Bewertungen von Routern mit Mu-Mimo-Technologie. MIMO-Datenübertragungstechnologie in drahtlosen WIFI-Netzwerken

Eine der bedeutendsten und wichtigsten Innovationen Wi-Fi in den letzten 20 Jahren - Multi User - Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) Technologie. MU-MIMO erweitert die Funktionalität eines aktuellen Updates drahtloser Standard 802.11ac "Welle 2". Zweifellos ist dies ein großer Durchbruch für Kabellose Kommunikation. Diese Technologie hilft, die maximale theoretische Geschwindigkeit zu erhöhen kabellose Verbindung von 3,47 Gbit/s in der ursprünglichen 802.11ac-Spezifikation auf 6,93 Gbit/s im Upgrade auf 802.11ac Wave 2. Dies ist eine der bisher komplexesten Wi-Fi-Funktionen.

Mal sehen, wie es funktioniert!

Die MU-MIMO-Technologie legt die Messlatte höher, indem sie es mehreren Geräten ermöglicht, mehrere Datenströme zu empfangen. Es basiert auf Single User MIMO (SU-MIMO), das vor fast 10 Jahren mit dem 802.11n-Standard eingeführt wurde.

SU-MIMO erhöht die Geschwindigkeit einer Wi-Fi-Verbindung, indem es einem Paar drahtloser Geräte ermöglicht, mehrere Datenströme gleichzeitig zu empfangen oder zu senden.

Abbildung 1. Die SU-MIMO-Technologie bietet gleichzeitig Mehrkanal-Eingangs- und -Ausgangsstreams für dasselbe Gerät. Die MU-MIMO-Technologie ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Geräten.

Im Wesentlichen gibt es zwei Technologien, die Wi-Fi revolutionieren. Die erste dieser Technologien, Beamforming genannt, ermöglicht Wi-Fi-Routern und Zugangspunkten eine effizientere Nutzung von Funkkanälen. Vor dem Aufkommen dieser Technologie funktionierten Wi-Fi-Router und Zugangspunkte wie Glühbirnen und sendeten ein Signal in alle Richtungen. Das Problem war das Es ist schwierig für ein unfokussiertes Signal mit begrenzter Leistung, Wi-Fi-Client-Geräte zu erreichen.

Mithilfe der Beamforming-Technologie tauscht ein Wi-Fi-Router oder Access Point Informationen über seinen Standort mit einem Client-Gerät aus. Der Router ändert dann seine Phase und Leistung, um ein besseres Signal zu bilden. Das Ergebnis: Funksignale werden effizienter genutzt, die Datenübertragung geht schneller und die maximale Verbindungsdistanz wird möglicherweise erhöht.

Die Möglichkeiten des Beamforming erweitern sich. Bis jetzt waren Wi-Fi-Router oder Zugangspunkte von Natur aus Singletasking, das Senden oder Empfangen von Daten von jeweils nur einem Client-Gerät. In früheren Versionen der Normenfamilie drahtlose Übertragung 802.11-Daten, einschließlich des 802.11n-Standards und der ersten Version des 802.11ac-Standards, war es möglich, mehrere Datenströme gleichzeitig zu empfangen oder zu übertragen, aber bis jetzt gab es keine Methode, die einen Wi-Fi-Router oder Zugangspunkt zuließ um gleichzeitig mit mehreren Clients zu „sprechen“. Von nun an ist mit Hilfe von MU-MIMO eine solche Gelegenheit aufgetaucht.

Dies ist in der Tat ein großer Durchbruch, da die Fähigkeit, Daten gleichzeitig an mehrere Client-Geräte zu übertragen, die verfügbare Bandbreite für drahtlose Clients erheblich erweitert. Die MU-MIMO-Technologie verbessert drahtlose Netzwerke auf herkömmliche Art und Weise CSMA-SD, wenn nur ein Gerät gleichzeitig bedient wurde, zu einem System, in dem mehrere Geräte gleichzeitig „sprechen“ können. Stellen Sie sich zur Verdeutlichung dieses Beispiels vor, von einer einspurigen Landstraße auf eine breite Autobahn zu wechseln.

Heute erobern 802.11ac Wave 2 Wireless Router und Access Points der zweiten Generation den Markt. Jeder, der Wi-Fi einsetzt, versteht die Besonderheiten der Funktionsweise der MU-MIMO-Technologie. Wir machen Sie auf 13 Fakten aufmerksam, die Ihr Lernen in dieser Richtung beschleunigen werden.

1. Nur MU-MIMO verwendet"Downstream"-Stream (vom Zugangspunkt zum mobilen Gerät).

Im Gegensatz zu SU-MIMO funktioniert MU-MIMO derzeit nur fürÜbertragen von Daten vom Zugriffspunkt auf das mobile Gerät. Nur drahtlose Router oder Zugangspunkte können Daten gleichzeitig an mehrere Benutzer übertragen, unabhängig davon, ob es sich um einen oder mehrere Streams für jeden von ihnen handelt. Die drahtlosen Geräte selbst (wie Smartphones, Tablets oder Laptops) müssen immer noch abwechselnd Daten an den drahtlosen Router oder Zugangspunkt senden, obwohl sie einzeln die SU-MIMO-Technologie verwenden können, um mehrere Streams zu übertragen, wenn sie an der Reihe sind.

Die MU-MIMO-Technologie wird besonders in Netzwerken nützlich sein, in denen Benutzer mehr Daten herunterladen als hochladen.

Vielleicht wird in Zukunft eine Version der Wi-Fi-Technologie implementiert: 802.11ax, wo das MU-MIMO-Verfahren für "Upstream"-Verkehr anwendbar sein wird.

2. MU-MIMO funktioniert nur im 5-GHz-WLAN-Band

Die SU-MIMO-Technologie arbeitet sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Frequenzband. 802.11ac Wave 2 Wireless Router und Access Points der 2. Generation können mehrere Benutzer gleichzeitig auf demselben Frequenzband bedienen 5 GHz. Auf der einen Seite ist es natürlich schade, dass wir das schmalere und stärker überlastete 2,4-GHz-Frequenzband nicht nutzen können neue Technologie. Andererseits gibt es auf dem Markt immer mehr drahtlose Dual-Band-Geräte, die die MU-MIMO-Technologie unterstützen, mit der wir leistungsstarke Wi-Fi-Unternehmensnetzwerke bereitstellen können.

3. Beamforming-Technologie hilft, Signale zu leiten

In der Literatur der UdSSR kann man auf das Konzept eines Phased Antenna Array stoßen, das Ende der 80er Jahre für militärische Radargeräte entwickelt wurde. Eine ähnliche Technologie wurde auf modernes Wi-Fi angewendet. MU-MIMO verwendet gerichtete Signalformung (in der englischen Fachliteratur als "Beamforming" bekannt). Mit Beamforming können Sie Signale in die Richtung des beabsichtigten Standorts des drahtlosen Geräts (oder der drahtlosen Geräte) lenken, anstatt sie zufällig in alle Richtungen zu senden. So stellt sich heraus, dass das Signal fokussiert und die Reichweite und Geschwindigkeit der Wi-Fi-Verbindung erheblich erhöht werden.

Obwohl die Beamforming-Technologie mit dem 802.11n-Standard optional verfügbar wurde, implementierten die meisten Hersteller ihre eigenen proprietären Versionen dieser Technologie. Diese Anbieter bieten immer noch proprietäre Implementierungen der Technologie in ihren Geräten an, aber jetzt müssen sie mindestens eine vereinfachte und standardisierte Version der Ricenthalten, wenn sie die MU-MIMO-Technologie in ihrer 802.11ac-Produktlinie unterstützen wollen.

4. MU-MIMO unterstützt eine begrenzte Anzahl gleichzeitiger Streams und Geräte

Leider können Router oder Access Points mit implementierter MU-MIMO-Technologie nicht gleichzeitig eine unbegrenzte Anzahl von Streams und Geräten bedienen. Der Router oder Access Point hat seine eigene Begrenzung für die Anzahl der Streams, die er bedient (häufig 2, 3 oder 4 Streams), und diese Anzahl räumlicher Streams begrenzt auch die Anzahl der Geräte, die der Access Point gleichzeitig bedienen kann. Ein Access Point mit Unterstützung für vier Streams kann also gleichzeitig vier verschiedene Geräte bedienen oder beispielsweise einen Stream an ein Gerät senden und drei andere Streams an ein anderes Gerät aggregieren (wodurch die Geschwindigkeit durch das Kombinieren von Kanälen erhöht wird).

5. Benutzergeräte müssen nicht mehrere Antennen haben

Wie bei der SU-MIMO-Technologie können nur drahtlose Geräte mit integrierter MU-MIMO-Unterstützung Streams aggregieren (raten). Anders als bei der SU-MIMO-Technologie müssen drahtlose Geräte jedoch nicht unbedingt mehrere Antennen haben, um MU-MIMO-Streams von drahtlosen Routern und Zugangspunkten zu empfangen. Wenn ein Kabelloses Gerät ausgestattet mit nur einer Antenne, kann es empfangen Nur ein MU-MIMO-Datenstrom vom Access Point, wobei Beamforming zur Verbesserung des Empfangs verwendet wird.

Mehr Antennen ermöglichen es dem drahtlosen Benutzergerät, mehr Datenströme gleichzeitig zu empfangen (typischerweise ein Strom pro Antenne), was sich sicherlich positiv auf die Leistung dieses Geräts auswirkt. Das Vorhandensein mehrerer Antennen in einem Benutzergerät wirkt sich jedoch negativ auf den Stromverbrauch und die Größe dieses Produkts aus, was für Smartphones von entscheidender Bedeutung ist.

Allerdings stellt die MU-MIMO-Technologie weniger Hardware-Anforderungen an Client-Geräte als die technisch umständliche SU-MIMO-Technologie, es ist davon auszugehen, dass die Hersteller viel eher bereit sein werden, ihre Geräte auszustatten Laptops und Tablets, die die MU-MIMO-Technologie unterstützen

6. Access Points erledigen die schwere Arbeit

Um die Anforderungen an Endgeräte zu vereinfachen, haben die Entwickler der MU-MIMO-Technologie versucht, den Großteil der Signalverarbeitungsarbeit auf Zugangspunkte zu verlagern. Dies ist ein weiterer Fortschritt gegenüber der SU-MIMO-Technologie, bei der die Last der Signalverarbeitung hauptsächlich auf den Benutzergeräten lag. Und wiederum wird dies den Herstellern von Client-Geräten helfen, Energie, Größe und andere Kosten bei der Produktion ihrer Produktlösungen mit Unterstützung für MU-MIMO zu sparen, was sich sehr positiv auf die Verbreitung dieser Technologie auswirken dürfte.

7. Selbst preisgünstige Geräte profitieren von der gleichzeitigen Übertragung über mehrere Spatial Streams

Wie Ethernet Link Aggregation (802.3ad und LACP) erhöht 802.1ac Stream Bonding nicht die Geschwindigkeit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Jene. Wenn Sie der einzige Benutzer sind und nur eine Anwendung ausgeführt wird, verwenden Sie nur 1 Spatial Stream.

Eine Steigerung ist jedoch möglich die gesamte Netzwerkbandbreite, indem es die Möglichkeit bietet, den Zugriffspunkt mehrerer Benutzergeräte gleichzeitig zu bedienen.

Wenn jedoch alle Benutzergeräte in Ihrem Netzwerk nur einen Stream unterstützen, ermöglicht MU-MIMO Ihrem Zugriffspunkt, bis zu drei Geräte gleichzeitig zu bedienen, anstatt jeweils eines, während andere(fortgeschrittenere) Benutzergeräte müssen in der Schlange warten.

8. Einige Benutzergeräte haben versteckte Unterstützung für die MU-MIMO-Technologie

Obwohl es derzeit noch nicht viele Router, Zugangspunkte oder mobile Geräte gibt, die MU-MIMO unterstützen, behauptet das Wi-Fi-Chip-Unternehmen, dass einige Hersteller die Hardwareanforderungen in ihrem Produktionsprozess berücksichtigt haben, um die neue Technologie für einige ihrer zu unterstützen Geräte für Endverbraucher vor einigen Jahren. Relativ einfaches Upgrade für solche Geräte Software wird Unterstützung für die MU-MIMO-Technologie hinzufügen, was auch die Popularisierung und Verbreitung der Technologie beschleunigen und Unternehmen und Organisationen dazu ermutigen sollte, ihre drahtlosen Unternehmensnetzwerke mit Geräten aufzurüsten, die den 802.11ac-Standard unterstützen.

9. Auch Geräte ohne MU-MIMO-Unterstützung profitieren

Obwohl Wi-Fi-Geräte MU-MIMO-Unterstützung haben müssen, um diese Technologie nutzen zu können, können sogar Client-Geräte, die keine solche Unterstützung haben, indirekt vom Betrieb in einem drahtlosen Netzwerk profitieren, in dem ein Router oder Zugriffspunkte die MU-MIMO-Technologie unterstützen. Es ist zu beachten, dass die Datenübertragungsrate über das Netzwerk direkt von der Gesamtzeit abhängt, während der Teilnehmergeräte mit dem Funkkanal verbunden sind. Und wenn die MU-MIMO-Technologie es Ihnen ermöglicht, einige Geräte schneller zu bedienen, bedeutet dies, dass Access Points in einem solchen Netzwerk mehr Zeit haben, andere Client-Geräte zu bedienen.

10. MU-MIMO hilft, die drahtlose Bandbreite zu erhöhen

Wenn Sie Ihre Wi-Fi-Verbindungsgeschwindigkeit erhöhen, erhöhen Sie auch die Bandbreite Ihres drahtlosen Netzwerks. Da Geräte schneller bedient werden, hat das Netzwerk mehr Sendezeit, um mehr Client-Geräte zu bedienen. Somit kann die MU-MIMO-Technologie die Leistung von drahtlosen Netzwerken mit starkem Datenverkehr oder einer großen Anzahl verbundener Geräte, wie z. B. öffentlichen Wi-Fi-Netzwerken, erheblich optimieren. Das sind großartige Neuigkeiten, da die Zahl der Smartphones und anderer mobiler Geräte mit Wi-Fi-Konnektivität wahrscheinlich weiter zunehmen wird.

11. Jede Kanalbreite wird unterstützt

Eine Möglichkeit, die Bandbreite eines Wi-Fi-Kanals zu erweitern, ist Channel Bonding, wenn zwei vorhanden sind benachbarten Kanal in einen doppelt so breiten Kanal, wodurch die Geschwindigkeit der Wi-Fi-Verbindung zwischen dem Gerät und dem Access Point effektiv verdoppelt wird. Der 802.11n-Standard bot Unterstützung für Kanäle mit einer Breite von bis zu 40 MHz, in der ursprünglichen Spezifikation des 802.11ac-Standards wurde die unterstützte Kanalbreite auf 80 MHz erhöht. Der aktualisierte Standard 802.11ac Wave 2 unterstützt 160-MHz-Kanäle.

Abbildung 3. 802.11ac unterstützt derzeit Kanäle mit einer Breite von bis zu 160 MHz im 5-GHz-Band

Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass die Verwendung breiterer Kanäle in einem drahtlosen Netzwerk die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen in Gleichkanälen erhöht. Daher wird dieser Ansatz nicht immer sein die richtige Entscheidung ausnahmslos alle Wi-Fi-Netzwerke bereitzustellen. Wie wir sehen können, kann die MU-MIMO-Technologie jedoch für Kanäle beliebiger Breite verwendet werden.

Aber selbst wenn Ihr drahtloses Netzwerk schmalere 20-MHz- oder 40-MHz-Kanäle verwendet, kann MU-MIMO immer noch dazu beitragen, dass es schneller läuft. Aber wie viel schneller hängt davon ab, wie viele Client-Geräte bedient werden müssen und wie viele Streams jedes dieser Geräte unterstützt. Somit kann die Verwendung der MU-MIMO-Technologie auch ohne breite zugeordnete Kanäle den Durchsatz der ausgehenden drahtlosen Verbindung für jedes Gerät mehr als verdoppeln.

12. Signalverarbeitung verbessert die Sicherheit

Ein interessanter Nebeneffekt der MU-MIMO-Technologie ist, dass der Router oder Access Point die Daten verschlüsselt, bevor er sie drahtlos sendet. Es ist ziemlich schwierig, mit der MU-MIMO-Technologie übertragene Daten zu decodieren, da nicht klar ist, welcher Teil des Codes sich in welchem ​​räumlichen Strom befindet. Obwohl später möglicherweise spezielle Tools entwickelt werden, die es anderen Geräten ermöglichen, den übertragenen Datenverkehr abzufangen, maskiert die MU-MIMO-Technologie heute effektiv Daten von in der Nähe befindlichen Abhörgeräten. Somit trägt die neue Technologie zur Verbesserung der Wi-Fi-Sicherheit bei, was insbesondere für offene drahtlose Netzwerke wie öffentliche Wi-Fi-Netzwerke sowie Access Points gilt, die im persönlichen Modus oder mit einem vereinfachten Benutzerauthentifizierungsmodus (Pre-Shared Key , PSK) basierend auf WPA- oder WPA2-Wi-Fi-Sicherheitstechnologien.

13. MU-MIMO eignet sich am besten für feste WLAN-Geräte

Es gibt auch einen Vorbehalt bei der MU-MIMO-Technologie: Sie funktioniert nicht gut mit sich schnell bewegenden Geräten, da der Beamforming-Prozess komplexer und weniger effizient wird. Daher bietet Ihnen MU-MIMO keinen nennenswerten Vorteil für Geräte, die häufig in Ihrem Unternehmensnetzwerk roamen. Es versteht sich jedoch, dass diese "Problem"-Geräte in keiner Weise die MU-MIMO-Datenübertragung zu anderen weniger mobilen Client-Geräten oder deren Leistung beeinträchtigen sollten.

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Multi-User-MIMO ist ein integraler Bestandteil des 802.11 ac-Standards. Doch bislang gibt es noch keine Geräte, die eine neuartige Mehrantennentechnik unterstützen. 802.11 ac-WLAN-Router der vorherigen Generation wurden als Geräte der Welle 1 bezeichnet, erst mit Welle 2 wird Multi-User-MIMO (MU-MIMO) eingeführt, und diese zweite Gerätewelle wird angeführt.

■ ja □ nein

Da Multi-User-MIMO ein Signal gleichzeitig an mehrere Geräte überträgt, wird das Übertragungsprotokoll hinsichtlich der Bildung von Datenblock-Headern entsprechend erweitert: Anstatt mehrere räumlich getrennte Streams für einen Client zu übertragen, verteilt Multi-User-MIMO die Übertragung für jeden Benutzer getrennt, sowie Codierung . Die Bandbreitenzuweisung und Codierung bleiben gleich.

Single User Teilen sich vier Geräte das gleiche WLAN, dann überträgt ein 4×4:4 MIMO-Router vier Geodatenströme, aber immer nur an dasselbe Gerät. Geräte und Gadgets werden abwechselnd gewartet. Multi User Da Multi User MIMO (Multi User MIMO) unterstützt wird, gibt es keine Warteschlange von Geräten, die darauf warten, auf die Ressourcen des WLAN-Routers zuzugreifen. Laptop, Tablet, Telefon und Fernseher werden gleichzeitig mit Daten versorgt.

Das WLAN-Netz ist wie eine stark befahrene Autobahn: Je nach Tageszeit sind neben PCs und Laptops auch Tablets, Smartphones, Fernseher und Spielkonsolen mit dieser Bewegung verbunden. Der durchschnittliche Haushalt hat mehr als fünf Geräte, die per WLAN mit dem Internet verbunden sind, Tendenz steigend. Mit der Geschwindigkeit von 11 Mbit/s, die unter dem Hauptstandard IEEE 802.11b bereitgestellt wird, erfordert das Surfen im Internet und das Herunterladen von Daten viel Geduld, da der Router nur mit einem Gerät gleichzeitig verbunden sein kann. Wenn die Funkkommunikation von drei Geräten gleichzeitig genutzt wird, erhält jeder Client nur ein Drittel der Dauer der Kommunikationssitzung, und zwei Drittel der Zeit werden mit Warten verbracht. Die neusten WLANs nach IEEE 802.11ac bieten zwar Datenraten von bis zu 1 Gbit/s, haben aber auch das Problem von Geschwindigkeitseinbrüchen durch Warteschlangen. Aber schon die nächste Gerätegeneration (802.11ac Wave 2) verspricht mehr Leistung für Funknetze mit mehreren aktiven Geräten.

Um das Wesen der Innovation besser zu verstehen, sollten Sie sich zunächst ins Gedächtnis rufen, welche Veränderungen sich bei WLAN-Netzwerken in der jüngeren Vergangenheit ergeben haben. Eine der effektivsten Möglichkeiten, die Datenrate ausgehend vom Standard IEEE 802.1In zu erhöhen, ist die MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output: Mehrkanaleingang - Mehrkanalausgang). Dabei werden mehrere Funkantennen zur parallelen Übertragung von Datenströmen verwendet. Wird beispielsweise eine Videodatei über ein WLAN übertragen und ein MIMO-Router mit drei Antennen verwendet, sendet jeder Sender idealerweise (wenn der Empfänger drei Antennen hat) ein Drittel der Datei.

Steigende Kosten mit jeder Antenne

Im Standard IEEE 802.11n erreicht die maximale Datenrate für jeden einzelnen Stream zusammen mit dem Overhead 150 Mbit/s. Geräte mit vier Antennen sind somit in der Lage, Daten mit bis zu 600 Mbit/s zu übertragen. Der aktuelle Standard IEEE 802.11ac kommt theoretisch auf etwa 6900 MBit/s. Neben breiten Funkkanälen und verbesserter Modulation sieht der neue Standard die Nutzung von bis zu acht MIMO-Streams vor.

Doch allein die Erhöhung der Antennenanzahl garantiert noch keine mehrfache Beschleunigung der Datenübertragung. Umgekehrt steigt mit vier Antennen der Overhead stark an, und der Prozess zum Erkennen von Funkkollisionen wird auch teurer. Um die Verwendung von mehr Antennen zu rechtfertigen, wird die MIMO-Technologie weiter verbessert. Der Unterscheidung halber ist es korrekter, das frühere MIMO Single-User-MIMO (Single User MIMO) zu nennen. Es ermöglicht zwar die gleichzeitige Übertragung mehrerer räumlicher Ströme, wie bereits erwähnt, jedoch immer nur an einer Adresse. Ein solcher Nachteil wird nun mit Hilfe von Multi-User-MIMO beseitigt. Mit dieser Technologie können WLAN-Router gleichzeitig ein Signal an vier Clients übertragen. Ein Gerät mit acht Antennen kann beispielsweise vier zur Versorgung eines Laptops nutzen und parallel dazu zwei weitere – ein Tablet und ein Smartphone.

MIMO - genaues Richtungssignal

Damit ein Router WLAN-Pakete gleichzeitig an verschiedene Clients weiterleiten kann, muss er wissen, wo sich die Clients befinden. Dazu werden zunächst Testpakete in alle Richtungen gesendet. Clients antworten auf diese Pakete und die Basisstation speichert Daten zur Signalstärke. Die Beamforming-Technologie ist einer der wichtigsten Helfer von MU MIMO. Obwohl es bereits vom IEEE 802.11n-Standard unterstützt wird, wurde es in IEEE 802.11ac verbessert. Seine Essenz läuft darauf hinaus, die optimale Richtung für das Senden eines Funksignals an Clients festzulegen. Die Basisstation stellt für jedes Funksignal spezifisch die optimale Richtwirkung der Sendeantenne ein. Für den Multi-User-Modus ist es besonders wichtig, den optimalen Signalpfad zu finden, da die Änderung des Standorts nur eines Clients alle Übertragungswege ändern und den Durchsatz des gesamten WLAN-Netzwerks stören kann. Daher wird alle 10 ms eine Kanalanalyse durchgeführt.

Im Vergleich dazu analysiert Single-User-MIMO nur alle 100 ms. Multi-User-MIMO kann vier Clients gleichzeitig bedienen, wobei jeder Client bis zu vier Datenströme parallel empfängt, also insgesamt 16 Streams. Dieses Multi-User-MIMO erfordert neue WLAN-Router, da der Bedarf an Rechenleistung wächst.

Eines der größten Probleme bei Multi-User-MIMO ist die Client-zu-Client-Interferenz. Obwohl häufig eine Kanalüberlastung gemessen wird, reicht dies nicht aus. Gegebenenfalls werden einige Frames bevorzugt, während andere dagegen eingehalten werden. Dazu verwendet 802.11ac verschiedene Warteschlangen, die unterschiedliche Geschwindigkeit Verarbeitung in Abhängigkeit von der Art des Datenpakets durchführen, wobei beispielsweise Videopakete bevorzugt werden.

9. April 2014

Einmal wurde die IR-Verbindung irgendwie leise und unmerklich verlassen, dann hörten sie auf, Bluetooth für den Datenaustausch zu verwenden. Und jetzt ist WLAN an der Reihe...

Ein Mehrbenutzersystem mit mehreren Ein- und Ausgängen wurde entwickelt, wodurch das Netzwerk mit mehr als einem Computer gleichzeitig kommunizieren kann. Die Entwickler behaupten, dass bei Verwendung der gleichen Reichweite von Funkwellen, die für Wi-Fi zugewiesen sind, der Wechselkurs verdreifacht werden kann.

Qualcomm Atheros hat ein Multi-User-Multiple-In/Out-System (MU-MIMO) entwickelt, das es einem Netzwerk ermöglicht, mit mehr als einem Computer gleichzeitig zu kommunizieren. Das Unternehmen plant, in den nächsten Monaten mit der Demonstration der Technologie zu beginnen, bevor sie Anfang nächsten Jahres an Kunden ausgeliefert wird.

Um diese hohe Geschwindigkeit zu erreichen, müssen Benutzer jedoch sowohl ihre Computer als auch ihre Netzwerkrouter aufrüsten.

Beim Wi-Fi-Protokoll werden Clients sequentiell bedient – ​​es wird nur ein Sende- und Empfangsgerät für einen bestimmten Zeitraum verwendet – sodass nur ein kleiner Teil der Netzwerkbandbreite genutzt wird.

Die Häufung dieser aufeinanderfolgenden Ereignisse führt zu einem Rückgang des Wechselkurses, da sich immer mehr Geräte mit dem Netzwerk verbinden.

Das MU-MIMO-Protokoll (Multi-User, Multiple Input, Multiple Output) ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Informationen an eine Gruppe von Clients, wodurch die verfügbare WLAN-Netzwerkbandbreite effizienter genutzt und dadurch die Übertragung beschleunigt wird.

Qualcomm glaubt, dass solche Funktionen besonders nützlich für Konferenzzentren und Internetcafés sind, wenn sich mehrere Benutzer mit demselben Netzwerk verbinden.

Das Unternehmen glaubt auch, dass es nicht nur um die Erhöhung der absoluten Geschwindigkeit geht, sondern auch um eine effizientere Nutzung des Netzwerks und der Sendezeit, um eine wachsende Zahl verbundener Geräte, Dienste und Anwendungen zu unterstützen.

Qualcomm plant, MU-Mimo-Chips an Hersteller von Routern, Access Points, Smartphones, Tablets und anderen Wi-Fi-fähigen Geräten zu verkaufen. Die ersten Chips werden mit vier Datenströmen gleichzeitig arbeiten können; Technologieunterstützung wird in Atheros 802.11ac-Chips und enthalten sein mobile Prozessoren Snapdragon 805 und 801. Die Demonstration der Technologie findet noch in diesem Jahr statt, und die ersten Lieferungen von Chips sind für das 1. Quartal des nächsten Jahres geplant.

Nun, wer sich nun eingehender mit dieser Technologie befassen möchte, wir machen weiter ...

MIMO(Multiple Input Multiple Output - Multiple Input Multiple Output) ist eine Technologie, die in drahtlosen Kommunikationssystemen (WIFI, WI-MAX, Mobilfunknetze) verwendet wird und die spektrale Effizienz des Systems, die maximale Datenübertragungsrate und die Netzwerkkapazität erheblich verbessern kann. Der Hauptweg, um die oben genannten Vorteile zu erzielen, besteht darin, Daten von der Quelle zum Ziel über mehrere Funkverbindungen zu übertragen, woher die Technologie ihren Namen hat. Betrachten Sie die Hintergrundgeschichte dieses Problem, und bestimmen Sie die Hauptgründe für die weite Verbreitung der MIMO-Technologie.

Der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsverbindungen, die eine hohe Servicequalität (QoS) mit hoher Fehlertoleranz bieten, wächst von Jahr zu Jahr. Dies wird weitgehend durch das Aufkommen von Diensten wie VoIP (Voice over Internet Protocol), Videokonferenzen, VoD (Video on Demand) usw. erleichtert. Die meisten drahtlosen Technologien bieten den Teilnehmern jedoch keine qualitativ hochwertigen Dienste am Rand der Abdeckung Bereich. In zellularen und anderen drahtlosen Kommunikationssystemen sinkt die Qualität der Verbindung sowie die verfügbare Datenrate schnell mit der Entfernung von der Basisstation (BTS). Damit einhergehend nimmt auch die Qualität der Dienste ab, was letztlich dazu führt, dass Echtzeitdienste nicht mehr bereitgestellt werden können hohe Qualitätüber die gesamte Funkabdeckung des Netzwerks. Um dieses Problem zu lösen, können Sie versuchen, die Basisstationen so dicht wie möglich zu installieren und die interne Abdeckung an allen Orten mit niedrigem Signalpegel zu organisieren. Dies erfordert jedoch erhebliche finanzielle Kosten, die letztendlich zu einer Erhöhung der Kosten des Dienstes und einer Verringerung der Wettbewerbsfähigkeit führen werden. Um dieses Problem zu lösen, ist daher eine originelle Innovation erforderlich, die möglichst den aktuellen Frequenzbereich nutzt und keine Errichtung neuer Netzeinrichtungen erfordert.

Merkmale der Ausbreitung von Funkwellen

Um die Funktionsprinzipien der MIMO-Technologie zu verstehen, müssen die allgemeinen Prinzipien der Ausbreitung von Funkwellen im Weltraum betrachtet werden. Wellen, die von verschiedenen drahtlosen Funksystemen im Bereich über 100 MHz ausgesendet werden, verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie Lichtstrahlen. Treffen Funkwellen bei der Ausbreitung auf eine Oberfläche, so wird je nach Material und Größe des Hindernisses ein Teil der Energie absorbiert, ein Teil durchgelassen und der Rest reflektiert. Das Verhältnis der Anteile der absorbierten, reflektierten und transmittierten Energieanteile wird von vielen äußeren Faktoren beeinflusst, darunter auch von der Frequenz des Signals. Außerdem können die reflektierten und durchgelassenen Signalenergien die Richtung ihrer weiteren Ausbreitung ändern, und das Signal selbst wird in mehrere Wellen aufgeteilt.

Das Signal, das sich gemäß den obigen Gesetzen von der Quelle zum Empfänger ausbreitet, nachdem es auf zahlreiche Hindernisse gestoßen ist, wird in viele Wellen aufgeteilt, von denen nur ein Teil den Empfänger erreicht. Jede der den Empfänger erreichenden Wellen bildet einen sogenannten Signalausbreitungsweg. Darüber hinaus aufgrund der Tatsache, dass unterschiedliche Wellen von einer unterschiedlichen Anzahl von Hindernissen reflektiert werden und passieren unterschiedlichen Abstand haben unterschiedliche Pfade unterschiedliche Zeitverzögerungen.

In einer dichten städtischen Umgebung kommt es aufgrund einer großen Anzahl von Hindernissen wie Gebäuden, Bäumen, Autos usw. sehr oft zu einer Situation, in der es eine Situation zwischen der Teilnehmerausrüstung (MS) und den Antennen gibt Basisstation(BTS) keine Sichtlinie. In diesem Fall kann das Signal des Empfängers nur durch reflektierte Wellen erreicht werden. Wie oben erwähnt, hat das wiederholt reflektierte Signal jedoch nicht mehr die anfängliche Energie und kann mit einer Verzögerung ankommen. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich auch dadurch, dass Objekte nicht immer stationär bleiben und sich die Situation im Laufe der Zeit stark verändern kann. In dieser Hinsicht entsteht das Problem der Mehrwege-Signalausbreitung – eines der signifikantesten Probleme in drahtlosen Kommunikationssystemen.

Mehrwegeausbreitung - Problem oder Vorteil?

Um Mehrwegsignalausbreitung zu bekämpfen, werden mehrere unterschiedliche Lösungen verwendet. Eine der gebräuchlichsten Technologien ist Receive Diversity – Diversity-Empfang. Sein Wesen liegt in der Tatsache, dass nicht eine, sondern mehrere Antennen (normalerweise zwei, seltener vier) verwendet werden, um das Signal zu empfangen, die sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden. Der Empfänger hat also nicht eine, sondern zwei Kopien des übertragenen Signals, die auf unterschiedlichen Wegen angekommen sind. Dadurch ist es möglich, mehr Energie aus dem ursprünglichen Signal zu gewinnen, da Wellen, die von einer Antenne empfangen werden, können von einer anderen nicht empfangen werden und umgekehrt. Außerdem können Signale, die an einer Antenne phasenverschoben ankommen, an der anderen in Phase ankommen. Dieses Funkschnittstellen-Organisationsschema kann als Single Input Multiple Output (SIMO) bezeichnet werden, im Gegensatz zu dem standardmäßigen Single Input Single Output (SISO)-Schema. Auch der umgekehrte Ansatz kann angewendet werden: wenn mehrere Antennen zum Senden und eine zum Empfangen verwendet werden. Dies erhöht auch die Gesamtenergie des vom Empfänger empfangenen Originalsignals. Dieses Schema wird Multiple Input Single Output (MISO) genannt. Bei beiden Schemata (SIMO und MISO) sind mehrere Antennen auf der Seite der Basisstation installiert, da Antennendiversity realisieren in Mobilgerätüber eine ausreichend lange Distanz ist schwierig, ohne die Abmessungen der Endgeräte selbst zu erhöhen.

Als Ergebnis weiterer Überlegungen gelangen wir zum MIMO-Schema (Multiple Input Multiple Output). Dabei werden mehrere Antennen zum Senden und Empfangen verbaut. Im Gegensatz zu den obigen Schemata ermöglicht dieses Diversity-Schema jedoch nicht nur, sich mit der Mehrwege-Signalausbreitung zu befassen, sondern auch einige davon zu erhalten Zusätzliche Vorteile. Durch die Verwendung mehrerer Sende- und Empfangsantennen kann jedem Sende-/Empfangsantennenpaar ein separater Pfad zum Übertragen von Informationen zugewiesen werden. In diesem Fall wird der Diversity-Empfang von den verbleibenden Antennen durchgeführt, und diese Antenne dient auch als zusätzliche Antenne für andere Übertragungswege. Dadurch ist es theoretisch möglich, die Datenrate um ein Vielfaches zu erhöhen, wie viele zusätzliche Antennen verwendet werden. Jedoch wird durch die Qualität jedes Funkpfades eine erhebliche Einschränkung auferlegt.

Wie MIMO funktioniert

Wie oben erwähnt, erfordert die Organisation der MIMO-Technologie die Installation mehrerer Antennen auf der Sende- und Empfangsseite. Üblicherweise wird am Ein- und Ausgang des Systems eine gleiche Anzahl von Antennen installiert, da in diesem Fall wird die maximale Datenübertragungsrate erreicht. Um die Anzahl der Antennen beim Empfang und Senden darzustellen, wird neben dem Namen der MIMO-Technologie meist die Bezeichnung „AxB“ genannt, wobei A die Anzahl der Antennen am Eingang des Systems und B die Anzahl am Ausgang ist . Das System bezieht sich in diesem Fall auf die Funkverbindung.

Damit die MIMO-Technologie funktioniert, sind einige Änderungen im Aufbau des Senders gegenüber herkömmlichen Systemen erforderlich. Betrachten wir nur eine der möglichen und einfachsten Möglichkeiten, die MIMO-Technologie zu organisieren. Zunächst wird auf der Sendeseite ein Stromteiler benötigt, der die zu übertragenden Daten in mehrere langsame Teilströme aufteilt, deren Anzahl von der Anzahl der Antennen abhängt. Bei MIMO 4x4 und einer Eingangsdatenrate von 200 Mbit/s erstellt der Teiler beispielsweise 4 Streams mit jeweils 50 Mbit/s. Außerdem muss jeder dieser Ströme über seine eigene Antenne gesendet werden. Typischerweise werden Sendeantennen mit einer gewissen räumlichen Trennung aufgestellt, um so viele Störsignale wie möglich zuzulassen, die aus Mehrwegesignalen resultieren. Bei einer der möglichen Organisationsformen der MIMO-Technologie wird das Signal von jeder Antenne mit einer anderen Polarisation gesendet, was es ermöglicht, es beim Empfang zu identifizieren. Im einfachsten Fall erweist sich jedoch jedes der übertragenen Signale als durch das Übertragungsmedium selbst gekennzeichnet (Zeitverzögerung, Dämpfung und andere Verzerrungen).

Auf der Empfangsseite empfangen mehrere Antennen ein Signal vom Radio. Darüber hinaus sind die Antennen auf der Empfangsseite auch mit einer gewissen räumlichen Diversität installiert, wodurch der früher diskutierte Diversity-Empfang bereitgestellt wird. Die empfangenen Signale werden Empfängern zugeführt, deren Anzahl der Anzahl der Antennen und Übertragungswege entspricht. Darüber hinaus empfängt jeder der Empfänger Signale von allen Antennen des Systems. Jeder dieser Addierer extrahiert aus dem Gesamtfluss nur die Signalenergie des Pfades, für den er verantwortlich ist. Er tut dies entweder nach einem bestimmten Vorzeichen, mit dem jedes der Signale ausgestattet war, oder aufgrund der Analyse von Verzögerung, Dämpfung, Phasenverschiebung, d.h. eine Reihe von Verzerrungen oder "Fingerabdruck" des Verbreitungsmediums. Je nach Funktionsweise des Systems (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC), etc.) kann das gesendete Signal nach einer gewissen Zeit wiederholt oder mit einer leichten Verzögerung über andere Antennen übertragen werden.

In einem System mit MIMO-Technologie kann es zu einem ungewöhnlichen Phänomen kommen, dass die Datenrate im MIMO-System sinken kann, wenn zwischen Signalquelle und Empfänger eine Sichtverbindung besteht. Dies ist in erster Linie auf eine Verringerung der Schwere der Verzerrungen des umgebenden Raums zurückzuführen, der jedes der Signale kennzeichnet. Dadurch wird es auf der Empfangsseite problematisch, die Signale zu trennen, und sie beginnen sich gegenseitig zu beeinflussen. Je höher also die Qualität der Funkverbindung ist, desto geringer ist der Nutzen von MIMO.

Mehrbenutzer-MIMO (MU-MIMO)

Das obige Prinzip der Organisation der Funkkommunikation bezieht sich auf das sogenannte Single User MIMO (SU-MIMO), bei dem es nur einen Sender und einen Empfänger von Informationen gibt. In diesem Fall können sowohl Sender als auch Empfänger ihre Aktionen klar aufeinander abstimmen und gleichzeitig gibt es keinen Überraschungsfaktor, wenn neue Benutzer auf Sendung gehen können. Ein solches Schema eignet sich gut für kleine Systeme, beispielsweise um die Kommunikation zwischen zwei Geräten im Home Office zu organisieren. Die meisten Systeme, wie WI-FI, WIMAX, zellulare Kommunikationssysteme wiederum sind Mehrbenutzer-, d. h. Sie haben ein einziges Zentrum und mehrere entfernte Objekte, mit denen jeweils eine Funkverbindung organisiert werden muss. Damit ergeben sich zwei Probleme: Einerseits muss die Basisstation ein Signal an viele Teilnehmer über das gleiche Antennensystem senden (MIMO-Broadcast) und gleichzeitig ein Signal über die gleichen Antennen von mehreren Teilnehmern empfangen (MIMO MAC - Multiple Access-Kanäle).

In der Uplink-Richtung – von MS zu BTS – übertragen Benutzer ihre Informationen gleichzeitig auf derselben Frequenz. In diesem Fall ergibt sich für die Basisstation eine Schwierigkeit: Es ist notwendig, die Signale von verschiedenen Teilnehmern zu trennen. Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, ist auch das lineare Verarbeitungsverfahren, bei dem das gesendete Signal vorcodiert wird. Das ursprüngliche Signal wird gemäß diesem Verfahren mit einer Matrix multipliziert, die aus Koeffizienten zusammengesetzt ist, die Störungen von anderen Teilnehmern widerspiegeln. Die Matrix wird basierend auf der aktuellen Situation in der Luft zusammengestellt: Anzahl der Abonnenten, Übertragungsgeschwindigkeiten usw. Somit wird das Signal vor der Übertragung einer Verzerrung unterzogen, die umgekehrt zu der ist, der es während der Funkübertragung begegnet.

Beim Downlink – der Richtung von BTS zu MS – überträgt die Basisstation Signale gleichzeitig auf demselben Kanal an mehrere Teilnehmer gleichzeitig. Dies führt dazu, dass das für einen Teilnehmer gesendete Signal den Empfang aller anderen Signale beeinflusst, d.h. Störungen auftreten. Mögliche Optionen, um diesem Problem zu begegnen, sind der Einsatz von Smart Antena oder der Einsatz von Dirty-Paper-Codierungstechnologie („Dirty Paper“). Werfen wir einen genaueren Blick auf die schmutzige Papiertechnologie. Das Funktionsprinzip basiert auf der Analyse des aktuellen Zustands des Radios und der Anzahl aktiver Abonnenten. Der einzige (erste) Teilnehmer überträgt seine Daten unverschlüsselt an die Basisstation, verändert seine Daten, weil. es gibt keine Störungen durch andere Teilnehmer. Der zweite Teilnehmer verschlüsselt, d.h. die Energie seines Signals ändern, um das erste nicht zu stören und sein Signal nicht von Anfang an zu beeinflussen. Auch nachfolgende Teilnehmer, die dem System hinzugefügt werden, folgen diesem Prinzip, basierend auf der Anzahl der aktiven Teilnehmer und der Wirkung der von ihnen gesendeten Signale.

Anwendung von MIMO

Die MIMO-Technologie ist in den letzten zehn Jahren eine der relevantesten Möglichkeiten, den Durchsatz und die Kapazität von drahtlosen Kommunikationssystemen zu erhöhen. Betrachten Sie einige Beispiele für die Verwendung von MIMO in verschiedene Systeme Verbindungen.

Der Standard WiFi 802.11n ist eines der prominentesten Beispiele für den Einsatz der MIMO-Technologie. Ihm zufolge können Sie damit Geschwindigkeiten von bis zu 300 Mbit / s aufrechterhalten. Außerdem erlaubte der bisherige Standard 802.11g nur 50 MBit/s. Neben der Erhöhung der Datenrate ermöglicht Ihnen der neue Standard dank MIMO auch die Bereitstellung beste Leistung Servicequalität an Orten mit geringer Signalstärke. 802.11n wird nicht nur in Point/Multipoint-Systemen (Point/Multipoint) verwendet – der gängigsten Nische für die Verwendung von WiFi-Technologie zum Organisieren eines LAN (Local Area Network), sondern auch zum Organisieren von Point/Point-Verbindungen, die zum Organisieren von Trunk-Kommunikation verwendet werden Kanäle mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Mbit/s und ermöglicht die Datenübertragung über mehrere zehn Kilometer (bis zu 50 km).

Auch der WiMAX-Standard hat zwei Releases, die den Anwendern mit Hilfe der MIMO-Technologie neue Möglichkeiten eröffnen. Der erste, 802.16e, bietet mobile Breitbanddienste. Damit können Sie Informationen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 40 Mbit/s in Richtung von der Basisstation zum Teilnehmergerät übertragen. MIMO in 802.16e gilt jedoch als Option und wird in der einfachsten Konfiguration verwendet - 2x2. In der nächsten Version gilt 802.16m MIMO als obligatorische Technologie mit einer möglichen 4x4-Konfiguration. In diesem Fall kann WiMAX bereits zugerechnet werden zellulare Systeme Kommunikation, nämlich ihre vierte Generation (aufgrund der hohen Datenübertragungsrate), weil hat eine Reihe von inhärenten Mobilfunknetze Zeichen: Roaming, Handover, Sprechverbindungen. Bei mobiler Nutzung können theoretisch 100 Mbit/s erreicht werden. In der festen Version kann die Geschwindigkeit 1 Gbps erreichen.

Von größtem Interesse ist der Einsatz der MIMO-Technologie in Systemen zellulare Kommunikation. Diese Technologie hat ihre Anwendung seit der dritten Generation von zellularen Kommunikationssystemen gefunden. Beispielsweise im UMTS-Standard, in Rel. 6 wird es in Verbindung mit der HSPA-Technologie mit Unterstützung für Geschwindigkeiten bis zu 20 Mbit/s und in Rel. 7 - mit HSPA+, wo die Datenübertragungsraten 40 Mbit/s erreichen. MIMO hat jedoch keine breite Anwendung in 3G-Systemen gefunden.

Systeme, nämlich LTE, sehen auch die Verwendung von MIMO in Konfigurationen bis zu 8x8 vor. Dies kann es theoretisch ermöglichen, Daten von der Basisstation zum Teilnehmer über 300 Mbps zu übertragen. Ein weiterer wichtiger Pluspunkt ist die stabile Qualität der Verbindung auch am Wabenrand. In diesem Fall wird selbst bei großer Entfernung von der Basisstation oder wenn Sie sich in einem abgelegenen Raum befinden, nur eine leichte Verringerung der Datenübertragungsrate beobachtet.

Somit findet die MIMO-Technologie Anwendung in fast allen drahtlosen Datenübertragungssystemen. Und sein Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft. Neue Antennenkonfigurationsoptionen werden bereits entwickelt, bis hin zu 64x64 MIMO. Dadurch können in Zukunft noch höhere Datenraten, Netzkapazitäten und spektrale Effizienz erreicht werden.