Режим mimo 2x2 описание. MIMO антенна что это? О технологии MIMO. MU-MIMO поддерживается только для Downlink

Для того, чтобы лучше понять принцип работы MIMO антенны давайте вообразим следующую ситуацию: базовая станция (БС) оператора мобильной сети и модем стали двумя географическими пунктами А и Б, между этими объектами проложен определенный путь, люди, передвигающиеся по этому пути олицетворяют информацию, А - это ваша приемная Антенна, Б - это БС сотового оператора. Люди передвигаются из одного пункта в другой с помощью поезда, вместимость которого- 100 человек. Но людей, которые хотят из пункта Б добраться в пункт А гораздо больше. Поэтому строится второй путь и запускается новый поезд, вместимость которого, тоже 100 человек. Таким образом, производительность и эффективность двух поездов в 2 раза выше.

Точно также же устроена и новейшая технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) , она позволяет принимать одновременно больше потоков. Для этого используются различные поляризации сигналов, например горизонтальная и вертикальная - 2х2. Раньше, чтобы принимать больше информации, то есть больше потоков, потребовалось бы приобретение двух простых антенн.

Сегодня же достаточно приобрести только одну антенну MIMO. Улучшенная антенна MIMO содержит в одном корпусе сразу два набора излучающих элементов, так называемых патчей, каждый из которых подключен к отдельному гнезду. Второй вариант устройства: имеется один набор патчей и запитка для двух портов, что позволяет патчу функционировать в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном. В этом случае к двум гнездам присоединяется единственный набор патчей. Именно второй вариант (с двумя кабельными вводами) вы можете найти в ассортименте нашей компании.

А как же подключить 2 кабеля, выходящих из мимо-антенны к одному модему? Все очень просто. Сегодня не только антенны поддерживают эту функцию, но и модемы. Существуют модемы с 2 входами для подключения внешних антенн, например широко распространенный Huawei .

Преимущества технологии MIMO

К главным преимуществам относится возможность улучшения пропускной способности, не расширяя при этом полосу. Так устройство одновременно раздает несколько потоков информации по единственному каналу.

Качество передаваемого сигнала и скорость передачи данных становится лучше. Потому что технология сначала кодирует данные, а затем на приемной стороне восстанавливает их.

Более чем в два раза увеличивается скорость трансляции сигнала.

Увеличиваются и многие другие параметры скорости за счет использования двух независимых кабелей, через которые одновременно происходит раздача и получение информации в виде цифрового потока. Улучшаются качества спектра следующих систем: 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, благодаря использованию двух входов и двух выходов.

Сфера применения антенн MIMO

Чаще всего технология MIMO применяется для передачи данных такого протокола, как WiFi. Это объясняется увеличенными пропускной способностью и емкостью. Для примера возьмем протокол 802.11n, в нем при использовании описываемой технологии, можно достичь скорость до 350 Мегабит/сек. Также улучшилось качество передачи данных, даже на тех участках, где сигнал приема низкий. Примером уличной точки доступа с антенной MIMO может послужить всем известная .

Сеть WiMAX, при использовании MIMO, теперь может транслировать информацию со скоростью до 40 Мегабит/секунду.

В применяется технология MIMO до 8x8. Благодаря этому достигается высокая скорость передачи - более 35 Мегабит/секунду. Помимо этого, обеспечивается надежное и высококачественное соединение отличного качества.

Постоянно ведутся работы по улучшению и усовершенствованию конфигураций технологии. В скором времени это позволит улучшить показатели спектра, усовершенствовать емкость сетей и ускорить скорость передачи данных.

Мобильная передача данных LTE относится к поколению 4G . С помощью неё повышается скорость примерно в 10 раз и эффективность передачи данных, по сравнению с 3G сетью. Однако, не редко бывает, что скорость приема и передачи, даже нового поколения, оставляет желать лучшего. Это напрямую зависит от качества сигнала, который поступает от базовой станции. Для решения данной проблемы используют внешние антенны.

По своей конструкции, LTE антенны могут быть: обычные и MIMO ( двойные ) . При помощи обычной системы можно добиться скорости до 50 Мбит/сек. MIMO же, может увеличить эту скорость в два раза. Это осуществляется за счёт установки в одной системе (коробе) двух антенн, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Они одновременно принимают и передают сигнал через два отдельных кабеля к приемнику. За счёт этого происходит такое увеличение скорости.

MIMO (Multiple Input Multiple Output - множественный вход множественный выход) - это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI , WI-MAX, сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название.

Особенности распространения радиоволн

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. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн. 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 .

Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

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.

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется Receive Diversity - разнесенный прием .

Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а обычно две антенны, расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO ). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием, эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO ).

В результате мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO ). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и за счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться.

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.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. 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 2х2 и скорости поступления входных данных 100 Мбит/сек делитель будет создавать 2 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме.

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. 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. В зависимости от принципа работы системы, передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

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 только свои действия. Такая схема подходит, 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. В этом случае, решают две проблемы: с одной стороны базовая станция передает сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную систему (MIMO broadcast), и в то же время принимает сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC - Multiple Access Channels).

Принцип организации технологии MIMO

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n - один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала.

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый - 802.16e - предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации - 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных). В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте UMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 - с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы 4G, а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

MIMO (Multiple Input Multiple Output, многоканальный вход - многоканальный выход) - метод скоординированного использования нескольких радиоантенн в беспроводных сетевых коммуникациях, распространенный в современных домашних широкополосных маршрутизаторах и в сетях сотовой связи LTE и WiMAX.

Как это работает?

Маршрутизаторы Wi-Fi с MIMO-технологией используют те же сетевые протоколы, что и обычные одноканальные. Они обеспечивают более высокую производительность за счет повышения эффективности передачи и приема данных по линии беспроводной связи. В частности, сетевой трафик между клиентами и маршрутизатором организуется в отдельные потоки, передаваемые параллельно, с последующим их восстановлением принимающим устройством.

Технология MIMO может увеличить пропускную способность, диапазон и надежность передачи при высоком риске помех со стороны другого беспроводного оборудования.

Применение в сетях Wi-Fi

Технология MIMO включена в стандарт с версии 802.11n. Ее использование повышает производительность и доступность сетевых соединений по сравнению с обычными маршрутизаторами.

Количество антенн может варьироваться. Например, MIMO 2x2 предусматривает наличие двух антенн и двух передатчиков, способных осуществлять прием и передачу по двум каналам.

Чтобы воспользоваться этой технологией и реализовать ее преимущества, клиентское устройство и маршрутизатор должны установить между собой MIMO-соединение. В документации к используемому оборудованию должно быть указано, поддерживает ли оно такую возможность. Другого простого способа проверить, применяется ли в сетевом соединении данная технология, нет.

SU-MIMO и MU-MIMO

Первое поколение технологии, представленное в стандарте 802.11n, поддерживало однопользовательский (SU) метод. По сравнению с традиционными решениями, когда все антенны маршрутизатора должны координироваться для связи с одним клиентским устройством, SU-MIMO позволяет распределять каждую из них между разным оборудованием.

Многопользовательская (MU) технология MIMO была создана для использования в сетях Wi-Fi 802.11ac на частоте 5 ГГц. Если предыдущий стандарт требовал, чтобы маршрутизаторы управляли своими клиентскими подключениями поочередно (по одному за раз), антенны MU-MIMO могут обеспечивать связь с несколькими клиентами параллельно. улучшает производительность соединений. Однако даже если маршрутизатор 802.11ac имеет необходимую аппаратную поддержку технологии MIMO, есть и другие ограничения:

поддерживается ограниченное количество одновременных клиентских подключений (2-4) в зависимости от конфигурации антенны;
координация антенн обеспечивается только в одном направлении - от маршрутизатора до клиента.

MIMO и сотовая связь

Технология используется в разных типах беспроводных сетей. Она все чаще находит применение в сотовой связи (4G и 5G) в нескольких формах:

Network MIMO - координированная передача сигнала между базовыми станциями;
Massive MIMO - использование большого количества (сотен) антенн;
миллиметровые волны - задействование сверхвысокочастотных полос, в которых пропускная способность больше, чем в диапазонах, лицензированных для 3G и 4G.

Многопользовательская технология

Чтобы понять, как работает MU-MIMO, следует рассмотреть, как обрабатывает пакеты данных традиционный беспроводной маршрутизатор. Он хорошо справляется с отправкой и приемом данных, но только в одном направлении. Другими словами, он может поддерживать коммуникацию только с одним устройством одновременно. Например, если загружается видео, то нельзя в то же время транслировать на консоль онлайн-видеоигру.

Пользователь может запускать несколько устройств в сети Wi-Fi, и маршрутизатор очень быстро по очереди переправляет к ним биты данных. Однако в одно и то же время он может обращаться только к одному устройству, что является основной причиной снижения качества соединения, если пропускная способность Wi-Fi слишком низкая.

Поскольку это работает, то внимание на себя обращает мало. Тем не менее эффективность работы маршрутизатора, который передает данные на несколько устройств одновременно, можно повысить. При этом он станет быстрее работать и обеспечит более интересные сетевые конфигурации. Вот почему появились разработки, подобные MU-MIMO, которые в конечном итоге были включены в современные стандарты беспроводной связи. Эти разработки позволяют передовым маршрутизаторам взаимодействовать сразу с несколькими устройствами.

Краткая история: SU против MU

Одно- и многопользовательские MIMO представляют собой разные способы коммуникации маршрутизаторов с несколькими устройствами. Первый из них старше. Стандарт SU разрешал отправку и получение данных сразу по нескольким потокам в зависимости от имеющегося количества антенн, каждая из которых могла работать с различными устройствами. SU был включен в обновление 802.11n 2007 года и начал постепенно внедряться в новые линейки продуктов.

Однако у SU-MIMO были ограничения в дополнение к требованиям к антенне. Хотя может быть подключено несколько устройств, они по-прежнему имеют дело с маршрутизатором, который может работать только с одним за раз. Скорость передачи данных увеличилась, помехи стали меньшей проблемой, но возможностей для улучшения осталось много.

MU-MIMO является стандартом, который развился из SU-MIMO и SDMA (множественного доступа с пространственным разделением каналов). Технология позволяет базовой станции взаимодействовать с несколькими устройствами, используя отдельный поток для каждого из них, как будто все они имеют свой собственный маршрутизатор.

В конечном итоге поддержка MU была добавлена в обновление стандарта 802.11ac в 2013 г. После нескольких лет разработок производители начали включать эту функцию в свои продукты.

Преимущества MU-MIMO

Это захватывающая технология, поскольку она оказывает заметное влияние на повседневное использование Wi-Fi без прямого изменения пропускной способности или других ключевых параметров беспроводного соединения. Сети становятся намного эффективнее.

Для обеспечения стабильного соединения с ноутбуком, телефоном, планшетом или компьютером стандарт не требует наличия у маршрутизатора нескольких антенн. Каждое такое устройство может не делиться своим каналом MIMO с другими. Это особенно заметно при потоковой передаче видео или выполнении других сложных задач. Скорость работы в Интернете субъективно повышается, и соединение устанавливается надежнее, хотя на самом деле становится более разумной организация сети. Также повышается число одновременно обслуживаемых устройств.

Ограничения MU-MIMO

Многопользовательская технология множественного доступа имеет и ряд ограничений, о которых стоит упомянуть. Существующие стандарты поддерживают 4 устройства, но позволяют добавить больше, и им придется делиться потоком, что возвращает к проблемам SU-MIMO. Технология в основном используется в нисходящих каналах связи и ограничена, когда дело доходит до исходящих. Кроме того, маршрутизатор MU-MIMO должен иметь больше информации об устройствах и состоянии каналов, чем требовали предыдущие стандарты. Это усложняет управление и устранение неполадок в беспроводных сетях.

MU-MIMO также является направленной технологией. Это означает, что 2 устройства, расположенные рядом, не могут одновременно использовать разные каналы. Например, если муж смотрит онлайн-трансляцию по телевизору, а рядом его жена передает игру PS4 на свою Vita через Remote Play, им все равно придется делиться пропускной способностью. Маршрутизатор может предоставлять дискретные потоки только устройствам, которые расположены в разных направлениях.

Massive MIMO

По мере продвижения в сторону беспроводных сетей пятого поколения (5G) рост числа смартфонов и новых применений привел к 100-кратному увеличению их требуемой пропускной способности по сравнению с LTE. Новая технология Massive MIMO, которой в последние годы уделяется много внимания, призвана значительно увеличить показатели эффективности телекоммуникационных сетей до беспрецедентных уровней. При дефиците и дороговизне доступных ресурсов операторов привлекает возможность увеличить пропускную способность в полосах частот ниже 6 ГГц.

Несмотря на значительный прогресс, Massive MIMO далек от совершенства. Технология по-прежнему активно исследуется как в академических кругах, так и в промышленности, где инженеры стремятся достичь теоретических результатов с помощью коммерчески приемлемых решений.

Massive MIMO может помочь в решении двух ключевых проблем - пропускной способности и охвата. Для операторов мобильной связи частотный диапазон остается дефицитным и относительно дорогостоящим ресурсом, но является ключевым условием для повышения скорости передачи сигнала. В городах интервал между базовыми станциями обусловлен пропускной способностью, а не охватом, что требует развертывания большого их количества и приводит к дополнительным расходам. Massive MIMO позволяет увеличить емкость уже существующей сети. В областях, где развертывание базовых станций обусловлено охватом, технология позволяет увеличить радиус их действия.

Концепция

Massive MIMO кардинально меняет текущую практику, используя очень большое количество когерентно и адаптивно работающих сервисных антенн 4G (сотни или тысячи). Это помогает фокусировать передачу и прием энергии сигнала в меньших областях пространства, значительно улучшая производительность и энергоэффективность, особенно в сочетании с одновременным планированием большого количества пользовательских терминалов (десятков или сотен). Метод изначально предполагался для дуплексной передачи с временным разделением (TDD), но потенциально может применяться также в режиме дуплексного (PDD) частотного разделения.

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 2x2 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.

Многопользовательская MIMO представляет собой неотъемлемую часть стандарта 802.11 ас. Но до сих пор еще не было устройств, поддерживающих новый вид многоантенной технологии. WLAN-роутеры стандарта 802.11 ас прежнего поколения обозначались как оборудование Wave 1. Только с Wave 2 вводится многопользовательская технология MIMO (MU-MIMO), и во главе этой второй волны устройств идет .

Стандарт WLAN	802.11b	802.11g/a	802.11n	802.11ас	802.11ах*
Скорость передачи данных на поток, Мбит/с	11	54	150	866	не менее 3500
Диапазон частот, ГГц	2,4	2,4/5	2,4 и 5	5	между 1 и 6
Ширина канала, МГц	20	20/20	20 и 40	20,40,80 или 160	пока не определена
Технология антенны		Single Input Single Output (один вход- один выход)	MIMO: Multiple Input Multiple Output (многоканальный вход- многоканальный выход)		MIMO/MU-MIMO (многопользовательская система MIMO)
Максимальное число пространственных	1	1	4	8	пока не определено
Поддержка технологии формирования луча	□	□	■	■	■

■ да □ нет

Поскольку многопользовательская технология MIMO передает сигнал одновременно на несколько устройств, соответствующим образом расширяется протокол передачи в части формирования заголовков блоков данных: вместо того чтобы передавать несколько пространственно разделенных потоков для одного клиента, многопользовательская технология MIMO распределяет передачу для каждого пользователя по отдельности, равно как и кодирование. Одинаковым остается распределение полосы частот и кодирование.

Single User (однопользовательская) Если четыре устройства делят между собой одну сеть WLAN, то роутер с конфигурацией 4×4:4 MIMO передает четыре пространственных потока данных, но всегда только на одно и то же устройство. Устройства и гаджеты обслуживаются попеременно. Multi User (многопользовательская) При поддержке многопользовательской MIMO (Multi User MIMO) очередей из устройств, ожидающих доступа к ресурсам WLAN- роутера, не образуется. Ноутбук, планшет, телефон и телевизор обеспечиваются данными одновременно.

Сеть WLAN похожа на оживленную автотрассу: в зависимости от времени суток помимо ПК и ноутбуков к этому движению подключаются планшеты, смартфоны, телевизор и игровые консоли. В среднестатистическом домохозяйстве имеется более пяти устройств, подсоединяемых к Интернету по сети WLAN, и их количество постоянно растет. Со скоростью 11 Мбит/с, которая предусматривается в рамках основного стандарта IEEE 802.11b, веб-серфинг и загрузка данных требуют большого терпения, ведь роутер в каждый конкретный момент времени может быть соединен только с одним устройством. Если радиосвязь используется сразу тремя устройствами, то каждый клиент получает только треть продолжительности сеанса связи, а две трети времени тратится на ожидание. Хотя сети WLAN новейшего стандарта IEEE 802.11ac обеспечивают передачу данных на скоростях до 1 Гбит/с, в них тоже существует проблема падения скорости из-за очередей. Но уже следующее поколение устройств (802.11ac Wave 2) обещает более высокую производительность для радиосетей с несколькими активными устройствами.

Для лучшего понимания сути нововведений следует сначала вспомнить, какие изменения происходили с сетями WLAN в недавнем прошлом. Одним из самых эффективных приемов увеличения скорости передачи данных, начиная со стандарта IEEE 802.1In, является технология MIMO (Multiple Input Multiple Output: многоканальный вход - многоканальный выход). Она подразумевает использование нескольких радиоантенн для параллельной передачи потоков данных. Если, например, через сеть WLAN передается один видеофайл и используется MIMO-роутер с тремя антеннами, каждое передающее устройство в идеальном случае (при наличии трех антенн у приемника) отправит треть файла.

Рост затрат с каждой антенной

В стандарте IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных для каждого отдельного потока вместе со служебной информацией достигает 150 Мбит/с. Устройства с четырьмя антеннами, таким образом, способны передавать данные со скоростью до 600 Мбит/с. Актуальный стандарт IEEE 802.11ac теоретически выходит примерно на 6900 Мбит/с. Помимо широких радиоканалов и улучшенной модуляции новым стандартом предусмотрено использование до восьми потоков MIMO.

Но одно только увеличение числа антенн не гарантирует многократного ускорения передачи данных. Наоборот, с четырьмя антеннами очень сильно возрастает объем служебных данных, а также становится более затратным процесс обнаружения коллизий радиосигналов. Чтобы использование большего числа антенн себя оправдало, технология MIMO продолжает совершенствоваться. Прежнюю MIMO для различения правильнее называть одно-пользовательской MIMO (Single User MIMO). Хотя она обеспечивает одновременную передачу нескольких пространственных потоков, как говорилось ранее, но всегда только по одному адресу. Такой недостаток теперь устраняется с помощью многопользовательской MIMO. С этой технологией роутеры WLAN могут одновременно передавать сигнал четырем клиентам. Устройство с восемью антеннами может, например, использовать четыре, чтобы обеспечить ноутбук и параллельно с помощью двух других - планшет и смартфон.

MIMO – точный направленный сигнал

Чтобы маршрутизатор мог одновременно направлять пакеты WLAN различным клиентам, ему нужна информация о том, где расположены клиенты. Для этого в первую очередь по всем направлениям отсылаются тестовые пакеты. Клиенты отвечают на эти пакеты, и базовая станция сохраняет данные о силе сигнала. Технология формирования лучей является одним из важнейших помощников MU MIMO. Хотя ее поддержка уже предусмотрена стандартом IEEE 802.11n, в IEEE 802.11ac она была усовершенствована. Ее суть сводится к установлению оптимального направления для отправки радиосигнала клиентам. Базовая станция специально задает для каждого радиосигнала оптимальную направленность передающей антенны. Для многопользовательского режима поиск оптимального пути сигнала особенно важен, ведь перемена места только одного клиента может изменить все пути передачи и нарушить пропускную способность всей сети WLAN. Поэтому каждые 10 мс производится анализ канала.

Для сравнения, однопользовательская MIMO производит анализ только каждые 100 мс. Многопользовательская MIMO может одновременно обслуживать четырех клиентов, при этом каждый клиент может параллельно принимать до четырех потоков данных, что в сумме дает 16 потоков. Для этого многопользовательской MIMO требуются новые WLAN-роутеры, поскольку вырастает потребность в вычислительной мощности.

Одной из самых серьезных проблем многопользовательской MIMO являются интерференции между клиентами. Хотя загруженность канала часто замеряется, этого недостаточно. При необходимости одним фреймам отдается приоритет, а другие, наоборот, придерживаются. Для этого 802.11ac использует различные очереди, которые с разной скоростью производят обработку в зависимости от типа пакета данных, отдавая предпочтение, например, видеопакетам.

Требования к пропускной способности мобильных сетей очень высоки и, при этом, они постоянно растут. Очевидные варианты увеличения пропускной способности - увеличение ширины канала и использование модуляций более высокого порядка, не позволяют полностью решить задачу обеспечения высокой пропускной способности. Частотный диапазон все-таки ограничен. А использование модуляции более высокого порядка подразумевает повышение SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), что тоже имеет свой предел. Еще одним способом увеличения пропускной способности беспроводных систем является использование нескольких передающих и приемных антенн (MIMO - Multiple Input Multiple Output ) и специальная обработка сигнала в этом случае. Далее приводится классификация вариантов MIMO и их краткое описание.

Классическая система (SISO - Single Input Single Output)

Для начала рассмотрим варианты MIMO, которые могут быть использованы для передачи данных одному пользователю. Первый классический и самый простой вариант использования одной передающей и одном приемной антенны изображен на рисунке ниже. Такая система с точки зрения терминологии MIMO называется SISO - Single Input Single Output .

Пропускную способность такой системы можно расчитать, используя формулу Шеннона:

C = B log 2 (1 + S /N ), где

C B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

Разнесенный прием (Rx Diversity, SIMO - Single Input Multiple Output)

Разнесенный прием (Rx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на приемной стороне, чем на передающей. С точки зрения MIMO такая система называется SIMO - Single Input Multiple Output . Простейший случай такой системы, когда передающая антенна одна, а приемных две, представлен на рисунке ниже и называется SIMO 1x2.

Представленный вариант не требует специальной подготовки сигнала при передаче, поэтому его достаточно просто реализовать на практике. При использовании разнесенного приема увеличения пропускной способности не происходит. Однако, повышается надежность передачи. В случае с изображенной выше системой на приемной стороне будет два сигнала, и существуют разные способы их обработки. Например, может выбираться сигнал с наилучшим соотношением сигнал/шум. Такой метод называется switched diversity. Или сигналы могут складываться, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. И такой метод называется MRC - Maximum Ratio Combining.

Разнесенная передача (Tx Diversity, MISO - Multiple Input Single Output)

Разнесенная передача (Tx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на передающей стороне, чем на приемной. С точки зрения MIMO такая система называется MISO - Multiple Input Single Output . Простейший случай такой системы, когда передающих антенн две, а приемная одна, представлен на рисунке ниже и называется MISO 2x1.

Как и SIMO, MISO не позволяет увеличить пропускную способность канала, но повышает надежность передачи. В то же время, использование MISO позволяет перенести необходимую дополнительную обработку сигнала с приемной стороны (мобильной станции) на передающую (базовую станцию). Для формирования надежного сигнала используется пространственно-временное кодирование. В этом случае копия сигнала передается не только с другой антенны, но и в другое время. Также может использоваться пространственно-частотное кодирование.

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing, MIMO - Multiple Input Multiple Output)

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) - это случай использования нескольких антенн на передающей стороне и нескольких антенн на приемной. В отличие от предыдущих вариантов - MISO и SIMO, описанных выше, данный вариант направлен не на повышение надежности передачи, а на увеличение скорости передачи. Поэтому MIMO используется для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в хороших радиоусловиях. В то время, как варианты MISO и SIMO используются для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в более плохих радиоусловиях. Для того, чтобы повысить скорость передачи данных в случае с MIMO входной поток данных разбивают на несколько потоков, каждый из которых независимо передается с отдельной антенны. На рисунке ниже приводится общая схема системы MIMO с m передающими антеннами и с n приемными антеннами.

Из-за того, что используется общий канал, каждая антенна на приемнике получает сигнал не только предназначенный для нее (сплошные линии на рисунке), но и все сигналы предназначенные другим антеннам (прерывистые линии на рисунке). Если известна матрица передачи, то влияние сигналов, предназначенных для других антенн, можно вычислить и минимизировать.

Количество независимых потоков данных, которые могут одновременно передаваться, зависит от количества используемых антенн. Если количество передающих и приемных антенн одинаково, то количество независимых потоков данных равно или меньше количеству антенн. Например, в случае MIMO 4x4 количество независимых потоков данных может быть 4 или меньше. Если же количество передающих и приемных антенн не одинаково, то количество независимых потоков данных равно минимальному количеству антенн или меньше. Например в случае MIMO 4x2 количество независимых потоков данных может быть 2 или меньше.

Для вычисления максимальной пропускной способности в случае использования MIMO применяется следующая формула:

C = M B log 2 (1 + S /N ), где

C - пропускная способность канала; M - количество независимых потоков данных; B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

В зависимости от количества пользователей, которым одновременно осуществляется передача данных, можно выделить следующие варианты. Single User MIMO (SU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных одному пользователю, то есть все потоки данных адресованы одному и тому же пользователю. И Multi User MIMO (MU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных нескольким пользователям одновременно в одних и тех же ресурсных блоках, то есть когда независимые потоки данных адресованы разным пользователям. Ниже на рисунке приводится пример MU-MIMO для случая с двумя пользователями.

Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на [email protected]. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.