MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2×2 MIMO

Что такое mimo

Если коротко, то MIMO – это передача данных несколькими потоками. Эта аббревиатура переводится с английского как несколько входов, несколько выходов (Multiple Input Multiple Output). Эта технология предусматривает трансляцию сигнала несколькими приемниками и передатчиками на одной несущей частоте.

Часто рядом с аббревиатурой MU-MIMO указывают количество передатчиков и приемников, например, MIMO 2х2 (или 2х2) означает, что используются два передатчика и два приемника.

Технология MIMO позволила поднять скорость передачи до 300 Мбит/с, благодаря чему появился стандарт 802.11 n. Он использует канал шириной 20 МГц, что обеспечивает высокую пропускную способность. Технология MU-MIMO может быть использована в Wi-Fi сетях стандарта 802.11 n и ac.

2.1. Принципы построения MIMO-системы связи

Блок-схема MIMO-системы связи с MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO передающими и MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO приемными антеннами при MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO приведена на рис. 3.3. На ней входной поток данных делится на MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO подпотоков.

Рис. 3.3. Блок-схема MIMO-системы связи

Последовательно-параллельный демультиплексор на рис. 3.3 выполняет это разделение. Каждый подпоток после кодирования и модуляции излучается отдельной антенной. Причем все MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO подпотоков излучаются одновременно в одной и той же полосе частот. Для всех подпотоков могут использоваться идентичные коды и модуляторы.Излученные MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO потоков создают сигналы в каждой из MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO приемных антенн. То есть сигнал в каждой приемной антенне — это смесь MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO излученных сигналов, умноженных на комплексные передаточные функции от соответствующих передающих антенн к рассматриваемой приемной антенне. Иначе говоря, вектор принятых сигналов представляет произведение матрицы канала на вектор излученных сигналов. Матрица канала измеряется перед передачей информации и считается известной в приемнике.Далее в приемнике решается задача разделения и оценки излученных MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO сигналов. Для этого нужно решить систему из MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO уравнений с MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO неизвестными. При MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO можно воспользоваться матрицей, обратной матрице канала. При MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO можно применить обобщенную инверсию, получающуюся при решении системы методом наименьших квадратов – MMSE (Minimum Mean – Square Error). На рис. 3.3 блок, выделяющий MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO подпотоков из принятых сигналов, назван пространственным декодером. Далее каждый подпоток подается на демодулятор и декодер.Организованная таким образом MIMO – система связи обеспечивает передачу информации по MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO пространственным каналам. Причем все каналы работают в одной и той же полосе частот и разделяются только за счет пространственного разнесения излучающих и приемных антенн. Рассмотренная на рис. 3.3 МIMO система аналогична системе связи с MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO фидерами. Традиционная (SISO – Single Input Suingle Output) система связи с одним пространственным каналом – это аналог проводной системы с одним фидером. Это сравнение MIMO- и SISO-систем иллюстрирует рис. 3.4.

Рис. 3.4. Многопроводная и однопроводная линии связи – аналоги MIMO- и SISCO-систем связи

Можно также дать иное пояснение принципу работы MIMO – системы на рис. 3.3, которое в большей степени опирается на физику и в меньшей – на математику. Приемную антенную систему на рис. 3.3 вместе с пространственным декодером можно рассматривагь как антенную решетку с многолучевой диаграммой направленности.

Причем каждый из лучей формируется так, чтобы он был направлен только на одну приемную антенну, на все остальные антенны должны быть направлены нули сформированного луча. На рис. 3.5 схематично показана двухлучевая диаграмма направленности с темным и светлым лучами.

Рис. 3.5. Физическая иллюстрация разделения пространственно разнесенных источников

Темный луч обеспечивает прием сигнала от первой передающей антенны и не принимает сигналы второй антенны. Светлый луч, наоборот, принимает сигналы только от второй передающей антенны. В этой трактовке пространственное разделение источников объяснятся сложным характером диаграммы направленности антенной системы приемника. Конечно, следует учитывать, что в формировании диаграммы участвуют не только MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO приемных антенн, но и многолучевая среда распространения волн. Приемник должен следить за изменением среды и постоянно менять положение лучей в пространстве.

Возможность одновременной передачи информации по нескольким пространственным каналам объясняет высокую спектральную эффективность многоантенных систем и пристальное внимание к ним со стороны разработчиков высокоскоростных систем радиосвязи.

2.3. Алгоритм BLAST – пространственного декодирования

В этом разделе описан разработанный лабораторией Bell – Labs для многоантенной техники алгоритм BLAST (Bell Laborotories Layered Space-Time). Алгоритм имеет следующие модификации: D – BLAST и V – BLAST. Алгоритм D – BLAST позволяет, в принципе, получать более высокие скорости передачи информации, но более сложен в реализации.

Так как потери в скорости при переходе от D – BLAST к более простому алгоритму V – BLAST невелики, то второму алгоритму отдается предпочтение. Изложение и обоснование алгоритма можно найти в работах [4, 21, 6, 5]. Краткое изложение алгоритма, которого мы будем придерживаться, можно найти в [2].

До изложения алгоритма поясним некоторые предположения и обозначения. Полагаем, что вектор принятых сигналов на выходе приемника связан с вектором излучаемых символов равенством:

MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.12)Здесь I – дискретное время; MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO – вектор размерности MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO; MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO – вектор размерности MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO; MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMOMU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO-мерный вектор шума; Н — матрица канала размерности MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO.

В дальнейшем считается, что элементы матрицы канала не зависят от частоты, канал имеет плоскую частотную характеристику. Для всей используемой в WiMAX-системах полосы это предположение несправедливо. Однако при использовании OFDM это предположение справедливо для окрестности каждой поднесущей частоты.

Вектор MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO в (3.12) – это MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO независимых компонентов шума, то есть, соответствующая ему ковариационная матрица имеет вид:Здесь MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO – это дисперсия шума. Полагаем, что передача информации идет MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMOнезависимыми потоками, общая мощность между которыми распределена равномерно. Поскольку информационные потоки, которые также случайны, являются не связанными между собой, то ковариационная матрица вектора и имеет вид:где MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO – это средняя мощность сигнала, излучаемого одной антенной. Она связана с общей мощностью равенством:Заметим, что SNR в формулах этой главы — это отношение средней мощности MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO дисперсии шума:Введем вектор ошибки MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO, определяемый разностью между переданным вектором данных и его оценкой:Задача минимизации среднего квадрата ошибки приводит к следующему решению. Для получения оптимальной оценки выходной вектор MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO следует пропустить через фильтр (MMSE – фильтр), определяемый матрицей G:MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.13)Здесь MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO – действительный параметр регуляризации, равный:MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.14)

Вместо выражения (2.13) можно пользоваться иным, более компактным выражением:

MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.15)Выражение (3.15), называемое псевдоинверсией, отличается от (3.13) отсутствием регуляризирующей диагональной матрицы MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO. Отсутствие регуляризации приводит к увеличению шумов, особенно если матрица MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO является плохо обусловленной. Поэтому использование (3.13) с ненулевым значением а предпочтительнее, чем (3.15), даже если дисперсия шума MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO точно неизвестна.В V – BLAST – алгоритме детектирование MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO переданных символов (оценка вектора MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO) выполняется за MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO итераций. Порядок, в котором извлекаются символы (компоненты вектора MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO), существенно влияет на характеристики системы.

На каждой итерации выполняются три шага.

Шаг 1. Подсчет оценки вектора MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO с использованием MMSE-фильтра (3.13) или псевдоинверсии (3.15)MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.16)Шаг 2. Оценка того символа вектора MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO, для которого значение SNR является наибольшим. Номер этого элемента определяется номером наименьшего диагонального элемента матрицы Q (3.13) при использовании MMSE – фильтра или номером столбца с наименьшей нормой при псевдоинверсии (3.15). Обозначим этот номер MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO и найдем оценку символа MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO:MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO (3.17)В (3.17) через MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO обозначена операция выбора сигнала, который наиболее близок к MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO, в используемой сигнально-кодовой конструкцииШаг 3. Модификация вектора MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO и матрицы канала Н. Из вектора удаляется результат воздействия символа MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO:Здесь через MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO обозначен столбец с номером MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO матрицы Н. Матрица канала Н модифицируется удалением из нее столбца с номером MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO.Шаги 1—3 повторяются MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO раз и вычисляются компоненты MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO Более кратко и строго алгоритм V – BLAST приведен далее.

Инициализация:

Рекурсия:

Результат вычислений:

Оценки излучённых сигналов: MU-MIMO: что это за технология, Wi-Fi роутеры с поддержкой МИМО, тип антенн, что значит 2x2 MIMO

В литературе [4] приводятся не только результаты теоретических расчетов и моделирования, но результаты экспериментов, подтверждающие работоспособность алгоритма V – BLAST и высокую спектральную эффективность MIMO – техники.

Su-mimo и mu-mimo – в чем различие

Расскажем подробнее, чем отличаются SU-MIMO и MU-MIMO.

Роутеры, поддерживающие SU-MIMO передача информации происходит не по одному каналу, а сразу по нескольким. Таким образом, несколько пользователей одновременно могут принимать и отправлять данные. Эта технология может создавать 4 одновременных подключения, благодаря этому клиентам не приходится делить подключение и скорость обмена увеличивается.

Подходит для сетей с большим числом пользователей, поэтому ее рекомендуется использовать в офисах, гостиницах, кафе и ресторанах. Следует учитывать, что информацию, передаваемую с использованием этой технологии, сложнее перехватить, что увеличивает ее безопасность.

Понять, поддерживает ли маршрутизатор MU-MIMO, можно по количеству антенн. У роутера, использующего эту технологию, их должно быть как минимум четыре.

Роутеры с MU-Одной из ключевых технологий для развития беспроводных сетей (например, Wi-Fi) в последние годы является технология MIMO. MIMO — это множественная передача информации с нескольких передатчиков и её получение, а также обработка на нескольких приемниках. Основные задачи MIMO – повысить пропускную способность беспроводного канала и качество связи. Главным методом увеличения пропускной способности в системах MIMO является мультиплексирование, то есть параллельная передача нескольких потоков информации с разных антенн (о нем ниже). Частными случаями MIMO являются системы передачи, где на приемнике или передатчике используется одна антенна. Называются такие системы Multiple-input single-output (MISO) и Single-input multiple-output (SIMO). В них нельзя организовать параллельную передачу нескольких потоков информации, однако можно использовать дополнительные антенны для повышения качества приёма или передачи сигнала. В описании точек доступа различных вендоров мы можем узнать сколько передающих и приемных антенн есть на устройстве, сколько пространственных потоков MIMO оно поддерживает. Например, это может быть значение 3×4:3, что означает 3 передатчика, 4 приемника и 3 пространственных потока. Кроме этих параметров можно встретить такие аббревиатуры или обозначения, как MRC, STBC, CSD, 802.11ac Tx BF и пр. Все эти технологии также направлены на улучшение качества сигнала. Итак, давайте попробуем разобраться какие варианты ухищрений используют современные точки доступа, чтобы ваш девайс получил хороший сигнал. Стоит отметить, что на Хабре уже есть статьи с довольно подробным описанием работы указанных технологий — MIMO, OFDM, STBC и MRC. В данном материале хотели бы сделать общий обзор по технологиям повышения качества связи, наглядно отобразить, как работает та или иная функция и какой прирост она дает. Рассмотрена работа с точки зрения 802.11 Wi-Fi, хотя, разумеется, указанные методы используются и в других беспроводных стандартах (LTE, 802.16 WiMAX).Пространственное мультиплексирование (MIMO SDM)
Ключевым преимуществом MIMO является возможность передавать несколько независимых информационных потоков с разных антенн на одном канале. Это позволяет кардинально увеличить пропускную способность беспроводного канала. Технология называется пространственное мультиплексирование, или SDM (Spatial Division Multiplexing). Основным условием для работы MIMO SDM является многолучевое распространение сигнала. Если мы отправим данные с двух антенн, при прямой видимости сигнал придет к получателю одновременно, и мы получим их наложение (интерференцию). А значит сделаем только хуже. Но если при прохождении сигнал отражается, преломляется и т.п., получатель может распознать (скоррелировать) пришедший сигнал для разных потоков. Затем, получатель вычисляет текущее состояние каналов передачи (потоков) для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки (по служебным заголовкам). И далее с помощью математических преобразований, восстанавливает исходные потоки. В случае MIMO отправитель не знает о состоянии канала, то есть он никак не оптимизирует сигнал при передаче. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, поддерживаемое двумя сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, точка доступа тоже будет передавать единственный поток. Стоит отметить, что при передаче нескольких потоков (да и вообще при одновременной передаче с нескольких антенн) общая излучаемая мощность делится на количество передающих антенн. Например, если мы передаём сигнал одновременно с двух антенн, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, в данном случае мы передаем информацию по двум или более каналам одновременно.Также, за счет совместного использования SDM и множественной передачи (об этом ниже) можно увеличить значение SNR (отношение сигнал-шум) на приемнике.Системы MIMO продолжают развиваться и в стандарте 802.11ac (wave2) реализована множественная одновременная передача в режиме MIMO нескольким клиентами (Multiuser-MIMO). То есть, если есть два клиента, поддерживающие один и два потока, система MU-MIMO будет передавать им сигнал одновременно. Как мы помним, до появления технологии MU- MIMO в один момент времени передачу данных могла осуществлять только одна система. Работает технология только в направлении от точки доступа к клиенту (DownLink). Текущие точки доступа позволяют работать с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков (суммарно). Технология MU-MIMO требует поддержки и на точке доступа и на клиентском устройстве. Также она требует дополнительных вычислений на точке доступа и накладывает определенные условия при использовании. Например, её работа невозможна без предварительной калибровки и адаптивной передачи (Explicit Transmit Beamforming), о которой будет рассказано ниже.
Развитие механизмов множественной передачиприема разумеется привело к увеличению количества антенн на 802.11n-устройствах. Сегодня для точек доступа корпоративного уровня (802.11n/ac) уже стало стандартом наличие 3-4 антенн. При этом, количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На самом деле, много ли клиентов поддерживающих, например, 3 потока? Конечно, не много. Если это смартфон, то чаще поддерживается только один пространственный поток. Это дает точке доступа использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны. Оптимальное весовое сложение (MRC)
MRC позволяет улучшить значение SNR для входящего сигнала (от клиента к точке доступа). Если на точке доступа есть дополнительный свободный приемник(и), она складывает полученный на этом приемнике сигнал с остальными. Так как на приемнике уже есть информация о текущем состоянии канала передачи (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы (на каждой из приемных антенн), провести их выравнивание и оптимальное сложение, получив лучшее соотношение сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что MRC в некоторых случаях позволяет существенно увеличить значение SNR, а значит увеличить и скорость передачи, дальность действия ТД. MRC работает только на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента. Технология может использоваться совместно с другими – CSD, SDM, STBC.Разнесенная передача (CSD/SE)
Технология Cyclic Shift Diversity (CSD) позволяет передать копии одного сигнала с дополнительных свободных антенн. Делается это поочередно c небольшим интервалом (200 нс). Если передать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (мощность делится), получить выигрыш на приеме не удастся. Если же передать сигнал независимо (на максимальной мощности) с небольшим интервалом с каждой из антенн, можно получить разнесение сигнала на приеме, а значить улучшить сигнал. Приемник в свою очередь по определенному критерию выбирает лучший сигнал. Метод разнесенной передачи довольно старый и не очень удобен для распознавания на приемнике (требует вычислительной мощности, плохо масштабируется). Однако, он поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих поколений – 802.11a/g. В современных стандартах (802.11n и далее) используется механизм STBC либо адаптивная передача (Beamforming). Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)
STBC позволяет передавать разные сигналы одновременно с нескольких антенн за несколько тактовых интервалов. Для передачи используется схема Аламоути. Для простейшего случая 2х1, эта схема позволяет за два интервала времени передать два сигнала два раза. На двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала. Таким образом, мы получаем разнесение сигналов по времени и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. С точки зрения приема, метод STBC является достаточно удобным, т.к. не требует большой вычислительной мощности. Как можно догадаться, STBC не работает одновременно с CSD. В противовес MRC, который мы рассмотрели ранее, STBC позволяет нам улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически, поддерживается работа в режимах более высоких порядков или для нескольких потоков (например, в режиме 2х1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). STBC может использоваться одновременно с MIMO SDM.Влияние на производительностьИтак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотрим графики*. На первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1×1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – Packet Error Rate) он на ~4 dB лучше SE. MRC** дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.*взято из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11acАдаптивная передача (802.11ac Explicit Beamforming)
Все методы, которые мы рассматривали до этого основывались на обработке сигнала на приемной стороне. То есть при передаче информации именно приемник составлял матрицу канала связи для входящего сигнала с каждого из передатчиков. Передающая же сторона не подстраивала сигнал на антеннах между собой, то есть отправляла сигнал “вслепую”. При адаптивной передаче основной акцент делается на определении состояния канала на передатчике, чтобы отправить сигнал с оптимальными фазово-амплитудными характеристиками. Другими словами, отправить сигнал с нескольких антенн таким образом, чтобы на приёмной стороне получить наилучшее качество. Сделать это можно разными способами (без ответа от получателя, калибровка с получателем). В стандарте 802.11ac был реализован подход с получением калибровочной информации от приемника. То есть приемник сообщает, как он слышит сигнал с каждой антенны точки доступа. После этого, на основе предположения что канал в обе стороны симметричен, формируется матрица передачи с коэффициентами для конкретного приемника. Кроме того, использование адаптивной передачи позволяет распределять мощность между различными потоками (например, увеличить мощность для потоков лучшим SNR) На графике видно, что в сравнении с методами разнесенной передачи рассмотренными ранее режим адаптивной передачи позволяет получить наибольший прирост в скорости при передаче информации клиенту.
Мы рассмотрели различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, а также показали какой прирост они могут дать. В реальных условиях будет наблюдаться более комплексная картина. Добавляются дополнительные факторы, влияющие на работу беспроводной сети (расстояние до клиента, количество клиентов, нагрузка на канал, поддерживаемые клиентом методы передачи и др.). Точка доступа на основе встроенных алгоритмов решает какие методы передачи использовать в тот или иной момент времени.
Поляризационное разнесение
Во многих случаях при наличии нескольких антенн используется пространственное и поляризационное разнесение. Поляризация описывает закон изменения направления электрического поля, излучаемого антенным элементом. При линейной поляризации вектор напряженности электрического поля направлен либо вертикально (90°), либо горизонтально (0°); при наклонной линейной поляризации от отклоняется от горизонтали на –45 или 45°.В некоторых системах с поляризационным разнесением используется круговая поляризация, при которой вектор напряженности электрического поля вращается в пространстве по часовой или против часовой стрелки. Антенны с линейной поляризацией чаще всего являются ненаправленными (монополь или диполь). Круговая поляризация применяется в спиральных и патч-антеннах. Необходимо обеспечить ортогональность антенн, чтобы на выбранной полосе частот они были изолированы.И внутри помещения, и вне его можно создать два параллельных канала через поляризационное разнесение, чтобы упростить обмен данными. Особенно это полезно для транспортных сетей в системах связи, когда требуется найти компромисс между расстоянием связи и пропускной способностью, а также для решений, работающих в нелицензируемом диапазоне ISM при жестких ограничениях по эквивалентной изотропно излучаемой мощности.Поскольку из-за малого размера устройств физически трудно разделить антенны, чтобы соответствующим образом обеспечить пространственное разнесение, целесообразным является решение проблемы с помощью поляризации. Экспериментальные исследования показывают, что использование двух типов поляризации в средах с типичным рассеиванием может увеличить емкость на 10–20% по сравнению с пространственно разнесенными антенными элементами.На рисунке 3 показано несколько антенн с двойной поляризацией и их типичные диаграммы излучения. В некоторых из них используется пространственное разнесение. Они предназначены для беспроводных локальных сетей, работающих и внутри помещения, и вне его.Рис. 3. Системы с двойной поляризацией и пространственным разнесением каналовДвойная поляризация выполняется на –45 и 45°C использованием линейного или планарного массива антенных элементов, включающих диполи, монополи, патч- и щелевые антенны. Поляризация часто контролируется с помощью SPDT-ключа, возбуждающего либо волну 45°, либо волну –45°.Например, секторные панельные антенны могут содержать три панельных антенны с поляризацией ±45°, в которых каждая из них поддерживает множественную передачу MIMO. Другим примером является полное (360°) покрытие с помощью четырех антенн с двойной поляризацией с раздельными фидерами для вертикальной и горизонтальной полярности.
Практические ограничения
Чтобы окончательно разобраться с технологией MU-MIMO, нужно также знать, какие у нее есть ограничения.Она не может работать в частотном диапазоне 2,4 ГГц, для нее нужна частота 5 ГГц.Количество клиентов, подключенных одновременно, ограничено. Маршрутизатор, рассчитанный на работу с тремя потоками одновременно, не способен работать с несколькими подключениями без снижения скорости.Устройство, которое будет подключаться к маршрутизатору, также должно поддерживать MU-MIMO. Но ему не нужно иметь четыре антенны, достаточно одной. Выгоду получат даже устройства, не поддерживающие эту технологию, за счет того, что гаджеты с поддержкой MU-MIMO будут передавать данные быстрее, очередь до остальных клиентов будет доходить быстрее.Так как используется направленная передача данных Beamforming, то данная технология не очень хорошо работает с быстро перемещающимися гаджетами. Появляются проблемы с определением положения устройства, процесс формирования становится сложным и менее эффективным.
Принцип работы
MU-MIMO базируется на нескольких технологиях.Технология OFDM (мультиплексирование с частотным разделением сигналов), которая была разработана для увеличения эффективности частотного спектра каналов. Сначала частотный диапазон Wi-Fi был один – 2,4 ГГц. Он разделен на 14 каналов шириной 20 МГц (другие частоты расположены от заданного на расстоянии 20 МГц), которые частично перекрывали соседние.Потом выяснилось, что такого количества не хватает, и был введен диапазон, работающий на частоте 5 ГГц. В нем были не только 20 МГц каналы, но и шириной 40 МГц и 80 МГц. Технология OFDM позволяет использовать не только несущие, но и поднесущие частоты, благодаря чему трафик распределяется более рационально. Однако передавать информацию с помощью этого протокола мог только один пользователь в каждый момент времени.На смену OFDM пришла усовершенствованная технология OFDMА, которая работает на уровне ресурсных юнитов, что позволяет разбить блок на несколько компонентов и работать одновременно с несколькими пользовательскими устройствами. Еще один способ увеличить скорость обмена информацией – это применение технологии пространственных потоков. Маршрутизаторы имеют несколько радимодулей, каждый из которых передает данные через свою антенну Wi-Fi. Пространственный поток действует между радиомодулем роутера и мобильным устройством пользователя.Раньше при установке в маршрутизатор двух радиомодулей один работал на 2,4 ГГц, а второй на 5 ГГц. При появлении третьего передающего модуля качество связи стало ухудшаться из-за наводок. Еще одна составляющая MU- MIMO — технология Beamforming, которая позволяет регулировать диаграмму направленности сигнала, идущего от маршрутизатора. Она позволяет с помощью нескольких небольших антенн MIMO управлять направлением излучения радиоволн. При этом режиме важно, чтобы сигналы не перекрывали друг друга, чтобы обеспечить выполнение этого условия нужны достаточно большие вычислительные мощности. Объединение всех этих технологий вместе и называется Wi-Fi MIMO.

Читайте про операторов:  Wi-Fi Calling: что это такое, как работает и как включить

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector