Поддержка mimo в роутере

Введение

Wi-Fi остается одной из наиболее перспективных технологий беспроводной связи. Она стремительно развивается и принимает в себя новые беспроводные решения, позволяющие увеличить скорость передачи данных. Даже с развитием LTE-сетей, Wi-Fi не остается в стороне, а скорее получает дополнительную ветку развития, разгружая трафик в наиболее востребованных участках сети.

Wi-Fi для применения внутри помещений в рамках установленной законодательством мощности излучения не требует получения разрешения на использование частот. Кроме того, организация Wi-Fi-сети в условиях дома или небольшого офиса довольно проста, благодаря чему, зачастую, можно обойтись своими силами. Тем не менее, при проектировании сети с высокими требованиями к качеству связи, плотности покрытия и пропускной способности, как правило, прибегают к помощи специалистов. Развертывание Wi-Fi-сети занимает на порядок меньше времени по сравнению с прокладкой СКС до рабочих мест. Именно за простоту настройки, развертывания, относительную дешевизну и удобство, Wi-Fi по праву считают одной из перспективных и активно развивающихся технологий.

Требования к Wi-Fi-оборудованию описаны в наборе стандартов IEEE 802.11. С выпуском каждого нового стандарта, к 802.11 добавлялась буква, например, 802.11a/b/n и т.д. На сегодняшний день насчитывается несколько десятков разновидностей стандартов Wi-Fi. Не все стандарты были направлены на увеличение скорости передачи данных, некоторые из них затрагивают вопросы безопасности (например, 802.11i), другие включали описание работы роуминга (802.11r) и т.д.

В таблице ниже приведены стандарты беспроводной связи Wi-Fi, в которых производилось увеличение скоростей передачи данных:

Стандарт Диапазон Год выхода Примерная скорость, Мбит/с
802.11 2.4 ГГц 1997 1
802.11b 2.4 ГГц 1999 5 (11)
802.11a 5 ГГц 2001 54
802.11g 2.4 ГГц 2003 54
802.11n 2.4 / 5 ГГц 2009 600
802.11ac 5 ГГц 2014 7000
802.11ad 60 ГГц 2009 7000
802.11ax 2.4 / 5 ГГц 2019 11 000
802.11ay 60 ГГц в разработке 20 000

При этом следует отметить, что не все перечисленные стандарты Wi-Fi служат для организации беспроводных локальных сетей как привычные нам роутеры, работающие в диапазонах 2.4 и 5 ГГц (стандарты 802.11 a/b/g/n/ac). Такие стандарты как 802.11ad и 802.11ay изначально планировалось выпустить для передачи данных на небольшие расстояния – от 1 до 10 метров – и, в перспективе, использовать их для организации высокоскоростных интерфейсов передачи данных, например для подключения мониторов к ПК и передачи изображения в формате 8K. Однако, в результате развития 5G-сетей и переходом в диапазон до 100 ГГц, устройства с поддержкой 802.11ad стали применяться для организации радиодоступа вне помещений (но для таких частот должны быть обеспечены условия прямой видимости).

Таким образом, у Wi-Fi большое будущее, которое позволит использовать данную технологию в совершенно разных приложениях. Несомненно, данная технология найдет свое место как в 5G-сетях, IoT-решениях, так и в VR-приложениях:


Применимость различных стандартов Wi-Fi

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.

Пример многолучевого распространения сигнала

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Зачем вообще что-то менять, если и так всё хорошо?

«Но мы же нормально жили с существующими технологиями Wi-Fi», — скажете вы. Что ж, вот вам парочка интересных фактов. Большинство пользователей обновляют домашний роутер раз в 3–5 лет. Для мира технологий это эквивалентно 30–50 годам! Например, пять лет назад почти никто даже не думал об Интернете вещей или «умном доме».

Объёмы мобильного трафика непрерывно растут: например, в США каждый год среднестатистическая семья добавляет к домашней сети Wi-Fi три подключенных устройства, а к 2022 году, с наступлением эры Интернета вещей, таких устройств в каждом домовладении будет до 50!

Получается, что и число подключенных устройств, и количество данных, которые мы потребляем, растёт ускоряющимися темпами. Если вы купили роутер пять лет назад, то скорее всего он с трудом справляется даже с существующими нагрузками. Чтобы идти в ногу со временем — не только сегодня, но и в ближайшие несколько лет, лучше перейти на роутер с технологией MU-MIMO. Такой роутер обеспечит передачу данных между множеством устройств одновременно без потери скорости и качества подключения. Даже наоборот, скорость обслуживания подключённых устройств повысится. Беспроводные модули в ваших многочисленных домашних устройствах не будет «топтаться», переминаясь с ноги на ногу, в ожидании своей очереди, он не будет тратить энергию на отправку роутеру запросов на подключение, а значит, сможет работать дольше от одной зарядки.

Формы

Пример антенны для LTE с 2-портовым разнесением антенн

Типы мультиантенн

Технология MIMO с несколькими антеннами (или MIMO с одним пользователем) была разработана и реализована в некоторых стандартах, например, в продуктах 802.11n.

  • SISO / SIMO / MISO — частные случаи MIMO
    • Множественный вход и один выход (MISO) — это особый случай, когда приемник имеет одну антенну.
    • Один вход и несколько выходов (SIMO) — это особый случай, когда передатчик имеет одну антенну.
    • Один вход — один выход (SISO) — это обычная радиосистема, в которой ни передатчик, ни приемник не имеют нескольких антенн.
  • Основные однопользовательские методы MIMO
    • Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST), Джерард. Дж. Фошини (1996)
    • Per Antenna Rate Control (PARC), Варанаси, Guess (1998), Чунг, Хуанг, Лозано (2001)
    • Селективное управление скоростью передачи по антенне (SPARC), Ericsson (2004 г.)
  • Некоторые ограничения

Многопользовательские типы

В последнее время появляются результаты исследований многопользовательской технологии MIMO. Хотя полный многопользовательский MIMO (или сетевой MIMO) может иметь более высокий потенциал, на практике исследования технологии (частичного) многопользовательского MIMO (или многопользовательского и многоантенного MIMO) более активны.

  • Многопользовательский MIMO (MU-MIMO)
    • В последних стандартах 3GPP и WiMAX MU-MIMO рассматривается как одна из технологий-кандидатов, которые могут быть приняты в спецификации рядом компаний, включая Samsung, Intel, Qualcomm, Ericsson, TI, Huawei, Philips, Nokia и Freescale. Для этих и других фирм, работающих на рынке мобильного оборудования, MU-MIMO более подходит для сотовых телефонов низкой сложности с небольшим количеством приемных антенн, тогда как более высокая пропускная способность однопользовательского SU-MIMO для каждого пользователя лучше подходит для более сложных пользовательские устройства с большим количеством антенн.
    • Улучшенный многопользовательский MIMO: 1) использует передовые методы декодирования, 2) использует передовые методы предварительного кодирования
    • SDMA представляет собой либо с пространственным разделением множественного доступа или супер множественного доступа с разделением , где супер подчеркивает , что ортогональное разделение таких как частота и время деление не используется , но не ортогональны подходов , таких как суперпозиция кодирования используются.
  • Кооперативная MIMO

    Использует несколько соседних базовых станций для совместной передачи / приема данных пользователям / от пользователей. В результате соседние базовые станции не вызывают межсотовых помех, как в обычных системах MIMO.

    (CO-MIMO)

  • Макроразнообразие MIMO
    • Форма схемы с пространственным разнесением, которая использует несколько передающих или принимающих базовых станций для когерентной связи с одним или несколькими пользователями, которые, возможно, распределены в зоне покрытия, в одном временном и частотном ресурсе.
    • Передатчики находятся далеко друг от друга в отличие от традиционных схем MIMO с микроразнесением, таких как однопользовательский MIMO. В многопользовательском сценарии MIMO с макроразнесением пользователи также могут быть далеко друг от друга. Следовательно, каждая составляющая ссылка в виртуальном канале MIMO имеет отдельный средний SNR канала . Это различие в основном связано с различными долгосрочными ухудшениями канала, такими как потери на трассе и затухание тени, которые испытывают разные линии связи.
    • Схемы MIMO с макроразнообразием создают беспрецедентные теоретические и практические проблемы. Среди множества теоретических проблем, возможно, наиболее фундаментальной является понимание того, как различные средние отношения сигнал / шум канала влияют на общую пропускную способность системы и производительность отдельных пользователей в условиях замирания.
  • MIMO- маршрутизация

    Маршрутизация кластера кластером в каждом прыжке, где количество узлов в каждом кластере больше или равно одному. Маршрутизация MIMO отличается от традиционной (SISO) маршрутизации, поскольку традиционные протоколы маршрутизации маршрутизируют узел за узлом в каждом переходе.

  • Массивный MIMO

IoT дружит с MU-MIMO?

В обозримом, а точнее даже скором будущем Интернет вещей (IoT) станет обыденностью. Технология SU-MIMO не позволит эффективно и быстро подключать множество устройств, которые постоянно обмениваются данными с Сетью.

А роутер с MU-MIMO сможет обеспечить достаточную пропускную способность для большого количества подключенных устройств: смартфонов, медиаплееров, смарт-телевизоров, планшетов, игровых ПК и другой умной техники — вплоть до стиральных машин, холодильников, мультиварок. Даже если вся техника и все члены семьи будут одновременно пользоваться Wi-Fi, качество соединения не пострадает.

Математическое описание

Модель канала MIMO

В системах MIMO передатчик отправляет несколько потоков с помощью нескольких передающих антенн. Потоки передачи проходят через матричный канал, который состоит из всех путей между передающими антеннами в передатчике и приемными антеннами в приемнике. Затем приемник получает векторы принятых сигналов множеством приемных антенн и декодирует принятые векторы сигналов в исходную информацию. Узкополосная плоская выцветанию системы MIMO моделируются как:
NтNр{\ displaystyle N_ {t} N_ {r}}Nт{\ displaystyle N_ {t}}Nр{\ displaystyle N_ {r}}

узнак равноЧАСИкс+п{\ Displaystyle \ mathbf {y} = \ mathbf {H} \ mathbf {x} + \ mathbf {n}}

где и — векторы приема и передачи, соответственно, и — матрица канала и вектор шума, соответственно.
у{\ displaystyle \ mathbf {y}}Икс{\ displaystyle \ mathbf {x}}ЧАС{\ displaystyle \ mathbf {H}}п{\ Displaystyle \ mathbf {п}}


Пропускные способности эргодического замкнутого контура (канал известен, идеальная CSI ) и эргодического разомкнутого контура (канал неизвестен, нет CSI). Количество передающих и приемных антенн — 4 ( ).Nрзнак равноNтзнак равно4{\ Displaystyle N_ {r} = N_ {t} = 4}

Ссылаясь на теорию информации , эргодическая пропускная способность канала MIMO-систем, в которых и передатчик, и приемник имеют идеальную мгновенную информацию о состоянии канала, равна

Cпержеcт-CSязнак равноEМаксимумQ;tr(Q)≤1журнал2⁡Det(я+ρЧАСQЧАСЧАС)знак равноEжурнал2⁡Det(я+ρDSD){\ displaystyle C _ {\ mathrm {perfect-CSI}} = E \ left = E \ left }

где обозначает эрмитово транспонирование и является отношением мощности передачи к мощности шума (т. е. SNR передачи ). Оптимальная ковариация сигнала достигается посредством разложения по сингулярным значениям матрицы канала и оптимальной диагональной матрицы распределения мощности . Оптимальное распределение мощности достигается за счет заполнения водой , то есть
()ЧАС{\ displaystyle () ^ {H}}ρ{\ displaystyle \ rho}Qзнак равноVSVЧАС{\ Displaystyle \ mathbf {Q} = \ mathbf {VSV} ^ {H}}UDVЧАСзнак равноЧАС{\ Displaystyle \ mathbf {UDV} ^ {H} \, = \, \ mathbf {H}}Sзнак равнодиагональ(s1,…,sмин(Nт,Nр),,…,){\ displaystyle \ mathbf {S} = {\ textrm {diag}} (s_ {1}, \ ldots, s _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})}, 0, \ ldots, 0)}

sязнак равно(μ-1ρdя2)+,заязнак равно1,…,мин(Nт,Nр),{\ displaystyle s_ {i} = \ left (\ mu — {\ frac {1} {\ rho d_ {i} ^ {2}}} \ right) ^ {+}, \ quad {\ textrm {for}} \, \, i = 1, \ ldots, \ min (N_ {t}, N_ {r}),}

где — диагональные элементы , равно нулю, если его аргумент отрицательный, и выбирается так, что .
d1,…,dмин(Nт,Nр){\ displaystyle d_ {1}, \ ldots, d _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})}}D{\ displaystyle \ mathbf {D}}(⋅)+{\ Displaystyle (\ cdot) ^ {+}}μ{\ displaystyle \ mu}s1+…+sмин(Nт,Nр)знак равноNт{\ displaystyle s_ {1} + \ ldots + s _ {\ min (N_ {t}, N_ {r})} = N_ {t}}

Если передатчик имеет только статистическую информацию о состоянии канала , то эргодическая пропускная способность канала будет уменьшаться, поскольку ковариация сигнала может быть оптимизирована только с точки зрения средней взаимной информации как
Q{\ displaystyle \ mathbf {Q}}

Csтатяsтяcал-CSязнак равноМаксимумQEжурнал2⁡Det(я+ρЧАСQЧАСЧАС).{\ Displaystyle C _ {\ mathrm {статистический-CSI}} = \ max _ {\ mathbf {Q}} E \ left .}

Пространственная корреляция канала имеет сильное влияние на эргодическую пропускной способности канала со статистической информацией.

Если передатчик не имеет информации о состоянии канала, он может выбрать ковариацию сигнала, чтобы максимизировать пропускную способность канала при статистике наихудшего случая, что означает и, соответственно,
Q{\ displaystyle \ mathbf {Q}}Qзнак равно1Nтя{\ Displaystyle \ mathbf {Q} = 1 / N_ {t} \ mathbf {I}}

Cпо-CSязнак равноEжурнал2⁡Det(я+ρNтЧАСЧАСЧАС).{\ displaystyle C _ {\ mathrm {no-CSI}} = E \ left .}

В зависимости от статистических свойств канала эргодическая пропускная способность не более чем в раз больше, чем у системы SISO.
мин(Nт,Nр){\ displaystyle \ min (N_ {t}, N_ {r})}

Технология MIMO: достоинства и недостатки

Преимуществами метода являются широкое использование недорогих маломощных компонентов, снижение латентности, упрощение уровня управления доступом (MAC), устойчивость к случайным и преднамеренным помехам. Ожидаемая пропускная способность зависит от среды распространения, обеспечивающей асимптотически ортогональные каналы к терминалам, и эксперименты до сих пор не выявили никаких ограничений в этом отношении.

Однако вместе с устранением многих проблем появляются новые, требующие неотложного решения. Например, в системах MIMO необходимо обеспечить эффективную совместную работу множества недорогих компонентов малой точности, собирать данные о состоянии канала и распределять ресурсы для вновь подключенных терминалов. Также требуется использовать дополнительные степени свободы, обеспечиваемые избытком сервисных антенн, снизить внутреннее энергопотребление для достижения общей энергоэффективности и найти новые сценарии развертывания.

Рост количества 4G-антенн, участвующих в реализации MIMO, обычно требует посещения каждой базовой станции для изменения конфигурации и проводки. Первоначальное развертывание сетей LTE потребовало установки нового оборудования. Это дало возможность произвести конфигурацию MIMO 2×2 исходного стандарта LTE. Дальнейшие изменения базовых станций производятся только в крайних случаях, а реализации более высокого порядка зависят от операционной среды. Еще одна проблема заключается в том, что операция MIMO приводит к совершенно другому поведению в сети, чем предыдущие системы, что создает некоторую неопределенность планирования. Поэтому операторы склонны сначала использовать другие разработки, особенно если они могут быть развернуты путем обновления программного обеспечения.

Почему раньше не было OFDMA?

И наконец, главный вопрос: почему раньше не было OFDMA? Как ни странно, всё упиралось в деньги.

Долгое время считалось, что цена Wi-Fi-модуля должна быть минимальной. При запуске протокола в коммерческую эксплуатацию в 1997 году было решено, что себестоимость производства такого модуля не может превышать $1. Как следствие, развитие технологии пошло по неоптимальному пути. Здесь мы не принимаем в расчёт операторский LTE, где OFDMA используется уже достаточно давно.

В конце концов рабочая группа по Wi-Fi решила взять эти наработки из мира операторов связи и перенести их в мир корпоративных сетей. Основной задачей стал переход на использование более качественных элементов, таких как фильтры и осцилляторы.

Почему нам было так сложно работать в старых кодировках MRC с интерференцией или без неё? Потому что механизм формирования луча MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) резко увеличивал число ошибок, как только мы пытались совместить большое количество передающих точек. OFDMA доказал, что проблема решаема.

Борьба с интерференцией теперь основана на математике. Если окно передачи информации достаточно длинное, возникающая динамическая интерференция приводит к проблемам. Новые алгоритмы работы позволяют уйти от них, исключая влияние не только интерференции, связанной с передачей Wi-Fi, но и любой другой, возникающей в этом диапазоне.

Благодаря адаптивной борьбе с интерференцией мы можем получить выигрыш до 11 дБ даже в сложной неоднородной среде. Использование собственных алгоритмических решений Huawei позволило добиться серьёзной оптимизации именно там, где нужно, — в indoor-решениях. То, что хорошо в 5G, не обязательно хорошо в среде Wi-Fi 6. Подходы Massive MIMO и MU-MIMO различаются в случае с indoor- и outdoor-решениями. Там, где требуется, уместно использовать дорогостоящие решения, как в 5G. Но необходимы и другие варианты, такие как Wi-Fi 6, способные обеспечить задержки и другие показатели, которых мы привыкли ожидать от операторов связи.

Мы заимствуем у них те инструменты, которые будут полезны для нас, как для корпоративных потребителей, и всё это для того, чтобы обеспечить физическую среду, на которую можно будет положиться.

Механизм передачи информации в MU-MIMO

  • AP передает сигнальный зондирующий кадр;
  • Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
  • AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
  • Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
  • AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
  • AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
  • AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
  • Связь установлена и начинается передача данных.

Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.

Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:

  • Одно потоковое клиентское устройство 3×3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1×1: 1;
  • Два потоковых клиентских устройства 2×2: 2;
  • Одно потоковое клиентское устройство 2×2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1×1: 1;
  • До трех потоковых клиентских устройств 1×1: 1.

Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:

  • повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
  • повысить скорость передачи информации в системе;
  • увеличить зону покрытия;
  • уменьшить требуемую мощность передатчика.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использованиеSmart Antena , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

Принцип организации технологии MIMO

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Определение

Начну, пожалуй, с определения – что представляет собой MIMO. Это метод пространственного кодирования сигнала, который увеличивает полосу пропускания канала, где передача и прием данных происходят системами из нескольких антенн. Антенны разносят таким образом, чтобы корреляционная зависимость между соседними была слабой.

Для повышения пропускной способности и получения необходимой скорости передачи данных эффективны именно такие антенны. А системы с ними получили название MIMO. Технология широко применяется в локальных беспроводных сетях протокола 802.11 n, ac, а также LTE и ViMAX.

В переводе с английского MIMO (Multiple Input Multiple Output) переводится как «множество входов, множество выходов». То есть сигнал на одном канале передается несколькими приемниками и передатчиками. Например, изучая характеристики Wi-Fi устройства, можно увидеть такие параметры – 3*2. Это значит – 3 передатчика и 2 принимающих антенны.

Если говорить о связи с Wi-Fi, то именно метод MIMO позволил увеличить максимальную теоретическую скорость до 300 Мбит/с. Это послужило возникновению стандарта 802.11 n, который повсеместно работает по сей день. Этот протокол работает при стандартной ширине канала 20 МГц, но также позволяет применять широкополосной – 40 МГц. Это дает высокую пропускную способность – мы без торможений можем играть в онлайн-игры, скачивать «тяжелые» файлы, общаться по видео в режиме реального времени.

Целый видео-урок об основах Wi-Fi, в том числе и про MIMO, можно посмотреть здесь:

Определение

Начну, пожалуй, с определения – что представляет собой MIMO. Это метод пространственного кодирования сигнала, который увеличивает полосу пропускания канала, где передача и прием данных происходят системами из нескольких антенн. Антенны разносят таким образом, чтобы корреляционная зависимость между соседними была слабой.

Для повышения пропускной способности и получения необходимой скорости передачи данных эффективны именно такие антенны. А системы с ними получили название MIMO. Технология широко применяется в локальных беспроводных сетях протокола 802.11 n, ac, а также LTE и ViMAX.

В переводе с английского MIMO (Multiple Input Multiple Output) переводится как «множество входов, множество выходов». То есть сигнал на одном канале передается несколькими приемниками и передатчиками. Например, изучая характеристики Wi-Fi устройства, можно увидеть такие параметры – 3*2. Это значит – 3 передатчика и 2 принимающих антенны.

Если говорить о связи с Wi-Fi, то именно метод MIMO позволил увеличить максимальную теоретическую скорость до 300 Мбит/с. Это послужило возникновению стандарта 802.11 n, который повсеместно работает по сей день. Этот протокол работает при стандартной ширине канала 20 МГц, но также позволяет применять широкополосной – 40 МГц. Это дает высокую пропускную способность – мы без торможений можем играть в онлайн-игры, скачивать «тяжелые» файлы, общаться по видео в режиме реального времени.

Целый видео-урок об основах Wi-Fi, в том числе и про MIMO, можно посмотреть здесь:

В зависимости от числа пользователей, которым одновременно идет передача данных, есть два вида технологии:

  1. SU-MIMO – однопользовательская система;
  2. MU-MIMO – многопользовательская система.

Проще говоря, если применяется SU-MIMO, в определенный временной промежуток потоки данных идут одному пользователю. Технология предоставляет многоканальные входные и выходные потоки одному устройству. Пока Wi-Fi устройство адресата получает или принимает данные, другие клиенты находятся в ожидании.

MU-MIMO позволяет нескольким пользователям принимать несколько потоков данных. Она базируется на технологии SU-MIMO, но обеспечивает одновременную связь точки доступа с несколькими устройствами.

Types of MU-MIMO implementations found in wireless routers

In simple terms, imagine you’re in line at the school cafeteria – you get served after the people in front of you get their sloppy joes. With MU-MIMO, instead of one lunch lady, you now get two, three or four lunch ladies, which lessens the time you need to wait.

However, there are some rules regarding this. First, the streams are spatial, which means if two devices are close to each other, they still have to share the same stream. Imagine that cafeteria scenario again, but this time the four lines that were created are now points on a compass. If you’re physically located in the south line, you have to wait with everyone else unless you move to east, north or west. In an office setting, if your adjacent coworker is streaming a video conference while you’re trying to download a super-large sales presentation, you’ll have to wait, unless you move to the other side of the office. This scenario assumes that the router/access point has enabled MU-MIMO and beamforming support.

Second, the technology only works for downlink connections. This is great for home users who will likely need faster speeds for 4K video streams and online gaming, but less useful for business workers who need faster uploads for content creation (such as video uploading) or two-way video conferencing applications.

От SIMO к MIMO

Метод MIMO был с нами не всегда. Когда-то мобильной связи приходилось ограничиваться режимом SIMO, который подразумевал наличие у абонентской станции нескольких антенн, одновременно работающих на получение информации.

MU-MIMO призван передавать информацию пользователям, используя весь текущий антенный фонд. Это снимает накладывавшиеся прежде протоколом CSMA/CA ограничения, связанные с отправкой абонентским устройствам токенов на передачу. Теперь пользователи объединяются в группу и каждый участник группы получает свою часть ресурса антенного фонда точки доступа, а не ждёт своей очереди.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий