И mimo технология предоставляют. Технология передачи данных MIMO в беспроводных сетях WIFI. Как это работает

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.

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 .

■ 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.

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI, 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 (), VoD () 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 (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 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 .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между (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 – 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 – . 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, 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 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 использование , 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: , 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 стандарте , 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 . 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.

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.

WiFi - торговая марка для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. В повседневной жизни пользователи беспроводных сетей используют термин "технология WiFi", подразумевая не торговую марку, а стандарт IEEE 802.11.

Технология WiFi позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, уменьшая тем самым стоимость развёртывания сети. Благодаря , где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.
Вопреки распространенному мнению о "вредности" WiFi, излучение от WiFi устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 раз) меньше, чем у сотового телефона.

MIMO - (англ. Multiple Input Multiple Output) - технология передачи данных, основанная на применении пространственного мультиплексирования с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных.

Решение проблеммы увеличения пропускной способности

При интенсивном развитии одних высоких технологий возрастают требования к другим. Этот принцип напрямую затрагивает и системы связи. Одна из наиболее актуальных проблем В современных системах связи - необходимость повышения пропускной способности и скорости передачи данных. Существует два традиционных способа увеличения пропускной способности расширение полосы частот и повышение излучаемой мощности.
Но из-за требований к биологической и электромагнитной совместимости накладываются ограничения на повышение излучаемой мощности и расширение полосы частот. При таких ограничениях проблема нехватки пропускной способности и скорости передачи данных заставляет искать новые эффективные методы ее решения. Одним из самых эффективных методов - применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами. На этом принципе основана технология MIMO . Системы связи, которые используют эту технологию называются MIMO системы (Multiple Input Multiple Output).

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.