Меню
ГлавнаяMicrosoft

Технология MIMO: что это и с чем её едят? MIMO-технология (Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала

Одно из самых существенных и важных нововведений Wi-Fi за прошедшие 20 лет - технология Multi User - Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). MU-MIMO расширяет функциональность появившегося недавно обновления беспроводного стандарта 802.11ac «Wave 2». Безусловно, это огромный прорыв для беспроводной связи. Данная технология помогает увеличить максимальную теоретическую скорость беспроводного соединения от 3,47 Гбит/с в оригинальной спецификации стандарта 802.11ac до 6,93 Гбит/с в обновлении стандарта 802.11ac Wave 2. Это одна из самых сложных функциональностей Wi-Fi на сегодняшний день.

Давайте разберемся как это работает!

Технология MU-MIMO повышает планку за счет разрешения нескольким устройствам принимать несколько потоков данных. Она базируется на однопользовательской технологии MIMO (SU-MIMO), которая была представлена почти 10 лет назад со стандартом 802.11n.

SU-MIMO увеличивает скорость Wi-Fi-соединения, позволяя паре беспроводных устройств одновременно принимать или отправлять несколько потоков данных.

Рисунок 1. Технология SU-MIMO предоставляет многоканальные входные и выходные потоки одному устройству в одно и то же время. Технология MU-MIMO обеспечивает одновременную связь с несколькими устройствами.

По сути, революционные изменения для Wi-Fi обеспечивают две технологии. Первая из этих технологий, называемая beamforming, позволяет Wi-Fi-маршрутизаторам и точкам доступа более эффективно использовать радиоканалы. До появления этой технологии Wi-Fi-маршрутизаторы и точки доступа работали как электрические лампочки, посылая сигнал во всех направлениях. Проблема заключалась в том, что несфокусированному сигналу ограниченной мощности трудно добраться до клиентских Wi-Fi-устройств.

С помощью технологии beamforming Wi-Fi-маршрутизатор или точка доступа обменивается с клиентским устройством информацией о своем местоположении. Затем маршрутизатор изменяет свою фазу и мощность для формирования лучшего сигнала. Как результат: более эффективно используются радиосигналы, ускоряется передача данных и, возможно, увеличивается максимальная дистанция соединения.

Возможности beamforming расширяются. До сих пор Wi-Fi-маршрутизаторы или точки доступа были по своей сути однозадачными, посылая или принимая данные только от одного клиентского устройства одновременно. В более ранних версиях семейства стандартов беспроводной передачи данных 802.11, включая стандарт 802.11n и первую версию стандарта 802.11ac, существовала возможность одновременного приема или передачи нескольких потоков данных, но до сих пор не существовало метода, позволяющего Wi-Fi-маршрутизатору или точке доступа в одно и то же время «общаться» сразу с несколькими клиентами. Отныне же с помощью MU-MIMO такая возможность появилась.

Это действительно большой прорыв, так как возможность одновременной передачи данных сразу нескольким клиентским устройствам значительно расширяет доступную полосу пропускания для беспроводных клиентов. Технология MU-MIMO продвигает беспроводные сети от старого способа CSMA-SD, когда в одно и то же время обслуживалось только одно устройство, к системе, где сразу несколько устройств могут одновременно «говорить». Для большей наглядности примера, представьте себе переход от однополосной проселочной дороги к широкой автомагистрали

Сегодня беспроводные маршрутизаторы и точки доступа второго поколения стандарта 802.11ac Wave 2 активно завоевывают рынок. Каждый, кто разворачивает Wi-Fi понимать специфику работы технологии MU-MIMO. Предлагаем вашему вниманию 13 фактов, которые ускорит ваше обучение в этом направлении.

1. MU-MIMO использует только «Downstream» поток (от точки доступа к мобильному устройству).

В отличие от SU-MIMO, технология MU-MIMO в настоящее время работает только для п ередачи данных от точки доступа к мобильному устройству. Только беспроводные маршрутизаторы или точки доступа могут одновременно передавать данные нескольким пользователям, будь то один или несколько потоков для каждого из них. Сами же беспроводные устройства (такие, как смартфоны, планшеты или ноутбуки) по-прежнему должны по очереди направлять данные к беспроводному маршрутизатору или точке доступа, хотя при этом при наступлении их очереди они по отдельности могут использовать технологию SU-MIMO для передачи нескольких потоков.

Технология MU-MIMO будет особенно полезной в тех сетях, где пользователи больше скачивают данные, чем загружают.

Возможно, в будущем будет реализована версия технологии Wi-Fi: 802.11ax , где метод MU-MIMO будем применим и для «Upstream» трафика.

2. MU-MIMO работает только в Wi-Fi-диапазоне частот 5 ГГц

Технология SU-MIMO работает как в диапазоне частот 2,4 ГГц, так и 5 ГГц. Беспроводные роутеры и точки доступа второго поколения стандарта 802.11ac Wave 2 могут одновременно обслуживать несколько пользователей только на полосе частот 5 ГГц. С одной стороны, конечно, жаль, что на более узкой и более перегруженной полосе частот 2,4 ГГц мы не сможем использовать новую технологию. Но, с другой стороны, на рынке появляется все больше двухдиапазонных беспроводных устройств, поддерживающих технологию MU-MIMO, которые мы можем использовать для разворачивания производительных корпоративных Wi-Fi-сетей.

3. Технология Beamforming помогает направлять сигналы

В литературе СССР можно встретить понятие Фазированная Антенная Решётка, которая была разработана для военных радаров в конце 80-х. Аналогичная технология была применена в современном Wi-Fi. MU-MIMO использует технологию формирования направленного сигнала (в англоязычной технической литературе известной как «beamforming»). Beamfiorming позволяет направлять сигналы в направлении предполагаемого местоположения беспроводного устройства (или устройств), а не посылать их случайным образом во всех направлениях. Таким образом получается сфокусировать сигнал и существенно увеличить дальность действия и скорость работы Wi-Fi-соединения.

Хотя технология beamforming стала опционально доступна еще со стандартом 802.11n, тем ни менее большинство производителей реализовывали свои проприетарные версии этой технологии. Эти вендоры и сейчас предлагают проприетарные реализации технологии в своих устройствах, но теперь им придется включить хотя бы упрощенную и стандартизированную версию технологии формирования направленного сигнала, если они хотят поддерживать технологию MU-MIMO в своей продуктовой линейке стандарта 802.11ac.

4. MU-MIMO поддерживает ограниченное количество одновременных потоков и устройств

К огромному сожалению, маршрутизаторы или точки доступа с реализованной технологией MU-MIMO не могут одновременно обслуживать неограниченное количество потоков и устройств. Маршрутизатор или точка доступа имеют собственное ограничение на число потоков, которые они обслуживают (зачастую это 2, 3 или 4 потока), и это количество пространственных потоков также ограничивает количество устройств, которые точка доступа может одновременно обслужить. Так, точка доступа с поддержкой четырех потоков может одновременно обслуживать четыре различных устройства, либо, к примеру, один поток направить к одному устройству, а три других потока агрегировать на другое устройство (увеличив скорость от объёединения каналов).​

5. От пользовательских устройств не требуется наличие нескольких антенн

Как и в случае с технологией SU-MIMO, только беспроводные устройства со встроенной поддержкой MU-MIMO могут агрегировать потоки (скорость). Но, в отличие от ситуации с технологией SU-MIMO, беспроводным устройствам не обязательно требуется иметь несколько антенн, чтобы принимать MU-MIMO-потоки от беспроводных маршрутизаторов и точек доступа. Если беспроводное устройство оснащено только одной антенной, оно может принять только один MU-MIMO-поток данных от точки доступа, используя beamforming для улучшения приёма.

Большее количество антенн позволит беспроводному пользовательскому устройству принимать большее количество потоков данных одновременно (обычно из расчета один поток на одну антенну), что, безусловно, положительно скажется на производительности этого устройства. Однако, наличие нескольких антенн у пользовательского устройства негативно сказывается на потребляемой мощности и размере этого изделия, что критично для смартфонов.

Однако технология MU-MIMO предъявляет меньшие аппаратные требования к клиентским устройствам, чем обременительная в техническом плане технология SU-MIMO, то можно с уверенностью предположить, что производители гораздо охотнее станут оснащать свои ноутбуки и планшеты поддержкой технологии MU-MIMO.​

6. Точки доступа выполняют «тяжелую» обработку

Стремясь к упрощению требований к устройствам конечных пользователей, разработчики технологии MU-MIMO постарались переложить на точки доступа большую часть работы по обработке сигнала. Это еще один шаг вперед по сравнению с технологией SU-MIMO, где бремя по обработке сигнала большей частью лежало на пользовательских устройствах. И опять же, это поможет производителям клиентских устройств экономить на мощности, размере и других затратах при производстве своих продуктовых решений с поддержкой MU-MIMO, что должно весьма позитивно сказаться на популяризации данной технологии.

7. Даже бюджетные устройства получают ощутимую выгоду от одновременной передачи через несколько пространственных поток

Подобно агрегации каналов в сети Ethernet (802.3ad и LACP), объединение потоков 802.1ac не увеличивает скорость соединения «точка-точка». Т.е. если вы единственный пользователь и у Вас запущено только одно приложение - вы задействует только 1 пространственный поток.

Однако существует возможность увеличить общую пропускную способность сети за счет предоставления возможности по обслуживанию точкой доступа нескольких пользовательских устройств одновременно.

Но если все используемые в вашей сети пользовательские устройства поддерживают работу только с одним потоком, то MU-MIMO позволит вашей точке доступа обслуживать одновременно до трех устройств, вместо одного за раз, в то время как другим (более продвинутым) пользовательским устройствам придется ожидать своей очереди.




Рисунок 2​.

8. Некоторые пользовательские устройства имеют скрытую поддержку технологии MU-MIMO

Не смотря на то, что в настоящее время все еще не так много маршрутизаторов, точек доступа или мобильных устройств поддерживают MU-MIMO, в компании-производителе Wi-Fi-чипов утверждают, что часть производителей в своем производственном процессе учла аппаратные требования для поддержки новой технологии для некоторых своих устройств для конечных пользователей еще несколько лет назад. Для таких устройств относительно простое обновление программного обеспечения добавит поддержку технологии MU-MIMO, что также должно ускорить популяризацию и распространение технологии, а также стимулировать компании и организации модернизировать свои корпоративные беспроводные сети с помощью оборудования с поддержкой стандарта 802.11ac.

9. Устройства без поддержки MU-MIMO также оказываются в выигрыше

Не смотря на то, что Wi-Fi-устройства обязательно должны иметь поддержку MU-MIMO для того, чтобы использовать эту технологию, даже те клиентские устройства, которые такой поддержкой не имеют, могут получить косвенную выгоду от работы в беспроводной сети, где маршрутизатор или точки доступа поддерживают технологию MU-MIMO. Следует помнить, что скорость передачи данных по сети напрямую зависит от общего времени, в течение которого абонентские устройства подключены к радиоканалу. И если технология MU-MIMO позволит обслуживать часть устройств быстрее, то это означает, что у точек доступа в такой сети останется больше времени на обслуживание других клиентских устройств.

10. MU-MIMO помогает увеличить пропускную способность беспроводной сети

Когда вы увеличиваете скорость Wi-Fi-соединения, вы также увеличиваете пропускную способность беспроводной сети. Так как устройства обслуживаются более быстро, то у сети появляется больше эфирного времени на обслуживание большего количества клиентских устройств. Таким образом, технология MU-MIMO может значительно оптимизировать работу беспроводных сетей с интенсивным трафиком или большим количеством подключенных устройств, таких как общественные Wi-Fi-сети. Это прекрасная новость, так как количество смартфонов и других мобильных устройств с возможностью подключения к Wi-Fi-сети, скорее всего, продолжит увеличиваться.

11. Поддерживается любая ширина канала

Одним из способов расширения пропускной способности Wi-Fi-канала является связывание каналов, когда объединяются два соседних канала в один канал, который в два раза шире, что фактически удваивает скорость Wi-Fi-соединения между устройством и точкой доступа. Стандарт 802.11n предусматривал поддержку каналов шириной до 40 МГц, в оригинальной спецификации стандарта 802.11ac поддерживаемая ширина канала была увеличена до 80 МГц. В обновленном стандарте 802.11ac Wave 2 поддерживаются каналы шириной 160 МГц.



Рисунок 3. На сегодняшний день стандарт 802.11ac поддерживает каналы шириной до 160 МГц в диапазоне частот 5 ГГц

Однако, не следует забывать, что использование в беспроводной сети каналов большей ширины увеличивает вероятность возникновения помех в совмещенных каналах. Поэтому такой подход не всегда будет правильным выбором для разворачивания всех без исключения Wi-Fi-сетей. Тем ни менее, технология MU-MIMO, как мы можем убедиться, может быть использована для каналов любой ширины.

Тем ни менее, даже если ваша беспроводная сеть использует более узкие каналы шириной 20 МГц или 40 МГц, технология MU-MIMO все равно может помочь ей работать быстрее. А вот насколько быстрее, будет зависеть от того, сколько необходимо будет обслуживать клиентских устройств и сколько потоков каждое из этих устройств поддерживает. Таким образом, использование технологии MU-MIMO даже без широких связанных каналов может более чем в два раза увеличить пропускную способность выходного беспроводного соединения для каждого устройства.

12. Обработка сигналов повышает безопасность

Интересным побочным эффектом технологии MU-MIMO является то, что маршрутизатор или точка доступа шифрует данные перед их отправкой через радиоканалы. Достаточно трудно декодировать данные, передаваемые с использованием технологии MU-MIMO, т. к. не ясно какая часть кода в каком пространственном потоке находится. Хотя впоследствии могут быть разработаны специальные инструменты, позволяющие другим устройствам перехватывать передаваемый трафик, на сегодняшний день технология MU-MIMO эффективно маскирует данные от расположенных вблизи устройств прослушивания. Таким образом, новая технология помогает повысить Wi-Fi-безопасность, что особенно актуально для открытых беспроводных сетей, таких как общественные Wi-Fi-сети, а также точек доступа, работающих в персональном режиме или использующих упрощенный режим аутентификации пользователей (Pre-Shared Key, PSK) на базе технологий защиты Wi-Fi-сети WPA или WPA2.

13. MU-MIMO лучше всего подходит для неподвижных Wi-Fi-устройств

Также существует одно предостережение о технологии MU-MIMO: она не очень хорошо работает с быстродвижущимися устройствами, так как процесс формирования направленного сигнала по технологии beamforming становится более сложным и менее эффективным. Поэтому MU-MIMO не сможет обеспечить вам заметную пользу для устройств, часто использующих роуминг в вашей корпоративной сети. Однако, следует понимать, что эти «проблемные» устройства никак не должны повлиять ни на MU-MIMO-передачу данных другим клиентским устройствам, которые менее подвижны, ни на их производительность.

Подписка на новости

Технология MIMO сыграла огромную роль в развитии WiFi. Несколько лет назад невозможно было представить и другие устройства с пропускной способностью в 300 Мбит/сек и выше. Появление новых скоростных стандартов связи, к примеру, 802.11n произошло во многом благодаря MIMO.

Вообще тут стоит упомянуть, что когда мы говорим о технологии WiFi, то на самом деле имеем в виду один из стандартов связи, а конкретно - IEEE 802.11. Брендом WiFi стал после того, как обрисовались заманчивые перспективы использования беспроводной передачи данных. Чуть подробнее о технологии вай-фай и стандарте 802.11 можно прочесть в .

Что представляет собой технология MIMO?

Если дать как можно более простое определение, то MIMO - это многопотоковая передача данных . Аббревиатуру можно перевести с английского как «несколько входов, несколько выходов» В отличие от предшественника (SingleInput/SingleOutput), в устройствах с поддержкой MIMO сигнал транслируется на одном радиоканале с помощью не одного, а нескольких приемников и передатчиков. При обозначении технических характеристик устройств WiFi рядом с аббревиатурой указывают их количество. Например, 3х2 - это 3 передатчика сигнала и 2 принимающих антенны.

Кроме того, в MIMO используется пространственное мультиплексирование . За устрашающим названием кроется технология одновременной передачи нескольких пакетов данных по одному каналу. Благодаря такому «уплотнению» канала его пропускную способность можно увеличить в два раза и более.

MIMO и WiFi

С ростом популярности беспроводной передачи данных по WiFi соединениям, конечно же, возросли требования к их скорости. И именно технология MIMO и другие разработки, взявшие ее за основу, позволили увеличить пропускную способность в несколько раз. Развитие WiFi идет по пути развития стандартов 802.11 - a, b, g, n и так далее. Мы не зря упомянули возникновение стандарта 802.11n. Multiple Input Multiple Output - его ключевой компонент, позволивший увеличить канальную скорость беспроводного соединения с 54 Мбит/сек до более 300 Мбит/сек.

Стандарт 802.11n позволяет применять как стандартную ширину канала в 20 МГц, так и использовать широкополосную линию в 40 МГц с более высокими показателями пропускной способности. Как уже упоминалось выше, сигнал многократно отражается, тем самым используя множество потоков на одном канале связи.

Благодаря этому доступ в интернет на основе WiFi теперь позволяет не только серфинг, проверку почты и общение в аське, но и онлайн-игры, онлайн-видео, общение в скайпе и прочий «тяжелый» трафик.

Более новый стандарт - также использует технологию MIMO.

Проблемы применения MIMO в WIFI

На заре становления технологии существовало затруднение совмещения устройств, работающих с поддержкой MIMO и без нее. Однако сейчас это уже не так актуально - практически каждый уважающий себя производитель беспроводного оборудования использует ее в своих устройствах.

Также одной из проблем при появлении технологии передачи данных с помощью нескольких приемников и нескольких передатчиков являлась цена устройства. Однако здесь настоящую ценовую революцию совершила компания . Ей не только удалось наладить производство беспроводного оборудования с поддержкой MIMO, но и сделать это по очень демократичным ценам. Посмотрите, к примеру, стоимость типичного комплекта компании - (базовая станция), (на стороне клиента). И в этих устройствах не просто MIMO, а фирменная улучшенная технология airMax на ее основе.

Проблемой остается только увеличение количества антенн и передатчиков (сейчас максимум 3) для устройств с PoE. Обеспечить питанием более энергоемкую конструкцию затруднительно, но опять-таки, постоянные сдвиги в этом направлении делает Ubiquiti.

Технология AirMAX

Компания Ubiquiti Networks является признанным лидером разработки и реализации инновационных технологий WiFi, в том числе и MIMO. Именно на ее основе Ubiquiti была разработана и запатентована технология AirMAX . Суть ее в том, что прием-передача сигнала несколькими антеннами на одном канале упорядочивается и структурируется протоколом TDMA с аппаратным ускорением: пакеты данных разнесены в отдельные временные слоты, очереди передачи координируются.

Это позволяет расширить пропускную способность канала, увеличить количество подключаемых абонентов без потери качества связи. Данное решение эффективно, удобно в использовании и, что немаловажно - недорого. В отличие от аналогичного оборудования, используемого в WiMAX - сетях, оборудование от Ubiquiti Networks с технологией AirMAX приятно радует ценами.


сайт

Для решения проблем с уровнем приема сигнала интернета и мобильной связи можно сделать своими руками MIMO антенну 4g LTE. Технология MIMO позволяет повысить пропускную способность и передавать больше данных, тем самым увеличить скорость работы. Этот эффект достигается за счет использования нескольких устройств для приема сигнала. Не зря название MIMO, или Multiple Input Multiple Output, переводится как множественные входы, множественные выходы. Используя эту технологию, можно обеспечить значительный прирост в скорости передачи данных у конечного потребителя.

Проведя распараллеливание потока на несколько каналов на входе, можно пустить сигнал по нескольким направлениям и также принять все эти данные на выходе. Двух-, трех- и даже восьмикратное увеличение достигается за счет использования определенных конфигураций и количества антенн MIMO 3G или 4G. Более того, можно пускать закодированную информацию с задержкой и восстанавливать данные при приеме. Для того чтобы понять, как работают такие устройства, рассмотрим принципиальную схему передачи радиосигнала.

Прием и отправка информации в линиях беспроводной связи

Радиоволны при перемещении в пространстве наталкиваются на разные препятствия в виде домов, деревьев и других сооружений. Препятствия на пути могут отражать или поглощать волну, а также делать это частично. Иногда сигнал разбивается на несколько составных частей. На характер взаимодействий волны и преград на пути оказывают влияние материал поверхности, частота сигнала и множество других факторов. Отражение в процессе передачи приводит к тому, что появляются временные задержки. Кроме того, из-за всех этих взаимодействий до конечного потребителя доходит только часть отправленных от приемника волн. Поэтому одной из главных проблем беспроводных сетей является многолучевое распространение сигнала.

Для ее решения используются следующие технологии:

  • Разнесенный прием (Receive Diversity) позволяет принимать сигнал сразу несколькими, а не одним устройством. Таким образом, непринятые одной антенной волны принимаются другой. Используется принцип одного выхода и нескольких входов, или SIMO (Single Input Multiple Output);
  • Разнесенная передача (Tx Diversity) основана на том, что сигнал отправляется с нескольких антенн, а принимается одной, то есть множественный выход и одни вход, или MISO (Multiple Input Single Output), как панельная антенна 3G;
  • Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) – разбивание выходного потока на несколько составляющих и прием через несколько устройств, или MIMO. Антенна получает сигнал, предназначенный и для других приемных устройств тоже. Используя матрицу передачи и всю полученную информацию, сигнал максимально восстанавливается.

Чтобы определить максимальную пропускную способность – С, используется формула:

С= M B log2(1 + S/N), где:

  • C – пропускная способность канала;
  • M – количество независимых потоков данных;
  • B – ширина канала;
  • S/N – соотношение сигнал/шум.

Для сотовой связи 4G, а именно LTE MIMO, возможно использование 8Х8, что позволяет добиться скорости до 300 Мбит/сек. Даже на значительном удалении от станции сигнал будет устойчивым. Сегодня больше распространены MIMO 2Х2. Всегда для 4G количество каналов должно быть четным.

Антенны могут располагаться в одной поверхности или быть вертикально разнесены. Во втором случае важно точно выдерживать расхождения по градусам, указанные в схеме.

Антенна MIMO

Как сделать антенну проще всего? Рассмотрим оборудование для получения сигнала 4G лте 800, в основе которого лежит антенна Харченко – синфазная решетка из ромбов. Эта конструкция была придумана К.П. Харченко еще в шестидесятых годах прошлого года. Основное достоинство этого оборудования состоит в том, что собрать антенну просто, а все параметры можно посчитать по многочисленным онлайн-калькуляторам в сети. За счет необычной схемы устройство редко нуждается в настройке. Если необходимо сделать оборудование для улучшения сигнала 3g своими руками, можно использовать одну антенну Харченко.

В MIMO технологии используется четное число антенн, у нас их будет 2 антенны МИМО своими руками: Downlink – от спутника до приемного устройства, и для отправки – Uplink. Если смотреть на усредненные показатели, что можно использовать 2 антенны на 802 и 843 мГц, подключение будет идти 50-омным коаксиальным кабелем.

Для 802 мГц длина в миллиметрах составляет:

  • L1 – 93,5,
  • L2 – 90,
  • L3 – 250,
  • L4 – 136,5,
  • L5 – 4,8,
  • H – 373,
  • В – 373,
  • D 45,5.

Для 843 мГц длина в миллиметрах составляет:

  • L1 – 90,
  • L2 – 96,
  • L3 – 238,
  • L4 – 129,5,
  • L5 – 4,6,
  • H – 373,
  • В – 355,
  • D 43.

Важно! Количество потоков равно либо меньше минимального числа антенн на приеме или на выходе. При использовании MIMO 4×4 можно работать в диапазоне от 1 до 4 потоков, если же речь идет о MIMO 4×2, то потоков может быть только 1 или 2.

Для работы потребуются:

  • решетка или кусок фанеры, обклеенной фольгой либо фольгированным скотчем, или оцинкованная сталь (у нас используется последний вариант):
  • проволока сечением 4 мм2;
  • кабель;
  • деревянная доска длиной не менее 1,90 м;
  • полипропиленовые трубы;
  • нейлоновые хомуты;
  • баллончик автоэмали;
  • F-коннектор – 2 штуки;
  • пигтейл кабель F-CRC9 – 2 штуки;
  • клей Поксипол;
  • дрель;
  • пассатижи;
  • рулетка и линейка.

Последовательность действий:

  1. Выполняем каркас в форме буквы П. Для этого распиливаем доску на три части. Самая длинная доска (верхняя часть буквы) должна составлять 1 м 20 см, а боковые – по 35 см. Можно выпилить все части каркаса из разных досок;
  2. Вырезаем 2 куска из листа оцинкованной стали размерам 375х375 см. Фиксируем основания с помощью дюбелей на каркасе строго под углом 45 градусов;
  3. В центре каждого основания высверливаем отверстия для кабеля, которые будут идти к модему. Диаметр отверстий – 7 мм. Делаем разметки для крепления антенны;
  4. Разрезаем полипропиленовую трубу на несколько частей: 3 части – 44,5 мм и 3 – 42 мм. Эти размеры напрямую связаны с центром проволоки;

Обратите внимание! Для устойчивого и качественного приема важно, чтобы технология пространственного уплотнения поддерживалась на передающей станции, а антенна использовалась для 4G модема.

  1. Начнем со сборки антенны на 802 мГц;
  2. Согласно чертежу, располагаем трубы на куски оцинкованных листов и приклеиваем Поксиполом. Полипропиленовые трубки и клей являются диэлектриками, поэтому при контакте антенны и этих частей сигнал не будет искажаться;
  3. Теперь выполняем саму антенну из проволоки по размерам, указанным в чертеже. Делаем загибы, используя пассатижи. В полученных параметрах надо убавить по 4 мм, из которых 1 мм идет на погрешность по центру, а 3 мм – при загибе пассатижами;
  4. Далее зачищаем кабель и центральную жилу, припаиваем к концам проволоки, а оплетку – к изгибу;
  5. Протаскиваем кабель через полипропиленовую трубу в отверстие, которое мы просверлили заранее;
  6. Теперь проверяем все размеры, а при необходимости выравниваем антенну;
  7. Углы ромбов фиксируем на полипропиленовых держателях с помощью Поксипола. Для того чтобы проволока закрепилась, следует поставить сверху какой-либо груз;

  1. Замеряем расстояние между концами антенны и изгибом проволоки в середине конструкции, оно должно быть 4,8-5 мм. 4,5 мм – зазор между проволокой и изгибом, подогнать его сложно, но это можно сделать маникюрными ножницами, разместив их в середине. Теперь крепим середину антенны с помощью клея;
  2. Последовательность сборки антенны MIMO своими руками на 843 мГц точно такая же. Важно учесть, что антенны должны располагаться под углом в 90 градусов друг к другу. Х-поляризация дает больший эффект, чем вертикальная. Расположение антенн подобным образом создает для них равные условия;
  3. Чтобы кабели не гуляли в отверстиях, затягиваем их с обратно стороны нейлоновыми хомутами и приклеиваем;
  4. Теперь выполняем контрольные замеры по схеме и при необходимости корректируем;
  5. Чтобы избежать окисления, покрываем проволоку и оцинкованные листы сверху эмалью;
  6. Кабели через F-коннекторы выводим на пигтейл и уже затем на модем;
  7. Проводим тестирование системы. Создание антенны МИМО 4G своими руками окончено.

Для того чтобы отладить работу устройства, следует правильно расположить конструкцию. Общие правила говорят, что антенну лучше вывести на улицу и поднять как можно выше. Кроме того, антенна должна быть направлена строго в сторону раздающей станции. Однако не всегда эти советы срабатывают. Чем выше будет поднята антенна MIMO, тем больше кабеля потребуется проложить до соединения модема своими руками, но в этом случае часть сигнала будет гаситься помехами, вызванными этим самым кабелем. Не всегда установка на улице благоприятна для устройства. Если от окисления можно избавиться с помощью покраски, то нельзя не учитывать, что геометрию конструкции могут нарушить порывы ветра. Кроме того, по направлению в сторону станции могут быть различные препятствия, которые будут гасить сигнал.

Для отладки антенны иногда приходится попробовать несколько вариантов установки, но потом это оборудование будет работать и в 3G 4G LTE.

Видео

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.

Требования к пропускной способности мобильных сетей очень высоки и, при этом, они постоянно растут. Очевидные варианты увеличения пропускной способности - увеличение ширины канала и использование модуляций более высокого порядка, не позволяют полностью решить задачу обеспечения высокой пропускной способности. Частотный диапазон все-таки ограничен. А использование модуляции более высокого порядка подразумевает повышение SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), что тоже имеет свой предел. Еще одним способом увеличения пропускной способности беспроводных систем является использование нескольких передающих и приемных антенн (MIMO - Multiple Input Multiple Output ) и специальная обработка сигнала в этом случае. Далее приводится классификация вариантов MIMO и их краткое описание.

Классическая система (SISO - Single Input Single Output)

Для начала рассмотрим варианты MIMO, которые могут быть использованы для передачи данных одному пользователю. Первый классический и самый простой вариант использования одной передающей и одном приемной антенны изображен на рисунке ниже. Такая система с точки зрения терминологии MIMO называется SISO - Single Input Single Output .

Пропускную способность такой системы можно расчитать, используя формулу Шеннона:

C = B log 2 (1 + S /N ), где

C B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

Разнесенный прием (Rx Diversity, SIMO - Single Input Multiple Output)

Разнесенный прием (Rx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на приемной стороне, чем на передающей. С точки зрения MIMO такая система называется SIMO - Single Input Multiple Output . Простейший случай такой системы, когда передающая антенна одна, а приемных две, представлен на рисунке ниже и называется SIMO 1x2.

Представленный вариант не требует специальной подготовки сигнала при передаче, поэтому его достаточно просто реализовать на практике. При использовании разнесенного приема увеличения пропускной способности не происходит. Однако, повышается надежность передачи. В случае с изображенной выше системой на приемной стороне будет два сигнала, и существуют разные способы их обработки. Например, может выбираться сигнал с наилучшим соотношением сигнал/шум. Такой метод называется switched diversity. Или сигналы могут складываться, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. И такой метод называется MRC - Maximum Ratio Combining.

Разнесенная передача (Tx Diversity, MISO - Multiple Input Single Output)

Разнесенная передача (Tx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на передающей стороне, чем на приемной. С точки зрения MIMO такая система называется MISO - Multiple Input Single Output . Простейший случай такой системы, когда передающих антенн две, а приемная одна, представлен на рисунке ниже и называется MISO 2x1.

Как и SIMO, MISO не позволяет увеличить пропускную способность канала, но повышает надежность передачи. В то же время, использование MISO позволяет перенести необходимую дополнительную обработку сигнала с приемной стороны (мобильной станции) на передающую (базовую станцию). Для формирования надежного сигнала используется пространственно-временное кодирование. В этом случае копия сигнала передается не только с другой антенны, но и в другое время. Также может использоваться пространственно-частотное кодирование.

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing, MIMO - Multiple Input Multiple Output)

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) - это случай использования нескольких антенн на передающей стороне и нескольких антенн на приемной. В отличие от предыдущих вариантов - MISO и SIMO, описанных выше, данный вариант направлен не на повышение надежности передачи, а на увеличение скорости передачи. Поэтому MIMO используется для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в хороших радиоусловиях. В то время, как варианты MISO и SIMO используются для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в более плохих радиоусловиях. Для того, чтобы повысить скорость передачи данных в случае с MIMO входной поток данных разбивают на несколько потоков, каждый из которых независимо передается с отдельной антенны. На рисунке ниже приводится общая схема системы MIMO с m передающими антеннами и с n приемными антеннами.

Из-за того, что используется общий канал, каждая антенна на приемнике получает сигнал не только предназначенный для нее (сплошные линии на рисунке), но и все сигналы предназначенные другим антеннам (прерывистые линии на рисунке). Если известна матрица передачи, то влияние сигналов, предназначенных для других антенн, можно вычислить и минимизировать.

Количество независимых потоков данных, которые могут одновременно передаваться, зависит от количества используемых антенн. Если количество передающих и приемных антенн одинаково, то количество независимых потоков данных равно или меньше количеству антенн. Например, в случае MIMO 4x4 количество независимых потоков данных может быть 4 или меньше. Если же количество передающих и приемных антенн не одинаково, то количество независимых потоков данных равно минимальному количеству антенн или меньше. Например в случае MIMO 4x2 количество независимых потоков данных может быть 2 или меньше.

Для вычисления максимальной пропускной способности в случае использования MIMO применяется следующая формула:

C = M B log 2 (1 + S /N ), где

C - пропускная способность канала; M - количество независимых потоков данных; B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

В зависимости от количества пользователей, которым одновременно осуществляется передача данных, можно выделить следующие варианты. Single User MIMO (SU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных одному пользователю, то есть все потоки данных адресованы одному и тому же пользователю. И Multi User MIMO (MU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных нескольким пользователям одновременно в одних и тех же ресурсных блоках, то есть когда независимые потоки данных адресованы разным пользователям. Ниже на рисунке приводится пример MU-MIMO для случая с двумя пользователями.

Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на [email protected]. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.