Технология передачи данных MIMO в беспроводных сетях WIFI. MIMO антенна что это? О технологии MIMO

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)

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)

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)

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)

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.

2 года назад

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.

В свете выхода новых беспроводных устройств с поддержкой технологии MU-MIMO, в частности с выходом UniFi AC HD (UAP-AC-HD) , назрела необходимость в разъяснении, что это такое и почему старое железо не поддерживает данную технологию.

Что такое 802.11ac?

Стандарт 802.11ac является трансформацией беспроводной технологии, пришедшей на смену предыдущему поколению в виде стандарта 802.11n.

Появление 802.11n, как предполагалось ранее, должно было позволить бизнесу повсеместно использовать данную технологию в качестве альтернативы обычному проводному соединению для работы внутри локальной сети (LAN).

802.11ac – дальнейший этап на пути развития беспроводных технологий. Теоретически, новый стандарт может обеспечить скорость передачи данных до 6.9 Гбит/сек в диапазоне 5 ГГц. Это в 11.5 раз выше сферы передачи данных 802.11n.

Новый стандарт доступен в двух релизах: Wave 1 и Wave 2. Ниже вы можете ознакомиться со сравнительной таблицей по актуальным стандартам.

В чем отличие Wave 1 и Wave 2?

Продукты 802.11ac Wave 1 доступны на рынке примерно с середины 2013-го. Новая ревизия стандарта базируется на предыдущей версии стандарта, но с некоторыми очень существенными изменениями, а именно:

• Повышена производительность с 1.3 Гбит до 2.34 Гбит;
• Добавлена поддержка Multi User MIMO (MU-MIMO);
• Допускается использование широких каналов в 160 МГц;
• Четвертый пространственный поток (Spatial Stream) для большей производительности и стабильности;
• Больше каналов в диапазоне 5 ГГц;

Что именно дают усовершенствования Wave 2 для реального пользователя?

Рост пропускной способности положительно сказывается на приложениях, чувствительных к пропускной способности и задержкам внутри сети. Это в первую очередь передача потокового голосового и видеоконтента, а также повышение плотности сети и рост количества клиентов.

MU-MIMO предоставляет огромные возможности для развития «интернета вещей» (Internet of Things, IoT), когда один пользователь может подключать одновременно несколько устройств.

Технология MU-MIMO допускает несколько одновременных исходящих потоков (downstreams), обеспечивая одновременное обслуживание сразу нескольких устройств, что повышает производительность сети в целом. MU-MIMO также положительно сказывается на задержках, обеспечивая более быстрое подключение и работу клиентов в целом. К тому же, особенности технологии позволяют подключать к сети еще большее количество одновременных клиентов, нежели в предыдущей версии стандарта.

Использование ширины канала в 160 МГц требует соблюдения некоторых условий (низкая мощность, низкий показатель шума и т.д), при этом канал сможет обеспечить колоссальный прирост производительности при передачи больших объемов данных. Для сравнения 802.11n может обеспечить канальную скорость до 450 Мбит, более новый 802.11ac Wave 1 – до 1.3 Гбит, в то время как 802.11ac Wave 2 с каналом на 160 МГц может обеспечить канальную скорость порядка 2.3 Гбит/сек.

В предыдущем поколении стандарта допускалось использование 3-х приемо-передающих антенн, новая ревизия добавляет 4-й поток. Данное изменение повышает дальность и стабильность соединения.

Существует 37 каналов в диапазоне 5 ГГц, используемых во всем мире. В некоторых странах количество каналов ограничено, в некоторых нет. 802.11ac Wave 2 допускает использование большего количества каналов, что позволит повысить количество одновременно работающих устройств в одном месте. К тому же, большее количество каналов необходимо для широких каналов в 160 МГц.

Есть ли новые канальные скорости в 802.11ac Wave 2?

Новый стандарт наследует стандарты, введенные с появлением первого релиза. Как и ранее, скорость зависит от количества потоков и ширины канала. Максимальная модуляция осталась без изменений – 256 QAM.

Если ранее для канальной скорости 866.6 Мбит требовалось 2 потока и ширина канала в 80 МГц, то теперь этой канальной скорости можно достичь при использовании всего одного потока, двое увеличив при этом скорость канала – с 80 до 160 МГц.

Как видите, кардинальных изменений не произошло. В связи с поддержкой каналов на 160 МГц, увеличились и максимальные канальные скорости – до 2600 Мбит.

На практике, реальная скорость составляет примерно 65% от канальной (PHY Rate).

Используя 1 поток, модуляцию 256 QAM и канал на 160 МГц, можно достичь реальной скорости порядка 560 Мбит/сек. Соответственно 2 потока обеспечат скорость обмена на уровне ~1100 Мбит/сек, 3 потока – 1.1-1.6 Гбит/сек.

Какие диапазоны и каналы использует 802.11ac Wave2?

На практике, Waves 1 и Waves 2 работают исключительно в диапазоне 5 ГГц. Диапазон частот зависит от региональных ограничений, как правило, используется диапазон 5,15-5,35 ГГц и 5,47-5,85 ГГц.

В США под беспроводные сети 5 ГГц выделено полосу в 580 МГц.

802.11ac, как и ранее, может использовать канала на 20 и 40 МГц, в то же время хорошей производительности можно достичь используя только 80 МГц либо 160 МГц.

Поскольку на практике далеко не всегда возможно использовать непрерывную полосу в 160 МГц, стандартом предусмотрен режим 80+80 МГц, который поделит полосу в 160 МГц на 2 разные диапазона. Всё это добавляет большей гибкости.

Обратите внимание, стандартными каналами для 802.11ac являются 20/40/80 МГц.

Почему существует две волны стандарта 802.11ac?

IEEE внедряет стандарты волнами, по мере развития технологий. Такой подход позволяет промышленности сразу выпускать новые продукты, не дожидаясь пока будет доработана та или иная возможность.

Первая волна стандарта 802.11ac обеспечила значительный шаг вперед по отношению к 802.11n и заложила основу для дальнейшего развития.

Когда стоит ожидать продукты с поддержкой 802.11ac Wave 2?

Согласно первоначальным прогнозам аналитиков, первые продукты потребительского уровня должны были поступить в продажу еще в середине 2015-го. Более высокоуровневые корпоративные и операторские решения обычно выходят с задержкой в 3-6 месяцев, точно так, как это было с первой волной стандарта.

Оба класса, потребительский и коммерческий, обычно выпускаются еще до того, как WFA (Wi-Fi Alliance) начинает проводить сертификацию (вторая половина 2016).

Состоянием на февраль 2017, количество устройств с поддержкой 802.11ac W2 не так велико как этого бы хотелось. Особенно со стороны Mikrotik и Ubiquit.

Будут ли устройства Wave 2 существенно отличаться от Wave 1?

В случае с новым стандартом сохраняется общая тенденция предыдущих лет – смартфоны и ноутбуки выпускаются с 1-2 потоками, 3 потока предназначены для более требовательных задач. Нет практического смысла в том, чтобы реализовывать полный функционал стандарта на всех устройствах.

Совместимо ли оборудование Wave 1 с Wave 2?

Первая волна допускает 3 потока и каналы до 80 МГц, по этой части клиентские устройства и точки доступа полностью совместимы.

Для реализации функций второго поколения (160 МГц, MU-MIMO, 4 потока), и клиентское устройство, и точка доступа должны поддерживать новый стандарт.

Точки доступа нового поколения совместимы с клиентскими устройствами 802.11ac Wave 1, 802.11n и 802.11a.

Таким образом, использовать дополнительные возможности адаптера второго поколения не получится с точкой первого поколения, и наоборот.

Что такое MU-MIMO и что оно даёт?

MU-MIMO является сокращением от «multiuser multiple input, multiple output». По сути, это одно из ключевых нововведений второй волны.

Для работы MU-MIMO клиент и AP должны его поддерживать.

Если кратко, точка доступа может одновременно отправлять данные сразу на несколько устройств, в то время как предыдущие стандарты позволяют отправку данных только одному клиенту в конкретный момент времени.

По сути, обычный MIMO это SU-MIMO, т.е. SingleUser, однопользовательский MIMO.

Рассмотрим пример. Есть точка с 3-мя потоками (3 Spatial Streams / 3SS) и в ней подключено 4 клиента: 1 клиент с поддержкой 3SS, 3 клиента с поддержкой 1SS.

Точка доступа распределяет время поровну между всеми клиентами. Во время работы с первым клиентом, точка задействует 100% своих возможностей, ведь клиент также поддерживает 3SS (MIMO 3x3).

Оставшиеся 75% времени точка работает с тремя клиентами, каждый из которых использует только 1 поток (1SS) из 3-х доступных. При этом точка доступа использует всего 33% своих возможностей. Чем больше таких клиентов, тем меньше эффективность.

В конкретном примере, средняя канальная скорость составит 650 Мбит:

(1300 + 433,3 + 433,3 + 433,3)/4 = 650

На практике будет означать среднюю скорость порядка 420 Мбит, из возможных 845 Мбит.

А теперь давайте рассмотрим пример с использованием MU-MIMO. У нас есть точка с поддержкой второго поколения стандарта, использующая MIMO 3x3, канальная скорость останется без изменений – 1300 Мбит для ширины канала в 80 МГц. Т.е. одновременно клиенты, как и ранее, могут использовать не более 3 каналов.

Общее количество клиентов теперь составляет 7, при этом точка доступа распределила их на 3 группы:

1. один клиент 3SS;
2. три клиента 1SS;
3. один клиент 2SS + один 1SS;
4. один клиент 3SS;

На выходе мы получаем 100%-ную реализацию возможностей AP. Клиент из первой группы использует все 3 потока, клиенты из другой группы использую по одному каналу и так далее. Средняя канальная скорость составит 1300 Мбит. Как видите, на выходе это дало двукратный прирост.

Совместима ли точка MU-MIMO с более старыми клиентами?

Увы, нет! MU-MIMO не совместим с первой версией протокола, т.е. для работы данной технологии ваши клиентские устройства должны поддерживать вторую версию.

Отличия между MU-MIMO и SU-MIMO

В SU-MIMO, точка доступа передает данные только одному клиенту в конкретный момент времени. При MU-MIMO точка доступа может передавать данные сразу нескольким клиентам.

Сколько клиентов поддерживается в MU-MIMO одновременно?

Стандарт предусматривает одновременное обслуживание до 4-х устройств. Общее максимальное количество потоков может достигать 8.

В зависимости от конфигурации оборудования возможны самые разнообразные варианты, например:

• 1+1: два клиента, каждый с одним потоком;
• 4+4: два клиента, каждый из которых использует по 4 потока;
• 2+2+2+2: четыре клиента, по 2 потока у каждого;
• 1+1+1: три клиента по одному потоку;
• 2+1, 1+1+1+1, 1+2+3, 2+3+3 и другие комбинации.

Всё зависит от конфигурации оборудования, обычно устройства используют 3 потока, следовательно, точка сможет обслуживать до 3-х клиентов одновременно.

Возможен также вариант использования 4-х антенн в конфигурации MIMO 3x3. Четвертая антенна в данном случае дополнительная, она не реализует дополнительный поток, В таком случае, одновременно можно будет обслуживать 1+1+1, 2+1 либо 3SS, но никак не 4.

MU-MIMO поддерживается только для Downlink?

Да, стандартом предусмотрена поддержка только Downlink MU-MIMO, т.е. точка может одновременно передавать данные нескольким клиентам. А вот «слушать» одновременно точка не может.

Реализация Uplink MU-MIMO была признана невозможной в короткие сроки, поэтому данный функционал будет добавлен только в стандарте 802.11ax, выход которого запланирован на 2019-2020 годы.

Сколько потоков поддерживается в MU-MIMO?

Как уже упоминалось выше, MU-MIMO может работать с любым количеством потоков, но не более 4 на клиента.

Для качественной работы мнопользовательской передачи, стандартом рекомендуется наличие количество антенн, большее количества потоков. В идеале для MIMO 4x4 должно быть 4 антенны на прием и столько же на отправку.

Есть ли необходимость в использовании специальных антенн для нового стандарта?

Конструкция антенн осталась прежней. Как и ранее, вы можете использовать любые совместимые антенны, разработанные для использования в диапазоне 5 ГГц для 802.11a/n/ac.

Во втором релизе также добавлен Beamforming, что это?

Технология Beamforming позволяет изменять диаграмму направленности, адаптируя её под конкретного клиента. В процессе работы точка анализирует сигнал от клиента и оптимизирует свое излучение. В процессе формирования луча может использоваться дополнительная антенна.

Может ли точка доступа 802.11ac Wave 2 обрабатывать 1 Гбит трафика?

Потенциально, точки доступа нового поколения способны обработать такой поток трафика. Реальная пропускная способность зависит от целого ряда факторов , начиная с количества поддерживаемых потоков, дальности связи, наличия преград и заканчивая наличием помех, качеством точки доступа и клиентского модуля.

Какие диапазоны частот используются в 802.11ac Wave?

Выбор рабочей частоты зависит исключительно от регионального законодательства. Список каналов и частот постоянно меняется, ниже приведены данные по США (FCC) и Европе, состоянием на январь 2015.

В Европе разрешено использование ширины канала более 40 МГц, поэтому каких-либо изменений в плане нового стандарта нет, к нему применяются все те же правила, что и для предыдущего стандарта.

Онлайн курс по сетевым технологиям

Рекомендую курс Дмитрия Скоромнова « ». Курс не привязан к оборудованию какого-то производителя. В нем даются фундаментальные знания, которые должны быть у каждого системного администратора. К сожалению, у многих администраторов, даже со стажем 5 лет, зачастую нет и половины этих знаний. В курсе простым языком описываются много разных тем. Например: модель OSI, инкапсуляция, домены коллизий и широковещательные домены, петля коммутации, QoS, VPN, NAT, DNS, Wi-Fi и многие другие темы.

Отдельно отмечу тему по IP-адресации. В ней простым языком описывается как делать переводы из десятичной системы счисления в двоичную и наоборот, расчет по IP-адресу и маске: адреса сети, широковещательного адреса, количества хостов сети, разбиение на подсети и другие темы, имеющие отношение к IP-адресации.

У курса есть две версии: платная и бесплатная.

April 9th, 2014

В свое время как то тихо и незаметно ушло ИК-соединение, потом перестали пользоваться Bluetooth для обмена данными. И теперь вот настала очередь Wi-Fi …

Разработана многопользовательская система с множеством входов и выходов, позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Создатели утверждают, что при использовании того же самого диапазона радиоволн, отведённого под Wi-Fi, скорость обмена может быть утроена.

Компания Qualcomm Atheros разработала многопользовательскую систему с множеством входов и выходов (протокол MU-MIMO), позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Компания планирует начать демонстрацию технологии в течение ближайших нескольких месяцев, прежде чем начать поставки клиентам в начале следующего года.

Однако, для того, чтобы получить эту высокую скорость обмена, пользователям придётся обновить и свои компьютеры и сетевые маршрутизаторы.

По протоколу Wi-Fi, клиенты обслуживаются последовательно - в течение определённого интервала времени задействуется только одно устройство передачи и приема информации - так что используется только небольшая часть пропускной способности сети.

Накопление этих последовательных событий создаёт падение скорости обмена, поскольку всё большее количество устройств подключаются к сети.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) обеспечивает одновременную передачу информации группе клиентов, что даёт более эффективное использование имеющейся пропускной способности сети Wi-Fi и тем самым ускоряет передачу.

Qualcomm полагает, что такие возможности будут особенно полезны конференц-центрам и интернет-кафе, когда несколько пользователей подключаются к одной и той же сети.

В компании также считают, что речь идёт не только об увеличении абсолютной скорости, но и о более эффективном использовании сети и эфирного времени для поддержки растущего числа подключённых устройств, услуг и приложений.

Чипы MU-Mimo Qualcomm собирается продавать производителям маршрутизаторов, точек доступа, смартфонов, планшетов и прочих устройств с поддержкой Wi-Fi. Первые чипы смогут работать одновременно с четырьмя потоками данных; поддержка технологии будет включена в чипы Atheros 802.11ac и мобильные процессоры Snapdragon 805 и 801. Демонстрация работы технологии состоится в нынешнем году, и первые поставки чипов запланированы на 1-й квартал будущего года.

Ну а теперь кому хочется подробнее вникнуть в эту технологию продолжаем …

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. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol),видеоконференции , VoD (Video on Demand) и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

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.

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 .

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.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), 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. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений 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 получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

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.

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.

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.

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. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

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), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг , хэндовер , голосовые соединения. 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 стандартеUMTS , 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 , 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.