Что такое поддержка mimo
Что такое MU-MIMO и что это дает конечному пользователю?
Что такое MIMO?
SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?
Работа многопользовательского МИМО начинается с 802.11ax, 802.11ac Wave2. Старшие стандарты, такие как 802.11b, g и n его не поддерживают. Когда в 2015 году вышел стандарт ac Wave 2, с этой технологией могли работать только маршрутизаторы и точки доступа.
Технология MU-MIMO изнутри
В 2008 году стандарт 802.11n представил технологию multi-in multi-out (MIMO), предназначенную для повышения пропускной способности Wi-Fi между точками доступа и клиентскими устройствами. Чтобы MIMO работал, две беспроводные станции (т.е. и точка доступа, и клиентское устройство) должны иметь несколько антенн, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы отсутствовала разность фаз на рабочей длине волны.
Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)
Пространственный поток представляет собой набор данных, посланный передающими антеннами, который может быть математически реконструирован на антеннах приемника. В MIMO каждый пространственный поток передается с разных антенн в том же частотном канале, на котором работает передатчик. Рисунок ниже иллюстрирует это для случая с двумя потоками.
Приемник принимает каждый поток на идентичную радио цепь. Поскольку он знает смещения фазы своих собственных антенн, он может использовать математические методы обработки сигналов для реконструкции исходных потоков. Чтобы повысить пропускную способность нужно увеличивать количество потоков. Каждый пространственный поток содержит набор уникальных данных, а количество независимых пространственных потоков ограничено тем, какое Wi-Fi устройство имеет наименьшее количество радиолиний.
В первой волне 802.11ac пропускная способность повышалась не только за счет использования MIMO, а применялись и другие механизмы:
Однако общая ширина полосы в любом частотном диапазоне является «конечной» и это накладывает свои ограничения. Чем шире канал, тем больше он подвержен помехам.
Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)
Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.
TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.
Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.
Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.
Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе).
За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.
Механизм передачи информации в MU-MIMO
Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.
Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:
Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:
IoT (Интернет вещей) и MU-MIMO
Стандарт 802.11ax может поддерживать одновременно восемь передач MU-MIMO, по сравнению с четырьмя в 802.11ac. Одновременная поддержка восьми выделенных каналов позволяет большему количеству IoT устройств установить связь с точкой доступа и избежать проблем с пропускной способностью, которые существовали в более ранних версиях Wi-Fi, включая 802.11ac. Это особенно актуально, если в помещении большое количество устройств, обладающих низкой скоростью передачи данных (а это как раз и есть IoT).
Практические ограничения MU-MIMO
Комментарии
Даниил 2021-05-14 10:37:00
Для тех у кого MIMO прошло мимо…
Немножко истории
У большого числа технологий, которые имеют место в сегодняшней телекоммуникационной среде «ноги растут» из военных наработок. Технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), например, была предложена ещё в 80-х годах нашими американскими друзьями, но реализовать её удалось совсем недавно лишь потому, что она чрезвычайно требовательна к вычислительной мощности системы (всему виной пресловутое БПФ).
MIMO раньше представлялась только лишь как технология разнесенного приема (имеем одну передающую и N приемных антенн). Реализуя эту идею было выпущено несколько серий военных тропосферных станций (может кому и довелось послужить на таких) и в принципе на том этапе, расходы на разворачивание дополнительных антенн себя оправдывали.
Принцип обработки был прост как лопата: в двух приемных ветках сравнивалось отношение сигнал/шум и в соответствии с оценкой этого значения каждой ветке обработки назначались весовые коэффициенты, играющие роль при принятии решения, грубо говоря, что было передано: 0 или 1. Эта нехитрая система так и была названа критерием оптимального весового сложения (MRC).
Дальше-больше. В 1997 году ирано-американец Аламоути предлагает новинку основанную на уже известных тезисах, назвав её пространственно-временным блоковым кодом (STBC). После этого год от года увеличивается вал публикаций на тему MIMO и тема стает очень актуальной на фоне того, что частотно-энергетическую эффективность систем связи повышать стало все сложнее и сложнее (уже продуманы максимально эффективные сигнально-кодовые конструкции). А дальше пошло-поехало: пространственно-временное решетчатое кодирование, пространственное мультиплексирование, а также большое количество алгоритмов декодирования от простейшего «максимального правдоподобия (ML- max likehood)» до сферического турбодекодирования на GPU и т.д.
Как это работает
Радиоканалы
Вообще эта классификация огромна и её обзор достоен отдельной статьи, но мы остановимся лишь на нескольких моментах.
Проходя путь от передатчика (T) к приемника ( R) наша радиоволна затухает (теряет в энергетике), причем то насколько она потеряет зависит то, есть ли между нашими T и R прямая видимость. Если она есть, то основная вина за потери ложится на потери среды распространения (path loss), если прямой видимости нет, то начинается самое интересное. Сталкиваясь с различными препятствиями волна идет к пункту назначения несколькими путями (многолучевое распространение) и соответственно каждый луч проходит разное расстояние. На приеме все эти лучи могут складывать с противофазе, что дополнительно снижает интенсивность сигнала, что заставляет уровень сигнала постоянно «плавать». Поэтому в зоне неуверенного приема ваши мобильники никак не могут определиться сколько «палочек сигнала» показывать.
Все это безобразие назвали замираниями. Бывают они разными и могут описывать разными законами. При наличии постоянной компоненты (наличии прямой видимости) подойдет распределение Райса, а при её отсутствии — Релеевское (частный вариант). Формул не буду приводить умышленно, они большие и страшные.
MIMO вот ОНО
Разбор того, как ЭТО работает проведем на самом простом примере. У нас есть 2 антенны на передаче и одна на приеме.
k — так называемая комплексная передаточная функция канала (определяющая его ФЧХ и АЧХ), причем различная для каждого момента времени для каждого из принятых сигналов. Главная изюминка как раз и заключается в том, что сигналы для каждой из приемных антенн проходят разные пути.
В соответствии с методом ПВБК, входной поток данных разбивается на пары [с1, с2], причем, на первом полутактовом интервале символ c1 передается через антенну Т1 и символ c2 передается через антенну Т2. На втором полутактовом интервале порядок передачи изменяется: через антенну Т1 передается инверсия символа c2 (на рисунке обозначен как (–c*2), а символ c1 передается через антенну Т2 (на рисунке обозначен как (c*1). Данный алгоритм удобно представить в виде матрицы, где номер строки будет соответствовать номеру передатчика, а номер столбца – номер полутакта (в общем случае – шаг такта) передачи. Символ «*» как уже многие догадались-комплексное сопряжение.
В итоге на входе мы получаем 2 сигнала (мультипликативные отклики за первый и второй такт), проведя ряд занимательных математических преобразований мы получаем исходный сигнал, а точнее пару этих сигналов. Собственно вся фишка и заключается в том, что каждый из этих сигналов передавался 2 раза.
Почему это возможно? Потому что k разный для каждого луча, а матрица Аламоути (рисунок выше) является ортогональной.
Практика
А теперь проведем моделирование и посмотрим выигрыш MIMO перед SISO(single in single out).
Все свои расчеты и моделирование я провожу в Matlab‘e потому, что это самая лучшая в мире очень удобная для таких экспериментов среда.
Вот собственно кусок для расчета кривой Аламоути:
Эта часть для классической схемы:
Из графика видно что выигрыш для вероятности ошибки Pош=10^(-3) примерно 12 [дБ]. И это просто огромная величина.
Технология MIMO: что это и с чем её едят?
Наверняка, многие уже слышали про технологию MIMO, в последние годы её частенько пестрят рекламные проспекты и плакаты, особенно в компьютерных магазинах и журналах. Но что же такое MIMO (МИМО) и с чем её едят? Давайте разберёмся поподробнее.
Технология MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output; множественные входы, множественные выходы) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, при котором для передачи данных используются две и более антенны и такое же количество антенн для приёма. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь минимального взаимного влияния друг на друга между соседними антеннами. Технология MIMO используется в беспроводных связи Wi-Fi, WiMAX, LTE для увеличения пропускной способности и более эффективного использования частотной полосы. Фактически MIMO позволяет в одном частотном диапазоне и заданном частотном коридоре передавать больше данных, т.е. увеличить скорость. Достигается это за счёт использования нескольких передающих и принимающих антенн.
История MIMO
Технологию MIMO можно отнести к достаточно молодым разработкам. Её история начинается в 1984 году, когда был зарегистрирован первый патент на использования данной технологии. Начальные разработки и исследования проходили в компании Bell Laboratories, а 1996 году компанией Airgo Networks был выпущен первый MIMO-чипсет под названием True MIMO. Наибольшее развитие технология MIMO получила в начале XXI века, когда бурными темпами начали развиваться беспроводные сети Wi-Fi и сотовые сети 4G. А сейчас технология MIMO вовсю используется в сетях 4G LTE и Wi-Fi 802.11b/g/ac, а также в будущих сетях 5G и Wi-Fi 6.
Что даёт технология MIMO?
Для конечного пользователя MIMO даёт значительный прирост в скорости передачи данных. В зависимости от конфигурации оборудования и количества используемых антенн, можно получить двукратный, трехкратный и до восьмикратного увеличения скорости. Обычно в беспроводных сетях используется одинаковое количество передающих и принимающих антенн, и записывается это как, например, 2×2 или 3×3. Т.е. если видим запись MIMO 2×2, значит две антенны передают сигнал и две принимают. Например, в стандарте Wi-Fi 802.11ac один канал шириной 20 Мгц даёт пропускную способность 867 Мбит/с, тогда как в конфигурации MIMO 8×8 объединяются 8 каналов, что даёт максимальную скорость около 7 Гбит/с. Аналогично и в LTE MIMO — потенциальный рост скорости в несколько раз. Для полноценного использования MIMO в сетях LTE необходимы 4G MIMO антенны, т.к. как правило встроенные антенны недостаточно разнесены и дают малый эффект. И конечно, должна быть поддержка MIMO со стороны базовой станции.
LTE-антенна с поддержкой MIMO передаёт и принимает сигнал в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Это называется поляризация. Отличительной особенностью MIMO-антенн является наличие двух антенных разъёмов, и соответственно использование двух проводов для подключения к модему/роутеру.
Несмотря на то, что многие говорят, и не безосновательно, что MIMO-антенна для сетей 4G LTE фактически представляет собой две антенны в одной, не стоит думать, что при использовании такой антенны будет двукратный рост скорости. Таковым он может быть только в теории, а на практике разница между обычной и MIMO-антенной в сети 4G LTE составляет 20-25%, что уже можно назвать существенным результатом. Однако, более важным в данном случае будет стабильный сигнал, который может обеспечить MIMO-антенна.
Мы рекомендуем установку MIMO-антенн для получения максимально быстрого и стабильного интернета в сети 4G LTE.
Что такое Mimo в wifi?
Технология MIMO сыграла огромную роль в развитии WiFi. Несколько лет назад невозможно было представить точки доступа Wi-Fi и другие устройства с пропускной способностью в 300 Мбит/сек и выше. Появление новых скоростных стандартов связи, к примеру, 802.11n произошло во многом благодаря MIMO.
Вообще тут стоит упомянуть, что когда мы говорим о технологии WiFi, то на самом деле имеем в виду один из стандартов связи, а конкретно – IEEE 802.11. Брендом WiFi стал после того, как обрисовались заманчивые перспективы использования беспроводной передачи данных. Чуть подробнее о технологии вай-фай и стандарте 802.11 можно прочесть в этой статье.
Что представляет собой технология MIMO?
Кроме того, в MIMO используется пространственное мультиплексирование. За устрашающим названием кроется технология одновременной передачи нескольких пакетов данных по одному каналу. Благодаря такому «уплотнению» канала его пропускную способность можно увеличить в два раза и более.
MIMO и WiFi
С ростом популярности беспроводной передачи данных по WiFi соединениям, конечно же, возросли требования к их скорости. И именно технология MIMO и другие разработки, взявшие ее за основу, позволили увеличить пропускную способность в несколько раз. Развитие WiFi идет по пути развития стандартов 802.11 – a, b, g, n и так далее. Мы не зря упомянули возникновение стандарта 802.11n. Multiple Input Multiple Output – его ключевой компонент, позволивший увеличить канальную скорость беспроводного соединения с 54 Мбит/сек до более 300 Мбит/сек.
Стандарт 802.11n позволяет применять как стандартную ширину канала в 20 МГц, так и использовать широкополосную линию в 40 МГц с более высокими показателями пропускной способности. Как уже упоминалось выше, сигнал многократно отражается, тем самым используя множество потоков на одном канале связи.
Благодаря этому доступ в интернет на основе WiFi теперь позволяет не только серфинг, проверку почты и общение в аське, но и онлайн-игры, онлайн-видео, общение в скайпе и прочий «тяжелый» трафик.
Проблемы применения MIMO в WIFI
На заре становления технологии существовало затруднение совмещения устройств, работающих с поддержкой MIMO и без нее. Однако сейчас это уже не так актуально – практически каждый уважающий себя производитель беспроводного оборудования использует ее в своих устройствах.
Проблемой остается только увеличение количества антенн и передатчиков (сейчас максимум 3) для устройств с PoE. Обеспечить питанием более энергоемкую конструкцию затруднительно, но опять-таки, постоянные сдвиги в этом направлении делает Ubiquiti.
Технология AirMAX
Компания Ubiquiti Networks является признанным лидером разработки и реализации инновационных технологий WiFi, в том числе и MIMO. Именно на ее основе Ubiquiti была разработана и запатентована технология AirMAX. Суть ее в том, что прием-передача сигнала несколькими антеннами на одном канале упорядочивается и структурируется протоколом TDMA с аппаратным ускорением: пакеты данных разнесены в отдельные временные слоты, очереди передачи координируются.
Это позволяет расширить пропускную способность канала, увеличить количество подключаемых абонентов без потери качества связи. Данное решение эффективно, удобно в использовании и, что немаловажно – недорого. В отличие от аналогичного оборудования, используемого в WiMAX – сетях, оборудование от Ubiquiti Networks с технологией AirMAX приятно радует ценами.
Мы проверяем наличие Wi-Fi, как только окажемся дома, на работе, в ресторане, в аэропорту, в отеле… И, подключившись к беспроводной сети, никто не хочет ждать дольше пары секунд, пока обновится страница в Facebook или скачается электронная почта. Но скорость Wi-Fi порою оставляет желать лучшего, особенно если вы сидите не у себя дома, а в переполненном кафе, офисе или аэропорту. Причина такой неприятности — SU-MIMO, технология однопользовательской передачи данных. В современных роутерах ей на смену приходит более прогрессивная MU-MIMO.
SU-MIMO и MU-MIMO: чем они различаются?
MIMO расшифровывается как multiple input, multiple output — «множественный ввод, множественный вывод». Это метод пространственного кодирования сигнала, использующий систему с множеством каналов передачи и приема данных.
В зависимости от количества пользователей, в адрес которых осуществляется одновременная передача данных, существует два типа MIMO:
Сейчас в сетях Wi-Fi традиционно используется технология, при которой подключение к точке доступа происходит последовательно, и в определенный отрезок времени все потоки данных адресованы одному пользователю: пока его устройство отправляет или получает данные, остальные скромно ждут своей очереди. Это похоже на получение обеда в столовой: стоя в очереди, вы видите повара на раздаче, но впереди ещё два десятка коллег, и ваша порция достанется вам только после того, как обслужат стоящих перед вами людей. С Wi-Fi в случае SU-MIMO история аналогичная: из-за задержки на ожидание очереди скорость обмена данными снижается, и, даже находясь дома в зоне стабильного приёма, телефон или планшет не всегда подключается к сети мгновенно или долго загружает страницы.
Зачем вообще что-то менять, если и так всё хорошо?
«Но мы же нормально жили с существующими технологиями Wi-Fi», — скажете вы. Что ж, вот вам парочка интересных фактов. Большинство пользователей обновляют домашний роутер раз в 3–5 лет. Для мира технологий это эквивалентно 30–50 годам! Например, пять лет назад почти никто даже не думал об Интернете вещей или «умном доме».
Объёмы мобильного трафика непрерывно растут: например, в США каждый год среднестатистическая семья добавляет к домашней сети Wi-Fi три подключенных устройства, а к 2022 году, с наступлением эры Интернета вещей, таких устройств в каждом домовладении будет до 50!
Получается, что и число подключенных устройств, и количество данных, которые мы потребляем, растёт ускоряющимися темпами. Если вы купили роутер пять лет назад, то скорее всего он с трудом справляется даже с существующими нагрузками. Чтобы идти в ногу со временем — не только сегодня, но и в ближайшие несколько лет, лучше перейти на роутер с технологией MU-MIMO. Такой роутер обеспечит передачу данных между множеством устройств одновременно без потери скорости и качества подключения. Даже наоборот, скорость обслуживания подключённых устройств повысится. Беспроводные модули в ваших многочисленных домашних устройствах не будет «топтаться», переминаясь с ноги на ногу, в ожидании своей очереди, он не будет тратить энергию на отправку роутеру запросов на подключение, а значит, сможет работать дольше от одной зарядки.
Как я опознаю роутер с МU-MIMO?
Роутер с поддержкой MU-MIMO визуально отличается бОльшим количеством передающих и принимающих антенн, из-за чего похож на ёжика. Многочисленные антенны как раз и нужны для одновременного обслуживания нескольких устройств без потери скорости.
IoT дружит с MU-MIMO?
В обозримом, а точнее даже скором будущем Интернет вещей (IoT) станет обыденностью. Технология SU-MIMO не позволит эффективно и быстро подключать множество устройств, которые постоянно обмениваются данными с Сетью.
А роутер с MU-MIMO сможет обеспечить достаточную пропускную способность для большого количества подключенных устройств: смартфонов, медиаплееров, смарт-телевизоров, планшетов, игровых ПК и другой умной техники — вплоть до стиральных машин, холодильников, мультиварок. Даже если вся техника и все члены семьи будут одновременно пользоваться Wi-Fi, качество соединения не пострадает.
За что вы полюбите MU-MIMO
Роутеры, в которых реализована эта технология, стали появляться не так давно и на рынке их пока немного. Но когда придет время обновляться, предпочтительно выбирать модель с поддержкой MU-MIMO — такой роутер не устареет морально в ближайшие годы.