การมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่

การมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่หรือการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งพื้นที่ ( SM , SDMหรือSMX ) เป็น เทคนิค การมัลติเพล็กซ์ในระบบสื่อสารไร้สายMIMO ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารอื่นๆ ที่ใช้ในการส่งสัญญาณผ่านช่องสัญญาณอิสระที่แยกจากกันในเชิงพื้นที่

ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง SDM หมายถึงการใช้ขนาดตามขวางของเส้นใยเพื่อแยกช่องสัญญาณ

ใยแก้วนำแสงแบบหลายแกน (Multi-core fibers หรือ MCF) ถูกออกแบบมาให้มีแกนมากกว่าหนึ่งแกน MCF มีหลายประเภท โดย "MCF แบบไม่เชื่อมต่อ" (Uncoupled MCF) เป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด ซึ่งแต่ละแกนจะถูกมองว่าเป็นเส้นทางแสงอิสระ ข้อจำกัดหลักของระบบเหล่านี้คือการรบกวนระหว่างแกน (inter-core crosstalk) ในช่วงไม่นานมานี้ มีการเสนอและสาธิตเทคนิคการเชื่อมต่อและการจัดเรียงแกนที่แตกต่างกันออกไป และถึงแม้ว่าเทคโนโลยีส่วนประกอบหลายอย่างยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา แต่ระบบ MCF ก็แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการส่งข้อมูลในปริมาณมากแล้ว

เมื่อเร็วๆ นี้ มีการสาธิตเทคโนโลยีส่วนประกอบที่พัฒนาแล้วสำหรับใยแก้วนำแสงแบบหลายแกน เช่น ตัวแยก Y สามมิติระหว่างใยแก้วนำแสงแบบหลายแกนที่แตกต่างกัน^{[ 1 ]}การเชื่อมต่อแบบสากลระหว่างแกนใยแก้วนำแสงเดียวกัน^{[ 2 ]}และอุปกรณ์สำหรับการสลับและแลกเปลี่ยนข้อมูลมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นอย่างรวดเร็วระหว่างแกนของใยแก้วนำแสงแบบหลายแกน^{[ 3 ]}

ใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดมีแกนกลางที่ใหญ่กว่า ซึ่งช่วยให้การส่งผ่านโหมดตามขวางทรงกระบอก หลาย โหมด (เรียกอีกอย่างว่าโหมดโพลาไรซ์เชิงเส้น) สามารถทำได้ ต่างจากใยแก้วนำแสงแบบซิงเกิลโหมด (SMF) ที่รองรับเฉพาะโหมดพื้นฐานเท่านั้น แต่ละโหมดตามขวางจะตั้งฉากกันในเชิงพื้นที่ และช่วยให้การส่งผ่านเกิดขึ้นในโพลาไรซ์ที่ตั้งฉากกันทั้งสองแบบ

ในปัจจุบัน เส้นใยนำแสงแบบหลายโหมด (MMF) ทั่วไปยังไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในระบบ SDM เนื่องจากจำนวนโหมดที่สูงส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อและการกระจายตัวของโหมดในระดับที่ควบคุมไม่ได้ ขณะนี้กำลังพิจารณาการใช้เส้นใยนำแสงแบบหลายโหมดจำนวนน้อย (few-mode fibers) ซึ่งเป็น MMF ที่มีขนาดแกนกลางออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้มีจำนวนโหมดเชิงพื้นที่ต่ำ

เนื่องจากความไม่สมบูรณ์ทางกายภาพ โหมดต่างๆ จึงแลกเปลี่ยนพลังงานและมีดัชนีหักเหประสิทธิผลที่แตกต่างกันเมื่อแพร่กระจายผ่านเส้นใย^{[ 4 ​​]}การแลกเปลี่ยนพลังงานส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อโหมด และผลกระทบนี้เป็นที่ทราบกันดีว่าลดความจุที่ทำได้ของเส้นใย^{[ 5 ]}หากโหมดต่างๆ มีการขยายหรือการลดทอนที่ไม่เท่ากัน ดังนั้น หากไม่ได้รับการชดเชย การเพิ่มความจุจะไม่เป็นเส้นตรงตามจำนวนโหมด ความแตกต่างของดัชนีหักเหประสิทธิผลส่งผลให้เกิดการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ ซึ่งเป็นผลมาจากการแพร่กระจายของความล่าช้า^{[ 6 ]}

อุปกรณ์มัลติเพล็กเซอร์โหมดประกอบด้วยโคมไฟโฟตอนิกส์ การแปลงแสงหลายระนาบ และอื่นๆ

เส้นใยที่รวมกันเป็นมัดก็ถือเป็นรูปแบบหนึ่งของ SDM เช่นกัน

ถ้าตัวส่งสัญญาณมีเสาอากาศ และตัวรับสัญญาณมีเสาอากาศ ลำดับการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่สูงสุด (จำนวนสตรีม) คือ ${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{r}}$

${\displaystyle N_{s}=\min(N_{t},N_{r})\!}$

หากใช้ตัวรับสัญญาณเชิงเส้น หมายความว่าสามารถส่งกระแสข้อมูลแบบขนานได้ ซึ่งในอุดมคติแล้วจะนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงสเปกตรัม (จำนวนบิตต่อวินาทีต่อเฮิร์ตซ์ที่สามารถส่งผ่านช่องสัญญาณไร้สายได้) อย่างไรก็ตาม ประโยชน์จากการมัลติเพล็กซ์ในทางปฏิบัติอาจถูกจำกัดด้วยความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ซึ่งหมายความว่ากระแสข้อมูลแบบขนานบางส่วนอาจมีอัตราขยายของช่องสัญญาณที่อ่อนมาก ${\displaystyle N_{s}}$${\displaystyle N_{s}}$

ในระบบMIMO แบบวงเปิด ที่มี เสาอากาศส่งสัญญาณและเสาอากาศรับสัญญาณ ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตสามารถอธิบายได้ดังนี้ ${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{r}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {Hx} +\mathbf {n} }$

โดยที่คือเวกเตอร์ของสัญลักษณ์ที่ส่งออกไป คือ เวกเตอร์ของสัญลักษณ์ที่รับเข้ามาและสัญญาณรบกวนตามลำดับ และคือ เมทริกซ์ของสัมประสิทธิ์ช่องสัญญาณ ปัญหาที่พบได้บ่อยในการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่แบบวงเปิดคือการป้องกันกรณีที่ช่องสัญญาณมีความสัมพันธ์กันสูงและความไม่สมดุลของกำลังไฟฟ้าระหว่างสตรีมหลายสตรีม หนึ่งในส่วนขยายที่กำลังพิจารณาสำหรับ ระบบ DVB-NGH คือ รูปแบบ ที่เรียกว่าการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่แบบปรับปรุง (enhanced Spatial Multiplexing: eSM)${\displaystyle \mathbf {x} =[x_{1},x_{2},\ldots ,x_{N_{t}}]^{T}}$${\displaystyle N_{t}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {y,n} }$${\displaystyle N_{r}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$

ระบบ MIMO แบบวงปิดใช้ข้อมูลสถานะช่องสัญญาณ (CSI) ที่ตัวส่งสัญญาณ ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวส่งสัญญาณจะมี CSI เพียงบางส่วนเท่านั้น เนื่องจากข้อจำกัดของช่องสัญญาณป้อนกลับ ในระบบ MIMO แบบวงปิด ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตด้วยวิธีการแบบวงปิดสามารถอธิบายได้ดังนี้

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {HWs} +\mathbf {n} }$

โดยที่เป็นเวกเตอร์ของสัญลักษณ์ที่ส่งออกไปเป็นเวกเตอร์ของสัญลักษณ์ที่ได้รับและสัญญาณรบกวนตามลำดับเป็น เมทริกซ์ของสัมประสิทธิ์ช่องสัญญาณ และเป็น เมทริกซ์ การเข้ารหัสล่วงหน้าเชิงเส้น${\displaystyle \mathbf {s} =[s_{1},s_{2},\ldots ,s_{N_{s}}]^{T}}$${\displaystyle N_{s}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {y,n} }$${\displaystyle N_{r}\times 1}$${\displaystyle \mathbf {H} }$${\displaystyle N_{r}\times N_{t}}$${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{t}\times N_{s}}$

เมทริกซ์การเข้ารหัสล่วงหน้าใช้สำหรับเข้ารหัสสัญลักษณ์ในเวกเตอร์ล่วงหน้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ขนาดของ คอลัมน์ สามารถเลือกให้เล็กกว่าซึ่งมีประโยชน์หากระบบต้องการสตรีมเนื่องจากหลายสาเหตุ ตัวอย่างของสาเหตุมีดังนี้: อันดับของช่องสัญญาณ MIMO หรือจำนวนเสาอากาศรับสัญญาณน้อยกว่าจำนวนเสาอากาศส่งสัญญาณ ${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{s}}$${\displaystyle \mathbf {W} }$${\displaystyle N_{t}}$${\displaystyle N_{s}(\neq N_{t})}$

• 3G MIMO
• รหัสกาลอวกาศ
• รหัสเทรลลิสอวกาศ-เวลา
• WiMAX MIMO
• การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง
• การมัลติเพล็กซ์