Sprzęt bezprzewodowy obsługujący tryb MIMO. Technologia transmisji danych MIMO w sieciach bezprzewodowych WIFI pomimo zalet i wad technologii

Istniejące sieci komórkowe służą nie tylko do wykonywania połączeń i wysyłania wiadomości. Dzięki cyfrowej metodzie transmisji możliwa jest także transmisja danych z wykorzystaniem istniejących sieci. Technologie te, w zależności od stopnia rozwoju, nazywane są 3G i 4G. Technologia 4G jest obsługiwana przez standard LTE. Szybkość przesyłania danych uzależniona jest od niektórych cech sieci (określanych przez operatora) i teoretycznie sięga do 2 Mb/s dla sieci 3G i do 1 Gb/s dla sieci 4G. Wszystkie te technologie działają wydajniej, jeśli sygnał jest silny i stabilny. W tym celu większość modemów umożliwia podłączenie anten zewnętrznych.

Antena panelowa

W sprzedaży można znaleźć różne opcje anteny poprawiające jakość odbioru. Antena panelowa 3G jest bardzo popularna. Zysk takiej anteny wynosi około 12 dB w zakresie częstotliwości 1900-2200 MHz. Urządzenia tego typu potrafią także poprawić jakość sygnału 2G – GPRS i EDGE.

Podobnie jak zdecydowana większość innych urządzeń pasywnych, posiada jednokierunkową kierunkowość, co wraz ze wzrostem odbieranego sygnału zmniejsza poziom zakłóceń z boków i tyłu. Dzięki temu nawet w warunkach niestabilnego odbioru możliwe jest podniesienie poziomu sygnału do akceptowalnych wartości, zwiększając w ten sposób prędkość odbioru i przesyłania informacji.

Zastosowanie anten panelowych do pracy w sieciach 4G

Ponieważ zasięg działania sieci 4G praktycznie pokrywa się z zasięgiem poprzedniej generacji, nie ma trudności z wykorzystaniem tych anten w sieciach 3G 4G LTE. W przypadku każdej technologii zastosowanie anten pozwala na zbliżenie szybkości transmisji danych do wartości maksymalnych.

Nowa technologia wykorzystująca oddzielne odbiorniki i nadajniki w tym samym paśmie częstotliwości umożliwiła dalsze zwiększenie prędkości odbioru i transmisji danych. Konstrukcja istniejącego modemu 4G zakłada wykorzystanie technologii MIMO.

Niewątpliwą zaletą anten panelowych jest ich niski koszt i wyjątkowa niezawodność. W konstrukcji praktycznie nie ma niczego, co mogłoby pęknąć nawet w przypadku upadku z dużej wysokości. Jedynym słabym punktem jest kabel wysokiej częstotliwości, który może pęknąć w miejscu wejścia do obudowy. Aby przedłużyć żywotność urządzenia, kabel musi być bezpiecznie zamocowany.

Technologia MIMO

Aby zwiększyć przepustowość kanału komunikacyjnego między odbiornikiem a nadajnikiem danych, opracowano metodę przetwarzania sygnału, gdy odbiór i transmisja odbywa się na różnych antenach.

Notatka! Stosując anteny LTE MIMO można zwiększyć przepustowość o 20-30% w porównaniu do pracy z prostą anteną.

Podstawową zasadą jest wyeliminowanie sprzężeń pomiędzy antenami.

Fale elektromagnetyczne mogą mieć różne kierunki względem płaszczyzny ziemi. Nazywa się to polaryzacją. Stosowane są głównie anteny o polaryzacji pionowej i poziomej. Aby wyeliminować wzajemne oddziaływanie, anteny różnią się od siebie polaryzacją o kąt 90 stopni. Aby wpływ powierzchni ziemi był taki sam dla obu anten, płaszczyzny polaryzacji każdej z nich są przesunięte o 45 stopni. względem ziemi. Zatem, jeśli jedna z anten ma kąt polaryzacji 45 stopni, wówczas druga ma odpowiednio 45 stopni. Przemieszczenie względem siebie wynosi wymagane 90 stopni.

Rysunek wyraźnie pokazuje rozmieszczenie anten względem siebie i względem ziemi.

Ważny! Polaryzacja anten musi być taka sama jak w stacji bazowej.

O ile dla technologii 4G LTE obsługa MIMO jest domyślnie dostępna na stacji bazowej, to dla 3G ze względu na dużą liczbę urządzeń bez MIMO operatorom nie spieszy się z wprowadzaniem nowych technologii. Faktem jest, że urządzenia będą działać znacznie wolniej w sieci MIMO 3G.

Samodzielny montaż anten do modemu

Zasady instalowania anten nie odbiegają od zwykłych. Głównym warunkiem jest brak przeszkód między klientem a stacjami bazowymi. Rosnące drzewo, dach pobliskiego budynku lub, co gorsza, linia energetyczna stanowią niezawodną osłonę dla fal elektromagnetycznych. Im wyższa częstotliwość sygnału, tym większe tłumienie będą spowodowane przeszkodami znajdującymi się na drodze fal radiowych.

W zależności od sposobu montażu anteny można montować na ścianie budynku lub montować na maszcie. Istnieją dwa rodzaje antenMIMO:

monoblok;
rozstawione.

Monobloki zawierają już w środku dwie konstrukcje, zamontowane z odpowiednią polaryzacją, a rozstawione składają się z dwóch anten, które trzeba zamontować oddzielnie, każda z nich musi być skierowana dokładnie w stronę stacji bazowej.

Wszystkie niuanse związane z instalacją anteny MIMO własnymi rękami są jasno i szczegółowo opisane w dołączonej dokumentacji, ale lepiej najpierw skonsultować się z dostawcą lub zaprosić przedstawiciela do instalacji, płacąc niezbyt dużą kwotę, ale otrzymując pewną gwarancję na wykonaną pracę.

Jak samemu zrobić antenę

Nie ma zasadniczych trudności w samodzielnym wykonaniu. Potrzebujesz umiejętności pracy z metalem, umiejętności trzymania lutownicy, chęci i dokładności.

Niezbędnym warunkiem jest ścisłe przestrzeganie wymiarów geometrycznych wszystkich bez wyjątku części składowych. Wymiary geometryczne urządzeń wysokiej częstotliwości muszą być zachowane z dokładnością do milimetra lub dokładniej. Wszelkie odchylenia prowadzą do pogorszenia wydajności. Zysk spadnie, a sprzężenie między antenami MIMO wzrośnie. Ostatecznie zamiast wzmacniać sygnał, będzie on osłabiał.

Niestety dokładne wymiary geometryczne nie są powszechnie dostępne. Wyjątkowo materiały dostępne w sieci opierają się na powtórzeniach niektórych projektów fabrycznych, które nie zawsze są kopiowane z wymaganą dokładnością. Dlatego nie należy pokładać wielkich nadziei w schematach, opisach i metodach publikowanych w Internecie.

Z drugiej strony, jeśli nie jest wymagany wyjątkowo duży zysk, to antena MIMO wykonana samodzielnie, zgodnie z podanymi wymiarami, nadal da, choć nie duży, pozytywny efekt.

Koszt materiałów jest niski, a czas wymagany, jeśli masz umiejętności, również nie jest zbyt wysoki. Ponadto nikt nie przeszkadza Ci wypróbować kilku opcji i wybrać akceptowalną na podstawie wyników testu.

Aby własnoręcznie wykonać antenę 4G LTE MIMO, potrzebne są dwa absolutnie płaskie arkusze stali ocynkowanej o grubości 0,2-0,5 mm lub jeszcze lepiej jednostronny laminat z folii z włókna szklanego. Jedna z blach zostanie wykorzystana do produkcji odbłyśnika (odbłyśnika), a druga do produkcji elementów aktywnych. Kabel do podłączenia do modemu musi mieć rezystancję 50 omów (jest to standard dla wyposażenia modemu).

Kabel telewizyjny nie może być używany z dwóch powodów:

Rezystancja 75 omów spowoduje niedopasowanie z wejściami modemu;
duża grubość.

Konieczne jest także wybranie złączy, które muszą dokładnie pasować do złączy modemu.

Ważny! Podaną odległość pomiędzy elementami aktywnymi a odbłyśnikiem należy mierzyć od warstwy folii, jeżeli stosowany jest materiał foliowy.

Ponadto będziesz potrzebował małego kawałka drutu miedzianego o grubości 1-1,2 mm.

Wyprodukowaną konstrukcję należy umieścić w plastikowej obudowie. Nie można używać metalu, ponieważ w ten sposób antena zostanie zamknięta w osłonie elektromagnetycznej i nie będzie działać.

Notatka! Większość rysunków nie odnosi się do anten MIMO, ale do anten panelowych. Zewnętrznie różnią się tym, że jeden kabel jest dostarczany do prostej anteny panelowej, a do MIMO potrzebne są dwa.

Wykonując dwie anteny panelowe, można uzyskać różnorodną wersję anteny DIY MIMO 4G.

Podsumowując, możemy powiedzieć, że wykonanie anteny MIMO własnymi rękami nie jest bardzo trudnym zadaniem. Przy odpowiedniej pielęgnacji całkiem możliwe jest uzyskanie działającego urządzenia, oszczędzając przy tym trochę pieniędzy. Nieco łatwiej jest samodzielnie wykonać antenę 3G. W odległych obszarach, gdzie nie ma jeszcze zasięgu LTE, może to być jedyna opcja poprawy prędkości połączenia.

Wideo

Technologia oparta na standardzie WiFi IEEE 802.11n.

Wi-Life zawiera krótki przegląd technologii Wi-Fi IEEE 802.11n .
Rozszerzone informacje do naszego publikacje wideo.

Pierwszy generacja urządzeń obsługujących standard WiFi 802.11n pojawił się na rynku kilka lat temu. Technologia MIMO ( MIMO – wiele wejść/wiele wyjść -wiele wejść/wiele wyjść) jest rdzeniem standardu 802.11n. Jest to system radiowy z wieloma odrębnymi torami transmisji i odbioru. Systemy MIMO opisywane są za pomocą liczby nadajników i odbiorników. Standard WiFi 802.11n definiuje zestaw możliwych kombinacji od 1x1 do 4x4.

W typowym przypadku wdrożenia sieci Wi-Fi w pomieszczeniu, na przykład w biurze, warsztacie, hangarze, szpitalu, sygnał radiowy rzadko przemieszcza się najkrótszą drogą pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem ze względu na ściany, drzwi i inne przeszkody. Większość takich środowisk ma wiele różnych powierzchni, które odbijają sygnał radiowy (falę elektromagnetyczną), tak jak lustro odbija światło. Po odbiciu powstaje wiele kopii oryginalnego sygnału WiFi. Gdy wiele kopii sygnału WiFi przemieszcza się różnymi drogami od nadajnika do odbiornika, sygnał podążający najkrótszą drogą będzie pierwszym, a kolejne kopie (lub odbite echo sygnału) dotrą nieco później ze względu na dłuższą długość ścieżki. Nazywa się to propagacją sygnału wielościeżkowego (wielościeżkową). Warunki wielokrotnej propagacji stale się zmieniają, ponieważ... Urządzenia Wi-Fi często się poruszają (smartfon z Wi-Fi w rękach użytkownika), różne obiekty poruszają się powodując zakłócenia (ludzie, samochody itp.). Jeśli sygnały docierają w różnym czasie i pod różnymi kątami, może to powodować zniekształcenia i możliwe osłabienie sygnału.

Warto pamiętać, że WiFi 802.11 n z obsługą MIMO a duża liczba odbiorników może zredukować efekty wielodrożności i destrukcyjne zakłócenia, ale w każdym przypadku lepiej jest zredukować warunki wielodrożności, gdziekolwiek i kiedykolwiek jest to możliwe. Jedną z najważniejszych kwestii jest umieszczenie anten jak najdalej od metalowych przedmiotów (głównie anten dookólnych Wi-Fi, które mają kołowy lub dookólny wzór promieniowania).

Niezbędny jasno zrozumieć, że nie wszyscy klienci Wi-Fi i punkty dostępu Wi-Fi są takie same z punktu widzenia MIMO.
Istnieją klienci 1x1, 2x1, 3x3 itd. Przykładowo urządzenia mobilne typu smartfony najczęściej obsługują MIMO 1x1, czasem 1x2. Wynika to z dwóch kluczowych problemów:
1. konieczność zapewnienia niskiego zużycia energii i długiej żywotności baterii,
2. trudność w ułożeniu kilku anten w odpowiednich odstępach w małej obudowie.
To samo dotyczy innych urządzeń mobilnych: tabletów, PDA itp.

Laptopy z wyższej półki dość często obsługują już MIMO do 3x3 (MacBook Pro itp.).

Chodźmy Spójrzmy na główne typy MIMO w sieciach Wi-Fi.
Na razie pominiemy szczegóły dotyczące liczby nadajników i odbiorników. Ważne jest, aby zrozumieć zasadę.

Pierwszy typ: Różnorodność podczas odbioru sygnału na urządzeniu WiFi

Jeżeli w punkcie odbioru znajdują się co najmniej dwa sprzężone odbiorniki z dywersyfikacją antenową,
wtedy całkiem możliwe jest przeanalizowanie wszystkich kopii na każdym odbiorniku, aby wybrać najlepsze sygnały.
Ponadto za pomocą tych sygnałów można wykonywać różne manipulacje, ale przede wszystkim interesuje nas
możliwość ich łączenia przy wykorzystaniu technologii MRC (Maximum Ratio Combined). Technologia MRC zostanie omówiona bardziej szczegółowo poniżej.

Drugi typ: Różnorodność podczas wysyłania sygnału do urządzenia WiFi

Jeżeli w punkcie wysyłającym podłączone są co najmniej dwa nadajniki WiFi z rozstawionymi antenami, wówczas możliwe staje się przesłanie grupy identycznych sygnałów, co pozwala na zwiększenie liczby kopii informacji, zwiększenie niezawodności transmisji oraz ograniczenie konieczności ponownego przesyłania danych w kanał radiowy w przypadku utraty.

Trzeci typ: Multipleksowanie przestrzenne sygnałów na urządzeniu WiFi
(łączenie sygnałów)

Jeżeli w punkcie nadawczym i w punkcie odbiorczym znajdują się co najmniej dwa połączone nadajniki WiFi z oddzielnymi antenami, wówczas możliwe staje się przesłanie zestawu różnych informacji różnymi sygnałami, aby stworzyć możliwość wirtualnego połączenia takich przepływów informacji w jeden kanał transmisji danych, którego całkowita przepustowość dąży do sumy poszczególnych strumieni wchodzących w jego skład. Nazywa się to multipleksowaniem przestrzennym. Ale tutaj niezwykle ważne jest zapewnienie możliwości wysokiej jakości separacji wszystkich sygnałów źródłowych, co wymaga dużego SNR - stosunek sygnału do szumu.

Technologia MRC (maksymalny współczynnik łącznie ) jest stosowany w wielu nowoczesnych punktach dostępowych Wi-Fi klasa korporacyjna.
M.R.C. mające na celu zwiększenie poziomu sygnału w kierunku od Wi-Fi klienta do punktu dostępowego Wi-Fi 802.11.
Algorytm pracy M.R.C. polega na gromadzeniu na kilku antenach i odbiornikach wszystkich sygnałów bezpośrednich i odbitych podczas propagacji wielodrożnej. Następny jest specjalny procesor ( DSP ) wybiera najlepszy sygnał z każdego odbiornika i wykonuje kombinację. W rzeczywistości przetwarzanie matematyczne wykorzystuje wirtualne przesunięcie fazowe, aby wytworzyć dodatnie zakłócenia podczas dodawania sygnałów. Zatem powstały sygnał całkowity ma znacznie lepszą charakterystykę niż wszystkie oryginalne.

M.R.C. pozwala zapewnić znacznie lepsze warunki pracy urządzeniom mobilnym małej mocy w standardowej sieci Wi-Fi .

W systemach Wi-Fi 802.11n Zalety propagacji wielościeżkowej wykorzystywane są do jednoczesnego przesyłania wielu sygnałów radiowych. Każdy z tych sygnałów, tzw. przepływy przestrzenne", wysyłany jest z osobnej anteny za pomocą osobnego nadajnika. Ponieważ między antenami jest pewna odległość, każdy sygnał podąża nieco inną drogą do odbiornika. Efekt ten nazywany jest „ różnorodność przestrzenna" Odbiornik wyposażony jest także w kilka anten posiadających własne, osobne moduły radiowe, które niezależnie dekodują przychodzące sygnały, a każdy sygnał jest łączony z sygnałami z innych odbiorczych modułów radiowych. W efekcie jednocześnie odbieranych jest kilka strumieni danych. Zapewnia to znacznie wyższą przepustowość niż poprzednie systemy Wi-Fi 802.11, ale wymaga również klienta obsługującego standard 802.11n.

Zagłębmy się teraz w ten temat:
W urządzeniach WiFi z MIMO możliwe jest podzielenie całego przychodzącego strumienia informacji na kilka różnych strumieni danych przy wykorzystaniu multipleksowania przestrzennego w celu ich późniejszego przesłania. Do wysyłania różnych strumieni na tym samym kanale częstotliwości wykorzystuje się wiele nadajników i anten. Jednym ze sposobów zobrazowania tego jest możliwość przesłania pewnej frazy tekstowej w taki sposób, że pierwsze słowo zostanie przesłane przez jeden nadajnik, drugie przez inny nadajnik itd.
Naturalnie strona odbiorcza musi obsługiwać tę samą funkcjonalność (MIMO), aby w pełni odizolować różne sygnały, złożyć je ponownie i połączyć przy użyciu ponownie multipleksowania przestrzennego. Otrzymujemy w ten sposób możliwość przywrócenia pierwotnego przepływu informacji. Zaprezentowana technologia pozwala na podzielenie dużego strumienia danych na zbiór mniejszych strumieni i przesyłanie ich oddzielnie od siebie. Ogólnie rzecz biorąc, umożliwia to bardziej efektywne wykorzystanie środowiska radiowego, a w szczególności częstotliwości przeznaczonych dla Wi-Fi.

Technologia Wi-Fi 802.11n definiuje również, w jaki sposób można wykorzystać MIMO do poprawy stosunku sygnału do szumu w odbiorniku za pomocą kształtowania wiązki nadawczej. Dzięki tej technice możliwe jest kontrolowanie procesu wysyłania sygnału z każdej anteny, dzięki czemu poprawiane są parametry odbieranego sygnału w odbiorniku. Innymi słowy, oprócz wysyłania wielu strumieni danych, można wykorzystać wiele nadajników, aby osiągnąć wyższy współczynnik SNR w punkcie odbiorczym, a co za tym idzie, większą szybkość transmisji danych u klienta.
Należy zwrócić uwagę na następujące rzeczy:
1. Zdefiniowana w standardzie Wi-Fi 802.11n procedura kształtowania wiązki nadawczej wymaga współpracy z odbiornikiem (a właściwie urządzeniem klienckim) w celu otrzymania informacji zwrotnej o stanie sygnału w odbiorniku. Tutaj niezbędna jest obsługa tej funkcjonalności po obu stronach kanału – zarówno po stronie nadajnika, jak i odbiornika.
2. Ze względu na złożoność tej procedury kształtowanie wiązki transmisji nie było obsługiwane w pierwszej generacji chipów 802.11n zarówno po stronie terminala, jak i punktu dostępowego. Obecnie większość istniejących chipów dla urządzeń klienckich również nie obsługuje tej funkcjonalności.
3. Istnieją rozwiązania dotyczące budowy sieci Wi-Fi , które pozwalają na pełną kontrolę charakterystyki promieniowania w Punktach Dostępowych bez konieczności otrzymywania informacji zwrotnej od urządzeń klienckich.

Aby otrzymywać powiadomienia o wydaniu nowych artykułów tematycznych lub pojawieniu się nowych materiałów na stronie, oferujemy.

Dołącz do naszej grupy na

27.08.2015

Z pewnością wielu słyszało już o tej technologii MIMO, w ostatnich latach często był pełen broszur i plakatów reklamowych, zwłaszcza w sklepach komputerowych i czasopismach. Ale czym jest MIMO (MIMO) i z czym się go spożywa? Przyjrzyjmy się bliżej.

Technologia MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output; multiple inputs, multiple Outputs) to metoda przestrzennego kodowania sygnału pozwalająca na zwiększenie przepustowości kanału, w którym do transmisji danych wykorzystywane są dwie lub więcej anten, a do odbioru ta sama liczba anten. Anteny nadawcza i odbiorcza są rozmieszczone tak daleko, aby uzyskać minimalny wzajemny wpływ pomiędzy sąsiednimi antenami. Technologia MIMO jest wykorzystywana w komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi, WiMAX, LTE w celu zwiększenia przepustowości i efektywniejszego wykorzystania pasma częstotliwości. Tak naprawdę MIMO pozwala na przesłanie większej ilości danych w jednym zakresie częstotliwości i danym korytarzu częstotliwości, tj. zwiększyć prędkość. Osiąga się to poprzez zastosowanie kilku anten nadawczych i odbiorczych.

Historia MIMO

Technologię MIMO można uznać za stosunkowo nowy rozwój. Jej historia rozpoczyna się w 1984 roku, kiedy to został zarejestrowany pierwszy patent na zastosowanie tej technologii. Początkowy rozwój i badania miały miejsce w firmie Laboratoria Bella a w 1996 roku spółka Sieci Airgo Wypuszczono pierwszy chipset MIMO o nazwie Prawdziwe MIMO. Największy rozwój technologii MIMO nastąpił na początku XXI wieku, kiedy w szybkim tempie zaczęły rozwijać się sieci bezprzewodowe Wi-Fi i sieci komórkowe 3G. Obecnie technologia MIMO jest szeroko stosowana w sieciach 4G LTE i Wi-Fi 802.11b/g/ac.

Co zapewnia technologia MIMO?

Dla użytkownika końcowego MIMO zapewnia znaczny wzrost prędkości przesyłania danych. W zależności od konfiguracji sprzętu i ilości zastosowanych anten można uzyskać dwukrotny, trzykrotny lub nawet ośmiokrotny wzrost prędkości. Zazwyczaj sieci bezprzewodowe wykorzystują tę samą liczbę anten nadawczych i odbiorczych, co jest zapisywane na przykład jako 2x2 lub 3x3. Te. jeśli widzimy nagranie MIMO 2x2, oznacza to, że dwie anteny nadają sygnał, a dwie odbierają. Na przykład w standardzie Wi-Fi jeden kanał o szerokości 20 MHz zapewnia przepustowość 866 Mbps, natomiast konfiguracja 8x8 MIMO łączy 8 kanałów, co daje maksymalną prędkość około 7 Gbps. Podobnie jest w przypadku LTE MIMO – potencjalny kilkukrotny wzrost prędkości. Aby w pełni wykorzystać MIMO w sieciach LTE, potrzebujesz , ponieważ Z reguły wbudowane anteny nie są wystarczająco rozmieszczone i zapewniają niewielki efekt. I oczywiście musi być obsługa MIMO ze stacji bazowej.

Antena LTE z obsługą MIMO transmituje i odbiera sygnały w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Nazywa się to polaryzacją. Cechą charakterystyczną anten MIMO jest obecność dwóch złączy antenowych, a co za tym idzie zastosowanie dwóch przewodów do podłączenia do modemu/routera.

Pomimo tego, że wielu twierdzi, i nie bez powodu, że antena MIMO dla sieci 4G LTE to tak naprawdę dwie anteny w jednej, nie należy sądzić, że zastosowanie takiej anteny podwoi prędkość. Może tak być tylko w teorii, ale w praktyce różnica między anteną konwencjonalną a anteną MIMO w sieci 4G LTE nie przekracza 20-25%. Jednak ważniejsze w tym przypadku będzie stabilny sygnał, jaki może zapewnić antena MIMO.

WiFi jest znakiem towarowym sieci bezprzewodowych opartych na standardzie IEEE 802.11. W życiu codziennym użytkownicy sieci bezprzewodowych posługują się terminem „technologia WiFi”, mając na myśli nie markę, ale standard IEEE 802.11.

Technologia WiFi pozwala na budowę sieci bez konieczności układania kabli, redukując w ten sposób koszty budowy sieci. Dzięki temu obszary, w których nie można poprowadzić kabla, np. na zewnątrz i w budynkach o wartości historycznej, można obsłużyć sieciami bezprzewodowymi.
Wbrew powszechnemu przekonaniu, że Wi-Fi jest „szkodliwe”, promieniowanie urządzeń Wi-Fi podczas transmisji danych jest o dwa rzędy wielkości (100 razy) mniejsze niż promieniowanie telefonu komórkowego.

MIMO – (ang. Multiple Input Multiple Output) – technologia transmisji danych polegająca na wykorzystaniu multipleksowania przestrzennego w celu jednoczesnej transmisji kilku strumieni informacji w jednym kanale, a także wielościeżkowego odbicia, które zapewnia dostarczenie każdego bitu informacje do odpowiedniego odbiorcy przy niskim prawdopodobieństwie zakłóceń i utraty danych.

Rozwiązanie problemu zwiększenia przepustowości

Wraz z intensywnym rozwojem jednych wysokich technologii rosną wymagania wobec innych. Zasada ta ma bezpośredni wpływ na systemy komunikacyjne. Jednym z najbardziej palących problemów współczesnych systemów komunikacyjnych jest konieczność zwiększania przepustowości i szybkości przesyłania danych. Istnieją dwa tradycyjne sposoby zwiększenia wydajności: rozszerzenie pasma częstotliwości i zwiększenie mocy wypromieniowanej.
Jednak ze względu na wymagania dotyczące kompatybilności biologicznej i elektromagnetycznej nałożone są ograniczenia dotyczące zwiększania mocy promieniowania i poszerzania pasma częstotliwości. Przy takich ograniczeniach problem braku przepustowości i prędkości przesyłu danych zmusza nas do poszukiwania nowych, skutecznych metod jego rozwiązania. Jedną z najskuteczniejszych metod jest zastosowanie adaptacyjnych układów antenowych ze słabo skorelowanymi elementami antenowymi. Technologia MIMO opiera się na tej zasadzie. Systemy komunikacyjne korzystające z tej technologii nazywane są systemami MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Standard WiFi 802.11n jest jednym z najbardziej uderzających przykładów wykorzystania technologii MIMO. Według niej pozwala na utrzymanie prędkości do 300 Mbit/s. Co więcej, poprzedni standard 802.11g umożliwiał jedynie 50 Mbit/s. Oprócz zwiększenia szybkości przesyłania danych, nowy standard, dzięki MIMO, pozwala także na lepszą jakość usług w obszarach o słabej sile sygnału. 802.11n jest stosowany nie tylko w systemach punkt/wielopunkt (Point/Multipoint) - najczęstsza nisza wykorzystania technologii WiFi do organizacji sieci LAN (Local Area Network), ale także do organizowania połączeń punkt/punkt, które służą do organizacji komunikacji szkieletowej kanałów z kilkoma prędkościami setek Mbit/s i umożliwiający transmisję danych na odległość kilkudziesięciu kilometrów (do 50 km).

Standard WiMAX ma również dwie wersje, które wprowadzają nowe możliwości użytkownikom korzystającym z technologii MIMO. Pierwszy, 802.16e, zapewnia mobilne usługi szerokopasmowe. Umożliwia przesyłanie informacji z prędkością do 40 Mbit/s w kierunku od stacji bazowej do urządzenia użytkownika. Jednak MIMO w standardzie 802.16e jest uważane za opcję i jest używane w najprostszej konfiguracji - 2x2. W następnej wersji standard MIMO 802,16 m zostanie uznany za technologię obowiązkową, z możliwością konfiguracji 4x4. W tym przypadku WiMAX można już zaliczyć do systemów komunikacji komórkowej, a mianowicie ich czwartej generacji (ze względu na dużą prędkość przesyłu danych), gdyż ma wiele cech charakterystycznych dla sieci komórkowych: roaming, przekazywanie połączeń, połączenia głosowe. W przypadku zastosowań mobilnych teoretycznie można osiągnąć prędkość 100 Mbit/s. W wersji stacjonarnej prędkość może osiągnąć 1 Gbit/s.

Największym zainteresowaniem cieszy się zastosowanie technologii MIMO w systemach komunikacji komórkowej. Technologia ta stosowana jest od trzeciej generacji systemów komunikacji komórkowej. Na przykład w standardzie UMTS w Rel. 6 jest stosowany w połączeniu z technologią HSPA obsługującą prędkości do 20 Mbit/s, a w Rel. 7 – z HSPA+, gdzie prędkość transmisji danych sięga 40 Mbit/s. Jednakże MIMO nie znalazło jeszcze szerokiego zastosowania w systemach 3G.

Systemy, czyli LTE, umożliwiają także wykorzystanie MIMO w konfiguracjach aż do 8x8. To teoretycznie może umożliwić transmisję danych od stacji bazowej do abonenta z prędkością ponad 300 Mbit/s. Kolejnym ważnym pozytywnym punktem jest stabilna jakość połączenia nawet na krawędzi ogniwa. W takim przypadku nawet przy znacznej odległości od stacji bazowej lub w odległym pomieszczeniu zaobserwowany zostanie jedynie nieznaczny spadek szybkości przesyłania danych.

Żyjemy w epoce rewolucji cyfrowej, drogi anonimie. Zanim zdążymy przyzwyczaić się do jakiejś nowej technologii, już ze wszystkich stron proponują nam jeszcze nowszą i bardziej zaawansowaną. I choć zastanawiamy się, czy ta technologia naprawdę pomoże nam uzyskać szybszy Internet, czy też po prostu znowu zostaniemy oszukani na pieniądze, projektanci w tej chwili opracowują jeszcze nowszą technologię, która będzie nam oferowana zamiast obecnej w dosłownie 2 lata. Dotyczy to również technologii anten MIMO.

Jaką technologią jest MIMO? Wiele wejść, wiele wyjść – wiele wejść, wiele wyjść. Przede wszystkim technologia MIMO jest rozwiązaniem kompleksowym i dotyczy nie tylko anten. Aby lepiej zrozumieć ten fakt, warto wybrać się na krótką wycieczkę do historii rozwoju komunikacji mobilnej. Deweloperzy stają przed zadaniem przesłania większej ilości informacji w jednostce czasu, tj. zwiększyć prędkość. Analogicznie do wodociągu – dostarczaj użytkownikowi większą ilość wody w jednostce czasu. Możemy tego dokonać zwiększając „średnicę rury” lub analogicznie poszerzając pasmo częstotliwości komunikacji. Początkowo standard GSM był dostosowany do ruchu głosowego i miał szerokość kanału 0,2 MHz. To wystarczyło. Ponadto istnieje problem zapewnienia dostępu wielu użytkownikom. Można to rozwiązać dzieląc abonentów według częstotliwości (FDMA) lub czasu (TDMA). GSM wykorzystuje obie metody jednocześnie. Dzięki temu mamy równowagę pomiędzy maksymalną możliwą liczbą abonentów w sieci a minimalną możliwą przepustowością dla ruchu głosowego. Wraz z rozwojem Internetu mobilnego to minimalne pasmo stało się torem przeszkód dla zwiększenia prędkości. Dwie technologie oparte na platformie GSM – GPRS i EDGE – osiągnęły maksymalną prędkość 384 kBit/s. Aby jeszcze bardziej zwiększyć prędkość, konieczne było zwiększenie przepustowości ruchu internetowego przy jednoczesnym, o ile to możliwe, wykorzystaniu infrastruktury GSM. W rezultacie powstał standard UMTS. Główną różnicą jest tu natychmiastowe rozszerzenie pasma do 5 MHz oraz zapewnienie dostępu wielu użytkownikom – zastosowanie technologii dostępu kodowego CDMA, w której kilku abonentów jednocześnie pracuje na tym samym kanale częstotliwości. Technologię tę nazwano W-CDMA, podkreślając, że działa w szerokim paśmie. System ten nazwano systemem trzeciej generacji – 3G, ale jednocześnie jest on dodatkiem do GSM. Otrzymaliśmy więc szeroką „rurkę” o częstotliwości 5 MHz, co pozwoliło nam początkowo zwiększyć prędkość do 2 Mbit/s.

Jak inaczej możemy zwiększyć prędkość, jeśli nie mamy możliwości dalszego zwiększania „średnicy rury”? Możemy zrównoleglić przepływ na kilka części, przesłać każdą część oddzielną małą rurką, a następnie połączyć te oddzielne przepływy na końcu odbiorczym w jeden szeroki przepływ. Ponadto prędkość zależy od prawdopodobieństwa wystąpienia błędów w kanale. Zmniejszając to prawdopodobieństwo poprzez kodowanie redundantne, korekcję błędów w przód i zastosowanie bardziej zaawansowanych metod modulacji sygnału radiowego, możemy również zwiększyć prędkość. Wszystkie te zmiany (wraz z rozbudową „rury” poprzez zwiększenie liczby nośnych na kanał) były konsekwentnie wykorzystywane w dalszym doskonaleniu standardu UMTS i nazwano je HSPA. Nie jest to zamiennik W-CDMA, ale miękka i twarda aktualizacja tej głównej platformy.

Międzynarodowe konsorcjum 3GPP opracowuje standardy dla 3G. Tabela podsumowuje niektóre cechy różnych wydań tego standardu:

Szybkość 3G HSPA i kluczowe funkcje technologiczne
Wydanie 3GPP	Technologie	Szybkość łącza w dół (MBPS)	Szybkość wysyłania (MBPS)
Rel 6	HSPA	14.4	5.7
Rel 7	HSPA+ Łącze w dół 5 MHz, 2x2 MIMO	28	11
Rel 8	DC-HSPA+ Łącze w dół 2x5 MHz, 2x2 MIMO	42	11
Rel 9	DC-HSPA+ łącze w dół 2x5 MHz, 2x2 MIMO, Łącze w górę 2x5 MHz	84	23
Rel 10	MC-HSPA+ łącze w dół 4x5 MHz, 2x2 MIMO, Łącze w górę 2x5 MHz	168	23
Rel 11	MC-HSPA+ łącze w dół MIMO 8x5 MHz 2x2/4x4, Łącze wysyłające 2x5 MHz 2x2 MIMO	336 - 672	70

Technologia 4G LTE, oprócz tego, że jest wstecznie kompatybilna z sieciami 3G, co pozwoliło jej wyprzedzić WiMAX, jest w stanie w przyszłości osiągać jeszcze wyższe prędkości, do 1 Gbit/s i wyższe. Tutaj stosowane są jeszcze bardziej zaawansowane technologie przesyłania strumienia cyfrowego do interfejsu radiowego, na przykład modulacja OFDM, która bardzo dobrze integruje się z technologią MIMO.

Czym więc jest MIMO? Dzięki równoległemu przepływowi do kilku kanałów można je przesyłać na różne sposoby przez kilka anten „bezprzewodowo” i odbierać je za pomocą tych samych niezależnych anten po stronie odbiorczej. W ten sposób uzyskujemy kilka niezależnych „rurek” poprzez interfejs radiowy bez poszerzania pasów. To jest główna idea MIMO. Kiedy fale radiowe rozchodzą się w kanale radiowym, obserwuje się selektywne zanikanie. Jest to szczególnie zauważalne w gęsto zabudowanych obszarach miejskich, gdy abonent jest w ruchu lub znajduje się na granicy zasięgu sieci komórkowej. Zanikanie w każdej przestrzennej „rurze” nie następuje jednocześnie. Jeżeli więc z niewielkim opóźnieniem prześlemy tę samą informację dwoma kanałami MIMO, po uprzednim nałożeniu na nią specjalnego kodu (metoda Alamuoti, superpozycja kodu magicznego kwadratu), możemy odzyskać utracone symbole po stronie odbiorczej, co jest równoznaczne z poprawa stosunku sygnału do szumu do 10-12 dB. W rezultacie technologia ta ponownie prowadzi do wzrostu prędkości. W rzeczywistości jest to od dawna znany odbiór różnorodności (Rx Diversity), organicznie wbudowany w technologię MIMO.

Ostatecznie musimy zrozumieć, że MIMO musi być obsługiwane zarówno w stacji bazowej, jak i na naszym modemie. Zwykle w 4G liczba kanałów MIMO jest wielokrotnością dwóch - 2, 4, 8 (w systemach Wi-Fi rozpowszechnił się trzykanałowy system 3x3) i zaleca się, aby ich liczba była zgodna zarówno w stacji bazowej, jak i modemie . Dlatego, aby naprawić ten fakt, MIMO jest określane za pomocą kanałów odbiorczo-transmisyjnych - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO itp. Póki co mamy do czynienia głównie z 2x2 MIMO.

Jakie anteny wykorzystuje się w technologii MIMO? To zwykłe anteny, wystarczą dwie (dla 2x2 MIMO). Do separacji kanałów stosuje się ortogonalną tzw. polaryzację X. W tym przypadku polaryzacja każdej anteny względem pionu jest przesunięta o 45°, a względem siebie o 90°. Ten kąt polaryzacji stawia oba kanały na równych warunkach, ponieważ przy poziomej/pionowej orientacji anten jeden z kanałów nieuchronnie otrzyma większe tłumienie ze względu na wpływ powierzchni ziemi. Jednocześnie przesunięcie polaryzacji pomiędzy antenami o 90° pozwala na oddzielenie kanałów od siebie o co najmniej 18-20 dB.

Do MIMO ty i ja będziemy potrzebować modemu z dwoma wejściami antenowymi i dwiema antenami na dachu. Pozostaje jednak pytanie, czy technologia ta będzie obsługiwana na stacji bazowej. W standardach 4G LTE i WiMAX taka obsługa dostępna jest zarówno po stronie urządzeń abonenckich, jak i po stronie stacji bazowej. W sieci 3G nie wszystko jest takie proste. W sieci działają już tysiące urządzeń, które nie obsługują MIMO, dla których wprowadzenie tej technologii przynosi odwrotny skutek – zmniejsza się przepustowość sieci. Dlatego operatorom nie spieszy się jeszcze z powszechnym wdrażaniem MIMO w sieciach 3G. Aby baza zapewniała abonentom dużą prędkość, sama musi mieć dobry transport, czyli tzw. trzeba do niego podłączyć „grubą rurkę”, najlepiej światłowód, co też nie zawsze ma miejsce. Dlatego w sieciach 3G technologia MIMO jest obecnie w powijakach i rozwoju; jest testowana zarówno przez operatorów, jak i użytkowników, a to ostatnie nie zawsze kończy się sukcesem. Dlatego na antenach MIMO należy polegać wyłącznie w sieciach 4G. Na granicy obszaru usługowego komórki można zastosować anteny o dużym wzmocnieniu, takie jak anteny lustrzane, dla których kanały MIMO są już dostępne na rynku

W sieciach Wi-Fi technologia MIMO jest ustalona w standardach IEEE 802.11n i IEEE 802.11ac i jest już obsługiwana przez wiele urządzeń. Chociaż jesteśmy świadkami pojawienia się technologii 2x2 MIMO w sieciach 3G-4G, programiści nie siedzą w miejscu. Opracowywane są już technologie 64x64 MIMO z inteligentnymi antenami z adaptacyjnym charakterystyką promieniowania. Te. jeśli przejdziemy z sofy na fotel lub pójdziemy do kuchni, nasz tablet to zauważy i obróci charakterystykę promieniowania wbudowanej anteny w pożądanym kierunku. Czy ktoś będzie w tym czasie potrzebował tej strony?

MIMO(Multiple Input Multiple Output - multiple input multiple Output) to technologia stosowana w systemach komunikacji bezprzewodowej (WIFI, sieci komunikacji komórkowej), która może znacząco poprawić wydajność widmową systemu, maksymalną prędkość przesyłania danych i przepustowość sieci. Głównym sposobem osiągnięcia powyższych korzyści jest przesyłanie danych ze źródła do miejsca docelowego za pośrednictwem wielu połączeń radiowych, od których wzięła się nazwa tej technologii. Rozważmy tło tego problemu i określmy główne przyczyny, które doprowadziły do powszechnego stosowania technologii MIMO.

Zapotrzebowanie na szybkie łącza zapewniające wysoką jakość usług (QoS) przy dużej odporności na awarie rośnie z roku na rok. Jest to znacznie ułatwione dzięki pojawieniu się takich usług jak VoIP (), VoD () itp. Jednak większość technologii bezprzewodowych nie pozwala na świadczenie abonentom wysokiej jakości usług na granicy obszaru zasięgu. W systemach komunikacji komórkowej i innych bezprzewodowych jakość połączenia, a także dostępna prędkość przesyłania danych gwałtownie spada wraz z odległością od (BTS). Jednocześnie spada również jakość usług, co ostatecznie prowadzi do braku możliwości świadczenia usług w czasie rzeczywistym o wysokiej jakości na całym obszarze zasięgu radiowego sieci. Aby rozwiązać ten problem, możesz spróbować zainstalować stacje bazowe tak gęsto, jak to możliwe i zorganizować zasięg wewnętrzny we wszystkich miejscach o niskim poziomie sygnału. Będzie to jednak wymagało znacznych kosztów finansowych, co w ostatecznym rozrachunku doprowadzi do wzrostu kosztów usługi i spadku konkurencyjności. Rozwiązanie tego problemu wymaga zatem oryginalnej innowacji, która w miarę możliwości wykorzystuje dotychczasowy zakres częstotliwości i nie wymaga budowy nowych obiektów sieciowych.

Cechy propagacji fal radiowych

Aby zrozumieć zasady działania technologii MIMO, należy zapoznać się z ogólnymi zasadami działania w przestrzeni kosmicznej. Fale emitowane przez różne bezprzewodowe systemy radiowe w zakresie powyżej 100 MHz zachowują się pod wieloma względami jak promienie świetlne. Kiedy fale radiowe napotykają podczas propagacji jakąkolwiek powierzchnię, w zależności od materiału i wielkości przeszkody, część energii jest pochłaniana, część przechodzi, a reszta zostaje odbita. Na stosunek udziałów energii pochłoniętej, odbitej i przesłanej ma wpływ wiele czynników zewnętrznych, w tym częstotliwość sygnału. Co więcej, energia sygnału odbita i przepuszczona może zmienić kierunek jego dalszej propagacji, a sam sygnał jest podzielony na kilka fal.

Sygnał rozchodzący się według powyższych praw od źródła do odbiorcy, po napotkaniu licznych przeszkód, dzieli się na wiele fal, z których tylko część dociera do odbiornika. Każda z fal docierających do odbiornika tworzy tzw. ścieżkę propagacji sygnału. Co więcej, ponieważ różne fale odbijają się od różnej liczby przeszkód i pokonują różne odległości, różne ścieżki mają różne ścieżki.

W gęstym środowisku miejskim, ze względu na dużą liczbę przeszkód takich jak budynki, drzewa, samochody itp., bardzo często dochodzi do sytuacji, gdy nie ma bezpośredniej widoczności pomiędzy MS a antenami stacji bazowej (BTS). W tym przypadku jedyną możliwością dotarcia sygnału do odbiornika są fale odbite. Jednakże, jak zauważono powyżej, wielokrotnie odbity sygnał nie ma już pierwotnej energii i może dotrzeć do celu z opóźnieniem. Szczególną trudność stwarza również fakt, że obiekty nie zawsze pozostają nieruchome, a sytuacja może z czasem znacznie się zmienić. Rodzi to problem – jeden z najważniejszych problemów w systemach komunikacji bezprzewodowej.

Propagacja wielościeżkowa - problem czy zaleta?

Aby przeciwdziałać wielościeżkowej propagacji sygnałów, stosuje się kilka różnych rozwiązań. Jedną z najpopularniejszych technologii jest Odbiór różnorodności - . Jego istota polega na tym, że do odbioru sygnału wykorzystuje się nie jedną, ale kilka anten (zwykle dwie, rzadziej cztery), umieszczonych w pewnej odległości od siebie. Tym samym odbiorca ma nie jedną, a dwie kopie nadawanego sygnału, które dotarły różnymi drogami. Dzięki temu możliwe jest zebranie większej ilości energii z sygnału pierwotnego, ponieważ fale odbierane przez jedną antenę mogą nie zostać odebrane przez inną i odwrotnie. Ponadto sygnały docierające do jednej anteny w fazie niezgodnej z fazą mogą docierać do drugiej w fazie. Ten projekt interfejsu radiowego można nazwać projektem z pojedynczym wejściem i wieloma wyjściami (SIMO), w przeciwieństwie do standardowej konstrukcji z pojedynczym wejściem i pojedynczym wyjściem (SISO). Można również zastosować podejście odwrotne: gdy do transmisji wykorzystuje się kilka anten, a jedną do odbioru. Zwiększa to również całkowitą energię oryginalnego sygnału odbieranego przez odbiornik. Obwód ten nosi nazwę MISO (ang. Multiple Output Single Output). W obu schematach (SIMO i MISO) po stronie stacji bazowej instaluje się kilka anten, ponieważ Trudno jest wdrożyć dywersyfikację anten w urządzeniu mobilnym na wystarczająco dużą odległość bez zwiększania gabarytów samego urządzenia końcowego.

W wyniku dalszego rozumowania dochodzimy do schematu MIMO (Wiele wejść i wiele wyjść). W tym przypadku zainstalowanych jest kilka anten do transmisji i odbioru. Jednak w przeciwieństwie do powyższych schematów, ten schemat dywersyfikacji pozwala nie tylko zwalczać wielościeżkową propagację sygnału, ale także uzyskać dodatkowe korzyści. Dzięki zastosowaniu wielu anten do transmisji i odbioru, każdej parze anten nadawczo-odbiorczych można przypisać osobną ścieżkę do przesyłania informacji. W tym przypadku odbiór zbiorczy będzie realizowany przez pozostałe anteny, a antena ta będzie jednocześnie służyć jako dodatkowa antena dla innych torów transmisyjnych. Dzięki temu teoretycznie możliwe jest zwiększenie szybkości transmisji danych tyle razy, ile zastosuje się dodatkowe anteny. Jednakże istotne ograniczenie narzuca jakość każdej ścieżki radiowej.

Jak działa MIMO

Jak wspomniano powyżej, aby zorganizować technologię MIMO, konieczne jest zainstalowanie kilku anten po stronie nadawczej i odbiorczej. Zazwyczaj na wejściu i wyjściu systemu instaluje się taką samą liczbę anten, ponieważ w tym przypadku osiągana jest maksymalna szybkość przesyłania danych. Aby pokazać liczbę anten na odbiorze i transmisji, wraz z nazwą technologii MIMO, zwykle podaje się oznaczenie „AxB”, gdzie A to liczba anten na wejściu systemu, a B to na wyjściu. W tym przypadku system oznacza połączenie radiowe.

Technologia MIMO wymaga pewnych zmian w strukturze nadajnika w porównaniu do systemów konwencjonalnych. Rozważmy tylko jeden z możliwych, najprostszych sposobów organizacji technologii MIMO. Przede wszystkim po stronie nadawczej potrzebny jest dzielnik strumienia, który podzieli dane przeznaczone do transmisji na kilka wolnych podstrumieni, których ilość uzależniona jest od ilości anten. Na przykład dla MIMO 4x4 i wejściowej szybkości transmisji danych 200 Mbit/s, dzielnik utworzy 4 strumienie po 50 Mbit/s każdy. Następnie każdy z tych strumieni musi być transmitowany przez własną antenę. Zazwyczaj anteny transmisyjne są instalowane z pewną separacją przestrzenną, aby zapewnić jak najwięcej fałszywych sygnałów powstających w wyniku odbić. W jednym z możliwych sposobów organizacji technologii MIMO sygnał jest transmitowany z każdej anteny z inną polaryzacją, co pozwala na jego identyfikację w momencie odbioru. Jednak w najprostszym przypadku każdy z przesyłanych sygnałów okazuje się znakowany przez samo medium transmisyjne (opóźnienie czasowe i inne zniekształcenia).

Po stronie odbiorczej kilka anten odbiera sygnał z anteny radiowej. Co więcej, anteny po stronie odbiorczej są również instalowane z pewnym zróżnicowaniem przestrzennym, zapewniając w ten sposób różnorodny odbiór, o czym była mowa wcześniej. Odebrane sygnały docierają do odbiorników, których liczba odpowiada liczbie anten i torów transmisyjnych. Ponadto każdy z odbiorników odbiera sygnały ze wszystkich anten systemu. Każdy z tych sumatorów wyodrębnia z całkowitego przepływu energię sygnału tylko ścieżki, za którą odpowiada. Robi to albo według jakiejś z góry określonej cechy, która została nadana każdemu z sygnałów, albo poprzez analizę opóźnienia, tłumienia, przesunięcia fazowego, tj. zespół zniekształceń, czyli „odcisk palca” ośrodka propagacyjnego. W zależności od zasady działania systemu (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) itp.) transmitowany sygnał może zostać powtórzony po pewnym czasie lub przesłany z niewielkim opóźnieniem przez inny anteny.

Niezwykłym zjawiskiem, które może wystąpić w systemie MIMO, jest to, że szybkość transmisji danych w systemie MIMO może zostać zmniejszona, gdy źródło sygnału i odbiornik znajdują się na linii wzroku. Wynika to przede wszystkim ze zmniejszenia nasilenia zniekształceń w otaczającej przestrzeni, która charakteryzuje każdy z sygnałów. W rezultacie oddzielenie sygnałów po stronie odbiorczej staje się trudne i zaczynają one na siebie wpływać. Zatem im wyższa jakość połączenia radiowego, tym mniejsze korzyści można uzyskać z MIMO.

MIMO dla wielu użytkowników (MU-MIMO)

Omówiona powyżej zasada organizacji łączności radiowej odnosi się do tzw. Single user MIMO (SU-MIMO), gdzie występuje tylko jeden nadawca i odbiorca informacji. W tym przypadku zarówno nadawca, jak i odbiornik mogą wyraźnie koordynować swoje działania, a jednocześnie nie ma zaskoczenia, gdy na antenie mogą pojawić się nowi użytkownicy. Ten schemat jest całkiem odpowiedni dla małych systemów, na przykład do organizowania komunikacji w domowym biurze między dwoma urządzeniami. Z kolei większość systemów, jak WI-FI, WIMAX, systemy komunikacji komórkowej to systemy wieloużytkownikowe, tj. w nich jest jedno centrum i kilka odległych obiektów, z których każdy wymaga zorganizowania połączenia radiowego. Powstają zatem dwa problemy: z jednej strony stacja bazowa musi transmitować sygnał do wielu abonentów za pośrednictwem tego samego systemu antenowego (rozgłaszanie MIMO), a jednocześnie odbierać sygnał przez te same anteny od kilku abonentów (MIMO MAC - Wiele kanałów dostępu).

W kierunku uplink – od MS do BTS – użytkownicy przesyłają swoje informacje jednocześnie na tej samej częstotliwości. W tym przypadku dla stacji bazowej pojawia się trudność: konieczne jest oddzielenie sygnałów od różnych abonentów. Jednym z możliwych sposobów walki z tym problemem jest również metoda przetwarzania liniowego, która polega na wstępnej transmisji transmitowanego sygnału. Sygnał pierwotny według tej metody jest mnożony przez macierz, na którą składają się współczynniki odzwierciedlające efekt zakłóceń ze strony innych abonentów. Matryca jest tworzona na podstawie aktualnej sytuacji w radiu: liczby abonentów, prędkości transmisji itp. Tym samym sygnał przed transmisją ulega zniekształceniu odwrotnemu do tego, z jakim spotka się podczas transmisji radiowej.

W downlinku - kierunek od BTS do MS, stacja bazowa transmituje sygnały jednocześnie na tym samym kanale do kilku abonentów jednocześnie. Prowadzi to do tego, że sygnał transmitowany dla jednego abonenta wpływa na odbiór wszystkich pozostałych sygnałów, tj. występują zakłócenia. Możliwe opcje rozwiązania tego problemu to wykorzystanie lub zastosowanie technologii znakowania na brudnym papierze. Przyjrzyjmy się bliżej technologii brudnego papieru. Zasada jego działania opiera się na analizie aktualnego stanu fal radiowych oraz liczby aktywnych abonentów. Jedyny (pierwszy) abonent przesyła swoje dane do stacji bazowej bez kodowania i zmiany swoich danych, ponieważ nie ma zakłóceń ze strony innych abonentów. Drugi abonent będzie kodował, tj. zmień energię swojego sygnału, aby nie zakłócać pierwszego i nie narażać swojego sygnału na wpływ pierwszego. Kolejni abonenci dodawani do systemu również będą kierować się tą zasadą i będą uzależnieni od liczby aktywnych abonentów i efektu przesyłanych przez nich sygnałów.

Zastosowanie MIMO

W ostatniej dekadzie technologia MIMO była jednym z najważniejszych sposobów zwiększania przepustowości i wydajności systemów komunikacji bezprzewodowej. Przyjrzyjmy się kilku przykładom wykorzystania MIMO w różnych systemach komunikacyjnych.

Standard WiMAX ma również dwie wersje, które wprowadzają nowe możliwości użytkownikom korzystającym z technologii MIMO. Pierwszy, 802.16e, zapewnia mobilne usługi szerokopasmowe. Umożliwia przesyłanie informacji z prędkością do 40 Mbit/s w kierunku od stacji bazowej do urządzenia abonenckiego. Jednak MIMO w standardzie 802.16e jest uważane za opcję i jest używane w najprostszej konfiguracji - 2x2. W następnej wersji standard MIMO 802,16 m zostanie uznany za technologię obowiązkową, z możliwością konfiguracji 4x4. W tym przypadku WiMAX można już zaliczyć do systemów komunikacji komórkowej, a mianowicie ich czwartej generacji (ze względu na dużą prędkość przesyłu danych), gdyż ma wiele cech charakterystycznych dla sieci komórkowych: połączenia głosowe. W przypadku zastosowań mobilnych teoretycznie można osiągnąć prędkość 100 Mbit/s. W wersji stacjonarnej prędkość może osiągnąć 1 Gbit/s.

Największym zainteresowaniem cieszy się zastosowanie technologii MIMO w systemach komunikacji komórkowej. Technologia ta stosowana jest od trzeciej generacji systemów komunikacji komórkowej. Na przykład w standardzie w Rel. 6 jest stosowany w połączeniu z technologią HSPA obsługującą prędkości do 20 Mbit/s, a w Rel. 7 – z HSPA+, gdzie prędkość transmisji danych sięga 40 Mbit/s. Jednakże MIMO nie znalazło jeszcze szerokiego zastosowania w systemach 3G.

Systemy, czyli LTE, umożliwiają także wykorzystanie MIMO w konfiguracjach aż do 8x8. To teoretycznie może umożliwić transmisję danych od stacji bazowej do abonenta z prędkością ponad 300 Mbit/s. Kolejnym ważnym plusem jest stabilna jakość połączenia nawet na krawędzi. W takim przypadku nawet przy znacznej odległości od stacji bazowej lub w odległym pomieszczeniu zaobserwowany zostanie jedynie nieznaczny spadek szybkości przesyłania danych.

Tym samym technologia MIMO znajduje zastosowanie w niemal wszystkich systemach bezprzewodowej transmisji danych. Co więcej, jego potencjał nie został wyczerpany. Opracowywane są już nowe opcje konfiguracji anten, aż do 64x64 MIMO. Pozwoli nam to w przyszłości osiągnąć jeszcze wyższe prędkości transmisji danych, przepustowość sieci i wydajność widmową.

W świetle pojawienia się nowych urządzeń bezprzewodowych obsługujących technologię MU-MIMO, w szczególności z wyjściem UniFi AC HD (UAP-AC-HD), istnieje potrzeba wyjaśnienia, co to jest i dlaczego stary sprzęt nie obsługuje tej technologii .

Co to jest 802.11ac?

Standard 802.11ac to transformacja technologii bezprzewodowej, która zastąpiła poprzednią generację w postaci standardu 802.11n.

Pojawienie się standardu 802.11n, jak wcześniej zakładano, miało pozwolić przedsiębiorstwom na szerokie wykorzystanie tej technologii jako alternatywy dla konwencjonalnego połączenia przewodowego do pracy w sieci lokalnej (LAN).

802.11ac to kolejny etap rozwoju technologii bezprzewodowych. Teoretycznie nowy standard może zapewnić prędkość transmisji danych do 6,9 Gbit/s w paśmie 5 GHz. To 11,5 razy więcej niż zasięg transmisji danych w standardzie 802.11n.

Nowy standard dostępny jest w dwóch wersjach: Wave 1 i Wave 2. Poniżej znajduje się tabela porównawcza aktualnych standardów.

Jaka jest różnica między Falą 1 a Falą 2?

Produkty 802.11ac Wave 1 są dostępne na rynku mniej więcej od połowy 2013 roku. Nowa rewizja standardu opiera się na poprzedniej wersji standardu, jednak zawiera kilka bardzo istotnych zmian, a mianowicie:

Zwiększona wydajność z 1,3 Gbit do 2,34 Gbit;
Dodano obsługę MIMO dla wielu użytkowników (MU-MIMO);
Dozwolone są szerokie kanały 160 MHz;
Czwarty strumień przestrzenny (strumień przestrzenny) zapewniający większą wydajność i stabilność;
Więcej kanałów w paśmie 5 GHz;

Co dokładnie ulepszenia Wave 2 dają prawdziwemu użytkownikowi?

Zwiększona przepustowość ma pozytywny wpływ na aplikacje wrażliwe na przepustowość i opóźnienia w sieci. To przede wszystkim transmisja strumieniowej treści głosowej i wideo, a także zwiększanie gęstości sieci i zwiększanie liczby klientów.

MU-MIMO daje ogromne możliwości rozwoju Internetu Rzeczy (IoT), gdy jeden użytkownik może podłączyć kilka urządzeń jednocześnie.

Technologia MU-MIMO umożliwia wiele jednoczesnych transmisji danych, zapewniając jednoczesną obsługę wielu urządzeń, co poprawia ogólną wydajność sieci. MU-MIMO ma również pozytywny wpływ na opóźnienia, umożliwiając szybsze połączenia i szybsze ogólne doświadczenie klienta. Ponadto cechy technologii pozwalają na podłączenie do sieci jeszcze większej liczby jednoczesnych klientów niż w poprzedniej wersji standardu.

Korzystanie z kanału o szerokości 160 MHz wymaga spełnienia pewnych warunków (mała moc, niski poziom szumów itp.), Jednak kanał może zapewnić ogromny wzrost wydajności podczas przesyłania dużych ilości danych. Dla porównania, 802.11n może zapewnić prędkość kanału do 450 Mbps, nowszy 802.11ac Wave 1 może zapewnić do 1,3 Gbps, natomiast 802.11ac Wave 2 z kanałem 160 MHz może zapewnić prędkość kanału około 2,3 Gbps.

W poprzedniej generacji standardu zezwolono na użycie 3 anten nadawczo-odbiorczych, w nowej wersji dodano czwarty strumień. Zmiana ta zwiększa zasięg i stabilność połączenia.

Na całym świecie dostępnych jest 37 kanałów w paśmie 5 GHz. W niektórych krajach liczba kanałów jest ograniczona, w innych nie. 802.11ac Wave 2 umożliwia wykorzystanie większej liczby kanałów, co zwiększy liczbę jednoczesnych urządzeń w jednym miejscu. Ponadto w przypadku szerokich kanałów 160 MHz potrzeba więcej kanałów.

Czy w standardzie 802.11ac Wave 2 dostępne są nowe prędkości kanałów?

Nowy standard dziedziczy standardy wprowadzone w pierwszym wydaniu. Tak jak poprzednio, prędkość zależy od liczby strumieni i szerokości kanału. Maksymalna modulacja pozostała niezmieniona – 256 QAM.

Jeśli wcześniej prędkość kanału 866,6 Mbit wymagała 2 strumieni i szerokości kanału 80 MHz, teraz tę prędkość kanału można osiągnąć przy użyciu tylko jednego strumienia, zwiększając jednocześnie prędkość kanału o dwa - z 80 do 160 MHz.

Jak widać, zasadniczych zmian nie było. W związku z obsługą kanałów 160 MHz wzrosły także maksymalne prędkości kanałów – do 2600 Mbit.

W praktyce rzeczywista prędkość wynosi około 65% prędkości kanału (PHY Rate).

Wykorzystując 1 strumień, modulację 256 QAM i kanał 160 MHz, można osiągnąć rzeczywistą prędkość około 560 Mbit/s. Odpowiednio 2 strumienie zapewnią prędkość wymiany ~1100 Mbit/s, 3 strumienie – 1,1-1,6 Gbit/s.

Z jakich pasm i kanałów korzysta standard 802.11ac Wave2?

W praktyce Waves 1 i Waves 2 działają wyłącznie w paśmie 5 GHz. Zakres częstotliwości zależy od ograniczeń regionalnych, z reguły stosuje się zakres 5,15–5,35 GHz i 5,47–5,85 GHz.

W USA dla sieci bezprzewodowych 5 GHz przydzielone jest pasmo 580 MHz.

Standard 802.11ac, tak jak poprzednio, może wykorzystywać kanały o częstotliwości 20 i 40 MHz, a jednocześnie dobrą wydajność można osiągnąć przy użyciu jedynie 80 MHz lub 160 MHz.

Ponieważ w praktyce nie zawsze jest możliwe wykorzystanie ciągłego pasma 160 MHz, norma przewiduje tryb 80+80 MHz, który podzieli pasmo 160 MHz na 2 różne pasma. Wszystko to zwiększa elastyczność.

Należy pamiętać, że standardowe kanały w standardzie 802.11ac to 20/40/80 MHz.

Dlaczego istnieją dwie fale standardu 802.11ac?

IEEE wdraża standardy falami w miarę postępu technologii. Takie podejście pozwala branży na natychmiastowe wypuszczenie nowych produktów bez czekania na sfinalizowanie konkretnej funkcji.

Pierwsza fala standardu 802.11ac zapewniła znaczną poprawę w stosunku do standardu 802.11n i położyła podwaliny pod dalszy rozwój.

Kiedy powinniśmy się spodziewać produktów obsługujących standard 802.11ac Wave 2?

Według wstępnych prognoz analityków pierwsze produkty klasy konsumenckiej miały trafić do sprzedaży w połowie 2015 roku. Rozwiązania korporacyjne i operatorskie wyższego poziomu wychodzą zwykle z opóźnieniem 3-6 miesięcy, podobnie jak to miało miejsce w przypadku pierwszej fali standardu.

Obie klasy, konsumencka i komercyjna, są zwykle wypuszczane przed rozpoczęciem certyfikacji WFA (Wi-Fi Alliance) (druga połowa 2016 r.).

Według stanu na luty 2017 r. liczba urządzeń obsługujących standard 802.11ac W2 nie jest tak duża, jak byśmy tego chcieli. Zwłaszcza od Mikrotika i Ubiquita.

Czy urządzenia Wave 2 będą znacząco różnić się od urządzeń Wave 1?

W przypadku nowego standardu kontynuowany jest ogólny trend z poprzednich lat – smartfony i laptopy produkowane są z 1-2 strumieniami, 3 strumienie przeznaczone są do bardziej wymagających zadań. Nie ma praktycznego sensu wdrażanie pełnej funkcjonalności standardu na wszystkich urządzeniach.

Czy sprzęt Wave 1 jest kompatybilny z Wave 2?

Pierwsza fala umożliwia 3 strumienie i kanały do 80 MHz; w tej części urządzenia klienckie i punkty dostępowe są w pełni kompatybilne.

Aby zaimplementować funkcje drugiej generacji (160 MHz, MU-MIMO, 4 strumienie), zarówno urządzenie klienckie, jak i punkt dostępowy muszą obsługiwać nowy standard.

Punkty dostępu nowej generacji są kompatybilne z urządzeniami klienckimi 802.11ac Wave 1, 802.11n i 802.11a.

Tym samym nie będzie możliwe wykorzystanie dodatkowych możliwości adaptera drugiej generacji z punktem pierwszej generacji i odwrotnie.

Co to jest MU-MIMO i do czego służy?

MU-MIMO jest skrótem od „wielu użytkowników, wiele wejść, wiele wyjść”. W istocie jest to jedna z kluczowych innowacji drugiej fali.

Aby MU-MIMO działało, klient i punkt dostępowy muszą go obsługiwać.

Krótko mówiąc, punkt dostępowy może wysyłać dane do wielu urządzeń jednocześnie, podczas gdy poprzednie standardy pozwalały na wysyłanie danych tylko do jednego klienta na raz.

Tak naprawdę zwykłe MIMO to SU-MIMO, tj. SingleUser, pojedynczy użytkownik MIMO.

Spójrzmy na przykład. Jest punkt z 3 strumieniami (3 strumienie przestrzenne / 3SS) i podłączonymi do niego 4 klientami: 1 klient z obsługą 3SS, 3 klientów z obsługą 1SS.

Punkt dostępowy rozdziela czas równomiernie pomiędzy wszystkich klientów. Pracując z pierwszym klientem, punkt wykorzystuje 100% swoich możliwości, ponieważ klient obsługuje także 3SS (MIMO 3x3).

Pozostałe 75% czasu punkt współpracuje z trzema klientami, z których każdy wykorzystuje tylko 1 wątek (1SS) z 3 dostępnych. Jednocześnie punkt dostępowy wykorzystuje tylko 33% swoich możliwości. Im więcej takich klientów, tym mniejsza efektywność.

W konkretnym przykładzie średnia prędkość kanału wyniesie 650 Mbit:

(1300 + 433,3 + 433,3 + 433,3)/4 = 650

W praktyce będzie to oznaczać średnią prędkość około 420 Mbit z możliwych 845 Mbit.

Spójrzmy teraz na przykład użycia MU-MIMO. Mamy punkt, który obsługuje drugą generację standardu, wykorzystując MIMO 3x3, prędkość kanału pozostanie niezmieniona - 1300 Mbit dla szerokości kanału 80 MHz. Te. Jednocześnie klienci, tak jak poprzednio, mogą korzystać z maksymalnie 3 kanałów.

Łączna liczba klientów wynosi obecnie 7, a punkt dostępowy podzielił ich na 3 grupy:

jeden klient 3SS;
trzech klientów 1SS;
jeden klient 2SS + jeden 1SS;
jeden klient 3SS;

W efekcie otrzymujemy 100% realizację możliwości AP. Klient z pierwszej grupy korzysta ze wszystkich 3 strumieni, klienci z drugiej grupy korzystają z jednego kanału i tak dalej. Średnia prędkość kanału wyniesie 1300 Mbit. Jak widać, produkcja wzrosła dwukrotnie.

Czy Point MU-MIMO jest kompatybilny ze starszymi klientami?

Niestety nie! MU-MIMO nie jest kompatybilne z pierwszą wersją protokołu, tj. Aby ta technologia działała, Twoje urządzenia klienckie muszą obsługiwać drugą wersję.

Różnice pomiędzy MU-MIMO i SU-MIMO

W SU-MIMO punkt dostępowy przesyła dane tylko do jednego klienta na raz. Dzięki MU-MIMO punkt dostępowy może przesyłać dane do wielu klientów jednocześnie.

Ilu klientów jest obsługiwanych jednocześnie w MU-MIMO?

Standard przewiduje jednoczesną obsługę do 4 urządzeń. Całkowita maksymalna liczba wątków może wynosić do 8.

W zależności od konfiguracji sprzętu możliwych jest wiele różnych opcji, na przykład:

1+1: dwóch klientów, każdy z jednym wątkiem;
4+4: dwóch klientów, każdy korzystający z 4 wątków;
2+2+2+2: czterech klientów, po 2 wątki każdy;
1+1+1: trzech klientów na jednym strumieniu;
2+1, 1+1+1+1, 1+2+3, 2+3+3 i inne kombinacje.

Wszystko zależy od konfiguracji sprzętowej, zazwyczaj urządzenia wykorzystują 3 strumienie, dlatego punkt może obsługiwać jednocześnie do 3 klientów.

Możliwe jest także zastosowanie 4 anten w konfiguracji MIMO 3x3. Czwarta antena w tym przypadku jest dodatkowa, nie realizuje dodatkowego strumienia. W tym przypadku możliwa będzie jednocześnie obsługa 1+1+1, 2+1 czy 3SS, ale nie 4.

Czy MU-MIMO jest obsługiwane tylko dla łącza w dół?

Tak, standard zapewnia jedynie obsługę Downlink MU-MIMO, tj. punkt może jednocześnie przesyłać dane do kilku klientów. Ale punkt nie może jednocześnie „słuchać”.

Wdrożenie Uplink MU-MIMO uznano za niemożliwe w krótkim czasie, dlatego funkcjonalność ta zostanie dodana jedynie w standardzie 802.11ax, którego premiera planowana jest na lata 2019-2020.

Ile strumieni jest obsługiwanych w MU-MIMO?

Jak wspomniano powyżej, MU-MIMO może współpracować z dowolną liczbą strumieni, ale nie więcej niż 4 na klienta.

Aby zapewnić wysoką jakość transmisji dla wielu użytkowników, norma zaleca obecność większej liczby anten i większej liczby strumieni. Idealnie, dla MIMO 4x4 powinny być 4 anteny do odbioru i ta sama liczba do nadawania.

Czy dla nowego standardu konieczne jest stosowanie specjalnych anten?

Konstrukcja anten pozostaje taka sama. Tak jak poprzednio, można zastosować dowolne kompatybilne anteny przeznaczone do pracy w paśmie 5 GHz dla standardu 802.11a/n/ac.

W drugim wydaniu dodano także funkcję Beamforming. Co to jest?

Technologia Beamforming pozwala na zmianę charakterystyki promieniowania, dostosowując ją do konkretnego klienta. Punkt podczas pracy analizuje sygnał od Klienta i optymalizuje jego promieniowanie. W procesie kształtowania wiązki można zastosować dodatkową antenę.

Czy punkt dostępowy 802.11ac Wave 2 może obsłużyć ruch o przepustowości 1 Gb/s?

Potencjalnie punkty dostępowe nowej generacji są w stanie obsłużyć taki przepływ ruchu. Rzeczywista przepustowość zależy od wielu czynników, począwszy od liczby obsługiwanych strumieni, zasięgu komunikacji, obecności przeszkód, a skończywszy na obecności zakłóceń, jakości punktu dostępowego i modułu klienta.

Jakie zakresy częstotliwości są używane w standardzie 802.11ac Wave?

Wybór częstotliwości roboczej zależy wyłącznie od przepisów regionalnych. Lista kanałów i częstotliwości stale się zmienia, poniżej znajdują się dane dla USA (FCC) i Europy, stan na styczeń 2015.

W Europie dozwolone jest stosowanie szerokości kanału większej niż 40 MHz, więc nie ma żadnych zmian w zakresie nowego standardu; obowiązują w nim te same zasady, co w przypadku poprzedniego standardu.

Kurs online na temat technologii sieciowych

Polecam kurs Dmitrija Skoromnowa „”. Kurs nie jest powiązany ze sprzętem żadnego producenta. Dostarcza podstawowej wiedzy, którą powinien posiadać każdy administrator systemu. Niestety wielu administratorów, nawet z 5-letnim doświadczeniem, często nie ma nawet połowy tej wiedzy. Kurs obejmuje wiele różnych tematów w prostym języku. Na przykład: model OSI, enkapsulacja, domeny kolizyjne i rozgłoszeniowe, pętla zwrotna, QoS, VPN, NAT, DNS, Wi-Fi i wiele innych tematów.

Osobno zwrócę uwagę na temat adresowania IP. Opisuje prostym językiem, jak dokonać konwersji z systemu dziesiętnego na system binarny i odwrotnie, obliczenia według adresu IP i maski: adresy sieciowe, adresy rozgłoszeniowe, liczba hostów sieciowych, podsieci i inne tematy związane z adresacją IP.

Kurs ma dwie wersje: płatną i bezpłatną.