Огляди роутерів із технологією mu mimo. Технологія передачі даних MIMO у бездротових мережах WIFI

Одне з найважливіших і найважливіших нововведень Wi-Fi за минулі 20 років – технологія Multi User – Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). MU-MIMO розширює функціональність нового оновлення бездротового стандарту 802.11ac "Wave 2". Безумовно, це величезний прорив для бездротового зв'язку. Ця технологія допомагає збільшити максимальну теоретичну швидкість бездротового з'єднаннявід 3,47 Гбіт/с в оригінальній специфікації стандарту 802.11ac до 6,93 Гбіт/с в оновленні стандарту 802.11ac Wave 2. Це одна з найскладніших функціональностей Wi-Fi на сьогоднішній день.

Давайте розберемося як це працює!

Технологія MU-MIMO підвищує планку за рахунок дозволу кільком пристроям приймати кілька потоків даних.Вона базується на однокористувацькій технології MIMO (SU-MIMO), яка була представлена ​​майже 10 років тому зі стандартом 802.11n.

SU-MIMO збільшує швидкість Wi-Fi-з'єднання, дозволяючи парі бездротових пристроїв одночасно приймати або надсилати кілька потоків даних.

Рисунок 1. Технологія SU-MIMO надає багатоканальні вхідні та вихідні потоки одному пристрої одночасно. Технологія MU-MIMO забезпечує одночасний зв'язок із декількома пристроями.

Насправді, революційні зміни для Wi-Fi забезпечують дві технології. Перша з цих технологій, звана beamforming, дозволяє Wi-Fi-маршрутизаторам і точкам доступу ефективніше використовувати радіоканали. До появи цієї технології Wi-Fi-маршрутизатори та точки доступу працювали як електричні лампочки, надсилаючи сигнал у всіх напрямках. Проблема полягала в тому, щоНефокусований сигнал обмеженої потужності важко дістатися до клієнтських Wi-Fi-пристроїв.

За допомогою технології beamforming Wi-Fi-маршрутизатор або точка доступу обмінюється з клієнтським пристроєм інформацією про місцезнаходження. Потім маршрутизатор змінює свою фазу і потужність формування кращого сигналу. Як результат: більш ефективно використовуються радіосигнали, прискорюється передача даних та, можливо, збільшується максимальна дистанція з'єднання.

Можливості beamforming розширюються. Досі Wi-Fi-маршрутизатори або точки доступу були по своїй суті однозадачними, надсилаючи або приймаючи дані тільки від одного клієнтського пристрою одночасно. У ранніх версіях сімейства стандартів бездротової передачіданих 802.11, включаючи стандарт 802.11n і першу версію стандарту 802.11ac, існувала можливість одночасного прийому або передачі кількох потоків даних, але досі не існувало методу, що дозволяє Wi-Fi-маршрутизатору або точці доступу в один і той же час спілкуватися одночасно з кількома клієнтами. Відтепер за допомогою MU-MIMO така можливість з'явилася.

Це дійсно великий прорив, оскільки можливість одночасної передачі даних одразу кільком клієнтським пристроям значно розширює доступну смугу пропускання для бездротових клієнтів. Технологія MU-MIMO просуває бездротові мережі від старого способу CSMA-SD, коли в один і той же час обслуговувалося тільки один пристрій, до системи, де відразу кілька пристроїв можуть одночасно говорити. Для більшої наочності прикладу, уявіть собі перехід від односмугової путівки до широкої автомагістралі

Сьогодні бездротові маршрутизатори та точки доступу другого покоління стандарту 802.11ac Wave 2 активно завойовують ринок. Кожен, хто розгортає Wi-Fi, розуміти специфіку роботи технології MU-MIMO. Пропонуємо до вашої уваги 13 фактів, які прискорять ваше навчання у цьому напрямку.

1. MU-MIMO використовує лише"Downstream" потік (від точки доступу до мобільного пристрою).

На відміну від SU-MIMO, технологія MU-MIMO в даний час працює лише дляпередачі даних від точки доступу до мобільного пристрою. Тільки бездротові маршрутизатори або точки доступу можуть одночасно передавати дані декільком користувачам, будь то один або кілька потоків для кожного з них. Самі ж бездротові пристрої (такі, як смартфони, планшети або ноутбуки), як і раніше, повинні по черзі спрямовувати дані до бездротового маршрутизатора або точки доступу, хоча при цьому при настанні їх черги вони окремо можуть використовувати технологію SU-MIMO для передачі кількох потоків.

Технологія MU-MIMO буде особливо корисною у тих мережах, де користувачі більше завантажують дані, ніж завантажують.

Можливо, у майбутньому буде реалізовано версію технології Wi-Fi: 802.11ax, де метод MU-MIMO буде застосовано і для «Upstream» трафіку.

2. MU-MIMO працює лише у Wi-Fi-діапазоні частот 5 ГГц

Технологія SU-MIMO працює як у діапазоні частот 2,4 ГГц, і 5 ГГц. Бездротові роутери та точки доступу другого покоління стандарту 802.11ac Wave 2 можуть одночасно обслуговувати декілька користувачів лише на смузі частот 5 ГГц. З одного боку, звичайно, шкода, що на більш вузькій і перевантаженій смузі частот 2,4 ГГц ми не зможемо використовувати нову технологію. Але, з іншого боку, на ринку з'являється дедалі більше дводіапазонних бездротових пристроїв, що підтримують технологію MU-MIMO, які ми можемо використовувати для розгортання продуктивних корпоративних Wi-Fi-мереж.

3. Технологія Beamforming допомагає надсилати сигнали

У літературі СРСР можна зустріти поняття Фазована Антена Решітка, яка була розроблена для військових радарів наприкінці 80-х. Аналогічна технологія була застосована у сучасному Wi-Fi. MU-MIMO використовує технологію формування спрямованого сигналу (в англомовній технічній літературі відомої як beamforming). Beamfiorming дозволяє спрямовувати сигнали у напрямку передбачуваного розташування бездротового пристрою (або пристроїв), а не надсилати їх випадковим чином у всіх напрямках. Таким чином виходить сфокусувати сигнал і суттєво збільшити дальність дії та швидкість роботи Wi-Fi-з'єднання.

Хоча технологія beamforming стала опціонально доступною ще зі стандартом 802.11n, проте більшість виробників реалізовували свої пропрієтарні версії цієї технології. Ці вендори і зараз пропонують пропрієтарні реалізації технології у своїх пристроях, але тепер їм доведеться включити хоча б спрощену та стандартизовану версію технології формування направленого сигналу, якщо вони хочуть підтримувати технологію MU-MIMO у своїй продуктовій лінійці стандарту 802.11ac.

4. MU-MIMO підтримує обмежену кількість одночасних потоків та пристроїв

На превеликий жаль, маршрутизатори або точки доступу з реалізованою технологією MU-MIMO не можуть одночасно обслуговувати необмежену кількість потоків та пристроїв. Маршрутизатор або точка доступу мають власне обмеження на кількість потоків, які вони обслуговують (часто це 2, 3 або 4 потоки), і кількість просторових потоків також обмежує кількість пристроїв, які точка доступу може одночасно обслужити. Так, точка доступу з підтримкою чотирьох потоків може одночасно обслуговувати чотири різні пристрої, або, наприклад, один потік направити до одного пристрою, а три інших потоки агрегувати на інший пристрій (збільшивши швидкість від об'єднання каналів).

5. Від користувальницьких пристроїв не вимагається наявність кількох антен

Як і у випадку з SU-MIMO, лише бездротові пристрої з вбудованою підтримкою MU-MIMO можуть агрегувати потоки (швидкість). Але, на відміну від ситуації з технологією SU-MIMO, бездротовим пристроям не обов'язково потрібно мати кілька антен, щоб приймати MU-MIMO потоки від бездротових маршрутизаторів і точок доступу. Якщо бездротовий пристрійоснащено лише однією антеною, воно може прийнятиТільки один MU-MIMO-потік даних від точки доступу, використовуючи beamforming для поліпшення прийому.

Більша кількість антен дозволить бездротовому власному пристрої приймати більшу кількість потоків даних одночасно (зазвичай з розрахунку один потік на одну антену), що, безумовно, позитивно позначиться на продуктивності цього пристрою. Однак, наявність кількох антен у користувача пристрою негативно позначається на споживаній потужності та розмірі цього виробу, що критично для смартфонів.

Однак технологія MU-MIMO пред'являє менші апаратні вимоги до клієнтських пристроїв, ніж обтяжлива в технічному плані технологія SU-MIMO, то можна з упевненістю припустити, що виробники набагато охочіше оснащуватимуть своїноутбуки та планшети підтримкою технології MU-MIMO.

6. Точки доступу виконують «важку» обробку

Прагнучи спрощення вимог до пристроїв кінцевих користувачів, розробники технології MU-MIMO постаралися перекласти на точки доступу більшу частину роботи з обробки сигналу. Це ще один крок уперед у порівнянні з технологією SU-MIMO, де тягар з обробки сигналу здебільшого лежав на пристроях. І знову ж таки, це допоможе виробникам клієнтських пристроїв економити на потужності, розмірі та інших витратах при виробництві своїх продуктових рішень з підтримкою MU-MIMO, що має дуже позитивно позначитися на популяризації цієї технології.

7. Навіть бюджетні пристрої отримують відчутну вигоду від одночасної передачі через кілька просторових потік

Подібно до агрегації каналів у мережі Ethernet (802.3ad і LACP), об'єднання потоків 802.1ac не збільшує швидкість з'єднання «точка-точка». Тобто. якщо ви єдиний користувач і у Вас запущена лише одна програма - ви задіяєте лише 1 просторовий потік.

Однак існує можливість збільшитизагальну пропускну спроможність мережі за рахунок надання можливості з обслуговування точкою доступу декількох пристроїв одночасно.

Але якщо всі використовувані у вашій мережі пристрої підтримують роботу тільки з одним потоком, то MU-MIMO дозволить вашій точці доступу обслуговувати одночасно до трьох пристроїв, замість одного за раз, у той час як іншим(просунутішим) користувачам пристроїв доведеться чекати своєї черги.

8. Деякі пристрої користувача мають приховану підтримку технології MU-MIMO

Незважаючи на те, що в даний час все ще не так багато маршрутизаторів, точок доступу або мобільних пристроїв підтримують MU-MIMO, у компанії-виробнику Wi-Fi-чіпів стверджують, що частина виробників у своєму виробничому процесі врахувала апаратні вимоги для підтримки нової технології для деяких пристроїв для кінцевих користувачів ще кілька років тому. Для таких пристроїв відносно просте оновлення програмного забезпеченнядодасть підтримку технології MU-MIMO, що також має прискорити популяризацію та розповсюдження технології, а також стимулювати компанії та організації модернізувати свої корпоративні бездротові мережі за допомогою обладнання з підтримкою стандарту 802.11ac.

9. Пристрої без підтримки MU-MIMO також опиняються у виграші

Незважаючи на те, що Wi-Fi-пристрої обов'язково повинні мати підтримку MU-MIMO для того, щоб використовувати цю технологію, навіть ті клієнтські пристрої, які такою підтримкою не мають, можуть отримати непряму вигоду від роботи в бездротовій мережі, де маршрутизатор або Точки доступу підтримують технологію MU-MIMO. Слід пам'ятати, що швидкість передачі даних мережі безпосередньо залежить від загального часу, протягом якого абонентські пристрої підключені до радіоканалу. І якщо технологія MU-MIMO дозволить обслуговувати частину пристроїв швидше, це означає, що у точок доступу в такій мережі залишиться більше часу на обслуговування інших клієнтських пристроїв.

10. MU-MIMO допомагає збільшити пропускну спроможність бездротової мережі

Коли ви збільшуєте швидкість Wi-Fi-з'єднання, ви також збільшуєте пропускну здатність бездротової мережі. Так як пристрої обслуговуються швидше, то у мережі з'являється більше ефірного часу обслуговування більшої кількості клієнтських пристроїв. Таким чином, технологія MU-MIMO може значно оптимізувати роботу бездротових мереж з інтенсивним трафіком або великою кількістю підключених пристроїв, як-от громадські Wi-Fi-мережі. Це чудова новина, оскільки кількість смартфонів та інших мобільних пристроїв із можливістю підключення до Wi-Fi-мережі, швидше за все, продовжить збільшуватися.

11. Підтримується будь-яка ширина каналу

Одним із способів розширення пропускної здатності Wi-Fi-каналу є зв'язування каналів, коли об'єднуються два сусідніх каналув один канал, який вдвічі ширший, що фактично подвоює швидкість Wi-Fi-з'єднання між пристроєм та точкою доступу. Стандарт 802.11n передбачав підтримку каналів шириною до 40 МГц, в оригінальній специфікації стандарту 802.11ac ширина каналу, що підтримується, була збільшена до 80 МГц. В оновленому стандарті 802.11ac Wave 2 підтримуються канали шириною 160 МГц.

Рисунок 3. На сьогоднішній день стандарт 802.11ac підтримує канали шириною до 160 МГц у діапазоні частот 5 ГГц

Однак, не слід забувати, що використання бездротової мережі каналів більшої ширини збільшує ймовірність виникнення перешкод у суміщених каналах. Тому такий підхід не завжди буде правильним виборомдля розгортання всіх без винятку Wi-Fi-мереж. Тим не менш, технологія MU-MIMO, як ми можемо переконатися, може бути використана для каналів будь-якої ширини.

Проте навіть якщо ваша бездротова мережа використовує більш вузькі канали шириною 20 МГц або 40 МГц, технологія MU-MIMO все одно може допомогти їй працювати швидше. А ось наскільки швидше, залежатиме від того, скільки необхідно буде обслуговувати клієнтських пристроїв і скільки потоків кожен із цих пристроїв підтримує. Таким чином, використання технології MU-MIMO навіть без широких зв'язаних каналів може більш ніж удвічі збільшити пропускну здатність бездротового вихідного з'єднання для кожного пристрою.

12. Обробка сигналів підвищує безпеку

Цікавим побічним ефектом технології MU-MIMO є те, що маршрутизатор або точка доступу шифрує дані перед відправкою через радіоканали.Досить важко декодувати дані, що передаються з використанням технології MU-MIMO, тому що не зрозуміло, яка частина коду в якому просторовому потоці знаходиться. Хоча згодом можуть бути розроблені спеціальні інструменти, що дозволяють іншим пристроям перехоплювати трафік, що передається, на сьогоднішній день технологія MU-MIMO ефективно маскує дані від розташованих поблизу пристроїв прослуховування. Таким чином, нова технологія допомагає підвищити безпеку Wi-Fi, що особливо актуально для відкритих бездротових мереж, таких як громадські Wi-Fi-мережі, а також точок доступу, що працюють в персональному режимі або використовують спрощений режим аутентифікації користувачів (Pre-Shared Key , PSK) на базі технологій захисту Wi-Fi-мережі WPA або WPA2.

13. MU-MIMO найкраще підходить для нерухомих Wi-Fi-пристроїв

Також існує одна застереження про технологію MU-MIMO: вона не дуже добре працює з пристроями, що швидко рухаються, так як процес формування спрямованого сигналу за технологією beamforming стає більш складним і менш ефективним. Тому MU-MIMO не зможе забезпечити вам помітну користь для пристроїв, які часто використовують роумінг у вашій корпоративній мережі. Однак, слід розуміти, що ці «проблемні» пристрої ніяк не повинні вплинути ні на MU-MIMO-передачу даних іншим пристроям, які менш рухливі, ні на їх продуктивність.

Підписка на новини

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

■ так □ ні

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

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

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

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

Зростання витрат з кожною антеною

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

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

MIMO – точний спрямований сигнал

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

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

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

April 9th, 2014

Свого часу якось тихо і непомітно пішло ІЧ-з'єднання, потім перестали користуватися Bluetooth для обміну даними. І тепер ось настала черга Wi-Fi...

Розроблена розрахована на багато користувачів система з безліччю входів і виходів, що дозволяє мережі обмінюватися даними з більш ніж одним комп'ютером одночасно. Творці стверджують, що при використанні того самого діапазону радіохвиль, відведеного під Wi-Fi, швидкість обміну може бути потроєна.

Компанія Qualcomm Atheros розробила розраховану на багато користувачів систему з безліччю входів і виходів (протокол MU-MIMO), що дозволяє мережі обмінюватися даними з більш ніж одним комп'ютером одночасно. Компанія планує розпочати демонстрацію технології протягом найближчих кількох місяців, перш ніж розпочати постачання клієнтам на початку наступного року.

Однак, щоб отримати цю високу швидкість обміну, користувачам доведеться оновити і свої комп'ютери та мережні маршрутизатори.

За протоколом Wi-Fi, клієнти обслуговуються послідовно - протягом певного інтервалу часу задіюється лише один пристрій передачі та прийому інформації - так що використовується лише невелика частина пропускної спроможності мережі.

Накопичення цих послідовних подій створює падіння швидкості обміну, оскільки все більше пристроїв підключаються до мережі.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) забезпечує одночасну передачу інформації групі клієнтів, що дає ефективніше використання наявної пропускної спроможності мережі Wi-Fi і цим прискорює передачу.

Qualcomm вважає, що такі можливості будуть особливо корисні конференц-центрам та інтернет-кафе, коли кілька користувачів підключаються до однієї мережі.

У компанії також вважають, що йдеться не тільки про збільшення абсолютної швидкості, але і про більш ефективне використання мережі та ефірного часу для підтримки зростаючої кількості підключених пристроїв, послуг та додатків.

Чіпи MU-Mimo Qualcomm збираються продавати виробникам маршрутизаторів, точок доступу, смартфонів, планшетів та інших пристроїв з підтримкою Wi-Fi. Перші чіпи зможуть працювати одночасно із чотирма потоками даних; підтримка технології буде включена в чіпи Atheros 802.11ac та мобільні процесори Snapdragon 805 та 801. Демонстрація роботи технології відбудеться цього року, і перші поставки чіпів заплановані на 1-й квартал наступного року.

Ну а тепер комусь хочеться докладніше вникнути в цю технологію.

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

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

Особливості поширення радіохвиль

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

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

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

Багатопроменеве поширення – проблема чи перевага?

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

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

Принцип роботи MIMO

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

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

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

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

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

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

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

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

Застосування MIMO

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

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

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

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

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

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