Технологія mimo. Що таке MIMO антена? MU-MIMO допомагає збільшити пропускну спроможність бездротової мережі

Розрахована на багато користувачів MIMO являє собою невід'ємну частину стандарту 802.11 ас. Але досі ще не було пристроїв, які підтримують новий вид багатоантеної технології. WLAN-роутери стандарту 802.11 ас колишнього покоління позначалися як обладнання Wave 1. Тільки з Wave 2 вводиться розрахована на багато користувачів технологія MIMO (MU-MIMO), і на чолі цієї другої хвилі пристроїв йде .

■ так □ ні

Оскільки розрахована на багато користувачів MIMO передає сигнал одночасно на кілька пристроїв, відповідним чином розширюється протокол передачі в частині формування заголовків блоків даних: замість того щоб передавати кілька просторово розділених потоків для одного клієнта, розрахована на багато користувачів MIMO розподіляє передачу для кожного користувача окремо, так само як і кодування . Одинаковим залишається розподіл смуги частот та кодування.

Single User (однокористувацька) Якщо чотири пристрої ділять між собою одну мережу WLAN, то роутер із конфігурацією 4×4:4 MIMO передає чотири просторові потоки даних, але завжди тільки на один і той же пристрій. Пристрої та гаджети обслуговуються поперемінно. Multi User (розрахована на багато користувачів) За допомогою багатокористувацьких MIMO (Multi User MIMO) черг з пристроїв, що очікують доступу до ресурсів WLAN-роутера, не утворюється. Ноутбук, планшет, телефон та телевізор забезпечуються даними одночасно.

Мережа WLAN схожа на жваву автотрасу: залежно від часу доби, крім ПК та ноутбуків, до цього руху підключаються планшети, смартфони, телевізор та ігрові консолі. У середньому домогосподарстві є більше п'яти пристроїв, що приєднуються до Інтернету по мережі WLAN, і їх кількість постійно зростає. Зі швидкістю 11 Мбіт/с, що передбачається в рамках основного стандарту IEEE 802.11b, веб-серфінг та завантаження даних вимагають великого терпіння, адже роутер у кожний конкретний момент часу може бути з'єднаний лише з одним пристроєм. Якщо радіозв'язок використовується відразу трьома пристроями, кожен клієнт отримує лише третину тривалості сеансу зв'язку, а дві третини часу витрачається на очікування. Хоча мережі WLAN найновішого стандарту IEEE 802.11ac забезпечують передачу даних на швидкостях до 1 Гбіт/с, у них також існує проблема падіння швидкості через черги. Але вже наступне покоління пристроїв (802.11ac Wave 2) обіцяє більш високу продуктивність для мереж з кількома активними пристроями.

Для кращого розуміння суті нововведень слід спочатку згадати, які зміни відбувалися з мережами WLAN у минулому. Одним із найефективніших прийомів збільшення швидкості передачі даних, починаючи зі стандарту IEEE 802.1In, є технологія MIMO (Multiple Input Multiple Output: багатоканальний вхід – багатоканальний вихід). Вона передбачає використання декількох радіоантен для паралельної передачі потоків даних. Якщо, наприклад, через мережу WLAN передається один відеофайл і використовується MIMO-роутер з трьома антенами, кожен пристрій, що передає, в ідеальному випадку (за наявності трьох антен у приймача) відправить третину файлу.

Зростання витрат з кожною антеною

У стандарті IEEE 802.11n максимальна швидкість передачі для кожного окремого потоку разом із службовою інформацією досягає 150 Мбіт/с. Пристрої з чотирма антена, таким чином, здатні передавати дані зі швидкістю до 600 Мбіт/с. Актуальний стандарт IEEE 802.11ac теоретично виходить приблизно 6900 Мбіт/с. Крім широких радіоканалів та покращеної модуляції новим стандартом передбачено використання до восьми потоків MIMO.

Але тільки збільшення числа антен не гарантує багаторазового прискорення передачі даних. Навпаки, з чотирма антена дуже сильно зростає обсяг службових даних, а також стає більш витратним процес виявлення колізій радіосигналів. Щоб використання більшої кількості антен себе виправдало, технологія MIMO продовжує вдосконалюватися. Колишню MIMO для розрізнення правильніше називати однопользовательской MIMO (Single User MIMO). Хоча вона забезпечує одночасну передачу кількох просторових потоків, як говорилося раніше, але завжди лише за однією адресою. Такий недолік тепер усувається за допомогою розрахованої на багато користувачів MIMO. З цією технологією роутери WLAN можуть одночасно передавати сигнал чотирьом клієнтам. Пристрій з вісьмома антенами може, наприклад, використовувати чотири, щоб забезпечити ноутбук і паралельно за допомогою двох інших – планшет та смартфон.

MIMO – точний спрямований сигнал

Щоб маршрутизатор міг одночасно спрямовувати пакети WLAN різним клієнтам, потрібна інформація про те, де розташовані клієнти. Для цього насамперед у всіх напрямках надсилаються тестові пакети. Клієнти відповідають ці пакети, і базова станція зберігає дані про силу сигналу. Технологія формування променів є одним із найважливіших помічників MU MIMO. Хоча її підтримка вже передбачена стандартом IEEE 802.11n, у IEEE 802.11ac її було вдосконалено. Її суть зводиться до встановлення оптимального напряму для надсилання радіосигналу клієнтам. Базова станція спеціально задає кожному радіосигналу оптимальну спрямованість передавальної антени. Для розрахованого на багато користувачів режиму пошук оптимального шляху сигналу особливо важливий, адже зміна місця тільки одного клієнта може змінити всі шляхи передачі і порушити пропускну здатність всієї мережі WLAN. Тому кожні 10 мс проводиться аналіз каналу.

Для порівняння, однокористувацька MIMO проводить аналіз тільки кожні 100 мс. Розрахована на багато користувачів MIMO може одночасно обслуговувати чотирьох клієнтів, при цьому кожен клієнт може паралельно приймати до чотирьох потоків даних, що в сумі дає 16 потоків. Для цього багатокористувацькій MIMO потрібні нові WLAN-роутери, оскільки зростає потреба в обчислювальній потужності.

Однією з найсерйозніших проблем розрахованої на багато користувачів MIMO є інтерференції між клієнтами. Хоча завантаженість каналу часто вимірюється, цього недостатньо. При необхідності одним кадрам віддається пріоритет, інші, навпаки, дотримуються. Для цього 802.11ac використовує різні черги, які з різною швидкістю роблять обробку в залежності від типу пакета даних, віддаючи перевагу, наприклад, відеопакетам.

27.08.2015

Напевно, багато хто вже чув про технологію MIMO, Останніми роками її часто рясніють рекламні проспекти і плакати, особливо у комп'ютерних магазинах і журналах. Але що ж таке MIMO і з чим її їдять? Давайте розберемося докладніше.

Технологія MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output; множинні входи, множинні виходи) - метод просторового кодування сигналу, що дозволяє збільшити смугу пропускання каналу, при якому для передачі даних використовуються дві і більше антени і така кількість антен для прийому. Передавальні та приймальні антени рознесені настільки, щоб досягти мінімального взаємного впливу одна на одну між сусідніми антенами. Технологія MIMO використовується у бездротових зв'язках Wi-Fi, WiMAX, LTE для збільшення пропускної здатності та більш ефективного використання частотної смуги. Фактично MIMO дозволяє одному частотному діапазоні і заданому частотному коридорі передавати більше даних, тобто. збільшити швидкість. Досягається це рахунок використання кількох передавальних і приймаючих антен.

Історія MIMO

Технологію MIMO можна віднести до досить молодих розробок. Її історія починається 1984 року, коли було зареєстровано перший патент використання цієї технології. Початкові розробки та дослідження проходили в компанії Bell Laboratories, а 1996 року компанія Airgo Networksбув випущений перший MIMO-чіпсет під назвою True MIMO. Найбільшого розвитку технологія MIMO отримала на початку XXI століття, коли бурхливими темпами почали розвиватися бездротові мережі Wi-Fi та мережі 3G. А зараз технологія MIMO на повну силу використовується в мережах 4G LTE і Wi-Fi 802.11b/g/ac.

Що надає технологія MIMO?

Для кінцевого користувача MIMO дає значний приріст швидкості передачі даних. Залежно від конфігурації обладнання та кількості використовуваних антен можна отримати двократний, трикратний і до восьмикратного збільшення швидкості. Зазвичай у бездротових мережах використовується однакова кількість передаючих та приймаючих антен, і записується це як, наприклад, 2х2 або 3х3. Тобто. якщо бачимо запис MIMO 2x2, то дві антени передають сигнал і дві приймають. Наприклад, у стандарті Wi-Fi один канал шириною 20 МГц дає пропускну здатність 866 Мбіт/с, тоді як у конфігурації MIMO 8x8 об'єднуються 8 каналів, що дає максимальну швидкість близько 7 Гбіт/с. Аналогічно і в LTE MIMO – потенційне зростання швидкості у кілька разів. Для повноцінного використання MIMO у мережах LTE необхідні , т.к. як правило, вбудовані антени недостатньо рознесені і дають малий ефект. І, звичайно, має бути підтримка MIMO з боку базової станції.

LTE-антена з підтримкою MIMO передає та приймає сигнал у горизонтальній та вертикальній площинах. Це називається поляризація. Відмінною особливістю MIMO-антен є наявність двох антенних роз'ємів, і відповідно використання двох проводів для підключення до модему/роутера.

Незважаючи на те, що багато хто говорить, і не безпідставно, що MIMO-антена для мереж 4G LTE фактично є дві антени в одній, не варто думати, що при використанні такої антени буде двократне зростання швидкості. Таким він може бути тільки теоретично, а на практиці різниця між звичайною і MIMO-антеною в мережі 4G LTE не перевищує 20-25%. Однак, важливішим у цьому випадку буде стабільний сигнал, який може забезпечити MIMO-антена.

MIMO(Multiple Input Multiple Output – множинний вхід множинний вихід) – це технологія, що використовується у бездротових системах зв'язку (WIFI, стільникові мережі зв'язку), що дозволяє значно покращити спектральну ефективність системи, максимальну швидкість передачі даних та ємність мережі. Головним способом досягнення зазначених вище переваг є передача даних від джерела до одержувача через декілька радіо з'єднань, звідки ця технологія і отримала свою назву. Розглянемо передісторію цього питання, і визначимо основні причини, що послужили поширенню технології MIMO.

Необхідність високошвидкісних з'єднань, що надають високі показники якості обслуговування (QoS) з високою відмовостійкістю зростає від року в рік. Цьому значною мірою сприяє поява таких сервісів як VoIP (), VoD () та ін. Однак більшість бездротових технологій не дозволяють надати абонентам високу якість обслуговування на краю зони покриття. У стільникових та інших бездротових системах зв'язку якість з'єднання, як і доступна швидкість передачі даних стрімко падає з віддаленням від (BTS). Разом з цим падає і якість послуг, що в результаті призводить до неможливості надання послуг реального часу з високою якістю по всій території радіо покриття мережі. Для вирішення цієї проблеми можна спробувати максимально щільно встановити базові станції та організувати внутрішнє покриття у всіх місцях із низьким рівнем сигналу. Однак це вимагатиме значних фінансових витрат, що в кінцевому рахунку призведе до зростання вартості послуги та зниження конкурентоспроможності. Таким чином, для вирішення цієї проблеми потрібне оригінальне нововведення, що використовує, по можливості, поточний частотний діапазон і не потребує будівництва нових об'єктів мережі.

Особливості поширення радіохвиль

Щоб зрозуміти принципи дії технології MIMO необхідно розглянути загальні у просторі. Хвилі, що випромінюються різними системами бездротового радіозв'язку в діапазоні понад 100 МГц, багато в чому поводяться як світлові промені. Коли радіохвилі при поширенні зустрічають якусь поверхню, то в залежності від матеріалу і розміру перешкоди частина енергії поглинається, частина проходить наскрізь, а решта – відбивається. На співвідношення часток поглиненої, відбитої і що пройшла наскрізь елементів енергій впливає безліч зовнішніх чинників, зокрема і частота сигналу. Причому відбита і минула наскрізь енергії сигналу можуть змінити напрямок подальшого поширення, а сам сигнал розбивається кілька хвиль.

Сигнал, що розповсюджується за вищевказаними законами, від джерела до одержувача після зустрічі з численними перешкодами розбивається на безліч хвиль, лише частина з яких досягне приймач. Кожна з хвиль, що дійшли до приймача, утворює так званий шлях поширення сигналу. Причому через те, що різні хвилі відбиваються від різних перешкод і проходять різну відстань, різні шляхи мають різні .

В умовах щільної міської споруди, через велику кількість перешкод, таких як будівлі, дерева, автомобілі та ін., дуже часто виникає ситуація, коли між (MS) та антенами базової станції (BTS) відсутня пряма видимість. У цьому випадку єдиним варіантом досягнення сигналу приймача є відбиті хвилі. Однак, як зазначалося вище, багаторазово відбитий сигнал вже не має вихідної енергії і може прийти із запізненням. Особливу складність створює той факт, що об'єкти не завжди залишаються нерухомими і обстановка може значно змінитися з часом. У зв'язку з цим виникає проблема – одна з найістотніших проблем у бездротових системах зв'язку.

Багатопроменеве поширення – проблема чи перевага?

Для боротьби з багатопроменевим поширенням сигналів застосовується кілька різних рішень. Однією з найпоширеніших технологій є Receive Diversity – . Суть його полягає в тому, що для прийому сигналу використовується не одна, а відразу кілька антен (зазвичай дві, рідше чотири) розташовані на відстані один від одного. Таким чином, одержувач має не одну, а одразу дві копії переданого сигналу, що прийшов різними шляхами. Це дозволяє зібрати більше енергії вихідного сигналу, т.к. хвилі, прийняті однією антеною, можуть бути прийнятими інший і навпаки. Також сигнали, що надходять у протифазі до однієї антени, можуть приходити до іншої синфазно. Цю схему організації радіо інтерфейсу можна назвати Single Input Multiple Output (SIMO), на противагу стандартній схемі Single Input Single Output (SISO). Також може бути застосований зворотний підхід: коли використовується кілька антен на передачу та одна на прийом. Завдяки цьому збільшується загальна енергія вихідного сигналу, отримана приймачем. Ця схема називається Multiple Input Single Output (MISO). У обох схемах (SIMO і MISO) кілька антен встановлюються за базової станції, т.к. реалізувати рознесення антен у мобільному пристрої на досить велику відстань складно без збільшення габаритів кінцевого обладнання.

Внаслідок подальших міркувань ми приходимо до схеми Multiple Input Multiple Output (MIMO). У цьому випадку встановлюються кілька антен на передачу та прийом. Однак, на відміну від зазначених вище схем, ця схема рознесення дозволяє не тільки боротися з багатопроменевим поширенням сигналу, але й отримати деякі додаткові переваги. За рахунок використання кількох антен на передачі та прийомі кожної пари передавальної/прийомної антени можна зіставити окремий тракт передачі інформації. При цьому рознесений прийом буде виконуватися антени, що залишилися, а дана антена також буде виконувати функції додаткової антени для інших трактів передачі. В результаті, теоретично, можна збільшити швидкість передачі даних у стільки разів, скільки додаткових антен буде використовуватись. Однак суттєве обмеження накладається якістю кожного радіотракту.

Принцип роботи MIMO

Як уже зазначалося вище, для організації технології MIMO необхідна установка кількох антен на передавальній та на приймальній стороні. Зазвичай встановлюється рівне число антен на вході та виході системи, т.к. у цьому випадку досягається максимальна швидкість передачі даних. Щоб показати число антен на прийомі та передачі разом із назвою технології MIMO зазвичай згадується позначення AxB, де A – число антен на вході системи, а B – на виході. Під системою у разі розуміється радіо з'єднання.

Для роботи технології MIMO необхідні деякі зміни у структурі передавача порівняно із звичайними системами. Розглянемо лише одне із можливих, найпростіших, способів організації технології MIMO. В першу чергу, на стороні, що передає, необхідний дільник потоків, який буде розділяти дані, призначені для передачі на кілька низькошвидкісних підтоків, число яких залежить від числа антен. Наприклад, для MIMO 4х4 і швидкості надходження вхідних даних 200 Мбіт/сек дільник буде створювати 4 потоки по 50 Мбіт/сек кожен. Далі кожен з цих потоків повинен бути переданий через свою антену. Зазвичай антени на передачі встановлюються з деяким просторовим рознесенням, щоб забезпечити якомога більше побічних сигналів, що виникають в результаті перевідбиття. В одному з можливих способів організації технології MIMO сигнал передається від кожної антени з різною поляризацією, що дозволяє його ідентифікувати при прийомі. Однак у найпростішому випадку кожен із сигналів, що передаються, виявляється промаркованим самим середовищем передачі (затримкою в часі, та іншими спотвореннями).

На приймальній стороні кілька антен приймають сигнал радіоефіру. Причому антени на приймальній стороні також встановлюються з деяким просторовим рознесенням, за рахунок чого забезпечується рознесений прийом, який раніше обговорювався. Прийняті сигнали надходять на приймачі, число яких відповідає числу антен і трактів передачі. Причому кожен із приймачів надходять сигнали від усіх антен системи. Кожен із таких суматорів виділяє із загального потоку енергію сигналу тільки того тракту, за який він відповідає. Робить він це або за будь-яким заздалегідь передбаченим ознакою, яким був забезпечений кожен із сигналів, або завдяки аналізу затримки, згасання, зсуву фази, тобто. набору спотворень чи «відбитку» середовища розповсюдження. Залежно від принципу роботи системи (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) і т.д.), сигнал, що передається може повторюватися через певний час, або передаватися з невеликою затримкою через інші антени.

У системі з технологією MIMO може виникнути незвичайне явище, яке полягає в тому, що швидкість передачі даних в системі MIMO може знизитися у разі прямої видимості між джерелом і приймачем сигналу. Це обумовлено насамперед зменшенням виразності спотворень навколишнього простору, який маркує кожен із сигналів. В результаті на приймальній стороні стає проблематичним розділити сигнали, і вони починають впливати один на одного. Таким чином, що вища якість радіо з'єднання, то менше переваг можна отримати від MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Розглянутий вище принцип організації радіозв'язку відноситься до так званої Single user MIMO (SU-MIMO), де існує лише один передавач та приймач інформації. У цьому випадку передавач і приймач можуть чітко узгодити свої дії, і в той же час немає фактора несподіванки, коли в ефірі можуть з'явитися нові користувачі. Така схема цілком підходить для невеликих систем, наприклад для організації зв'язку в офісному будинку між двома пристроями. У свою чергу більшість систем, такі як WI-FI, WIMAX, стільникові системи зв'язку є розрахованими на багато користувачів, тобто. у них існує єдиний центр та кілька віддалених об'єктів, з кожним з яких необхідно організувати радіоз'єднання. Таким чином, виникають дві проблеми: з одного боку базова станція повинна передати сигнал до багатьох абонентів через ту саму антенну систему (MIMO broadcast), і в той же час прийняти сигнал через ті ж антени від декількох абонентів (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

У напрямку uplink – від MS до BTS, користувачі передає свою інформацію одночасно на одній частоті. У разі для базової станції виникає складність: необхідно розділити сигнали від різних абонентів. Одним з можливих способів боротьби з цією проблемою також є спосіб лінійної обробки (linear processing), який передбачає попередню сигналу, що передається. Вихідний сигнал, згідно з цим способом, перемножується з матрицею, яка складається з коефіцієнтів, що відображають інтерференційну дію від інших абонентів. Матриця складається з поточної обстановки в радіоефірі: числа абонентів, швидкостей передачі тощо. Таким чином, перед передачею сигнал піддається спотворенню зворотному з тим, яке він зустріне під час передачі радіоефіру.

У downlink - напрямок від BTS до MS, базова станція передає сигнали одночасно на тому самому каналі відразу до кількох абонентів. Це призводить до того, що сигнал, що передається одного абонента, впливає прийом всіх інших сигналів, тобто. з'являється інтерференція. Можливими варіантами боротьби з цією проблемою є використання або застосування технології кодування dirty paper («брудний папір»). Розглянемо технологію dirty paper докладніше. Принцип її дії ґрунтується на аналізі поточного стану радіоефіру та числа активних абонентів. Єдиний (перший) абонент передає свої дані базової станції без кодування, зміни своїх даних, т.к. інтерференції з інших абонентів немає. Другий абонент кодуватиме, тобто. змінювати енергію свого сигналу так щоб не завадити першому і не піддати свій сигнал впливу від першого. Наступні абоненти, що додаються в систему, також будуть дотримуватися цього принципу, і спиратися на кількість активних абонентів і ефект, що надаються сигналами.

Застосування MIMO

Технологія MIMO в останнє десятиліття є одним із найактуальніших способів збільшення пропускної спроможності та ємності бездротових систем зв'язку. Розглянемо деякі приклади використання MIMO у різних системах зв'язку.

Стандарт WiFi 802.11n – один із найяскравіших прикладів використання технології MIMO. Відповідно до нього він дозволяє підтримувати швидкість до 300 Мбіт/сек. Причому попередній стандарт 802.11g дозволяв надавати лише 50 Мбіт/с. Окрім збільшення швидкості передачі даних, новий стандарт завдяки MIMO також дозволяє забезпечити найкращі характеристики якості обслуговування у місцях із низьким рівнем сигналу. 802.11n використовується не тільки в системах точка/багатоточка (Point/Multipoint) – найбільш звичною ніше використання технології WiFi для організації LAN (Local Area Network), але і для організації з'єднань типу точка/точка які використовуються для організації магістральних каналів зв'язку зі швидкістю кілька сотень Мбіт/сек та дозволяють передавати дані на десятки кілометрів (до 50 км).

Стандарт WiMAX також має два релізи, які розкривають нові можливості перед користувачами за допомогою технології MIMO. Перший – 802.16e – надає послуги мобільного широкосмугового доступу. Він дозволяє передавати інформацію зі швидкістю до 40 Мбіт/сек у напрямку від базової станції до абонентського обладнання. Однак MIMO в 802.16e розглядається як опція та використовується у найпростішій конфігурації – 2х2. У наступному релізі 802.16m MIMO розглядається як обов'язкова технологія з можливою конфігурацією 4х4. У разі WiMAX вже можна зарахувати до стільниковим системам зв'язку, саме четвертому їх поколінню (з допомогою високої швидкості передачі), т.к. має ряд властивих стільникових мереж ознак: , голосові з'єднання. У разі мобільного використання теоретично може бути досягнута швидкість 100 Мбіт/сек. У фіксованому виконанні швидкість може досягати 1 Гбіт/сек.

Найбільший інтерес становить використання технології MIMO в системах стільникового зв'язку. Ця технологія знаходить своє застосування, починаючи з третього покоління систем стільникового зв'язку. Наприклад, у стандарті , у Rel. 6 вона використовується спільно з технологією HSPA з підтримкою швидкостей до 20 Мбіт/сек, а Rel. 7 – з HSPA+, де швидкості передачі досягають 40 Мбіт/сек. Однак у системах 3G MIMO так і не знайшла широкого застосування.

Системи, а саме LTE, також передбачають використання MIMO у конфігурації до 8х8. Це теоретично може дати можливість передавати дані від базової станції до абонента понад 300 Мбіт/сек. Також важливим позитивним моментом є стійка якість з'єднання навіть на краю. При цьому навіть на значній відстані від базової станції або при знаходженні в глухому приміщенні буде спостерігатися лише незначне зниження швидкості передачі даних.

Таким чином, технологія MIMO знаходить застосування практично у всіх системах бездротової передачі. Причому потенціал її не вичерпано. Вже зараз розробляються нові варіанти конфігурації антен, аж до 64х64 MIMO. Це в майбутньому дозволить досягти ще більших швидкостей передачі даних, ємності мережі та спектральної ефективності.

Один із підходів до збільшення швидкості передачі даних для WiFi стандарту 802.11 та для WiMAX стандарту 802.16 – це використання бездротових систем із застосуванням кількох антен як для передавача, так і для приймача. Такий підхід називається MIMO (дослівний переклад - "множинний вхід множинний вихід"), або "розумна антенна системи" (smart antenna systems). Технологія MIMO відіграє у реалізації WiFi стандарту 802.11n.

У технології MIMO застосовуються кілька антен різного роду, налаштованих на тому самому каналі. Кожна антена передає сигнал із різними просторовими характеристиками. Таким чином, технологія MIMO використовує спектр радіохвиль більш ефективно та без шкоди для надійності роботи. Кожен wi-fi приймач «прислухається» до всіх сигналів від кожного wifi передавача, що дозволяє робити шляхи передачі більш різноманітними. Таким чином, кілька шляхів можуть бути перекомбіновані, що призведе до посилення необхідних сигналів бездротових мережах.

Ще один плюс технології MIMO в тому, що ця технологія забезпечує просторовий поділ мультиплексування (Spatial Division Multiplexing (SDM)). SDM просторово ущільнює кілька незалежних потоків даних одночасно (в основному, віртуальних каналів) всередині спектральної смуги пропускання каналу. По суті, кілька антен передають різні потоки даних з індивідуальним кодуванням сигналів (просторові потоки). Ці потоки, рухаючись паралельно повітрям «пропихають» більше даних заданому каналу. На приймачі кожна антена бачить різні поєднання сигнальних потоків і приймач «демултиплексує» ці потоки їхнього використання. MIMO SDM може значно збільшити пропускну здатність передачі даних, якщо збільшити кількість просторових потоків даних. Кожному просторовому потоку необхідні свої власні передавальні/приймаючі (TX/RX) антенні пари на кожному кінці передачі. Робота системи представлена ​​на рис.

Також необхідно розуміти, що для реалізації технології MIMO потрібен окремий радіочастотний ланцюг та аналого-цифровий перетворювач (АЦП) для кожної антени. Реалізації, що вимагають більше двох антен у ланцюгу, повинні бути ретельно спроектовані для того, щоб не збільшувати витрати при збереженні належного рівня ефективності.

Важливим інструментом для підвищення фізичної швидкості передачі даних у бездротових мережах є розширення смуги пропускання спектральних каналів. Завдяки використанню ширшої лінії пропускання каналу з ортогональним частотним поділом мультиплексування (OFDM) передача даних здійснюється з максимальною продуктивністю. OFDM є цифровою модуляцією, яка відмінно себе зарекомендувала як інструмент для здійснення двонаправленої високошвидкісної бездротової передачі даних у WiMAX/WiFi мережах. Метод розширення пропускної спроможності каналів є економічно ефективним і легко реалізовується з помірним зростанням цифрової обробки сигналу (DSP). При правильному застосуванні можна подвоїти частоту пропускання стандарту Wi-Fi 802.11 з 20 МГц каналу на 40 МГц, також можна забезпечити більш ніж удвічі збільшену пропускну здатність каналів, що використовуються в даний час. Завдяки об'єднанню MIMO архітектури з ширшою смугою пропускання каналу виходить дуже потужний та економічно доцільний підхід для підвищення фізичної швидкості передачі.

Застосування MIMO технології з 20 МГц каналами потребує великих витрат для задоволення вимог IEEE за WiFi стандартом 802.11n (100 Мбіт/с пропускної спроможності на MAC SAP). Також для задоволення цих вимог при використанні каналу в 20 МГц знадобиться щонайменше по три антени, як на передавачі, так і на приймачі. Але в той же час робота на 20 МГц каналі забезпечує надійну роботу з додатками, що вимагають високу пропускну здатність в реальному середовищі користувача.

Спільне застосування технологій MIMO та розширення каналу відповідає всім вимогам користувача і є досить надійним тандемом. Це так само правильно і при використанні одночасно кількох ресурсомістких мережних додатків. Комбінація MIMO та 40 МГц розширення каналу дозволить відповідати і більш складним вимогам, таким як Закон Мура та виконання технології CMOS удосконалення DSP технології.

При застосуванні розширеного каналу 40 МГц в діапазоні 2.4 ГГц спочатку виникли труднощі із сумісністю з обладнанням на основі WiFi стандартів 802.11a /b/g, а також з обладнанням, що використовує технологію Bluetooth для передачі даних.

Для вирішення цієї проблеми у Wi-Fi стандарті 802.11n передбачено цілу низку рішень. Одним із таких механізмів, спеціально призначених для захисту мереж, є так звана невисока пропускна спроможність (non-HT) дубльованого режиму. Перед використанням протоколу передачі даних WiFi стандарту 802.11n цей механізм відправляє по одному пакету на кожну половину 40 МГц каналу для оголошення мережі розподілу вектора (NAV). Дотримуючись non-HT дубльованого режиму NAV повідомлення, протокол передачі даних стандарту 802.11n може бути використаний протягом заявленого повідомлення час, без порушення спадщини (цілісності) мережі.

Інший механізм є своєрідною сигналізацією і не дає бездротовим мережам розширювати канал більш ніж 40 МГц. Наприклад, у ноутбуці встановлені модулі 802.11n і Bluetooth, даний механізм знає про можливість виникнення потенційних перешкод при роботі цих двох модулів одночасно і відключає передачу каналом 40 МГц одного з модулів.

Ці механізми гарантують, що WiFi 802.11n будуть працювати з мережами ранніх стандартів 802.11 без необхідності переведення всієї мережі на обладнання стандарту 802.11n.

Побачити приклад використання системи MIMO можна на рис.

Якщо у Вас після прочитання виникнуть будь-які питання, Ви можете задати їх через форму надсилання повідомлень у розділі

Ми з вами живемо в епоху цифрової революції, шановний анонім. Не встигли ми звикнути до якоїсь нової технології, нам уже з усіх боків пропонують ще нову та просунуту. І поки ми нудимося роздумами, чи дійсно ця технологія реально допоможе нам отримати швидший інтернет або нас просто в черговий раз розводять на гроші, конструктори в цей час розробляють ще нову технологію, яку нам запропонують поточної вже буквально через 2 роки. Це стосується й технології MIMO антен.

Що ж це за технологія – MIMO? Multiple Input Multiple Output – множинний вхід множинний вихід. Насамперед, технологія MIMO є комплексним рішенням і стосується не лише антен. Для кращого розуміння цього факту варто здійснити невеликий екскурс в історію розвитку мобільного зв'язку. Перед розробниками стоїть завдання передати більший обсяг інформації за одиницю часу, тобто. збільшити швидкість. За аналогією з водопроводом – доставити користувачеві більший обсяг води в одиницю часу. Ми можемо зробити це, збільшивши "діаметр труби", або, за аналогією, - розширивши смугу частот зв'язку. Спочатку стандарт GSM був заточений під голосовий трафік і мав ширину каналу 0.2 МГц. Це було цілком достатньо. Крім того є проблема забезпечення розрахованого на багато користувачів доступу. Її можна вирішити розділивши абонентів за частотою (FDMA) або за часом (TDMA). У GSM застосовуються обидва способи одночасно. У результаті ми маємо баланс між максимально можливою кількістю абонентів у мережі та мінімально можливою смугою для голосового трафіку. З розвитком мобільного інтернету ця мінімальна смуга стала смугою перешкод для збільшення швидкості. Дві технології засновані на платформі GSM – GPRS та EDGE досягли граничної швидкості 384 кБіт/с. Для подальшого збільшення швидкості необхідно було розширити смугу для інтернет-трафіку одночасно по можливості використовуючи інфраструктуру GSM. В результаті було розроблено стандарт UMTS. Основною відмінністю тут є розширення смуги відразу до 5 МГц, а для забезпечення розрахованого на багато користувачів доступу - застосування технології кодового доступу CDMA, при якому кілька абонентів одночасно працюють в одному частотному каналі. Таку технологію назвали W-CDMA, підкреслюючи цим, що вона працює у широкій смузі. Ця система була названа системою третього покоління – 3G, але при цьому вона є надбудовою над GSM. Отже, ми отримали широку "трубу" 5МГц, що дозволило спочатку збільшити швидкість до 2 Мбіт/с.

Як ще можна збільшити швидкість, якщо ми не маємо можливості далі збільшувати "діаметр труби"? Ми можемо розпаралелити потік на кілька частин, пустити кожну частину окремою невеликою трубою і потім скласти ці окремі потоки на приймальній стороні в один широкий потік. Крім того, швидкість залежить від ймовірності помилок у каналі. Зменшуючи цю ймовірність шляхом надлишкового кодування, що запобігає корекції помилок, застосування досконаліших способів модуляції радіосигналу, ми також можемо збільшити швидкість. Всі ці напрацювання (спільно з розширенням "труби" шляхом збільшення числа несучих на канал) послідовно застосовувалися у подальшому вдосконаленні стандарту UMTS та отримали найменування HSPA. Це не заміна W-CDMA, а soft+hard upgrade цієї основної платформи.

Розробкою стандартів для 3G займається міжнародний консорціум 3GPP. У таблиці зведено деякі особливості різних релізів цього стандарту:

Технологія 4G LTE, крім зворотної сумісності з 3G мережами, що дозволило їй здобути гору над WiMAX, здатна в перспективі розвинути ще більші швидкості, до 1Гбіт/с і вище. Тут застосовуються ще більш сучасні технології перенесення цифрового потоку в радіоінтерфейс, наприклад OFDM модуляція, яка дуже добре інтегрується з MIMO технологією.

Отже, що таке MIMO? Розпаралелив потік на кілька каналів можна пустити їх різними шляхами через кілька антен "по повітрю", і прийняти їх такими ж незалежними антенами на приймальній стороні. Таким чином ми отримуємо кілька незалежних "труб" за радіоінтерфейсом не розширюючи смуги. Це основна ідея MIMO. При поширенні радіохвиль у радіоканалі спостерігаються селективні завмирання. Це особливо помітно за умов щільної міської забудови, якщо абонент перебуває у русі чи краю зони обслуговування стільники. Завмирання у кожній просторовій "трубі" відбуваються не одночасно. Тому якщо ми передамо по двох каналах MIMO ту саму інформацію з невеликою затримкою, попередньо наклавши на неї спеціальний код (метод Аламуоті, накладення коду у вигляді магічного квадрата), ми можемо відновити втрачені символи на приймальній стороні, що еквівалентно покращенню відношення сигнал/ шум до 10-12 дБ. У результаті така технологія знову ж таки призводить до зростання швидкості. По суті, це давно відомий рознесений прийом (Rx Diversity) органічно вбудований в MIMO технологію.

Зрештою, ми повинні розуміти, що MIMO має підтримуватись як на базі, так і у нашого модему. Зазвичай у 4G число каналів MIMO кратно двом - 2, 4, 8 (у Wi-Fi системах набула поширення триканальна система 3x3) і рекомендується, щоб їхнє число збігалося і на базі, так і на модемі. Тому для фіксації цього факту MIMO визначають з каналами прийом∗передача - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO і т.д. Поки що ми маємо справу переважно з 2x2 MIMO.

Які антени застосовуються у технології MIMO? Це звичайні антени, просто їх має бути дві (для 2x2 MIMO). Для поділу каналів застосовується ортогональна, так звана X-поляризація. При цьому поляризація кожної антени щодо вертикалі зрушена на 45 °, а щодо один одного - 90 °. Такий кут поляризації ставить обидва канали в рівні умови, оскільки при горизонтально/вертикальній орієнтації антен один з каналів неминуче отримав би більше загасання через вплив земної поверхні. При цьому 90 ° зсув поляризації між антенами дозволяє розв'язати канали між собою не менше ніж на 18-20 дБ.

Для MIMO нам з вами буде потрібно модем з двома антеними входами та дві антени на даху. Однак залишається відкритим питання, чи підтримується ця технологія на базовій станції. У стандартах 4G LTE та WiMAX така підтримка є як на стороні абонентських пристроїв, так і на базі. У мережі 3G не все так однозначно. У мережі вже працюють тисячі пристроїв, що не підтримують MIMO, для яких використання цієї технології приносить зворотний ефект - пропускна здатність мережі знижується. Тому оператори поки що не поспішають повсюдно впроваджувати MIMO у 3G мережах. Щоб база могла надати абонентам високу швидкість вона повинна мати хороший транспорт, тобто. до неї має бути підведена "товста труба", бажано оптиковолокно, що теж не завжди має місце. Тому в 3G мережах технологія MIMO зараз перебуває на стадії становлення та розвитку, проходить тестування як операторами, так і користувачами, причому останніми не завжди успішно. Тому покладати надії на MIMO антени варто лише у 4G мережах. На краю зони обслуговування стільники можна застосовувати антени з великим посиленням, наприклад дзеркальні , для яких вже є у продажу MIMO опромінювачі

У мережах Wi-Fi технологія MIMO зафіксована у стандартах IEEE 802.11n та IEEE 802.11ac та підтримується вже багатьма пристроями. Поки ми спостерігаємо прихід у мережі 3G-4G технології 2x2 MIMO, розробники не сидять на місці. Вже зараз розробляються технології 64x64 MIMO з розумними антенами, що мають адаптивну діаграму спрямованості. Тобто. якщо ми пересядемо з дивана на крісло або підемо на кухню, наш планшет помітить це та розгорне діаграму спрямованості вбудованої антени у потрібному напрямку. Чи потрібен комусь цей сайт на той час?