยใช้สตรีมเชิงพื้นที่แปดสตรีมในโหมดผู้ใช้คนเดียว อัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุดนี้คำนึงถึงการใช้งานช่องสัญญาณเสริม 160  MHzในย่านความถี่ 5 GHz และ 256 QAM (quadrature amplitude modulation) ชิปเซ็ตที่รองรับสตรีมเชิงพื้นที่หกสตรีมได้รับการเปิดตัวแล้ว และชิปเซ็ตที่รองรับสตรีมเชิงพื้นที่แปดสตรีมกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา

Massive MIMO ประกอบด้วยเสาอากาศ สถานีฐานจำนวนมากที่ทำงานในสภาพแวดล้อม MU-MIMO ^{[ 4 ]}แม้ว่าเครือข่าย LTE จะรองรับโทรศัพท์มือถือที่ใช้สตรีมเชิงพื้นที่สองสตรีมอยู่แล้ว และมีการทดสอบการออกแบบเสาอากาศโทรศัพท์มือถือที่สามารถรองรับสตรีมเชิงพื้นที่สี่สตรีม แต่ Massive MIMO ก็สามารถเพิ่มประสิทธิภาพความจุได้อย่างมากแม้กระทั่งกับโทรศัพท์มือถือที่ใช้สตรีมเชิงพื้นที่เดียว อีกครั้ง การสร้างลำแสง MU-MIMO ถูกใช้เพื่อให้สถานีฐานสามารถส่งสตรีมข้อมูลอิสระไปยังโทรศัพท์มือถือหลายเครื่องในช่องสัญญาณเดียวกันในเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตาม คำถามหนึ่งที่ยังต้องหาคำตอบจากการวิจัยคือ: เมื่อใดจึงควรเพิ่มเสาอากาศให้กับสถานีฐาน และเมื่อใดจึงควรเพิ่มเซลล์ขนาดเล็ก?

อีกหนึ่งเป้าหมายของการวิจัยด้านระบบไร้สาย 5G คือ CO-MIMO ในระบบ CO-MIMO กลุ่มของสถานีฐานจะทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคมาโครไดเวอร์ซิตี้เพื่อปรับปรุงการรับสัญญาณจากโทรศัพท์มือถือ หรือการมัลติเพล็กซ์หลายเซลล์เพื่อให้ได้อัตราการรับส่งข้อมูลดาวน์โหลดที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม CO-MIMO ต้องการการสื่อสารความเร็วสูงระหว่างสถานีฐานที่ทำงานร่วมกัน

Gregory Raleighเป็นคนแรกที่สนับสนุนการใช้ MIMO ร่วมกับ OFDM ในบทความเชิงทฤษฎี เขาพิสูจน์ว่าด้วยระบบ MIMO ที่เหมาะสม—เสาอากาศหลายตัวที่อยู่ร่วมกันซึ่งส่งและรับสตรีมข้อมูลหลายสตรีมโดยใช้การเข้ารหัสและการเข้ารหัสแบบหลายมิติ—สามารถใช้ประโยชน์จากการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทางเพื่อเพิ่มความจุของลิงก์ไร้สายได้^{[ 5 ]}จนถึงเวลานั้น วิศวกรวิทยุพยายามทำให้ช่องสัญญาณในโลกแห่งความเป็นจริงมีพฤติกรรมเหมือนช่องสัญญาณในอุดมคติโดยการลดผลกระทบของการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง อย่างไรก็ตาม กลยุทธ์การลดผลกระทบไม่เคยประสบความสำเร็จอย่างเต็มที่ เพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง จำเป็นต้องระบุเทคนิคการมอดูเลชั่นและการเข้ารหัสที่ทำงานได้อย่างแข็งแกร่งบนช่องสัญญาณแบบหลายเส้นทางที่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาและกระจายตัว Raleigh ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับ MIMO-OFDM ภายใต้เงื่อนไขที่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา การประมาณค่าช่องสัญญาณ MIMO-OFDM เทคนิคการซิงโครไนซ์ MIMO-OFDM และประสิทธิภาพของระบบ MIMO-OFDM ทดลองระบบแรก^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Raleigh ได้ยืนยันกรณีของ OFDM โดยการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของ MIMO ด้วยเทคนิคการมอดูเลชั่นชั้นนำสามแบบในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขา ได้แก่การมอดูเลชั่นแอมพลิจูดแบบควอดราเจอร์ (QAM) สเปกตรัมสเปรดลำดับโดยตรง (DSSS) และมัลติโทนแบบไม่ต่อเนื่อง (DMT) ^{[ 10 ]} QAM เป็นตัวแทนของแผนการแบบแถบความถี่แคบ เช่น TDMA ที่ใช้การปรับสมดุลเพื่อต่อสู้กับ ISI DSSS ใช้ตัวรับสัญญาณแบบ rakeเพื่อชดเชยมัลติพาธและใช้ในระบบ CDMA DMT ใช้การสลับและการเข้ารหัสเพื่อกำจัด ISI และเป็นตัวแทนของระบบ OFDM การวิเคราะห์ดำเนินการโดยการหาแบบจำลองเมทริกซ์ช่องสัญญาณ MIMO สำหรับแผนการมอดูเลชั่นทั้งสามแบบ การหาปริมาณความซับซ้อนในการคำนวณ และการประเมินความท้าทายในการประมาณค่าช่องสัญญาณและการซิงโครไนซ์สำหรับแต่ละแบบ แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าสำหรับระบบ MIMO ที่ใช้ QAM กับตัวปรับสมดุลหรือ DSSS กับตัวรับสัญญาณแบบ rake ความซับซ้อนในการคำนวณจะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองเมื่ออัตราข้อมูลเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม เมื่อใช้ MIMO ร่วมกับ DMT ความซับซ้อนในการคำนวณจะเพิ่มขึ้นแบบลอการิทึมเชิงเส้น (กล่าวคือ n log n) เมื่ออัตราการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้น

ต่อมา Raleigh ได้ก่อตั้งClarity Wirelessในปี 1996 และAirgo Networksในปี 2001 เพื่อนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในเชิงพาณิชย์ Clarity ได้พัฒนาข้อกำหนดใน Broadband Wireless Internet Forum (BWIF) ซึ่งนำไปสู่มาตรฐาน IEEE 802.16 (ซึ่งนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ในชื่อWiMAX ) และLTEซึ่งทั้งสองมาตรฐานนี้รองรับ MIMO ส่วน Airgo ได้ออกแบบและจัดส่งชิปเซ็ต MIMO-OFDM รุ่นแรกสำหรับมาตรฐาน IEEE 802.11n MIMO-OFDM ยังถูกใช้ใน มาตรฐาน 802.11acและคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญใน802.11axและระบบโทรศัพท์มือถือ รุ่นที่ห้า ( 5G )

เอกสารวิจัยเบื้องต้นหลายฉบับเกี่ยวกับ MIMO แบบหลายผู้ใช้ได้รับการเขียนโดย Ross Murch และคณะที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฮ่องกง^{[ 11 ]} MU-MIMO ถูกรวมอยู่ในมาตรฐาน 802.11ac (พัฒนาตั้งแต่ปี 2011 และได้รับการอนุมัติในปี 2014) ความจุของ MU-MIMO ปรากฏขึ้นเป็นครั้งแรกในผลิตภัณฑ์ที่รู้จักกันในชื่อ "Wave 2" Qualcomm ประกาศชิปเซ็ตที่รองรับ MU-MIMO ในเดือนเมษายน 2014 ^{[ 12 ]}

Broadcom เปิดตัวชิปเซ็ต 802.11ac ตัวแรกที่รองรับสตรีมเชิงพื้นที่หกสตรีมสำหรับอัตราข้อมูลสูงสุด 3.2 Gbit/s ในเดือนเมษายน 2557 Quantenna กล่าวว่ากำลังพัฒนาชิปเซ็ตเพื่อรองรับสตรีมเชิงพื้นที่แปดสตรีมสำหรับอัตราข้อมูลสูงสุด 10 Gbit/s ^{[ 13 ]}

เทคโนโลยี Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) และ HetNets (เครือข่ายแบบผสมผสาน) กำลังเป็นหัวข้อวิจัยหลักเกี่ยวกับระบบไร้สาย 5G ในปัจจุบัน การพัฒนามาตรฐาน 5G คาดว่าจะเริ่มขึ้นในปี 2016 นักวิจัยที่มีชื่อเสียงในปัจจุบัน ได้แก่ Jakob Hoydis (จาก Alcatel-Lucent), Robert W. Heath (จากมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสติน), Helmut Bölcskei (จาก ETH Zurich) และ David Gesbert (จาก EURECOM) ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

ซัมซุงได้ทำการทดลองเทคโนโลยี 5G ^{[ 18 ]}ผู้ให้บริการชาวญี่ปุ่น NTT DoCoMo วางแผนที่จะทดลองเทคโนโลยี 5G โดยร่วมมือกับ Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia และ Samsung ^{[ 19 ]}