MIMO антенна - что это такое и в чем ее приемущество? MIMO-технология (Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала

MIMO (Multiple Input Multiple Output, многоканальный вход - многоканальный выход) - метод скоординированного использования нескольких радиоантенн в беспроводных сетевых коммуникациях, распространенный в современных домашних широкополосных маршрутизаторах и в сетях сотовой связи LTE и WiMAX.

Как это работает?

Маршрутизаторы Wi-Fi с MIMO-технологией используют те же сетевые протоколы, что и обычные одноканальные. Они обеспечивают более высокую производительность за счет повышения эффективности передачи и приема данных по линии беспроводной связи. В частности, сетевой трафик между клиентами и маршрутизатором организуется в отдельные потоки, передаваемые параллельно, с последующим их восстановлением принимающим устройством.

Технология MIMO может увеличить пропускную способность, диапазон и надежность передачи при высоком риске помех со стороны другого беспроводного оборудования.

Применение в сетях Wi-Fi

Технология MIMO включена в стандарт с версии 802.11n. Ее использование повышает производительность и доступность сетевых соединений по сравнению с обычными маршрутизаторами.

Количество антенн может варьироваться. Например, MIMO 2x2 предусматривает наличие двух антенн и двух передатчиков, способных осуществлять прием и передачу по двум каналам.

Чтобы воспользоваться этой технологией и реализовать ее преимущества, клиентское устройство и маршрутизатор должны установить между собой MIMO-соединение. В документации к используемому оборудованию должно быть указано, поддерживает ли оно такую возможность. Другого простого способа проверить, применяется ли в сетевом соединении данная технология, нет.

SU-MIMO и MU-MIMO

Первое поколение технологии, представленное в стандарте 802.11n, поддерживало однопользовательский (SU) метод. По сравнению с традиционными решениями, когда все антенны маршрутизатора должны координироваться для связи с одним клиентским устройством, SU-MIMO позволяет распределять каждую из них между разным оборудованием.

Многопользовательская (MU) технология MIMO была создана для использования в сетях Wi-Fi 802.11ac на частоте 5 ГГц. Если предыдущий стандарт требовал, чтобы маршрутизаторы управляли своими клиентскими подключениями поочередно (по одному за раз), антенны MU-MIMO могут обеспечивать связь с несколькими клиентами параллельно. улучшает производительность соединений. Однако даже если маршрутизатор 802.11ac имеет необходимую аппаратную поддержку технологии MIMO, есть и другие ограничения:

• поддерживается ограниченное количество одновременных клиентских подключений (2-4) в зависимости от конфигурации антенны;
• координация антенн обеспечивается только в одном направлении - от маршрутизатора до клиента.

MIMO и сотовая связь

Технология используется в разных типах беспроводных сетей. Она все чаще находит применение в сотовой связи (4G и 5G) в нескольких формах:

• Network MIMO - координированная передача сигнала между базовыми станциями;
• Massive MIMO - использование большого количества (сотен) антенн;
• миллиметровые волны - задействование сверхвысокочастотных полос, в которых пропускная способность больше, чем в диапазонах, лицензированных для 3G и 4G.

Многопользовательская технология

Чтобы понять, как работает MU-MIMO, следует рассмотреть, как обрабатывает пакеты данных традиционный беспроводной маршрутизатор. Он хорошо справляется с отправкой и приемом данных, но только в одном направлении. Другими словами, он может поддерживать коммуникацию только с одним устройством одновременно. Например, если загружается видео, то нельзя в то же время транслировать на консоль онлайн-видеоигру.

Пользователь может запускать несколько устройств в сети Wi-Fi, и маршрутизатор очень быстро по очереди переправляет к ним биты данных. Однако в одно и то же время он может обращаться только к одному устройству, что является основной причиной снижения качества соединения, если пропускная способность Wi-Fi слишком низкая.

Поскольку это работает, то внимание на себя обращает мало. Тем не менее эффективность работы маршрутизатора, который передает данные на несколько устройств одновременно, можно повысить. При этом он станет быстрее работать и обеспечит более интересные сетевые конфигурации. Вот почему появились разработки, подобные MU-MIMO, которые в конечном итоге были включены в современные стандарты беспроводной связи. Эти разработки позволяют передовым маршрутизаторам взаимодействовать сразу с несколькими устройствами.

Краткая история: SU против MU

Одно- и многопользовательские MIMO представляют собой разные способы коммуникации маршрутизаторов с несколькими устройствами. Первый из них старше. Стандарт SU разрешал отправку и получение данных сразу по нескольким потокам в зависимости от имеющегося количества антенн, каждая из которых могла работать с различными устройствами. SU был включен в обновление 802.11n 2007 года и начал постепенно внедряться в новые линейки продуктов.

Однако у SU-MIMO были ограничения в дополнение к требованиям к антенне. Хотя может быть подключено несколько устройств, они по-прежнему имеют дело с маршрутизатором, который может работать только с одним за раз. Скорость передачи данных увеличилась, помехи стали меньшей проблемой, но возможностей для улучшения осталось много.

MU-MIMO является стандартом, который развился из SU-MIMO и SDMA (множественного доступа с пространственным разделением каналов). Технология позволяет базовой станции взаимодействовать с несколькими устройствами, используя отдельный поток для каждого из них, как будто все они имеют свой собственный маршрутизатор.

В конечном итоге поддержка MU была добавлена в обновление стандарта 802.11ac в 2013 г. После нескольких лет разработок производители начали включать эту функцию в свои продукты.

Преимущества MU-MIMO

Это захватывающая технология, поскольку она оказывает заметное влияние на повседневное использование Wi-Fi без прямого изменения пропускной способности или других ключевых параметров беспроводного соединения. Сети становятся намного эффективнее.

Для обеспечения стабильного соединения с ноутбуком, телефоном, планшетом или компьютером стандарт не требует наличия у маршрутизатора нескольких антенн. Каждое такое устройство может не делиться своим каналом MIMO с другими. Это особенно заметно при потоковой передаче видео или выполнении других сложных задач. Скорость работы в Интернете субъективно повышается, и соединение устанавливается надежнее, хотя на самом деле становится более разумной организация сети. Также повышается число одновременно обслуживаемых устройств.

Ограничения MU-MIMO

Многопользовательская технология множественного доступа имеет и ряд ограничений, о которых стоит упомянуть. Существующие стандарты поддерживают 4 устройства, но позволяют добавить больше, и им придется делиться потоком, что возвращает к проблемам SU-MIMO. Технология в основном используется в нисходящих каналах связи и ограничена, когда дело доходит до исходящих. Кроме того, маршрутизатор MU-MIMO должен иметь больше информации об устройствах и состоянии каналов, чем требовали предыдущие стандарты. Это усложняет управление и устранение неполадок в беспроводных сетях.

MU-MIMO также является направленной технологией. Это означает, что 2 устройства, расположенные рядом, не могут одновременно использовать разные каналы. Например, если муж смотрит онлайн-трансляцию по телевизору, а рядом его жена передает игру PS4 на свою Vita через Remote Play, им все равно придется делиться пропускной способностью. Маршрутизатор может предоставлять дискретные потоки только устройствам, которые расположены в разных направлениях.

Massive MIMO

По мере продвижения в сторону беспроводных сетей пятого поколения (5G) рост числа смартфонов и новых применений привел к 100-кратному увеличению их требуемой пропускной способности по сравнению с LTE. Новая технология Massive MIMO, которой в последние годы уделяется много внимания, призвана значительно увеличить показатели эффективности телекоммуникационных сетей до беспрецедентных уровней. При дефиците и дороговизне доступных ресурсов операторов привлекает возможность увеличить пропускную способность в полосах частот ниже 6 ГГц.

Несмотря на значительный прогресс, Massive MIMO далек от совершенства. Технология по-прежнему активно исследуется как в академических кругах, так и в промышленности, где инженеры стремятся достичь теоретических результатов с помощью коммерчески приемлемых решений.

Massive MIMO может помочь в решении двух ключевых проблем - пропускной способности и охвата. Для операторов мобильной связи частотный диапазон остается дефицитным и относительно дорогостоящим ресурсом, но является ключевым условием для повышения скорости передачи сигнала. В городах интервал между базовыми станциями обусловлен пропускной способностью, а не охватом, что требует развертывания большого их количества и приводит к дополнительным расходам. Massive MIMO позволяет увеличить емкость уже существующей сети. В областях, где развертывание базовых станций обусловлено охватом, технология позволяет увеличить радиус их действия.

Концепция

Massive MIMO кардинально меняет текущую практику, используя очень большое количество когерентно и адаптивно работающих сервисных антенн 4G (сотни или тысячи). Это помогает фокусировать передачу и прием энергии сигнала в меньших областях пространства, значительно улучшая производительность и энергоэффективность, особенно в сочетании с одновременным планированием большого количества пользовательских терминалов (десятков или сотен). Метод изначально предполагался для дуплексной передачи с временным разделением (TDD), но потенциально может применяться также в режиме дуплексного (PDD) частотного разделения.

Технология MIMO: достоинства и недостатки

Преимуществами метода являются широкое использование недорогих маломощных компонентов, снижение латентности, упрощение уровня управления доступом (MAC), устойчивость к случайным и преднамеренным помехам. Ожидаемая пропускная способность зависит от среды распространения, обеспечивающей асимптотически ортогональные каналы к терминалам, и эксперименты до сих пор не выявили никаких ограничений в этом отношении.

Однако вместе с устранением многих проблем появляются новые, требующие неотложного решения. Например, в системах MIMO необходимо обеспечить эффективную совместную работу множества недорогих компонентов малой точности, собирать данные о состоянии канала и распределять ресурсы для вновь подключенных терминалов. Также требуется использовать дополнительные степени свободы, обеспечиваемые избытком сервисных антенн, снизить внутреннее энергопотребление для достижения общей энергоэффективности и найти новые сценарии развертывания.

Рост количества 4G-антенн, участвующих в реализации MIMO, обычно требует посещения каждой базовой станции для изменения конфигурации и проводки. Первоначальное развертывание сетей LTE потребовало установки нового оборудования. Это дало возможность произвести конфигурацию MIMO 2x2 исходного стандарта LTE. Дальнейшие изменения базовых станций производятся только в крайних случаях, а реализации более высокого порядка зависят от операционной среды. Еще одна проблема заключается в том, что операция MIMO приводит к совершенно другому поведению в сети, чем предыдущие системы, что создает некоторую неопределенность планирования. Поэтому операторы склонны сначала использовать другие разработки, особенно если они могут быть развернуты путем обновления программного обеспечения.

Технология на базе стандарта WiFi IEEE 802.11n.

Wi - Life представляет краткий обзор по технологии WiFi IEEE 802.11 n .
Расширенная информация к нашей видеопубликации .

Первое поколение устройств с поддержкой стандарта WiFi 802.11n появилось на рынке несколько лет назад. Технология MIMO (MIMO - multiple input / multiple output -множественные входы/множественные выходы) является стержнем 802.11n. Это радиосистема с множеством раздельных путей передачи и приема. MIMO-системы описываются с использованием количества передатчиков и приемников. Стандарт WiFi 802.11n определяет набор возможных комбинаций от 1х1 до 4х4.

В типичном случае развертывания сети стандарта Wi-Fi внутри помещения, например в офисе, цеху, ангаре, больнице радиосигнал редко идет по кратчайшему пути между передатчиком и приемником из-за стен, дверей и других препятствий. Большинство подобных окружений имеют много различных поверхностей, которые отражают радиосигнал (электромагнитную волну) подобно зеркалу, отражающему свет. После переотражения образуются множественные копии исходного сигнала WiFi. Когда множественные копии WiFi-сигнала перемещаются различными путями от передатчика к приемнику сигнал шедший кратчайшим путем будет первым, а следующие копии (или переотраженное эхо сигнала) придут чуть позже из-за более длинных путей. Это называют многолучевым распространением сигнала (multipath). Условия множественного распространения постоянно меняются, т.к. Wi-Fi-устройства часто перемещаются (смартфон с Wi-Fi в руках пользователя), движутся вокруг различные объекты создавая помехи (люди, машины и т.п.). В случае прибытия сигналов в разное время и под разными углами это может вызывать искажения и возможное затухание сигнала.

Важно помнить, что поддержка WiFi 802.11 n c MIMO и большим количеством приемников может снизить эффект многолучевого распространения и деструктивную интерференцию, но в любом случае лучше уменьшать условия многолучевого распространения где и как только возможно. Один из важнейших моментов - держите антенны как можно дальше от металлических предметов (прежде всего омни антенны WiFi, которые имеют круговую или всенаправленную диаграмму направленности).

Необходимо четко понимать, что далеко не все Wi -Fi клиенты и Точки Доступа стандарта WiFi одинаковы с точки зрения MIMO .
Существуют клиенты 1х1, 2х1, 3х3 и т.д. Например мобильные устройства типа сматрфона чаще всего поддерживают MIMO 1x 1, иногда 1x 2. Это связано с двумя ключевыми проблемами:
1. необходимость обеспечения низкого потребления энергии и долгой жизни аккумулятора,
2. сложность в расположении нескольких антенн с адекватным их разнесением в небольшом корпусе.
Это же касается и других мобильных устройств: планшетных компьютеров, КПК и т.п..

Ноутбуки выского уровня довольно часто уже сейчас поддерживают MIMO вплоть до 3х3 (MacBook Pro и тп).

Давайте рассмотрим основные типы MIMO в сетях стандарта WiFi .
Сейчас мы опустим детализацию количества передатчиков и приемников. Важно понять принцип.

Первый тип : Разнесение при Получении сигнала на WiFi устройстве

Если в точке приема есть не менее двух связанных приемников с разнесенными антеннами,
то вполне реально провести анализ всех копий на каждом приемнике для выбора лучших сигналов.
Далее с этими сигналами можно проводить различные манипуляции, но нас интересует, прежде всего,
возможность их комбинирования с помощью технологии MRC (Maximum Ratio Combined ). Технология MRC подробнее будет рассмотрена далее.

Второй тип : Разнесение при Отправке сигнала на WiFi устройстве

Если в точке отправки есть не менее двух связанных передатчиков WiFi с разнесенными антеннами, то появляется возможность отправки группы идентичных сигналов для увеличения количества копий информации, повышения надежности на передаче и снижения необходимости перепосылки данных в радиоканале, в случае их потерь.

Третий тип : Пространственное мультиплексирование сигналов на устройстве стандарта WiFi
(объединение сигналов)

Если в точке отправки и в точке приема есть не менее двух связанных передатчиков WiFi с разнесенными антеннами, то появляется возможность отправки набора разной информации поверх разных сигналов с целью создания возможности виртуального объединения таких информационных потоков в один канал передачи данных, общая пропускная способность которого стремится к сумме отдельных потоков, из которых он состоит. Это называется Пространственным мультиплексированием. Но здесь крайне важно обеспечить возможность качественного разделения всех исходных сигналов, что требует большой величины SNR - соотношения сигнал/шум.

Технология MRC (maximum ratio combined ) используется во многих современных Точках Доступа Wi - Fi корпоративного класса.
MRC направлен на подъем уровня сигнала в направлении от Wi - Fi клиента к Точке Доступа WiFi 802.11.
Алгоритм работы MRC подразумевает сбор на нескольких антеннах и приемниках всех прямых и переотраженных при многолучевом распространении сигналов. Далее специальный процессор (DSP ) отбирает лучший сигнал с каждого приемника и выполняет комбинирование. Фактически математическая обработка реализует виртуальный фазовый сдвиг для создания положительной интерференции со сложением сигналов. Таким образом результирующий суммарный сигнал значительно лучше по характеристикам, чем все исходные.

MRC позволяет обеспечивать значительно лучшие условия работы маломощных мобильных устройств в сети стандарта Wi - Fi .

В системах WiFi 802.11n достоинства многолучевого распространения используются для одновременной передачи нескольких радиосигналов. Каждый из этих сигналов, называемых «пространственными потоками », отправляется с отдельной антенны с помощью отдельного передатчика. Вследствие наличия некоторого расстояния между антеннами каждый сигнал следует к приемнику по немного отличающемуся пути. Этот эффект называется «пространственным разнесением ». Приемник также оборудован несколькими антеннами со своими отдельными радиомодулями, которые независимо декодируют поступающие сигналы, и каждый сигнал объединяется с сигналами от других приемных радиомодулей. В результате этого одновременно осуществляется прием нескольких потоков данных. Это обеспечивает значительно более высокую пропускную способность, чем в прежних системах стандарта WiFi 802.11, но и требует наличия клиента с поддержкой 802.11n.

Теперь немного углубимся в данную тему:
В устройствах стандарта WiFi с MIMO возможно разделение всего входящего информационного потока на несколько различных потоков данных с помощью пространственного мультиплексирования для последующей их отправки. Используется несколько передатчиков и антенн для отправки различных потоков в одном частотном канале. Можно визуализировать это таким образом, что некоторая текстовая фраза может передаваться так что первое слово отправляется через один передатчик, второе через другой передатчик и т.д.
Естественно, принимающая сторона должна поддерживать такой же функционал (MIMO) для полноценного выделения различных сигналов, их пересборки и объединения с помощью опять же пространственного мультиплексирования. Так мы получаем возможность восстановить исходный информационный поток. Представленная технология позволяет разделить большой поток данных на набор меньших потоков и передавать их отдельно один от другого. В целом это дает возможность более эффективно утилизировать радиосреду и конкретно частоты выделенные для Wi-Fi.

Технология стандарта WiFi 802.11n также определяет как MIMO может быть использована для улучшения уровня SNR на приемнике используя управление диаграммой направленности на передаче (transmit beamforming). С данной техникой возможно управлять процессом отправки сигналов с каждой антенны так, чтобы улучшились параметры принимаемого сигнала в приемнике. Другими словами в дополнение к отправке множественных потоков данных могут быть использованы множественные передатчики, чтобы достичь более высокого SNR в точке приема и, в результате, большей скорости передачи данных на клиенте.
Необходимо отметить следующие вещи:
1. Процедура управления диаграммой направленности (transmit beamforming), определенная в стандарте Wi-Fi 802.11n, требует совместной работы с приемником (фактически с клиентским устройством) для получения обратной связи о состоянии сигнала на приемнике. Здесь необходимо иметь поддержку этой функциональности на обеих сторонах канала - как на передатчике, так и на приемнике.
2. В силу сложности данной процедуры управление диаграммой направленности (transmit beamforming) не было поддержано в первом поколении чипов 802.11n как на стороне терминалов, так и на стороне Точек Доступа. В настоящее время большинство существующих чипов для клиентских устройств также Не поддерживают данный функционал.
3. Существуют решения для построения сетей Wi - Fi , которые позволяют полноценно управлять диаграммой направленности на Точках Доступа без необходимости получения обратной связи от клиентских устройств.

Для получения анонсов при выходе новых тематических статей или появлении новых материалов на сайте предлагаем .

Присоединяйтесь к нашей группе на

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI, сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (), VoD () и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: , голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте , в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы , а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

April 9th, 2014

В свое время как то тихо и незаметно ушло ИК-соединение, потом перестали пользоваться Bluetooth для обмена данными. И теперь вот настала очередь Wi-Fi …

Разработана многопользовательская система с множеством входов и выходов, позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Создатели утверждают, что при использовании того же самого диапазона радиоволн, отведённого под Wi-Fi, скорость обмена может быть утроена.

Компания Qualcomm Atheros разработала многопользовательскую систему с множеством входов и выходов (протокол MU-MIMO), позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Компания планирует начать демонстрацию технологии в течение ближайших нескольких месяцев, прежде чем начать поставки клиентам в начале следующего года.

Однако, для того, чтобы получить эту высокую скорость обмена, пользователям придётся обновить и свои компьютеры и сетевые маршрутизаторы.

По протоколу Wi-Fi, клиенты обслуживаются последовательно - в течение определённого интервала времени задействуется только одно устройство передачи и приема информации - так что используется только небольшая часть пропускной способности сети.

Накопление этих последовательных событий создаёт падение скорости обмена, поскольку всё большее количество устройств подключаются к сети.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) обеспечивает одновременную передачу информации группе клиентов, что даёт более эффективное использование имеющейся пропускной способности сети Wi-Fi и тем самым ускоряет передачу.

Qualcomm полагает, что такие возможности будут особенно полезны конференц-центрам и интернет-кафе, когда несколько пользователей подключаются к одной и той же сети.

В компании также считают, что речь идёт не только об увеличении абсолютной скорости, но и о более эффективном использовании сети и эфирного времени для поддержки растущего числа подключённых устройств, услуг и приложений.

Чипы MU-Mimo Qualcomm собирается продавать производителям маршрутизаторов, точек доступа, смартфонов, планшетов и прочих устройств с поддержкой Wi-Fi. Первые чипы смогут работать одновременно с четырьмя потоками данных; поддержка технологии будет включена в чипы Atheros 802.11ac и мобильные процессоры Snapdragon 805 и 801. Демонстрация работы технологии состоится в нынешнем году, и первые поставки чипов запланированы на 1-й квартал будущего года.

Ну а теперь кому хочется подробнее вникнуть в эту технологию продолжаем …

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI,WI-MAX , сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol),видеоконференции , VoD (Video on Demand) и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использованиеSmart Antena , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг , хэндовер , голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандартеUMTS , в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы , а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.