MIMO-technológia (Multiple Input Multiple Output) - metóda priestorového kódovania signálu. Čo je anténa MIMO? O technológii MIMO

07.07.2019

Jedným z prístupov k zvýšeniu rýchlosti prenosu dát pre WiFi 802.11 a pre WiMAX 802.16 je použitie bezdrôtových systémov s viacerými anténami pre vysielač aj prijímač. Tento prístup sa nazýva MIMO (doslovný preklad - "multiple input multiple output"), alebo "smart antenna systems" (inteligentné anténne systémy). Technológia MIMO hrá dôležitú úlohu pri implementácii WiFi štandardu 802.11n.

Technológia MIMO využíva viacero antén rôznych druhov naladených na rovnaký kanál. Každá anténa vysiela signál s rôznymi priestorovými charakteristikami. Technológia MIMO teda využíva rádiové spektrum efektívnejšie a bez ohrozenia prevádzkovej spoľahlivosti. Každý wi-fi prijímač „počúva“ všetky signály z každého wifi vysielača, čo umožňuje pestrejšie prenosové cesty. Takto možno prekombinovať viacero ciest na zosilnenie požadovaných signálov v bezdrôtových sieťach.

Ďalším plusom technológie MIMO je, že poskytuje priestorový multiplex (SDM). SDM priestorovo multiplexuje viacero nezávislých dátových tokov súčasne (väčšinou virtuálne kanály) v rámci jednej šírky pásma spektrálneho kanála. V podstate viaceré antény vysielajú rôzne individuálne kódované dátové toky (priestorové toky). Tieto prúdy, pohybujúce sa paralelne vzduchom, „tlačia“ viac údajov cez daný kanál. Na prijímači každá anténa vidí inú kombináciu tokov signálu a prijímač tieto toky „demultiplexuje“ na použitie. MIMO SDM môže výrazne zvýšiť priepustnosť údajov zvýšením počtu tokov priestorových údajov. Každý priestorový tok potrebuje svoj vlastný vysielací / prijímací (TX / RX) anténny pár na každom konci vysielania. Činnosť systému je znázornená na obr.

Malo by byť tiež zrejmé, že implementácia technológie MIMO vyžaduje samostatný RF obvod a analógovo-digitálny prevodník (ADC) pre každú anténu. Implementácie vyžadujúce viac ako dve antény v reťazci musia byť starostlivo navrhnuté tak, aby nezvyšovali náklady pri zachovaní primeranej úrovne účinnosti.

Dôležitým nástrojom na zvýšenie fyzickej rýchlosti prenosu dát v bezdrôtových sieťach je rozšírenie šírky pásma spektrálnych kanálov. Použitím širšej šírky pásma kanálu ortogonálneho frekvenčne deleného multiplexovania (OFDM) je prenos dát maximalizovaný. OFDM je digitálna modulácia, ktorá sa osvedčila ako nástroj na implementáciu obojsmerného vysokorýchlostného bezdrôtového prenosu dát v sieťach WiMAX / WiFi. Metóda rozšírenia kapacity kanála je nákladovo efektívna a pomerne ľahko implementovateľná s miernym rastom digitálneho spracovania signálu (DSP). Pri správnom používaní je možné zdvojnásobiť šírku pásma štandardu 802.11 Wi-Fi z 20 MHz kanálu na 40 MHz kanál a môže tiež viac ako zdvojnásobiť šírku pásma aktuálne používaných kanálov. Kombináciou MIMO architektúry so širšou šírkou pásma kanála sa získa veľmi výkonný a nákladovo efektívny prístup k zvýšeniu fyzickej prenosovej rýchlosti.

Použitie technológie MIMO s 20 MHz kanálmi je nákladné na splnenie požiadaviek IEEE WiFi 802.11n (priepustnosť 100 Mbps na SAP MAC). Na splnenie týchto požiadaviek pri použití 20 MHz kanála budete potrebovať aspoň tri antény, na vysielači aj na prijímači. Zároveň však prevádzka na 20 MHz kanáli zaisťuje spoľahlivú prevádzku s aplikáciami s veľkou šírkou pásma v reálnom používateľskom prostredí.

Kombinované použitie MIMO technológií a rozšírenia kanálov spĺňa všetky požiadavky používateľov a je pomerne spoľahlivým tandemom. To platí aj pri súčasnom používaní viacerých sieťových aplikácií náročných na zdroje. Kombinácia rozšírenia MIMO a 40 MHz kanála umožní splnenie komplexnejších požiadaviek, ako je Mooreov zákon a implementácia technológie CMOS na zlepšenie technológie DSP.

Pri použití rozšíreného 40 MHz kanálu v pásme 2,4 GHz sa spočiatku vyskytli problémy s kompatibilitou so zariadeniami založenými na štandardoch WiFi 802.11a/b/g, ako aj so zariadeniami využívajúcimi technológiu Bluetooth na prenos dát.

Wi-Fi štandard 802.11n poskytuje rôzne riešenia na vyriešenie tohto problému. Jedným z takýchto mechanizmov, špeciálne navrhnutých na ochranu sietí, je takzvaný redundantný režim s nízkou šírkou pásma (non-HT). Pred použitím protokolu WiFi 802.11n tento mechanizmus odošle jeden paket do každej polovice kanála 40 MHz, aby propagoval sieť vektorovej distribúcie (NAV). Nasledovaním správy NAV s duálnym režimom, ktorá nie je HT, možno protokol prenosu údajov 802.11n používať počas doby špecifikovanej v správe bez toho, aby sa ohrozilo dedičstvo (integrita) siete.

Ďalším mechanizmom je druh signalizácie a zabraňuje bezdrôtovým sieťam rozšíriť kanál na viac ako 40 MHz. Napríklad notebook má moduly 802.11n a Bluetooth, tento mechanizmus vie o možnosti potenciálneho rušenia činnosti týchto dvoch modulov súčasne a vypne prenos cez 40 MHz kanál jedného z modulov.

Tieto mechanizmy zabezpečujú, že WiFi 802.11n bude fungovať so staršími sieťami 802.11 bez nutnosti migrovať celú sieť na hardvér 802.11n.

Príklad použitia systému MIMO môžete vidieť na obr.2

Ak máte po prečítaní nejaké otázky, môžete ich položiť prostredníctvom formulára na odoslanie správy v sekcii

Mobilný dátový prenos LTE patrí ku generácii 4G ... S ním sa rýchlosť zvyšuje asi 10-krát a účinnosť prenosu dát v porovnaní s 3G siete. Často sa však stáva, že rýchlosť príjmu a prenosu, dokonca aj novej generácie, zanecháva veľa želaní. To priamo závisí od kvality signálu, ktorý prichádza zo základnej stanice. Na vyriešenie tohto problému sa používajú externé antény.

Podľa dizajnu LTE antény môžu byť: obyčajné a MIMO ( dvojitý) ... S konvenčným systémom možno dosiahnuť rýchlosť až 50 Mbps. MIMO túto rýchlosť však môže zdvojnásobiť. To sa vykonáva inštaláciou dvoch antén do jedného systému (boxu), umiestnených v krátkej vzdialenosti od seba. Súčasne prijímajú a prenášajú signál cez dva samostatné káble do prijímača. Vďaka tomu dochádza k takémuto zvýšeniu rýchlosti.

MIMO (Viacnásobný vstup Viacnásobný výstup -viacnásobný vstup viacnásobný výstup) je technológia používaná v bezdrôtových komunikačných systémoch (WIFI, WI-MAX, celulárne komunikačné siete), čo môže výrazne zlepšiť spektrálnu účinnosť systému, maximálnu rýchlosť prenosu dát a kapacitu siete. Hlavným spôsobom dosiahnutia vyššie uvedených výhod je prenos dát zo zdroja do cieľa prostredníctvom viacerých rádiových spojení, odkiaľ táto technológia dostala svoje meno.

Vlastnosti šírenia rádiových vĺn

Vlny vysielané rôznymi bezdrôtovými rádiovými systémami v rozsahu nad 100 MHz sa v mnohých ohľadoch správajú ako lúče svetla. Keď sa rádiové vlny pri šírení stretnú s akýmkoľvek povrchom, v závislosti od materiálu a veľkosti prekážky sa časť energie pohltí, časť prejde a zvyšok sa odrazí. Navyše odrazené a prejdené energie signálu môžu zmeniť smer ich ďalšieho šírenia a samotný signál sa rozdelí na niekoľko vĺn. Každá z vĺn dopadajúca na prijímač tvorí takzvanú dráhu šírenia signálu. Navyše, vzhľadom na skutočnosť, že rôzne vlny sa odrážajú od rôzneho počtu prekážok a cestujú na rôzne vzdialenosti, rôzne cesty majú rôzny čas meškania.

Distribúcia energie signálu pri interakcii s prekážkou

V hustej mestskej zástavbe v dôsledku veľkého množstva prekážok, ako sú budovy, stromy, autá atď., často nastáva situácia, keď medzi účastníkmi zariadení (PANI)a antény základnej stanice (BTS) nemajú priamu viditeľnosť. V tomto prípade sú odrazené vlny jediným spôsobom, ako dosiahnuť signál prijímača. Ako je však uvedené vyššie, viacnásobný odrazený signál už nemá počiatočnú energiu a môže prísť s oneskorením. Obzvlášť ťažké je, že predmety nezostanú vždy nehybné a situácia sa môže časom výrazne zmeniť. To vyvoláva problém s viacerými lúčmirozširovanie, šírenie signál - jeden z najvýznamnejších problémov v bezdrôtových komunikačných systémoch.

Na boj proti viaccestnému šíreniu signálov sa používa rozmanitosť príjmu. recepcia.

Jeho podstata spočíva v tom, že na príjem signálu sa nepoužíva jedna, ale zvyčajne dve antény umiestnené vo vzájomnej vzdialenosti. Prijímač teda nemá jednu, ale dve kópie prenášaného signálu, ktoré prichádzali rôznymi spôsobmi. To umožňuje zhromaždiť viac energie pôvodného signálu, pretože vlny prijímané jednou anténou nemusia byť prijímané druhou anténou a naopak. Toto usporiadanie rádiového rozhrania možno nazvať Single Input Multiple Output (SIMO). Možno použiť aj opačný prístup: keď sa na vysielanie a jedna na príjem používa viacero antén, táto schéma sa nazýva viacnásobný vstup a jeden výstup (MISO).

Výsledkom je, že sa dostávame k schéme MIMO (Multiple Input Multiple Output). V tomto prípade je nainštalovaných niekoľko vysielacích a prijímacích antén. Na rozdiel od vyššie uvedených schém však táto schéma diverzity umožňuje nielen bojovať proti viaccestnému šíreniu signálu, ale aj vďaka použitiu viacerých antén pri vysielaní a prijímaní môže byť každý pár vysielacích / prijímacích antén spojený so samostatnou cestou pre prenášanie informácií. V dôsledku toho je teoreticky možné zvýšiť rýchlosť prenosu dát toľkokrát, koľko bude použitých dodatočných antén.

Ako MIMO funguje

Ako je uvedené vyššie, pre organizáciu technológie MIMO je potrebné nainštalovať niekoľko antén na vysielacej a prijímacej strane. Zvyčajne je na vstupe a výstupe systému inštalovaný rovnaký počet antén, pretože v tomto prípade sa dosiahne maximálna prenosová rýchlosť. Na zobrazenie počtu vysielacích a prijímacích antén spolu s názvom technológie "MIMO"zvyčajne sa uvádza notácia "AxB",kde A je počet antén na vstupe systému a B je na výstupe.

Aby MIMO technológia fungovala, sú potrebné určité zmeny v štruktúre vysielača v porovnaní s konvenčnými systémami. V prvom rade je na strane vysielania potrebný rozdeľovač toku, ktorý rozdelí dáta určené na prenos do niekoľkých nízkorýchlostných substreamov, ktorých počet závisí od počtu antén. Napríklad pre MIMO 2x2 a rýchlosť vstupných dát 100 Mbps vytvorí delič 2 toky po 50 Mbps. Ďalej, každý z týchto tokov musí byť prenášaný cez svoju vlastnú anténu. Jedným z možných spôsobov organizácie MIMO technológie je, že signál je prenášaný z každej antény s rôznymi polarizáciami, čo umožňuje jeho identifikáciu počas príjmu.

Na prijímacej strane prijíma signál z rádia niekoľko antén. Okrem toho sú antény na prijímacej strane tiež inštalované s určitou priestorovou diverzitou, vďaka čomu je zabezpečený diverzitný príjem. Prijaté signály idú do prijímačov, ktorých počet zodpovedá počtu antén a prenosových ciest. Okrem toho každý z prijímačov prijíma signály zo všetkých antén systému. Každý z týchto sčítačov oddeľuje od celkového toku energiu signálu iba tej cesty, za ktorú je zodpovedný. V závislosti od princípu činnosti systému môže byť prenášaný signál po určitom čase opakovaný, alebo prenášaný s miernym oneskorením cez iné antény.

Vyššie uvedený princíp organizácie rádiovej komunikácie sa týka takzvaného Single user MIMO (SU-MIMO), kde je len jeden vysielač a prijímač informácií. V tomto prípade môže vysielač aj prijímač jednoznačne koordinovať iba svoje akcie. Takáto schéma je vhodná napríklad na organizáciu komunikácie v domácej kancelárii medzi dvoma zariadeniami. Väčšina systémov ako WI-FI, WIMAX, mobilné komunikačné systémy sú zase viacužívateľské, t.j. majú jedno centrum a niekoľko vzdialených objektov, s každým z nich je potrebné zorganizovať rádiové spojenie. V tomto prípade sú vyriešené dva problémy: na jednej strane základňová stanica vysiela signál mnohým účastníkom cez rovnaký anténny systém (MIMO vysielanie) a súčasne prijíma signál cez rovnaké antény od niekoľkých účastníkov (MIMO MAC – viacnásobné prístupové kanály).

Princíp organizácie technológie MIMO

Aplikácia MIMO

Technológia MIMO bola v poslednom desaťročí jedným z najdôležitejších spôsobov zvýšenia priepustnosti a kapacity bezdrôtových komunikačných systémov. Uvažujme o niekoľkých príkladoch použitia MIMO v rôznych komunikačných systémoch.

Štandard WiFi 802.11n je jedným z najvýraznejších príkladov využitia technológie MIMO. Podľa neho umožňuje udržiavať rýchlosti až do 300 Mbps. Okrem toho predchádzajúci štandard 802.11g umožňoval poskytovať iba 50 Mbps. Okrem zvýšenia rýchlosti prenosu dát nový štandard vďaka MIMO umožňuje aj lepšiu kvalitu výkonu služby v miestach s nízkou úrovňou signálu.

Štandard WiMAX má tiež dve vydania, ktoré používateľom otvárajú nové možnosti pomocou technológie MIMO. Prvá, 802.16e, poskytuje mobilné širokopásmové služby. Umožňuje prenášať informácie rýchlosťou až 40 Mbit/s v smere od základňovej stanice k účastníckemu zariadeniu. MIMO v 802.16e sa však považuje za možnosť a používa sa v najjednoduchšej konfigurácii - 2x2. V ďalšom vydaní sa 802,16m MIMO považuje za povinnú technológiu s možnou konfiguráciou 4x4. V tomto prípade možno WiMAX pripísať celulárnym komunikačným systémom, konkrétne ich štvrtej generácii (kvôli vysokej rýchlosti prenosu dát). V prípade mobilného využitia sa dá teoreticky dosiahnuť rýchlosť 100 Mbps. V pevnej verzii môže rýchlosť dosiahnuť 1 Gb / s.

Najväčší záujem je o využitie technológie MIMO v mobilných komunikačných systémoch. Táto technológia sa používa už od tretej generácie mobilných komunikačných systémov. Napríklad v štandarde UMTS, v Rel. 6, používa sa v spojení s technológiou HSPA podporujúcou rýchlosti až 20 Mbps a v Rel. 7 - s HSPA +, kde rýchlosti prenosu dát dosahujú 40 Mbps. V systémoch 3G však MIMO nenašlo široké využitie.

4G systémy, menovite LTE, tiež umožňujú použitie MIMO v konfiguráciách až 8x8. Teoreticky to môže umožniť prenos dát zo základňovej stanice k účastníkovi rýchlosťou presahujúcou 300 Mbps. Dôležitým pozitívnym bodom je tiež stála kvalita spojenia aj na okraji plástu.. V tomto prípade, dokonca aj v značnej vzdialenosti od základňovej stanice alebo vo vzdialenej miestnosti, bude pozorovaný len mierny pokles rýchlosti prenosu dát.

Technológia MIMO teda nachádza uplatnenie takmer vo všetkých systémoch bezdrôtového prenosu dát. Navyše jeho potenciál nie je vyčerpaný. Už sa vyvíjajú nové možnosti konfigurácie antény až do 64x64 MIMO. To v budúcnosti umožní dosiahnuť ešte vyššie prenosové rýchlosti, kapacitu siete a spektrálnu účinnosť.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) je metóda koordinovaného používania viacerých rádiových antén v bezdrôtovej sieťovej komunikácii, ktorá je bežná v moderných domácich širokopásmových smerovačoch a v mobilných sieťach LTE a WiMAX.

Ako to funguje?

Smerovače MIMO Wi-Fi používajú rovnaké sieťové protokoly ako bežné smerovače s jedným pripojením. Poskytujú vyšší výkon zlepšením efektívnosti prenosu a prijímania dát cez bezdrôtové spojenie. Najmä sieťová prevádzka medzi klientmi a smerovačom je organizovaná do samostatných prúdov, prenášaných paralelne, s ich následnou obnovou prijímacím zariadením.

Technológia MIMO môže zvýšiť priepustnosť, dosah a spoľahlivosť prenosu pri vysokom riziku rušenia inými bezdrôtovými zariadeniami.

Aplikácia v sieťach Wi-Fi

Technológia MIMO je súčasťou štandardu od 802.11n. Jeho použitie zlepšuje výkon a dostupnosť sieťových pripojení v porovnaní s bežnými smerovačmi.

Počet antén sa môže líšiť. Napríklad MIMO 2x2 poskytuje dve antény a dva vysielače schopné vysielať a prijímať na dvoch kanáloch.

Ak chcete využiť výhody tejto technológie a využiť jej výhody, klientske zariadenie a smerovač musia medzi sebou vytvoriť MIMO spojenie. Dokumentácia k použitému hardvéru by mala uvádzať, či podporuje túto schopnosť. Neexistuje žiadny iný jednoduchý spôsob, ako skontrolovať, či sieťové pripojenie používa túto technológiu.

SU-MIMO a MU-MIMO

Prvá generácia technológie, predstavená v štandarde 802.11n, podporovala metódu jedného používateľa (SU). V porovnaní s tradičnými riešeniami, kde musia byť všetky antény smerovača koordinované, aby komunikovali s jedným klientskym zariadením, umožňuje SU-MIMO každú z nich rozdeliť medzi rôzne zariadenia.

Technológia MIMO pre viacerých používateľov (MU) bola vytvorená na použitie v sieťach Wi-Fi 802.11ac na frekvencii 5 GHz. Zatiaľ čo predchádzajúci štandard vyžadoval, aby smerovače spravovali svoje pripojenia klientov po jednom (po jednom), antény MU-MIMO môžu komunikovať s viacerými klientmi paralelne. zlepšuje výkon pripojení. Aj keď má smerovač 802.11ac potrebnú hardvérovú podporu pre technológiu MIMO, existujú ďalšie obmedzenia:

je podporovaný obmedzený počet simultánnych pripojení klienta (2-4) v závislosti od konfigurácie antény;
koordinácia antény je poskytovaná iba v jednom smere - od smerovača ku klientovi.

MIMO a bunkové

Táto technológia sa používa v rôznych typoch bezdrôtových sietí. Čoraz častejšie sa používa v mobilných komunikáciách (4G a 5G) v niekoľkých formách:

Network MIMO - koordinovaný prenos signálu medzi základňovými stanicami;
Masívne MIMO - použitie veľkého počtu (stoviek) antén;
milimetrové vlny – využitie ultravysokofrekvenčných pásiem, ktoré majú väčšiu šírku pásma ako pásma licencované pre 3G a 4G.

Technológia pre viacerých používateľov

Aby ste pochopili, ako funguje MU-MIMO, mali by ste zvážiť, ako tradičný bezdrôtový smerovač spracováva dátové pakety. Robí dobrú prácu pri odosielaní a prijímaní údajov, ale iba v jednom smere. Inými slovami, môže súčasne komunikovať iba s jedným zariadením. Ak sa napríklad načítava video, nemôžete súčasne streamovať online videohru do konzoly.

Používateľ môže spustiť viacero zariadení v sieti Wi-Fi a smerovač im veľmi rýchlo preposiela dátové bity. Naraz však môže pristupovať iba k jednému zariadeniu, čo je hlavný dôvod nízkej kvality pripojenia, ak je šírka pásma Wi-Fi príliš nízka.

Keďže funguje, málo si všíma. Efektívnosť smerovača, ktorý prenáša dáta do viacerých zariadení súčasne, sa však dá zlepšiť. Pritom pobeží rýchlejšie a poskytne zaujímavejšie konfigurácie siete. To je dôvod, prečo sa objavil vývoj ako MU-MIMO a nakoniec bol začlenený do moderných štandardov bezdrôtovej komunikácie. Tento vývoj umožňuje pokročilým smerovačom komunikovať s viacerými zariadeniami naraz.

Stručná história: SU vs.MU

MIMO pre jedného a viacerých používateľov predstavujú rôzne spôsoby komunikácie smerovačov s viacerými zariadeniami. Prvý je starší. Štandard SU umožňoval odosielanie a prijímanie dát cez niekoľko streamov naraz, v závislosti od dostupného počtu antén, z ktorých každá mohla pracovať s rôznymi zariadeniami. SU bol zahrnutý do aktualizácie 802.11n z roku 2007 a začal sa postupne zavádzať do nových produktových radov.

SU-MIMO však malo okrem požiadaviek na anténu aj obmedzenia. Aj keď môže byť pripojených viacero zariadení, stále pracujú so smerovačom, ktorý môže súčasne pracovať iba s jedným. Dátové rýchlosti sa zvýšili, rušenie je menší problém, ale stále je čo zlepšovať.

MU-MIMO je štandard, ktorý sa vyvinul z SU-MIMO a SDMA (Space Division Multiple Access). Táto technológia umožňuje základňovej stanici komunikovať s viacerými zariadeniami pomocou samostatného streamu pre každé z nich, ako keby všetky mali svoj vlastný smerovač.

V konečnom dôsledku bola podpora MU pridaná v aktualizácii 802.11ac z roku 2013. Po niekoľkých rokoch vývoja začali výrobcovia túto funkciu zaraďovať do svojich produktov.

Výhody MU-MIMO

Ide o vzrušujúcu technológiu, pretože má výrazný vplyv na každodenné používanie Wi-Fi bez toho, aby priamo menila šírku pásma alebo iné kľúčové parametre bezdrôtového pripojenia. Siete sú čoraz efektívnejšie.

Na zabezpečenie stabilného spojenia s notebookom, telefónom, tabletom alebo počítačom štandard nevyžaduje viacero antén pre router. Každé takéto zariadenie nesmie zdieľať svoj MIMO kanál s ostatnými. Toto je obzvlášť viditeľné pri streamovaní videa alebo vykonávaní iných zložitých úloh. Rýchlosť internetu sa subjektívne zvyšuje a pripojenie sa vytvára spoľahlivejšie, hoci v skutočnosti sa organizácia siete stáva inteligentnejšou. Zvyšuje sa aj počet súčasne obsluhovaných zariadení.

Obmedzenia MU-MIMO

Technológia viacnásobného prístupu pre viacerých používateľov má množstvo obmedzení, ktoré stoja za zmienku. Existujúce štandardy podporujú 4 zariadenia, ale umožňujú pridať ďalšie a budú musieť zdieľať stream, čo prináša problémy so SU-MIMO. Táto technológia sa väčšinou používa v downlinku a je obmedzená, pokiaľ ide o odchádzajúce. Okrem toho musí mať smerovač MU-MIMO viac informácií o zariadeniach a stavoch spojenia, ako vyžadovali predchádzajúce štandardy. To sťažuje správu a odstraňovanie problémov s bezdrôtovými sieťami.

MU-MIMO je tiež smerová technológia. To znamená, že 2 zariadenia vedľa seba nemôžu súčasne používať rôzne kanály. Napríklad, ak manžel sleduje online televízne vysielanie a jeho manželka v blízkosti streamuje hru PS4 do svojho Vita cez Remote Play, stále budú musieť zdieľať šírku pásma. Smerovač môže poskytovať iba diskrétne toky zariadeniam, ktoré sú umiestnené v rôznych smeroch.

Masívne MIMO

Ako sa posúvame smerom k bezdrôtovým sieťam piatej generácie (5G), rast počtu smartfónov a nových aplikácií viedol k 100-násobnému zvýšeniu ich požadovanej šírky pásma cez LTE. Nová technológia Massive MIMO, ktorej sa v posledných rokoch venuje veľká pozornosť, je navrhnutá tak, aby výrazne zvýšila efektivitu telekomunikačných sietí na bezprecedentnú úroveň. Vzhľadom na nedostatok a vysoké náklady na dostupné zdroje operátorov priťahuje možnosť zvýšiť šírku pásma vo frekvenčných pásmach pod 6 GHz.

Napriek výraznému pokroku má Massive MIMO k dokonalosti ďaleko. Táto technológia sa naďalej aktívne skúma v akademickej obci aj v priemysle, kde sa inžinieri snažia dosiahnuť teoretické výsledky s komerčne životaschopnými riešeniami.

Masívne MIMO môže pomôcť vyriešiť dva kľúčové problémy – priepustnosť a pokrytie. Pre mobilných operátorov zostáva frekvenčný rozsah vzácnym a relatívne drahým zdrojom, je však kľúčovou podmienkou pre zvýšenie rýchlosti prenosu signálu. V mestách je rozmiestnenie základňových staníc založené na kapacite, nie na pokrytí, čo si vyžaduje nasadenie veľkého počtu základňových staníc a spôsobuje dodatočné náklady. Masívne MIMO vám umožní rozšíriť kapacitu vašej existujúcej siete. V oblastiach, kde je rozmiestnenie základňových staníc založené na pokrytí, môže technológia zvýšiť ich dosah.

koncepcia

Masívne MIMO zásadne mení súčasnú prax používaním veľkého počtu koherentných a adaptívne fungujúcich servisných antén 4G (stovky alebo tisíce). To pomáha sústrediť prenos a príjem energie signálu do menších oblastí priestoru, čo výrazne zlepšuje výkon a energetickú účinnosť, najmä v kombinácii so súčasným plánovaním veľkého počtu užívateľských terminálov (desiatky alebo stovky). Metóda bola pôvodne navrhnutá pre duplex s časovým delením (TDD), ale má potenciál byť aplikovaný aj v duplexe s frekvenčným delením (PDD).

MIMO technológia: výhody a nevýhody

Výhodou metódy je široké použitie lacných komponentov s nízkou spotrebou energie, znížená latencia, vrstva zjednodušeného riadenia prístupu (MAC) a odolnosť voči náhodnému a úmyselnému rušeniu. Očakávaná priepustnosť závisí od média šírenia poskytujúceho asymptoticky ortogonálne kanály k terminálom a experimenty doteraz neodhalili v tomto ohľade žiadne obmedzenia.

Spolu s odstránením mnohých problémov sa však objavujú aj nové, ktoré si vyžadujú urgentné riešenia. Napríklad v systémoch MIMO je potrebné efektívne spolupracovať s viacerými komponentmi s nízkou vernosťou a nízkymi nákladmi, musia sa zhromažďovať údaje o stave kanálov a zdroje sa musia prideľovať novo pripojeným terminálom. Vyžaduje si to aj využitie dodatočných stupňov voľnosti poskytovaných prebytočnými servisnými anténami, zníženie vnútornej spotreby energie na dosiahnutie celkovej energetickej účinnosti a nájdenie nových scenárov nasadenia.

Nárast počtu 4G antén zúčastňujúcich sa implementácie MIMO si zvyčajne vyžaduje návštevy každej základňovej stanice kvôli zmenám konfigurácie a zapojenia. Prvotné nasadenie LTE sietí si vyžiadalo inštaláciu nového zariadenia. To umožnilo nakonfigurovať 2x2 MIMO pôvodného štandardu LTE. Ďalšie zmeny na základňových staniciach sa robia len v extrémnych prípadoch a implementácie vyššieho rádu sú závislé od operačného prostredia. Ďalším problémom je, že prevádzka MIMO vedie k úplne odlišnému správaniu siete ako predchádzajúce systémy, čo vytvára určitú neistotu pri plánovaní. Operátori majú preto tendenciu najskôr používať iné návrhy, najmä ak ich možno nasadiť prostredníctvom aktualizácií softvéru.

Jedna z najvýznamnejších a najdôležitejších inovácií Wi-Fi za posledných 20 rokov - Multi User - Technológia Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). MU-MIMO rozširuje funkčnosť nedávno vydaného bezdrôtového štandardu 802.11ac "Wave 2". Toto je určite obrovský prielom v oblasti bezdrôtového pripojenia. Táto technológia pomáha zvýšiť teoretickú maximálnu rýchlosť bezdrôtového pripojenia z 3,47 Gbps v pôvodnej špecifikácii 802.11ac na 6,93 Gbps v aktualizácii 802.11ac Wave 2. Ide o jednu z doteraz najkomplexnejších funkcií Wi-Fi.

Pozrime sa, ako to funguje!

Technológia MU-MIMO zvyšuje latku tým, že umožňuje viacerým zariadeniam prijímať viacero tokov dát. Je založený na technológii Single User MIMO (SU-MIMO), ktorá bola predstavená takmer pred 10 rokmi so štandardom 802.11n.

SU-MIMO zvyšuje rýchlosť Wi-Fi pripojení tým, že umožňuje dvojici bezdrôtových zariadení súčasne prijímať alebo odosielať viacero tokov dát.

Obrázok 1. Technológia SU-MIMO poskytuje viackanálové vstupné a výstupné toky do jedného zariadenia súčasne. Technológia MU-MIMO umožňuje súčasnú komunikáciu s viacerými zariadeniami.

V podstate revolučné zmeny pre Wi-Fi zabezpečujú dve technológie. Prvá z týchto technológií, nazývaná beamforming, umožňuje Wi-Fi routerom a prístupovým bodom efektívnejšie využívať rádiové kanály. Pred príchodom tejto technológie fungovali Wi-Fi smerovače a prístupové body ako žiarovky a vysielali signály do všetkých strán. Problém bol v tom je ťažké, aby sa nesústredený signál s obmedzeným výkonom dostal na klientske zariadenia Wi-Fi.

Pomocou technológie beamforming si Wi-Fi router alebo prístupový bod vymieňa informácie o svojej polohe s klientskym zariadením. Smerovač potom zmení svoju fázu a výkon, aby generoval najlepší signál. Výsledok: efektívnejšie využitie rádiových signálov, rýchlejšie dátové prenosy a možno aj dlhšie maximálne vzdialenosti pripojenia.

Možnosti tvarovania lúčov sa rozširujú. Doteraz boli Wi-Fi smerovače alebo prístupové body vo svojej podstate jednoúlohové, odosielali alebo prijímali dáta iba z jedného klientskeho zariadenia naraz. Skoršie verzie štandardov bezdrôtového prenosu dát rodiny 802.11, vrátane štandardu 802.11n a prvej verzie štandardu 802.11ac, mali schopnosť súčasne prijímať alebo prenášať viacero dátových tokov, ale doteraz neexistovala žiadna metóda umožňujúca Wi-Fi router alebo prístupový bod na jeden a ten istý čas „komunikuje“ s viacerými klientmi naraz. Odteraz sa s pomocou MU-MIMO takáto možnosť objavila.

To je naozaj veľký zlom, keďže možnosť prenášať dáta do viacerých klientskych zariadení súčasne výrazne rozširuje dostupnú šírku pásma pre bezdrôtových klientov. Technológia MU-MIMO posúva bezdrôtové siete od starých koľají CSMA-SD, kedy bolo súčasne obsluhované iba jedno zariadenie, do systému, kde môže „hovoriť“ viacero zariadení súčasne. Pre názornejší príklad si predstavte, že idete z jednoprúdovej vidieckej cesty na širokú diaľnicu.

Bezdrôtové smerovače a prístupové body 802.11ac Wave 2 druhej generácie dnes preberajú trh. Každý, kto používa Wi-Fi, chápe špecifiká fungovania technológie MU-MIMO. Dávame do pozornosti 13 faktov, ktoré urýchlia vaše učenie v tomto smere.

1. Používa iba MU-MIMO Downstream stream (z prístupového bodu do mobilného zariadenia).

Na rozdiel od SU-MIMO, MU-MIMO momentálne funguje iba pre Prenos dát z prístupového bodu do mobilného zariadenia. Iba bezdrôtové smerovače alebo prístupové body môžu súčasne prenášať údaje viacerým používateľom, či už ide o jeden alebo viacero tokov pre každého z nich. Samotné bezdrôtové zariadenia (ako sú smartfóny, tablety alebo notebooky) sa stále musia striedať v odosielaní údajov do bezdrôtového smerovača alebo prístupového bodu, hoci môžu jednotlivo používať SU-MIMO na prenos viacerých streamov, keď sa otáčajú.

Technológia MU-MIMO bude užitočná najmä v tých sieťach, kde používatelia sťahujú viac dát ako sťahujú.

Možno v budúcnosti bude implementovaná verzia technológie Wi-Fi: 802.11ax, kde bude metóda MU-MIMO použiteľná aj pre „Upstream“ prevádzku.

2.MU-MIMO funguje iba vo frekvenčnom rozsahu 5 GHz Wi-Fi

Technológia SU-MIMO funguje vo frekvenčnom pásme 2,4 GHz aj 5 GHz. Bezdrôtové smerovače a prístupové body 802.11ac Wave 2 druhej generácie môžu súčasne slúžiť viacerým používateľom iba vo frekvenčnom pásme 5 GHz. Na jednej strane je samozrejme škoda, že v užšom a preťaženejšom frekvenčnom pásme 2,4 GHz novú technológiu nevyužijeme. No na druhej strane je na trhu čoraz viac dvojpásmových bezdrôtových zariadení s podporou technológie MU-MIMO, pomocou ktorej môžeme nasadiť produktívne podnikové Wi-Fi siete.

3. Technológia Beamforming pomáha viesť signály

V literatúre ZSSR môžete nájsť koncept Phased Antenna Array, ktorý bol vyvinutý pre vojenské radary koncom 80-tych rokov. Podobná technológia bola aplikovaná na moderné Wi-Fi. MU-MIMO využíva technológiu beamforming (známa ako "beamforming" v anglickej technickej literatúre). Beamfiorming umožňuje, aby boli signály nasmerované na zamýšľané miesto bezdrôtového zariadenia (alebo zariadení), namiesto toho, aby boli odosielané náhodne všetkými smermi. Ukazuje sa teda, že zaostrí signál a výrazne zvýši rozsah a rýchlosť pripojenia Wi-Fi.

Aj keď technológia vytvárania lúčov bola voliteľne dostupná so štandardom 802.11n, väčšina výrobcov implementovala svoje vlastné verzie technológie. Títo predajcovia stále ponúkajú proprietárne implementácie technológie vo svojich zariadeniach, ale teraz budú musieť zahrnúť aspoň zjednodušenú a štandardizovanú verziu technológie beamforming, ak chcú podporovať MU-MIMO vo svojom produktovom rade 802.11ac.

4. MU-MIMO podporuje obmedzený počet simultánnych tokov a zariadení

Bohužiaľ, smerovače alebo prístupové body s implementovanou technológiou MU-MIMO nedokážu súčasne obsluhovať neobmedzený počet streamov a zariadení. Smerovač alebo prístupový bod má svoj vlastný limit na počet tokov, ktoré obsluhuje (často 2, 3 alebo 4 toky), a tento počet priestorových tokov tiež obmedzuje počet zariadení, ktoré môže prístupový bod súčasne obsluhovať. Prístupový bod s podporou štyroch tokov teda môže súčasne obsluhovať štyri rôzne zariadenia, alebo napríklad nasmerovať jeden tok do jedného zariadenia a agregovať tri ďalšie toky do iného zariadenia (zvýšenie rýchlosti od prepojenia).

5. Používateľské zariadenia nemusia mať viacero antén

Rovnako ako v prípade technológie SU-MIMO, iba bezdrôtové zariadenia so vstavanou podporou MU-MIMO môžu agregovať toky (rýchlosť). Na rozdiel od situácie s technológiou SU-MIMO však bezdrôtové zariadenia nemusia mať viacero antén, aby mohli prijímať toky MU-MIMO z bezdrôtových smerovačov a prístupových bodov. Ak má bezdrôtové zariadenie iba jednu anténu, môže prijímať iba jeden dátový tok MU-MIMO z AP, pričom sa na zlepšenie príjmu používa tvarovanie lúča.

Viac antén umožní bezdrôtovému používateľskému zariadeniu súčasne prijímať viac dátových tokov (zvyčajne jeden tok na anténu), čo bude mať určite pozitívny vplyv na výkon daného zariadenia. Prítomnosť viacerých antén na používateľskom zariadení však negatívne ovplyvňuje spotrebu energie a veľkosť tohto produktu, čo je pre smartfóny kritické.

Technológia MU-MIMO však kladie na klientske zariadenia menšie hardvérové požiadavky ako technicky ťažkopádna technológia SU-MIMO, možno bezpečne predpokladať, že výrobcovia budú oveľa ochotnejší vybaviť svoje notebooky a tablety podporujúce technológiu MU-MIMO.

6. Prístupové body vykonávajú náročné spracovanie

V snahe zjednodušiť požiadavky na koncové zariadenia sa vývojári technológie MU-MIMO pokúsili presunúť väčšinu práce na spracovanie signálu na prístupové body. Ide o ďalší krok v porovnaní s technológiou SU-MIMO, kde bremeno spracovania signálu z veľkej časti znášali používateľské zariadenia. Opäť to pomôže výrobcom klientskych zariadení ušetriť na spotrebe energie, veľkosti a ďalších nákladoch pri výrobe ich produktových riešení s podporou MU-MIMO, čo by malo mať veľmi pozitívny vplyv na popularizáciu tejto technológie.

7. Dokonca aj zariadenia nižšej kategórie využívajú hmatateľné výhody zo súčasného prenosu cez viacero priestorových tokov

Podobne ako agregácia ethernetového spojenia (802.3ad a LACP), ani agregácia 802.1ac nezvyšuje rýchlosť spojenia bod-bod. Tie. ak ste jediným používateľom a máte spustenú iba jednu aplikáciu, použijete iba 1 priestorový stream.

Existuje však príležitosť na zvýšenie celková šírka pásma siete v dôsledku poskytnutia prístupového bodu na obsluhu viacerých užívateľských zariadení súčasne.

Ak však všetky používateľské zariadenia používané vo vašej sieti podporujú iba jeden stream, potom MU-MIMO umožní vášmu prístupovému bodu súčasne obsluhovať až tri zariadenia namiesto jedného súčasne, zatiaľ čo druhé(pokročilejšie) spotrebiteľské zariadenia budú musieť počkať, kým na ne príde rad.

Obrázok 2

8. Niektoré používateľské zariadenia majú skrytú podporu technológie MU-MIMO

Napriek tomu, že v súčasnosti stále nie je veľa smerovačov, prístupových bodov či mobilných zariadení, ktoré podporujú MU-MIMO, výrobca Wi-Fi čipov tvrdí, že niektorí výrobcovia vo svojom výrobnom procese zohľadnili hardvérové požiadavky na podporu nových technológií u niektorých ich zariadení pre koncových používateľov pred niekoľkými rokmi. Pre takéto zariadenia pomerne jednoduchá aktualizácia softvéru pridá podporu pre technológiu MU-MIMO, čo by malo tiež urýchliť popularizáciu a šírenie tejto technológie, ako aj podnietiť spoločnosti a organizácie, aby aktualizovali svoje podnikové bezdrôtové siete pomocou zariadení s podporou 802.11ac.

9. Profitujú aj zariadenia bez podpory MU-MIMO

Napriek skutočnosti, že zariadenia Wi-Fi musia mať nevyhnutne podporu MU-MIMO, aby mohli používať túto technológiu, dokonca aj tie klientske zariadenia, ktoré takúto podporu nemajú, môžu nepriamo ťažiť z práce v bezdrôtovej sieti, kde smerovač alebo prístupové body podporujú MU- Technológia MIMO. Malo by sa pamätať na to, že rýchlosť prenosu údajov cez sieť priamo závisí od celkového času, počas ktorého sú účastnícke zariadenia pripojené k rádiovému kanálu. A ak technológia MU-MIMO umožňuje rýchlejšie obsluhovať niektoré zariadenia, znamená to, že prístupové body v takejto sieti budú mať viac času na obsluhu iných klientskych zariadení.

10. MU-MIMO pomáha zvýšiť bezdrôtovú priepustnosť

Keď zvýšite rýchlosť vášho Wi-Fi pripojenia, zväčšíte aj šírku pásma vašej bezdrôtovej siete. Keďže sa zariadenia obsluhujú rýchlejšie, sieť má viac vysielacieho času na obsluhu väčšieho počtu klientskych zariadení. Technológia MU-MIMO tak môže výrazne optimalizovať výkon bezdrôtových sietí s vysokou prevádzkou alebo veľkým počtom pripojených zariadení, ako sú verejné Wi-Fi siete. Je to skvelá správa, keďže počet smartfónov a iných mobilných zariadení s Wi-Fi konektivitou bude pravdepodobne naďalej narastať.

11. Podpora akejkoľvek šírky kanála

Jedným zo spôsobov, ako rozšíriť šírku pásma Wi-Fi, je prepojenie kanálov, kde sa dva susedné kanály kombinujú do jedného kanálu, ktorý je dvakrát tak široký, čím sa efektívne zdvojnásobuje rýchlosť pripojenia Wi-Fi medzi zariadením a prístupovým bodom. Štandard 802.11n poskytoval podporu pre kanály do šírky 40 MHz, v pôvodnej špecifikácii štandardu 802.11ac bola podporovaná šírka kanála zväčšená na 80 MHz. Aktualizovaný štandard 802.11ac Wave 2 podporuje 160 MHz kanály.

Obrázok 3. Dnešný štandard 802.11ac podporuje kanály široké až 160 MHz vo frekvenčnom rozsahu 5 GHz

Majte však na pamäti, že používanie širších kanálov v bezdrôtovej sieti zvyšuje pravdepodobnosť vzájomného rušenia kanálov. Preto tento prístup nebude vždy správnou voľbou pre nasadenie všetkých Wi-Fi sietí bez výnimky. Napriek tomu je možné technológiu MU-MIMO, ako vidíme, použiť pre kanály akejkoľvek šírky.

Avšak aj keď vaša bezdrôtová sieť používa užšie 20 MHz alebo 40 MHz kanály, MU-MIMO jej stále môže pomôcť bežať rýchlejšie. O koľko rýchlejšie však bude závisieť od toho, koľko klientskych zariadení bude potrebné obsluhovať a koľko streamov každé z týchto zariadení podporuje. Takže použitie technológie MU-MIMO aj bez širokých pridružených kanálov môže viac ako zdvojnásobiť priepustnosť výstupného bezdrôtového pripojenia pre každé zariadenie.

12. Spracovanie signálu zvyšuje bezpečnosť

Zaujímavým vedľajším efektom technológie MU-MIMO je, že router alebo prístupový bod dáta pred odoslaním cez rádio zašifruje. Je pomerne ťažké dekódovať dáta prenášané pomocou technológie MU-MIMO, pretože nie je jasné, ktorá časť kódu je v ktorom priestorovom toku. Zatiaľ čo môžu byť následne vyvinuté špeciálne nástroje, ktoré umožnia iným zariadeniam zachytiť prenášanú prevádzku, technológia MU-MIMO dnes efektívne maskuje dáta z blízkych odpočúvacích zariadení. Nová technológia teda pomáha zlepšiť bezpečnosť Wi-Fi, čo je dôležité najmä pre otvorené bezdrôtové siete, ako sú verejné Wi-Fi siete, ako aj prístupové body fungujúce v osobnom režime alebo využívajúce režim zjednodušenej autentifikácie používateľa (Pre-Shared kľúč , PSK) založený na technológiách zabezpečenia siete Wi-Fi WPA alebo WPA2.

13. MU-MIMO je najlepšie pre pevné Wi-Fi zariadenia

V súvislosti s technológiou MU-MIMO existuje aj jedna výhrada: nefunguje dobre s rýchlo sa pohybujúcimi zariadeniami, pretože proces vytvárania lúča sa stáva zložitejším a menej efektívnym. Preto vám MU-MIMO neposkytne žiadny merateľný prínos pre zariadenia, ktoré sa často pohybujú vo vašej podnikovej sieti. Treba však chápať, že tieto „problémové“ zariadenia by nemali žiadnym spôsobom ovplyvňovať prenos dát MU-MIMO do iných klientskych zariadení, ktoré sú menej mobilné, ani ich výkon.

Prihláste sa na odber noviniek