Ăng-ten MIMO - nó là gì và ưu điểm của nó là gì? Công nghệ MIMO (Multiple Output Multiple Output) là phương pháp mã hóa tín hiệu không gian

MIMO (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) là phương pháp sử dụng phối hợp nhiều ăng-ten vô tuyến trong truyền thông mạng không dây, phổ biến trong các bộ định tuyến băng thông rộng gia đình hiện đại và trong mạng di động LTE và WiMAX.

Làm thế nào nó hoạt động?

Bộ định tuyến Wi-Fi với công nghệ MIMO sử dụng giao thức mạng giống như bộ định tuyến liên kết đơn thông thường. Chúng cung cấp hiệu suất cao hơn bằng cách cải thiện hiệu quả truyền và nhận dữ liệu qua liên kết không dây. Đặc biệt, lưu lượng mạng giữa máy khách và bộ định tuyến được tổ chức thành các luồng riêng biệt được truyền song song, sau đó thiết bị nhận sẽ khôi phục chúng.

Công nghệ MIMO có thể tăng công suất truyền, phạm vi và độ tin cậy khi có nguy cơ nhiễu cao từ các thiết bị không dây khác.

Ứng dụng trong mạng Wi-Fi

Công nghệ MIMO đã được đưa vào tiêu chuẩn kể từ 802.11n. Việc sử dụng nó giúp cải thiện hiệu suất và tính khả dụng của các kết nối mạng so với các bộ định tuyến thông thường.

Số lượng ăng-ten có thể khác nhau. Ví dụ: MIMO 2x2 cung cấp hai ăng-ten và hai máy phát có khả năng thu và phát trên hai kênh.

Để tận dụng công nghệ này và nhận ra lợi ích của nó, thiết bị khách và bộ định tuyến phải thiết lập kết nối MIMO giữa chúng. Tài liệu về thiết bị được sử dụng phải cho biết liệu nó có hỗ trợ tính năng này hay không. Không có cách nào dễ dàng khác để kiểm tra xem kết nối mạng có sử dụng công nghệ này hay không.

SU-MIMO và MU-MIMO

Thế hệ công nghệ đầu tiên, được giới thiệu trong tiêu chuẩn 802.11n, hỗ trợ phương pháp một người dùng (SU). So với các giải pháp truyền thống, trong đó tất cả ăng-ten trên bộ định tuyến phải được phối hợp để liên lạc với một thiết bị khách duy nhất, SU-MIMO cho phép phân bổ từng ăng-ten trên các thiết bị khác nhau.

Công nghệ MIMO nhiều người dùng (MU) được tạo ra để sử dụng trong mạng Wi-Fi 802.11ac ở tần số 5 GHz. Trong khi tiêu chuẩn trước đó yêu cầu các bộ định tuyến quản lý từng kết nối máy khách của chúng cùng một lúc (từng kết nối một), ăng-ten MU-MIMO có thể giao tiếp song song với nhiều máy khách. cải thiện hiệu suất kết nối. Tuy nhiên, ngay cả khi bộ định tuyến 802.11ac có hỗ trợ phần cứng cần thiết cho công nghệ MIMO thì vẫn có những hạn chế khác:

• hỗ trợ một số kết nối máy khách đồng thời có giới hạn (2-4) tùy thuộc vào cấu hình ăng-ten;
• Sự phối hợp ăng-ten chỉ được cung cấp theo một hướng - từ bộ định tuyến đến máy khách.

MIMO và di động

Công nghệ này được sử dụng trong các loại mạng không dây khác nhau. Nó ngày càng được tìm thấy ứng dụng trong truyền thông di động (4G và 5G) dưới nhiều hình thức:

• Mạng MIMO - truyền tín hiệu phối hợp giữa các trạm gốc;
• MIMO khổng lồ - sử dụng số lượng lớn (hàng trăm) ăng-ten;
• sóng milimet - việc sử dụng các dải tần siêu cao có dung lượng lớn hơn các dải tần được cấp phép cho 3G và 4G.

Công nghệ đa người dùng

Để hiểu cách MU-MIMO hoạt động, chúng ta cần xem cách bộ định tuyến không dây truyền thống xử lý các gói dữ liệu. Nó thực hiện tốt việc gửi và nhận dữ liệu nhưng chỉ theo một hướng. Nói cách khác, nó chỉ có thể giao tiếp với một thiết bị tại một thời điểm. Ví dụ: nếu một video đang tải xuống, bạn không thể phát trực tuyến trò chơi điện tử trực tuyến tới bảng điều khiển cùng lúc.

Một người dùng có thể chạy nhiều thiết bị trên mạng Wi-Fi và bộ định tuyến sẽ nhanh chóng thay phiên nhau gửi các bit dữ liệu cho chúng. Tuy nhiên, nó chỉ có thể truy cập một thiết bị tại một thời điểm, đây là nguyên nhân chính dẫn đến chất lượng kết nối kém nếu băng thông Wi-Fi quá thấp.

Vì nó hoạt động nên nó ít thu hút sự chú ý đến chính nó. Tuy nhiên, hiệu quả của bộ định tuyến truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị cùng lúc có thể được cải thiện. Đồng thời, nó sẽ hoạt động nhanh hơn và cung cấp các cấu hình mạng thú vị hơn. Đây là lý do tại sao những phát triển như MU-MIMO xuất hiện và cuối cùng được tích hợp vào các tiêu chuẩn không dây hiện đại. Những phát triển này cho phép các bộ định tuyến tiên tiến giao tiếp với nhiều thiết bị cùng một lúc.

Tóm tắt lịch sử: SU vs MU

MIMO một người dùng và nhiều người dùng là những cách khác nhau để bộ định tuyến giao tiếp với nhiều thiết bị. Cái đầu tiên cũ hơn. Tiêu chuẩn SU cho phép gửi và nhận dữ liệu qua nhiều luồng cùng một lúc, tùy thuộc vào số lượng ăng-ten có sẵn, mỗi luồng có thể hoạt động với các thiết bị khác nhau. SU được đưa vào bản cập nhật 802.11n 2007 và dần dần được đưa vào các dòng sản phẩm mới.

Tuy nhiên, SU-MIMO có những hạn chế ngoài yêu cầu về ăng-ten. Mặc dù có thể có nhiều thiết bị được kết nối nhưng chúng vẫn đang xử lý một bộ định tuyến chỉ có thể xử lý một thiết bị tại một thời điểm. Tốc độ dữ liệu đã tăng lên và vấn đề nhiễu đã ít xảy ra hơn nhưng vẫn còn nhiều điều cần cải thiện.

MU-MIMO là một tiêu chuẩn được phát triển từ SU-MIMO và SDMA (Đa truy cập phân chia theo không gian). Công nghệ này cho phép một trạm cơ sở giao tiếp với nhiều thiết bị bằng cách sử dụng một luồng riêng cho từng thiết bị, như thể tất cả chúng đều có bộ định tuyến riêng.

Hỗ trợ MU cuối cùng đã được thêm vào trong bản cập nhật cho chuẩn 802.11ac vào năm 2013. Sau vài năm phát triển, các nhà sản xuất bắt đầu đưa tính năng này vào sản phẩm của họ.

Lợi ích của MU-MIMO

Đây là một công nghệ thú vị vì nó có tác động rõ rệt đến việc sử dụng Wi-Fi hàng ngày mà không trực tiếp thay đổi băng thông hoặc các thông số không dây quan trọng khác. Mạng đang trở nên hiệu quả hơn nhiều.

Để đảm bảo kết nối ổn định với máy tính xách tay, điện thoại, máy tính bảng hoặc máy tính, tiêu chuẩn này không yêu cầu bộ định tuyến phải có nhiều ăng-ten. Mỗi thiết bị như vậy không được chia sẻ kênh MIMO của nó với người khác. Điều này đặc biệt đáng chú ý khi truyền phát video hoặc thực hiện các tác vụ phức tạp khác. Về mặt chủ quan, tốc độ Internet nhanh hơn và kết nối đáng tin cậy hơn, mặc dù trên thực tế, mạng trở nên thông minh hơn. Số lượng thiết bị được bảo trì đồng thời cũng tăng lên.

Hạn chế của MU-MIMO

Công nghệ đa truy cập nhiều người dùng cũng có một số hạn chế đáng nói. Các tiêu chuẩn hiện tại hỗ trợ 4 thiết bị, nhưng cho phép bạn thêm nhiều thiết bị hơn và chúng sẽ phải chia sẻ luồng, điều này lại gây ra các vấn đề của SU-MIMO. Công nghệ này chủ yếu được sử dụng ở đường xuống và bị hạn chế ở đường lên. Ngoài ra, bộ định tuyến MU-MIMO phải có nhiều thông tin trạng thái liên kết và thiết bị hơn các tiêu chuẩn trước đây yêu cầu. Điều này làm cho mạng không dây khó quản lý và khắc phục sự cố hơn.

MU-MIMO cũng là một công nghệ định hướng. Điều này có nghĩa là 2 thiết bị đặt cạnh nhau không thể sử dụng cùng lúc các kênh khác nhau. Ví dụ: nếu một người chồng đang xem một luồng trực tuyến trên TV và vợ anh ta ở gần đó đang phát trực tuyến trò chơi PS4 tới Vita của cô ấy thông qua Remote Play, họ vẫn sẽ phải chia sẻ băng thông. Bộ định tuyến chỉ có thể cung cấp các luồng riêng biệt cho các thiết bị được đặt ở các hướng khác nhau.

MIMO lớn

Khi chúng ta hướng tới mạng không dây thế hệ thứ năm (5G), sự phát triển của điện thoại thông minh và các ứng dụng mới đã dẫn đến băng thông yêu cầu tăng gấp 100 lần so với LTE. Công nghệ Massive MIMO mới, nhận được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, được thiết kế để tăng đáng kể hiệu quả của mạng viễn thông lên mức chưa từng có. Do sự khan hiếm và chi phí cao của các nguồn tài nguyên sẵn có, các nhà khai thác bị thu hút bởi cơ hội tăng công suất ở các dải tần dưới 6 GHz.

Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể nhưng Massive MIMO vẫn chưa hoàn hảo. Công nghệ này tiếp tục được nghiên cứu tích cực trong cả giới học viện và ngành công nghiệp, nơi các kỹ sư cố gắng đạt được kết quả lý thuyết bằng các giải pháp được chấp nhận về mặt thương mại.

MIMO khổng lồ có thể giúp giải quyết hai vấn đề chính - thông lượng và phạm vi phủ sóng. Đối với các nhà khai thác di động, dải tần vẫn là nguồn tài nguyên khan hiếm và tương đối đắt tiền nhưng là điều kiện then chốt để tăng tốc độ truyền tín hiệu. Ở các thành phố, khoảng cách trạm gốc được quyết định bởi công suất chứ không phải vùng phủ sóng, điều này đòi hỏi phải triển khai số lượng lớn trạm gốc và phát sinh thêm chi phí. MIMO khổng lồ cho phép bạn tăng dung lượng của mạng hiện có. Ở những khu vực triển khai trạm gốc theo vùng phủ sóng, công nghệ có thể mở rộng phạm vi của trạm gốc.

Ý tưởng

MIMO khổng lồ thay đổi căn bản thực tiễn hiện tại bằng cách sử dụng một số lượng rất lớn ăng-ten dịch vụ 4G hoạt động mạch lạc và thích ứng (hàng trăm hoặc hàng nghìn). Điều này giúp tập trung việc truyền và nhận năng lượng tín hiệu vào các vùng không gian nhỏ hơn, cải thiện đáng kể hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng, đặc biệt khi kết hợp với lập lịch đồng thời cho số lượng lớn thiết bị đầu cuối người dùng (hàng chục hoặc hàng trăm). Phương pháp này ban đầu được thiết kế để truyền song công phân chia theo thời gian (TDD), nhưng cũng có thể được sử dụng trong chế độ song công phân chia theo tần số (PDD).

Công nghệ MIMO: ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng rộng rãi các thành phần năng lượng thấp rẻ tiền, độ trễ giảm, lớp điều khiển truy cập (MAC) đơn giản hóa và khả năng chống nhiễu ngẫu nhiên và có chủ ý. Thông lượng dự kiến ​​phụ thuộc vào môi trường truyền sóng cung cấp các liên kết trực giao tiệm cận đến các thiết bị đầu cuối và các thử nghiệm cho đến nay vẫn chưa cho thấy có hạn chế nào về vấn đề này.

Tuy nhiên, cùng với việc loại bỏ nhiều vấn đề, lại xuất hiện những vấn đề mới đòi hỏi phải có giải pháp cấp bách. Ví dụ: hệ thống MIMO cần cho phép nhiều thành phần có chi phí thấp, độ chính xác thấp hoạt động cùng nhau một cách hiệu quả, thu thập dữ liệu trạng thái kênh và phân bổ tài nguyên cho các thiết bị đầu cuối mới được kết nối. Ngoài ra còn có nhu cầu khai thác các bậc tự do bổ sung do ăng-ten dịch vụ dự phòng cung cấp, giảm mức tiêu thụ điện năng bên trong để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể và tìm ra các kịch bản triển khai mới.

Số lượng ăng-ten 4G ngày càng tăng liên quan đến việc triển khai MIMO thường yêu cầu phải đến từng trạm cơ sở để thay đổi cấu hình và nối dây. Việc triển khai mạng LTE ban đầu yêu cầu lắp đặt thiết bị mới. Điều này giúp tạo ra cấu hình MIMO 2x2 của chuẩn LTE ban đầu. Những thay đổi tiếp theo đối với trạm gốc chỉ được thực hiện trong những trường hợp đặc biệt và việc triển khai ở cấp độ cao hơn phụ thuộc vào môi trường vận hành. Một vấn đề khác là hoạt động MIMO dẫn đến hành vi mạng hoàn toàn khác so với các hệ thống trước đó, điều này tạo ra một số sự không chắc chắn về lịch trình. Do đó, các nhà khai thác có xu hướng sử dụng các phát triển khác trước, đặc biệt nếu chúng có thể được triển khai thông qua bản cập nhật phần mềm.

Công nghệ dựa trên chuẩn WiFi IEEE 802.11n.

Wi-Life cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về công nghệ WiFi IEEE 802.11n .
Thông tin mở rộng tới chúng tôi ấn phẩm video.

Đầu tiên thế hệ thiết bị hỗ trợ chuẩn WiFi 802.11n xuất hiện trên thị trường cách đây vài năm. Công nghệ MIMO ( MIMO - nhiều đầu vào / nhiều đầu ra -nhiều đầu vào/nhiều đầu ra) là cốt lõi của 802.11n. Nó là một hệ thống vô tuyến có nhiều đường truyền và nhận riêng biệt. Hệ thống MIMO được mô tả bằng cách sử dụng số lượng máy phát và máy thu. Chuẩn WiFi 802.11n xác định một tập hợp các kết hợp có thể có từ 1x1 đến 4x4.

Trong trường hợp điển hình là triển khai mạng Wi-Fi trong nhà, chẳng hạn như trong văn phòng, nhà xưởng, nhà chứa máy bay, bệnh viện, tín hiệu vô tuyến hiếm khi truyền dọc theo con đường ngắn nhất giữa máy phát và máy thu do tường, cửa và các chướng ngại vật khác. Hầu hết các môi trường như vậy đều có nhiều bề mặt khác nhau phản xạ tín hiệu vô tuyến (sóng điện từ) giống như một tấm gương phản chiếu ánh sáng. Sau khi phản xạ, nhiều bản sao của tín hiệu WiFi gốc được hình thành. Khi nhiều bản sao của tín hiệu WiFi truyền dọc theo các đường dẫn khác nhau từ bộ phát đến bộ thu, tín hiệu đi theo đường đi ngắn nhất sẽ là đường đi đầu tiên và các bản sao tiếp theo (hoặc tiếng vang phản xạ của tín hiệu) sẽ đến muộn hơn một chút do thời gian dài hơn. những con đường. Điều này được gọi là truyền tín hiệu đa đường (đa đường). Các điều kiện để nhân giống liên tục thay đổi vì... Các thiết bị Wi-Fi thường xuyên di chuyển (điện thoại thông minh có Wi-Fi trên tay người dùng), nhiều vật thể khác nhau di chuyển xung quanh tạo ra nhiễu (người, ô tô, v.v.). Nếu tín hiệu đến vào những thời điểm khác nhau và ở các góc khác nhau, điều này có thể gây ra hiện tượng méo và suy giảm tín hiệu.

Điều quan trọng cần nhớ là WiFi 802.11 n có hỗ trợ MIMO và một số lượng lớn máy thu có thể làm giảm hiệu ứng đa đường và nhiễu triệt tiêu, nhưng trong mọi trường hợp, tốt hơn là giảm các điều kiện đa đường ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào có thể. Một trong những điểm quan trọng nhất là giữ ăng-ten càng xa các vật kim loại càng tốt (chủ yếu là ăng-ten WiFi omni có kiểu bức xạ hình tròn hoặc đa hướng).

Cần thiết hiểu rõ ràng rằng không phải tất cả các máy khách Wi-Fi và điểm truy cập WiFi đều giống nhau theo quan điểm MIMO.
Có các máy khách 1x1, 2x1, 3x3, v.v. Ví dụ: các thiết bị di động như điện thoại thông minh thường hỗ trợ MIMO 1x 1, đôi khi là 1x 2. Điều này là do hai vấn đề chính:
1. nhu cầu đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng thấp và tuổi thọ pin dài,
2. khó khăn trong việc sắp xếp nhiều ăng-ten với khoảng cách thích hợp trong một gói nhỏ.
Điều tương tự cũng áp dụng cho các thiết bị di động khác: máy tính bảng, PDA, v.v.

Máy tính xách tay cao cấp thường đã hỗ trợ MIMO lên đến 3x3 (MacBook Pro, v.v.).

Hãy Hãy xem xét các loại chính MIMO trong mạng WiFi.
Hiện tại chúng ta sẽ bỏ qua chi tiết về số lượng máy phát và máy thu. Điều quan trọng là phải hiểu nguyên tắc.

Loại đầu tiên: Đa dạng khi nhận tín hiệu trên thiết bị WiFi

Nếu có ít nhất hai máy thu được ghép nối với tính phân tập ăng-ten tại điểm thu,
thì hoàn toàn có thể phân tích tất cả các bản sao trên mỗi máy thu để chọn ra tín hiệu tốt nhất.
Hơn nữa, nhiều thao tác khác nhau có thể được thực hiện với các tín hiệu này, nhưng trước hết chúng ta quan tâm đến
khả năng kết hợp chúng bằng công nghệ MRC (Kết hợp tỷ lệ tối đa). Công nghệ MRC sẽ được thảo luận chi tiết hơn dưới đây.

Loại thứ hai: Đa dạng khi gửi tín hiệu tới thiết bị WiFi

Nếu tại điểm gửi có ít nhất hai bộ phát WiFi được kết nối với các ăng-ten cách nhau thì có thể gửi một nhóm tín hiệu giống hệt nhau để tăng số lượng bản sao thông tin, tăng độ tin cậy trong truyền dẫn và giảm nhu cầu gửi lại dữ liệu trong kênh vô tuyến trong trường hợp bị mất.

Loại thứ ba: Ghép kênh tín hiệu không gian trên thiết bị WiFi
(kết hợp tín hiệu)

Nếu tại điểm gửi và điểm nhận có ít nhất hai bộ phát WiFi được kết nối với ăng-ten riêng biệt thì có thể gửi một tập hợp thông tin khác nhau qua các tín hiệu khác nhau để tạo ra khả năng kết hợp hầu như các luồng thông tin đó thành một. kênh truyền dữ liệu, tổng thông lượng của nó có xu hướng bằng tổng các luồng riêng lẻ mà nó bao gồm. Điều này được gọi là ghép kênh không gian. Nhưng ở đây, điều cực kỳ quan trọng là đảm bảo khả năng phân tách chất lượng cao của tất cả các tín hiệu nguồn, đòi hỏi một lượng lớn SNR - Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu.

Công nghệ MRC (tỷ lệ tối đa kết hợp ) được sử dụng trong nhiều Access Point hiện đại Wifi lớp công ty.
M.R.C. nhằm mục đích tăng mức tín hiệu theo hướng từ Wifi khách hàng tới Điểm truy cập WiFi 802.11.
Thuật toán làm việc M.R.C. liên quan đến việc thu thập trên một số ăng-ten và máy thu tất cả các tín hiệu trực tiếp và phản xạ trong quá trình truyền lan đa đường. Tiếp theo là bộ xử lý đặc biệt ( DSP ) chọn tín hiệu tốt nhất từ ​​mỗi máy thu và thực hiện kết hợp. Trên thực tế, quá trình xử lý toán học thực hiện dịch pha ảo để tạo ra nhiễu dương với các tín hiệu được thêm vào. Do đó, tín hiệu tổng thu được có đặc tính tốt hơn đáng kể so với tất cả các tín hiệu ban đầu.

M.R.C. cho phép bạn cung cấp các điều kiện hoạt động tốt hơn đáng kể cho các thiết bị di động có công suất thấp trong mạng tiêu chuẩn Wifi .

Trên hệ thống WiFi 802.11n Ưu điểm của việc truyền đa đường được sử dụng để truyền nhiều tín hiệu vô tuyến cùng một lúc. Mỗi tín hiệu này, được gọi là " dòng chảy không gian", được gửi từ một ăng-ten riêng sử dụng bộ phát riêng. Do có một khoảng cách nhất định giữa các ăng-ten nên mỗi tín hiệu đi theo một đường dẫn hơi khác nhau đến máy thu. Hiệu ứng này được gọi là " đa dạng về không gian" Máy thu cũng được trang bị một số ăng-ten với các mô-đun vô tuyến riêng biệt, giải mã độc lập các tín hiệu đến và mỗi tín hiệu được kết hợp với tín hiệu từ các mô-đun vô tuyến thu khác. Kết quả là một số luồng dữ liệu được nhận đồng thời. Điều này cung cấp thông lượng cao hơn đáng kể so với các hệ thống WiFi 802.11 trước đây nhưng cũng yêu cầu máy khách có khả năng 802.11n.

Bây giờ chúng ta hãy đi sâu hơn một chút vào chủ đề này:
Trong các thiết bị WiFi có MIMO có thể chia toàn bộ luồng thông tin đến thành nhiều luồng dữ liệu khác nhau bằng cách sử dụng tính năng ghép kênh không gian cho lần gửi tiếp theo của chúng. Nhiều máy phát và ăng-ten được sử dụng để gửi các luồng khác nhau trên cùng một kênh tần số. Một cách để hình dung điều này là một số cụm từ văn bản có thể được truyền đi sao cho từ đầu tiên được gửi qua một máy phát, từ thứ hai qua một máy phát khác, v.v.
Đương nhiên, bên nhận phải hỗ trợ cùng chức năng (MIMO) để cách ly hoàn toàn các tín hiệu khác nhau, tập hợp lại và kết hợp chúng bằng cách sử dụng tính năng ghép kênh không gian. Bằng cách này, chúng tôi có cơ hội khôi phục luồng thông tin ban đầu. Công nghệ được trình bày cho phép bạn chia luồng dữ liệu lớn thành một tập hợp các luồng nhỏ hơn và truyền chúng riêng biệt với nhau. Nói chung, điều này giúp có thể sử dụng hiệu quả hơn môi trường vô tuyến và đặc biệt là các tần số được phân bổ cho Wi-Fi.

Công nghệ Wi-Fi 802.11n cũng xác định cách MIMO có thể được sử dụng để cải thiện SNR ở máy thu bằng cách sử dụng định dạng chùm tia truyền. Với kỹ thuật này có thể điều khiển quá trình gửi tín hiệu từ mỗi ăng-ten sao cho các thông số của tín hiệu thu được tại máy thu được cải thiện. Nói cách khác, ngoài việc gửi nhiều luồng dữ liệu, nhiều máy phát có thể được sử dụng để đạt được SNR cao hơn tại điểm nhận và kết quả là tốc độ dữ liệu cao hơn ở máy khách.
Những điều sau đây cần được lưu ý:
1. Quy trình định dạng chùm tia truyền được xác định trong tiêu chuẩn Wi-Fi 802.11n yêu cầu cộng tác với bộ thu (trên thực tế là với thiết bị khách) để nhận phản hồi về trạng thái tín hiệu tại bộ thu. Ở đây cần phải có sự hỗ trợ cho chức năng này ở cả hai phía của kênh - cả trên máy phát và máy thu.
2. Do sự phức tạp của quy trình này, việc tạo chùm tia truyền không được hỗ trợ trong thế hệ chip 802.11n đầu tiên ở cả phía thiết bị đầu cuối và phía Điểm truy cập. Hiện tại, hầu hết các chip dành cho thiết bị khách hiện có cũng không hỗ trợ chức năng này.
3. Có giải pháp xây dựng mạng lưới Wifi , cho phép bạn kiểm soát hoàn toàn kiểu bức xạ trên Điểm truy cập mà không cần nhận phản hồi từ thiết bị khách.

Chúng tôi cung cấp để nhận thông báo khi các bài viết chuyên đề mới được phát hành hoặc tài liệu mới xuất hiện trên trang web.

Tham gia nhóm của chúng tôi trên

MIMO(Multiple input Multiple Output - nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là công nghệ được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây (WIFI, mạng truyền thông di động), có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần của hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu tối đa và dung lượng mạng. Cách chính để đạt được những lợi ích trên là truyền dữ liệu từ nguồn tới đích thông qua nhiều kết nối vô tuyến, đó là lý do công nghệ có tên như vậy. Hãy xem xét bối cảnh của vấn đề này và xác định những lý do chính dẫn đến việc sử dụng rộng rãi công nghệ MIMO.

Nhu cầu về kết nối tốc độ cao cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao với khả năng chịu lỗi cao đang tăng lên hàng năm. Điều này được hỗ trợ rất nhiều bởi sự xuất hiện của các dịch vụ như VoIP (), VoD (), v.v. Tuy nhiên, hầu hết các công nghệ không dây không cho phép cung cấp cho thuê bao dịch vụ chất lượng cao ở rìa vùng phủ sóng. Trong các hệ thống liên lạc di động và không dây khác, chất lượng kết nối cũng như tốc độ truyền dữ liệu sẵn có sẽ giảm nhanh chóng theo khoảng cách từ (BTS). Đồng thời, chất lượng dịch vụ cũng giảm sút, cuối cùng dẫn đến việc không thể cung cấp dịch vụ thời gian thực với chất lượng cao trên toàn bộ vùng phủ sóng vô tuyến của mạng. Để giải quyết vấn đề này, bạn có thể cố gắng cài đặt các trạm gốc với mật độ dày đặc nhất có thể và tổ chức vùng phủ sóng nội bộ ở tất cả những nơi có mức tín hiệu thấp. Tuy nhiên, điều này sẽ đòi hỏi chi phí tài chính đáng kể, cuối cùng sẽ dẫn đến tăng giá thành dịch vụ và giảm khả năng cạnh tranh. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, cần phải có sự đổi mới ban đầu để sử dụng dải tần hiện tại và không yêu cầu xây dựng cơ sở mạng mới nếu có thể.

Đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến

Để hiểu được nguyên lý hoạt động của công nghệ MIMO, cần xem xét những nguyên lý chung trong không gian. Sóng phát ra từ các hệ thống vô tuyến không dây khác nhau trong phạm vi trên 100 MHz hoạt động giống như tia sáng theo nhiều cách. Khi sóng vô tuyến gặp bất kỳ bề mặt nào trong quá trình truyền, tùy thuộc vào vật liệu và kích thước của vật cản, một phần năng lượng bị hấp thụ, một phần đi qua và phần còn lại bị phản xạ. Tỷ lệ chia sẻ năng lượng được hấp thụ, phản xạ và truyền đi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài, bao gồm cả tần số của tín hiệu. Hơn nữa, năng lượng tín hiệu được phản xạ và truyền qua có thể thay đổi hướng truyền tiếp theo của nó và bản thân tín hiệu bị chia thành nhiều sóng.

Tín hiệu truyền theo các định luật trên từ nguồn đến máy thu sau khi gặp vô số vật cản sẽ được chia thành nhiều sóng, trong đó chỉ một phần đến được máy thu. Mỗi sóng tới máy thu tạo thành cái gọi là đường truyền tín hiệu. Hơn nữa, do thực tế là các sóng khác nhau được phản xạ từ số lượng chướng ngại vật khác nhau và truyền đi những khoảng cách khác nhau nên các đường đi khác nhau có đường đi khác nhau.

Trong môi trường đô thị dày đặc, do có nhiều chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối, ô tô, v.v., tình huống rất thường xảy ra là không có tầm nhìn trực tiếp giữa MS và ăng-ten của trạm gốc (BTS). Trong trường hợp này, lựa chọn duy nhất để tín hiệu đến được máy thu là thông qua sóng phản xạ. Tuy nhiên, như đã lưu ý ở trên, tín hiệu phản xạ lặp đi lặp lại không còn năng lượng ban đầu và có thể đến muộn. Khó khăn đặc biệt còn được tạo ra bởi thực tế là các vật thể không phải lúc nào cũng đứng yên và tình hình có thể thay đổi đáng kể theo thời gian. Điều này đặt ra một vấn đề - một trong những vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống truyền thông không dây.

Tuyên truyền đa đường - một vấn đề hay một lợi thế?

Một số giải pháp khác nhau được sử dụng để chống lại sự truyền tín hiệu đa đường. Một trong những công nghệ phổ biến nhất là Nhận đa dạng - . Bản chất của nó nằm ở chỗ để nhận được tín hiệu, không phải một mà là một số ăng-ten được sử dụng (thường là hai, ít thường là bốn), nằm ở khoảng cách xa nhau. Do đó, người nhận không chỉ có một mà có hai bản sao của tín hiệu được truyền đến theo những cách khác nhau. Điều này giúp có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ tín hiệu ban đầu, bởi vì sóng mà anten này thu được có thể không thu được anten khác và ngược lại. Ngoài ra, tín hiệu đến lệch pha tới một ăng-ten có thể đến cùng pha với anten khác. Thiết kế giao diện vô tuyến này có thể được gọi là Thiết kế nhiều đầu vào đơn (SIMO), trái ngược với thiết kế Đầu vào đơn đầu ra (SISO) tiêu chuẩn. Cách tiếp cận ngược lại cũng có thể được sử dụng: khi một số ăng-ten được sử dụng để truyền và một ăng-ten để thu. Điều này cũng làm tăng tổng năng lượng của tín hiệu ban đầu mà máy thu nhận được. Mạch này được gọi là Nhiều đầu vào đơn đầu ra (MISO). Trong cả hai sơ đồ (SIMO và MISO), một số ăng-ten được lắp đặt ở phía trạm gốc, bởi vì Rất khó để thực hiện phân tập ăng-ten trong thiết bị di động trên một khoảng cách đủ lớn mà không tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.

Nhờ lý luận sâu hơn, chúng ta đi đến sơ đồ Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO). Trong trường hợp này, một số ăng-ten được lắp đặt để truyền và nhận. Tuy nhiên, không giống như các sơ đồ trên, sơ đồ phân tập này không chỉ cho phép chống lại sự truyền tín hiệu đa đường mà còn đạt được một số lợi thế bổ sung. Bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten để truyền và nhận, mỗi cặp ăng-ten truyền/thu có thể được chỉ định một đường dẫn riêng để truyền thông tin. Trong trường hợp này, việc thu phân tập sẽ được thực hiện bởi các ăng-ten còn lại và ăng-ten này cũng sẽ đóng vai trò là ăng-ten bổ sung cho các đường truyền khác. Kết quả là, về mặt lý thuyết, có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu lên gấp nhiều lần khi sử dụng thêm ăng-ten. Tuy nhiên, có một hạn chế đáng kể do chất lượng của từng đường truyền vô tuyến.

MIMO hoạt động như thế nào

Như đã lưu ý ở trên, để tổ chức công nghệ MIMO cần phải lắp đặt một số ăng-ten ở phía phát và phía thu. Thông thường, số lượng ăng-ten bằng nhau được lắp đặt ở đầu vào và đầu ra của hệ thống, bởi vì trong trường hợp này, tốc độ truyền dữ liệu tối đa sẽ đạt được. Để hiển thị số lượng ăng-ten khi thu và truyền, cùng với tên của công nghệ MIMO, ký hiệu “AxB” thường được đề cập, trong đó A là số lượng ăng-ten ở đầu vào hệ thống và B là ở đầu ra. Trong trường hợp này, hệ thống có nghĩa là kết nối vô tuyến.

Công nghệ MIMO yêu cầu một số thay đổi về cấu trúc máy phát so với các hệ thống thông thường. Chúng ta hãy xem xét một trong những cách đơn giản nhất có thể để tổ chức công nghệ MIMO. Trước hết, cần có một bộ chia luồng ở phía phát, bộ chia này sẽ chia dữ liệu dự định truyền thành nhiều luồng con tốc độ thấp, số lượng trong số đó phụ thuộc vào số lượng ăng-ten. Ví dụ: đối với MIMO 4x4 và tốc độ dữ liệu đầu vào là 200 Mbit/s, bộ chia sẽ tạo ra 4 luồng, mỗi luồng 50 Mbit/s. Tiếp theo, mỗi luồng này phải được truyền qua ăng-ten riêng. Thông thường, các ăng-ten truyền dẫn được lắp đặt với một số khoảng cách về không gian để cung cấp càng nhiều tín hiệu giả phát sinh do phản xạ càng tốt. Theo một trong những cách tổ chức công nghệ MIMO, tín hiệu được truyền từ mỗi ăng-ten với độ phân cực khác nhau, cho phép nhận dạng tín hiệu khi nhận được. Tuy nhiên, trong trường hợp đơn giản nhất, mỗi tín hiệu được truyền đi lại được đánh dấu bởi chính môi trường truyền dẫn (độ trễ thời gian và các biến dạng khác).

Ở phía thu, một số ăng-ten nhận tín hiệu từ sóng vô tuyến. Hơn nữa, các ăng-ten ở phía thu cũng được lắp đặt tính phân tập không gian nhất định, do đó đảm bảo khả năng thu đa dạng như đã thảo luận trước đó. Các tín hiệu nhận được sẽ đến máy thu, số lượng tín hiệu tương ứng với số lượng ăng-ten và đường truyền. Hơn nữa, mỗi máy thu đều nhận được tín hiệu từ tất cả ăng-ten của hệ thống. Mỗi bộ cộng này trích xuất từ ​​tổng luồng năng lượng tín hiệu của chỉ đường dẫn mà nó chịu trách nhiệm. Anh ta thực hiện điều này theo một số thuộc tính được xác định trước được cung cấp cho từng tín hiệu hoặc thông qua phân tích độ trễ, suy giảm, dịch pha, tức là. tập hợp các biến dạng hoặc “dấu vân tay” của môi trường truyền sóng. Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động của hệ thống (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC), v.v.), tín hiệu truyền đi có thể được lặp lại sau một thời gian nhất định hoặc được truyền với độ trễ nhẹ qua thiết bị khác. ăng ten.

Một hiện tượng bất thường có thể xảy ra trong hệ thống MIMO là tốc độ dữ liệu của hệ thống MIMO có thể bị giảm khi có một đường truyền giữa nguồn tín hiệu và máy thu. Điều này chủ yếu là do mức độ biến dạng trong không gian xung quanh giảm đi, đánh dấu từng tín hiệu. Kết quả là việc tách các tín hiệu ở đầu thu trở nên khó khăn và chúng bắt đầu ảnh hưởng lẫn nhau. Do đó, chất lượng kết nối vô tuyến càng cao thì lợi ích thu được từ MIMO càng ít.

MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO)

Nguyên tắc tổ chức liên lạc vô tuyến được thảo luận ở trên đề cập đến cái gọi là MIMO người dùng đơn (SU-MIMO), trong đó chỉ có một máy phát và máy thu thông tin. Trong trường hợp này, cả máy phát và máy thu đều có thể phối hợp hành động rõ ràng, đồng thời không có yếu tố bất ngờ khi người dùng mới có thể xuất hiện trên sóng. Sơ đồ này khá phù hợp với các hệ thống nhỏ, chẳng hạn như để tổ chức liên lạc trong văn phòng tại nhà giữa hai thiết bị. Đổi lại, hầu hết các hệ thống, chẳng hạn như WI-FI, WIMAX, hệ thống thông tin di động đều có nhiều người dùng, tức là. trong đó có một trung tâm duy nhất và một số đối tượng ở xa, mỗi đối tượng cần tổ chức kết nối vô tuyến. Như vậy, nảy sinh hai vấn đề: một mặt, trạm gốc phải truyền tín hiệu đến nhiều thuê bao thông qua cùng một hệ thống ăng-ten (MIMO Broadcast), đồng thời nhận tín hiệu qua cùng ăng-ten từ nhiều thuê bao (MIMO MAC - Nhiều kênh truy cập).

Ở hướng đường lên - từ MS đến BTS, người dùng truyền tải thông tin của họ đồng thời trên cùng một tần số. Trong trường hợp này, một khó khăn nảy sinh đối với trạm gốc: cần phải tách tín hiệu khỏi các thuê bao khác nhau. Một trong những cách khả thi để giải quyết vấn đề này cũng là phương pháp xử lý tuyến tính, bao gồm việc truyền sơ bộ tín hiệu được truyền. Theo phương pháp này, tín hiệu gốc được nhân với một ma trận bao gồm các hệ số phản ánh hiệu ứng nhiễu từ các thuê bao khác. Ma trận được tổng hợp dựa trên tình hình hiện tại trên đài: số lượng thuê bao, tốc độ truyền dẫn, v.v. Do đó, trước khi truyền, tín hiệu có thể bị biến dạng ngược với tín hiệu mà nó sẽ gặp phải trong quá trình truyền vô tuyến.

Ở đường xuống - hướng từ BTS đến MS, trạm gốc truyền tín hiệu đồng thời trên cùng một kênh đến nhiều thuê bao cùng một lúc. Điều này dẫn đến thực tế là tín hiệu được truyền cho một thuê bao sẽ ảnh hưởng đến việc thu tất cả các tín hiệu khác, tức là. sự can thiệp xảy ra. Các phương án khả thi để giải quyết vấn đề này là sử dụng hoặc sử dụng công nghệ mã hóa giấy bẩn. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về công nghệ giấy bẩn. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên phân tích hiện trạng sóng vô tuyến và số lượng thuê bao đang hoạt động. Thuê bao duy nhất (đầu tiên) truyền dữ liệu của mình đến trạm gốc mà không mã hóa hoặc thay đổi dữ liệu của mình, bởi vì không có sự can thiệp từ các thuê bao khác. Người đăng ký thứ hai sẽ mã hóa, tức là. thay đổi năng lượng tín hiệu của bạn để không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu tiên và không khiến tín hiệu của bạn bị ảnh hưởng từ tín hiệu đầu tiên. Những thuê bao tiếp theo được thêm vào hệ thống cũng sẽ tuân theo nguyên tắc này, căn cứ vào số lượng thuê bao đang hoạt động và ảnh hưởng của tín hiệu họ truyền đi.

Ứng dụng MIMO

Trong thập kỷ qua, công nghệ MIMO là một trong những cách phù hợp nhất để tăng thông lượng và công suất của hệ thống truyền thông không dây. Hãy xem xét một số ví dụ về việc sử dụng MIMO trong các hệ thống truyền thông khác nhau.

Chuẩn WiFi 802.11n là một trong những ví dụ nổi bật nhất về việc sử dụng công nghệ MIMO. Theo đó, nó cho phép bạn duy trì tốc độ lên tới 300 Mbit/s. Hơn nữa, chuẩn 802.11g trước đây chỉ cho phép tốc độ 50 Mbit/s. Ngoài việc tăng tốc độ truyền dữ liệu, tiêu chuẩn mới nhờ MIMO còn cho phép chất lượng dịch vụ tốt hơn ở những khu vực có cường độ tín hiệu thấp. 802.11n không chỉ được sử dụng trong các hệ thống điểm/đa điểm (Point/Multipoint) - phân khúc phổ biến nhất để sử dụng công nghệ WiFi để tổ chức mạng LAN (Mạng cục bộ) mà còn để tổ chức các kết nối điểm/điểm được sử dụng để tổ chức liên lạc đường trục kênh ở nhiều tốc độ hàng trăm Mbit/s và cho phép truyền dữ liệu qua hàng chục km (tối đa 50 km).

Chuẩn WiMAX cũng có hai phiên bản giới thiệu những khả năng mới cho người dùng sử dụng công nghệ MIMO. Đầu tiên, 802.16e, cung cấp dịch vụ băng thông rộng di động. Nó cho phép bạn truyền thông tin với tốc độ lên tới 40 Mbit/s theo hướng từ trạm gốc đến thiết bị thuê bao. Tuy nhiên, MIMO trong 802.16e được coi là một tùy chọn và được sử dụng ở cấu hình đơn giản nhất - 2x2. Trong phiên bản tiếp theo, MIMO 802.16m được coi là công nghệ bắt buộc, có thể cấu hình 4×4. Trong trường hợp này, WiMAX có thể được phân loại là hệ thống thông tin di động, cụ thể là thế hệ thứ tư (do tốc độ truyền dữ liệu cao), bởi vì có một số đặc điểm vốn có của mạng di động: kết nối thoại. Trong trường hợp sử dụng di động, về mặt lý thuyết, có thể đạt được tốc độ 100 Mbit/s. Ở phiên bản cố định, tốc độ có thể đạt tới 1 Gbit/s.

Mối quan tâm lớn nhất là việc sử dụng công nghệ MIMO trong các hệ thống thông tin di động. Công nghệ này đã được sử dụng kể từ thế hệ thứ ba của hệ thống thông tin di động. Ví dụ: trong tiêu chuẩn, trong Rel. 6, nó được sử dụng cùng với công nghệ HSPA hỗ trợ tốc độ lên tới 20 Mbit/s và trong Rel. 7 – với HSPA+, tốc độ truyền dữ liệu đạt 40 Mbit/s. Tuy nhiên, MIMO vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 3G.

Các hệ thống, cụ thể là LTE, cũng cung cấp việc sử dụng MIMO với cấu hình lên tới 8x8. Về mặt lý thuyết, điều này có thể giúp truyền dữ liệu từ trạm gốc đến thuê bao với tốc độ trên 300 Mbit/s. Một điểm tích cực quan trọng khác là chất lượng kết nối ổn định ngay cả ở rìa. Trong trường hợp này, ngay cả ở một khoảng cách đáng kể so với trạm gốc hoặc khi được đặt trong một căn phòng ở xa, tốc độ truyền dữ liệu sẽ chỉ giảm một chút.

Vì vậy, công nghệ MIMO được ứng dụng trong hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu không dây. Hơn nữa, tiềm năng của nó vẫn chưa cạn kiệt. Các tùy chọn cấu hình ăng-ten mới đang được phát triển, lên tới 64x64 MIMO. Điều này sẽ cho phép chúng tôi đạt được tốc độ dữ liệu, dung lượng mạng và hiệu quả phổ tần cao hơn nữa trong tương lai.

Ngày 9 tháng 4 năm 2014

Có thời điểm, kết nối IR biến mất một cách lặng lẽ và không thể nhận ra, sau đó họ ngừng sử dụng Bluetooth để trao đổi dữ liệu. Và bây giờ đến lượt Wi-Fi...

Một hệ thống nhiều người dùng với nhiều đầu vào và đầu ra đã được phát triển, cho phép mạng giao tiếp với nhiều máy tính cùng một lúc. Những người sáng tạo tuyên bố rằng khi sử dụng cùng dải sóng vô tuyến được phân bổ cho Wi-Fi, tốc độ trao đổi có thể tăng gấp ba lần.

Qualcomm Atheros đã phát triển hệ thống nhiều người dùng, nhiều đầu vào/nhiều đầu ra (MU-MIMO) cho phép mạng giao tiếp với nhiều máy tính cùng một lúc. Công ty có kế hoạch bắt đầu trình diễn công nghệ này trong vài tháng tới trước khi bắt đầu giao hàng cho khách hàng vào đầu năm tới.

Tuy nhiên, để có được tốc độ truyền cao này, người dùng sẽ phải nâng cấp cả máy tính và bộ định tuyến mạng.

Theo giao thức Wi-Fi, các máy khách được phục vụ tuần tự - chỉ một thiết bị truyền và nhận được sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định - do đó chỉ một phần nhỏ băng thông mạng được sử dụng.

Sự tích tụ của các sự kiện tuần tự này làm giảm tốc độ liên lạc khi ngày càng có nhiều thiết bị kết nối với mạng.

Giao thức MU-MIMO (nhiều người dùng, nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) đảm bảo truyền thông tin đồng thời đến một nhóm khách hàng, giúp sử dụng hiệu quả hơn băng thông mạng Wi-Fi có sẵn và từ đó tăng tốc độ truyền.

Qualcomm tin rằng những khả năng như vậy sẽ đặc biệt hữu ích trong các trung tâm hội nghị và quán cà phê Internet nơi nhiều người dùng kết nối với cùng một mạng.

Công ty cũng tin rằng điều quan trọng không chỉ là tăng tốc độ tuyệt đối mà còn sử dụng mạng và thời gian phát sóng hiệu quả hơn để hỗ trợ số lượng thiết bị, dịch vụ và ứng dụng được kết nối ngày càng tăng.

Qualcomm có kế hoạch bán chip MU-Mimo cho các nhà sản xuất bộ định tuyến, điểm truy cập, điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị hỗ trợ Wi-Fi khác. Những con chip đầu tiên sẽ có thể xử lý đồng thời bốn luồng dữ liệu; hỗ trợ công nghệ sẽ được bao gồm trong chip Atheros 802.11ac và bộ xử lý di động Snapdragon 805 và 801. Một cuộc trình diễn công nghệ sẽ diễn ra trong năm nay và những đợt giao chip đầu tiên được lên kế hoạch vào quý 1 năm sau.

Chà, bây giờ nếu ai muốn tìm hiểu chi tiết hơn về công nghệ này thì hãy tiếp tục...

MIMO(Multiple input Multiple Output - nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là công nghệ được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây (WIFI, WI-MAX, mạng truyền thông di động), có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần của hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu tối đa và dung lượng mạng . Cách chính để đạt được những lợi ích trên là truyền dữ liệu từ nguồn tới đích thông qua nhiều kết nối vô tuyến, đó là lý do công nghệ có tên như vậy. Hãy xem xét bối cảnh của vấn đề này và xác định những lý do chính dẫn đến việc sử dụng rộng rãi công nghệ MIMO.

Nhu cầu về kết nối tốc độ cao cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao với khả năng chịu lỗi cao đang tăng lên hàng năm. Điều này được hỗ trợ rất nhiều nhờ sự xuất hiện của các dịch vụ như VoIP (Giao thức thoại qua Internet), hội nghị truyền hình, VoD (Video theo yêu cầu), v.v. Tuy nhiên, hầu hết các công nghệ không dây không cho phép cung cấp cho thuê bao dịch vụ chất lượng cao ở rìa mạng. vùng phủ sóng. Trong các hệ thống liên lạc di động và không dây khác, chất lượng kết nối cũng như tốc độ truyền dữ liệu sẵn có giảm nhanh chóng theo khoảng cách từ trạm gốc (BTS). Đồng thời, chất lượng dịch vụ cũng giảm sút, cuối cùng dẫn đến việc không thể cung cấp dịch vụ thời gian thực với chất lượng cao trên toàn bộ vùng phủ sóng vô tuyến của mạng. Để giải quyết vấn đề này, bạn có thể cố gắng cài đặt các trạm gốc với mật độ dày đặc nhất có thể và tổ chức vùng phủ sóng nội bộ ở tất cả những nơi có mức tín hiệu thấp. Tuy nhiên, điều này sẽ đòi hỏi chi phí tài chính đáng kể, cuối cùng sẽ dẫn đến tăng giá thành dịch vụ và giảm khả năng cạnh tranh. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, cần phải có sự đổi mới ban đầu để sử dụng dải tần hiện tại và không yêu cầu xây dựng cơ sở mạng mới nếu có thể.

Đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến

Để hiểu được nguyên lý hoạt động của công nghệ MIMO, cần xem xét nguyên lý chung về truyền sóng vô tuyến trong không gian. Sóng phát ra từ các hệ thống vô tuyến không dây khác nhau trong phạm vi trên 100 MHz hoạt động giống như tia sáng theo nhiều cách. Khi sóng vô tuyến gặp bất kỳ bề mặt nào trong quá trình truyền, tùy thuộc vào vật liệu và kích thước của vật cản, một phần năng lượng bị hấp thụ, một phần đi qua và phần còn lại bị phản xạ. Tỷ lệ chia sẻ năng lượng được hấp thụ, phản xạ và truyền đi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài, bao gồm cả tần số của tín hiệu. Hơn nữa, năng lượng tín hiệu được phản xạ và truyền qua có thể thay đổi hướng truyền tiếp theo của nó và bản thân tín hiệu bị chia thành nhiều sóng.

Tín hiệu truyền theo các định luật trên từ nguồn đến máy thu sau khi gặp vô số vật cản sẽ được chia thành nhiều sóng, trong đó chỉ một phần đến được máy thu. Mỗi sóng tới máy thu tạo thành cái gọi là đường truyền tín hiệu. Hơn nữa, do thực tế là các sóng khác nhau được phản xạ từ số lượng chướng ngại vật khác nhau và truyền đi những khoảng cách khác nhau nên các đường đi khác nhau có độ trễ thời gian khác nhau.

Trong môi trường đô thị dày đặc, do có nhiều chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối, ô tô, v.v., rất thường xảy ra tình huống không có tầm nhìn trực tiếp giữa thiết bị thuê bao (MS) và ăng-ten của trạm gốc (BTS). Trong trường hợp này, lựa chọn duy nhất để tín hiệu đến được máy thu là thông qua sóng phản xạ. Tuy nhiên, như đã lưu ý ở trên, tín hiệu phản xạ lặp đi lặp lại không còn năng lượng ban đầu và có thể đến muộn. Khó khăn đặc biệt còn được tạo ra bởi thực tế là các vật thể không phải lúc nào cũng đứng yên và tình hình có thể thay đổi đáng kể theo thời gian. Về vấn đề này, vấn đề truyền tín hiệu đa đường phát sinh - một trong những vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống truyền thông không dây.

Tuyên truyền đa đường - một vấn đề hay một lợi thế?

Một số giải pháp khác nhau được sử dụng để chống lại sự truyền tín hiệu đa đường. Một trong những công nghệ phổ biến nhất là Nhận đa dạng. Bản chất của nó nằm ở chỗ để nhận được tín hiệu, không phải một mà là một số ăng-ten được sử dụng (thường là hai, ít thường là bốn), nằm ở khoảng cách xa nhau. Do đó, người nhận không chỉ có một mà có hai bản sao của tín hiệu được truyền đến theo những cách khác nhau. Điều này giúp có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ tín hiệu ban đầu, bởi vì sóng mà anten này thu được có thể không thu được anten khác và ngược lại. Ngoài ra, tín hiệu đến lệch pha tới một ăng-ten có thể đến cùng pha với anten khác. Thiết kế giao diện vô tuyến này có thể được gọi là Thiết kế nhiều đầu vào đơn (SIMO), trái ngược với thiết kế Đầu vào đơn đầu ra (SISO) tiêu chuẩn. Cách tiếp cận ngược lại cũng có thể được sử dụng: khi một số ăng-ten được sử dụng để truyền và một ăng-ten để thu. Điều này cũng làm tăng tổng năng lượng của tín hiệu ban đầu mà máy thu nhận được. Mạch này được gọi là Nhiều đầu vào đơn đầu ra (MISO). Trong cả hai sơ đồ (SIMO và MISO), một số ăng-ten được lắp đặt ở phía trạm gốc, bởi vì Rất khó để thực hiện phân tập ăng-ten trong thiết bị di động trên một khoảng cách đủ lớn mà không tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.

Nhờ lý luận sâu hơn, chúng ta đi đến sơ đồ Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO). Trong trường hợp này, một số ăng-ten được lắp đặt để truyền và nhận. Tuy nhiên, không giống như các sơ đồ trên, sơ đồ phân tập này không chỉ cho phép chống lại sự truyền tín hiệu đa đường mà còn đạt được một số lợi thế bổ sung. Bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten để truyền và nhận, mỗi cặp ăng-ten truyền/thu có thể được chỉ định một đường dẫn riêng để truyền thông tin. Trong trường hợp này, việc thu phân tập sẽ được thực hiện bởi các ăng-ten còn lại và ăng-ten này cũng sẽ đóng vai trò là ăng-ten bổ sung cho các đường truyền khác. Kết quả là, về mặt lý thuyết, có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu lên gấp nhiều lần khi sử dụng thêm ăng-ten. Tuy nhiên, có một hạn chế đáng kể do chất lượng của từng đường truyền vô tuyến.

MIMO hoạt động như thế nào

Như đã lưu ý ở trên, để tổ chức công nghệ MIMO cần phải lắp đặt một số ăng-ten ở phía phát và phía thu. Thông thường, số lượng ăng-ten bằng nhau được lắp đặt ở đầu vào và đầu ra của hệ thống, bởi vì trong trường hợp này, tốc độ truyền dữ liệu tối đa sẽ đạt được. Để hiển thị số lượng ăng-ten khi thu và truyền, cùng với tên của công nghệ MIMO, ký hiệu “AxB” thường được đề cập, trong đó A là số lượng ăng-ten ở đầu vào hệ thống và B là ở đầu ra. Trong trường hợp này, hệ thống có nghĩa là kết nối vô tuyến.

Công nghệ MIMO yêu cầu một số thay đổi về cấu trúc máy phát so với các hệ thống thông thường. Chúng ta hãy xem xét một trong những cách đơn giản nhất có thể để tổ chức công nghệ MIMO. Trước hết, cần có một bộ chia luồng ở phía phát, bộ chia này sẽ chia dữ liệu dự định truyền thành nhiều luồng con tốc độ thấp, số lượng trong số đó phụ thuộc vào số lượng ăng-ten. Ví dụ: đối với MIMO 4x4 và tốc độ dữ liệu đầu vào là 200 Mbit/s, bộ chia sẽ tạo ra 4 luồng, mỗi luồng 50 Mbit/s. Tiếp theo, mỗi luồng này phải được truyền qua ăng-ten riêng. Thông thường, các ăng-ten truyền dẫn được lắp đặt với một số khoảng cách về không gian để cung cấp càng nhiều tín hiệu giả phát sinh do phản xạ càng tốt. Theo một trong những cách tổ chức công nghệ MIMO, tín hiệu được truyền từ mỗi ăng-ten với độ phân cực khác nhau, cho phép nhận dạng tín hiệu khi nhận được. Tuy nhiên, trong trường hợp đơn giản nhất, mỗi tín hiệu được truyền đi lại được đánh dấu bởi chính môi trường truyền dẫn (độ trễ thời gian, độ suy giảm và các biến dạng khác).

Ở phía thu, một số ăng-ten nhận tín hiệu từ sóng vô tuyến. Hơn nữa, các ăng-ten ở phía thu cũng được lắp đặt tính phân tập không gian nhất định, do đó đảm bảo khả năng thu đa dạng như đã thảo luận trước đó. Các tín hiệu nhận được sẽ đến máy thu, số lượng tín hiệu tương ứng với số lượng ăng-ten và đường truyền. Hơn nữa, mỗi máy thu đều nhận được tín hiệu từ tất cả ăng-ten của hệ thống. Mỗi bộ cộng này trích xuất từ ​​tổng luồng năng lượng tín hiệu của chỉ đường dẫn mà nó chịu trách nhiệm. Anh ta thực hiện điều này theo một số thuộc tính được xác định trước được cung cấp cho từng tín hiệu hoặc thông qua phân tích độ trễ, suy giảm, dịch pha, tức là. tập hợp các biến dạng hoặc “dấu vân tay” của môi trường truyền sóng. Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động của hệ thống (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC), v.v.), tín hiệu truyền đi có thể được lặp lại sau một thời gian nhất định hoặc được truyền với độ trễ nhẹ qua thiết bị khác. ăng ten.

Một hiện tượng bất thường có thể xảy ra trong hệ thống MIMO là tốc độ dữ liệu của hệ thống MIMO có thể bị giảm khi có một đường truyền giữa nguồn tín hiệu và máy thu. Điều này chủ yếu là do mức độ biến dạng trong không gian xung quanh giảm đi, đánh dấu từng tín hiệu. Kết quả là việc tách các tín hiệu ở đầu thu trở nên khó khăn và chúng bắt đầu ảnh hưởng lẫn nhau. Do đó, chất lượng kết nối vô tuyến càng cao thì lợi ích thu được từ MIMO càng ít.

MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO)

Nguyên tắc tổ chức liên lạc vô tuyến được thảo luận ở trên đề cập đến cái gọi là MIMO người dùng đơn (SU-MIMO), trong đó chỉ có một máy phát và máy thu thông tin. Trong trường hợp này, cả máy phát và máy thu đều có thể phối hợp hành động rõ ràng, đồng thời không có yếu tố bất ngờ khi người dùng mới có thể xuất hiện trên sóng. Sơ đồ này khá phù hợp với các hệ thống nhỏ, chẳng hạn như để tổ chức liên lạc trong văn phòng tại nhà giữa hai thiết bị. Đổi lại, hầu hết các hệ thống, chẳng hạn như WI-FI, WIMAX, hệ thống thông tin di động đều có nhiều người dùng, tức là. trong đó có một trung tâm duy nhất và một số đối tượng ở xa, mỗi đối tượng cần tổ chức kết nối vô tuyến. Như vậy, nảy sinh hai vấn đề: một mặt, trạm gốc phải truyền tín hiệu đến nhiều thuê bao thông qua cùng một hệ thống ăng-ten (MIMO Broadcast), đồng thời nhận tín hiệu qua cùng ăng-ten từ nhiều thuê bao (MIMO MAC - Nhiều kênh truy cập).

Ở hướng đường lên - từ MS đến BTS, người dùng truyền tải thông tin của họ đồng thời trên cùng một tần số. Trong trường hợp này, một khó khăn nảy sinh đối với trạm gốc: cần phải tách tín hiệu khỏi các thuê bao khác nhau. Một trong những cách khả thi để giải quyết vấn đề này cũng là phương pháp xử lý tuyến tính, bao gồm mã hóa sơ bộ tín hiệu truyền đi. Theo phương pháp này, tín hiệu gốc được nhân với một ma trận bao gồm các hệ số phản ánh hiệu ứng nhiễu từ các thuê bao khác. Ma trận được tổng hợp dựa trên tình hình hiện tại trên đài: số lượng thuê bao, tốc độ truyền dẫn, v.v. Do đó, trước khi truyền, tín hiệu có thể bị biến dạng ngược với tín hiệu mà nó sẽ gặp phải trong quá trình truyền vô tuyến.

Ở đường xuống - hướng từ BTS đến MS, trạm gốc truyền tín hiệu đồng thời trên cùng một kênh đến nhiều thuê bao cùng một lúc. Điều này dẫn đến thực tế là tín hiệu được truyền cho một thuê bao sẽ ảnh hưởng đến việc thu tất cả các tín hiệu khác, tức là. sự can thiệp xảy ra. Các phương án khả thi để giải quyết vấn đề này là sử dụng Smart Antena hoặc sử dụng công nghệ mã hóa giấy bẩn. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về công nghệ giấy bẩn. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên phân tích hiện trạng sóng vô tuyến và số lượng thuê bao đang hoạt động. Thuê bao duy nhất (đầu tiên) truyền dữ liệu của mình đến trạm gốc mà không mã hóa hoặc thay đổi dữ liệu của mình, bởi vì không có sự can thiệp từ các thuê bao khác. Người đăng ký thứ hai sẽ mã hóa, tức là. thay đổi năng lượng tín hiệu của bạn để không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu tiên và không khiến tín hiệu của bạn bị ảnh hưởng từ tín hiệu đầu tiên. Những thuê bao tiếp theo được thêm vào hệ thống cũng sẽ tuân theo nguyên tắc này, căn cứ vào số lượng thuê bao đang hoạt động và ảnh hưởng của tín hiệu họ truyền đi.

Ứng dụng MIMO

Trong thập kỷ qua, công nghệ MIMO là một trong những cách phù hợp nhất để tăng thông lượng và công suất của hệ thống truyền thông không dây. Hãy xem xét một số ví dụ về việc sử dụng MIMO trong các hệ thống truyền thông khác nhau.

Chuẩn WiFi 802.11n là một trong những ví dụ nổi bật nhất về việc sử dụng công nghệ MIMO. Theo đó, nó cho phép bạn duy trì tốc độ lên tới 300 Mbit/s. Hơn nữa, chuẩn 802.11g trước đây chỉ cho phép tốc độ 50 Mbit/s. Ngoài việc tăng tốc độ truyền dữ liệu, tiêu chuẩn mới nhờ MIMO còn cho phép chất lượng dịch vụ tốt hơn ở những khu vực có cường độ tín hiệu thấp. 802.11n không chỉ được sử dụng trong các hệ thống điểm/đa điểm (Point/Multipoint) - phân khúc phổ biến nhất để sử dụng công nghệ WiFi để tổ chức mạng LAN (Mạng cục bộ) mà còn để tổ chức các kết nối điểm/điểm được sử dụng để tổ chức liên lạc đường trục kênh ở nhiều tốc độ hàng trăm Mbit/s và cho phép truyền dữ liệu qua hàng chục km (tối đa 50 km).

Chuẩn WiMAX cũng có hai phiên bản giới thiệu những khả năng mới cho người dùng sử dụng công nghệ MIMO. Đầu tiên, 802.16e, cung cấp dịch vụ băng thông rộng di động. Nó cho phép bạn truyền thông tin với tốc độ lên tới 40 Mbit/s theo hướng từ trạm gốc đến thiết bị thuê bao. Tuy nhiên, MIMO trong 802.16e được coi là một tùy chọn và được sử dụng ở cấu hình đơn giản nhất - 2x2. Trong phiên bản tiếp theo, MIMO 802.16m được coi là công nghệ bắt buộc, có thể cấu hình 4×4. Trong trường hợp này, WiMAX có thể được phân loại là hệ thống thông tin di động, cụ thể là thế hệ thứ tư (do tốc độ truyền dữ liệu cao), bởi vì có một số đặc điểm vốn có của mạng di động: chuyển vùng, chuyển giao, kết nối thoại. Trong trường hợp sử dụng di động, về mặt lý thuyết, có thể đạt được tốc độ 100 Mbit/s. Ở phiên bản cố định, tốc độ có thể đạt tới 1 Gbit/s.

Mối quan tâm lớn nhất là việc sử dụng công nghệ MIMO trong các hệ thống thông tin di động. Công nghệ này đã được sử dụng kể từ thế hệ thứ ba của hệ thống thông tin di động. Ví dụ: trong tiêu chuẩn UMTS, trong Rel. 6, nó được sử dụng cùng với công nghệ HSPA hỗ trợ tốc độ lên tới 20 Mbit/s và trong Rel. 7 – với HSPA+, tốc độ truyền dữ liệu đạt 40 Mbit/s. Tuy nhiên, MIMO vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 3G.

Các hệ thống, cụ thể là LTE, cũng cung cấp việc sử dụng MIMO với cấu hình lên tới 8x8. Về mặt lý thuyết, điều này có thể giúp truyền dữ liệu từ trạm gốc đến thuê bao với tốc độ trên 300 Mbit/s. Một điểm tích cực quan trọng khác là chất lượng kết nối ổn định ngay cả ở rìa cell. Trong trường hợp này, ngay cả ở một khoảng cách đáng kể so với trạm gốc hoặc khi được đặt trong một căn phòng ở xa, tốc độ truyền dữ liệu sẽ chỉ giảm một chút.

Vì vậy, công nghệ MIMO được ứng dụng trong hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu không dây. Hơn nữa, tiềm năng của nó vẫn chưa cạn kiệt. Các tùy chọn cấu hình ăng-ten mới đang được phát triển, lên tới 64x64 MIMO. Điều này sẽ cho phép chúng tôi đạt được tốc độ dữ liệu, dung lượng mạng và hiệu quả phổ tần cao hơn nữa trong tương lai.