Технология передачи данных MIMO в беспроводных сетях WIFI
Один из подходов к увеличению скорости передачи данных для WiFi стандарта 802.11 и для WiMAX стандарта 802.16 – это использование беспроводных систем с применением нескольких антенн, как для передатчика, так и для приемника. Такой подход называется MIMO (дословный перевод — «множественный вход множественный выход»), или «умная антенная системы» (smart antenna systems). Технология MIMO играет важную роль в реализации WiFi стандарта 802.11n.
В технологии MIMO применяются несколько антенн различного рода, настроенных на одном и том же канале. Каждая антенна передает сигнал с различными пространственными характеристиками. Таким образом, технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Каждый wi-fi приемник «прислушивается» ко всем сигналам от каждого wifi передатчика, что позволяет делать пути передачи данных более разнообразными. Таким образом, несколько путей могут быть перекомбинированы, что приведет к усилению требуемых сигналов в беспроводных сетях.
Еще один плюс технологии MIMO в том, что данная технология обеспечивает пространственное деление мультиплексирования (Spatial Division Multiplexing (SDM)). SDM пространственно уплотняет несколько независимых потоков данных одновременно (в основном, виртуальных каналов) внутри одной спектральной полосы пропускания канала. В сущности, несколько антенн передают различные потоки данных с индивидуальной кодировкой сигналов (пространственные потоки). Эти потоки, двигаясь параллельно по воздуху «пропихивают» больше данных по заданному каналу. На приемнике каждая антенна видит разные сочетания сигнальных потоков и приемник «демултиплексирует» эти потоки для их использования. MIMO SDM может значительно увеличить пропускную способность для передачи данных, если увеличить число пространственных потоков данных. Каждому пространственному потоку необходимы свои собственные передающие / принимающие (TX / RX) антенные пары на каждом конце передачи. Работа системы представлена на рис.1
Также необходимо понимать, что для реализации технологии MIMO требуется отдельная радиочастотная цепь и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для каждой антенны. Реализации, требующие более двух антенн в цепи должны быть тщательно спроектированы для того, чтобы не увеличивать расходы при сохранении надлежащего уровня эффективности.
Важным инструментом для повышения физической скорости передачи данных в беспроводных сетях, является расширение полосы пропускания спектральных каналов. Благодаря использованию более широкой полосы пропускания канала с ортогональным частотным разделением мультиплексирования (OFDM) передача данных осуществляется с максимальной производительностью. OFDM является цифровой модуляцией, которая отлично себя зарекомендовала в качестве инструмента для осуществления двунаправленной высокоскоростной беспроводной передачи данных в WiMAX / WiFi сетях. Метод расширения пропускной способности каналов является экономически эффективным и достаточно легко реализуемым с умеренным ростом цифровой обработки сигнала (DSP). При правильном применении, можно удвоить частоту пропускания стандарта Wi-Fi 802.11 с 20 МГц канала на 40 МГц, также можно обеспечить более чем в два раза увеличенную пропускную способность каналов, используемых в настоящее время. Благодаря объединению MIMO архитектуры с более широкой полосой пропускания канала, получается очень мощный и экономически целесообразный подход для повышения физической скорости передачи.
Применение MIMO технологии с 20 МГц каналами требует больших затрат для удовлетворения требований IEEE по WiFi стандарту 802.11n (100 Мбит / с пропускной способности на MAC SAP). Также для удовлетворения этих требований при использовании канала в 20 МГц понадобиться, по меньшей мере, по три антенны, как на передатчике, так и на приемнике. Но в то же время работа на 20 МГц канале обеспечивает надежную работу с приложениями, требующими высокую пропускную способность в реальной пользовательской среде.
Совместное применение технологий MIMO и расширения канала отвечает всем требованием пользователя и являет собой достаточно надежный тандем. Это так же верно и при использовании одновременно нескольких ресурсоемких сетевых приложений. Комбинация MIMO и 40 МГц расширения канала позволит отвечать и более сложным требованиям, таким как Закон Мура и выполнение технологии CMOS совершенствования DSP технологии.
При применении расширенного канала 40 МГц в диапазоне 2.4 ГГц, изначально возникли трудности с совместимостью с оборудованием на основе WiFi стандартов 802.11a /b/g, а также с оборудованием, использующим технологию Bluetooth для передачи данных.
Для решения этой проблемы в Wi-Fi стандарте 802.11n предусмотрен целый ряд решений. Одним из таких механизмов, специально предназначенным для защиты сетей, является так называемая невысокая пропускная способность (non-HT) дублированного режима. Перед использованием протокола передачи данных WiFi стандарта 802.11n этот механизм отправляет по одному пакету на каждую из половинок 40 МГц канала для объявления сети распределения вектора (NAV). Следуя non-HT дублированного режима NAV сообщению, протокол передачи данных стандарта 802.11n может быть использован в течении заявленного в сообщение время, без нарушения наследия (целостности) сети.
Другой механизм является своего рода сигнализацией и не дает беспроводным сетям расширять канал более чем 40 МГц. Например, в ноутбуке установлены модули 802.11n и Bluetooth, данный механизм знает о возможности возникновения потенциальных помех при работе этих двух модулей одновременно и отключает передачу по каналу 40 МГц одного из модулей.
Эти механизмы гарантируют, что WiFi 802.11n будут работать с сетями более ранних стандартов 802.11 без необходимости перевода всей сети на оборудование стандарта 802.11n.
Увидеть пример использования системы MIMO можно на рис.2
Если у Вас после прочтения возникнут какие-либо вопросы, Вы можете задать их через форму отправки сообщений в разделе контакты.
Что такое MU-MIMO и что это дает конечному пользователю?
MU-MIMO (что означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход) был создан для поддержки сред, в которых несколько пользователей одновременно пытаются получить доступ к беспроводной сети. С выходом 802.11ax возможности технологии MU-MIMO существенно расширяются.
- Что такое MIMO?
- SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?
- Технология MU-MIMO изнутри
- Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)
- Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)
- Механизм передачи информации в MU-MIMO
Что такое MIMO?
MIMO – технология увеличения спектральной эффективности радиоканала (его пропускной способности и помехоустойчивости), достигается это методом пространственного кодирования сигнала, когда прием и передача данных ведется системами из нескольких антенн на одном канале. Реализовано как пространственное разнесение на приёме, так и пространственное разнесение на передаче. Чтобы МИМО работал нужно многолучевое распространение сигнала. Эта технология широко применяется в беспроводных сетях протокола 802.11ax, ac, n, а также в более старших — LTE и WiMAX.
SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?
MU-MIMO означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход и является беспроводной технологией, поддерживаемой маршрутизаторами и конечными устройствами. MU-MIMO — это следующая эволюция однопользовательского MIMO (SU-MIMO), когда роутер в один момент времени отправляет данные одному клиенту.
Технология MIMO была создана для того, чтобы помочь увеличить количество антенн на беспроводной точке доступа, которые используются как для приема, так и для передачи, и повысить пропускную способность беспроводных соединений.
Работа многопользовательского МИМО начинается с 802.11ax, 802.11ac Wave2. Старшие стандарты, такие как 802.11b, g и n его не поддерживают. Когда в 2015 году вышел стандарт ac Wave 2, с этой технологией могли работать только маршрутизаторы и точки доступа.
На 2019 год многие конечные устройства теперь поддерживают MU-MIMO. Начинаz с 802.11ax MU-MIMO двунаправленный, т.е. работает с входящим и исходящим потоками.
Технология MU-MIMO изнутри
В 2008 году стандарт 802.11n представил технологию multi-in multi-out (MIMO), предназначенную для повышения пропускной способности Wi-Fi между точками доступа и клиентскими устройствами. Чтобы MIMO работал, две беспроводные станции (т.е. и точка доступа, и клиентское устройство) должны иметь несколько антенн, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы отсутствовала разность фаз на рабочей длине волны.
Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)
Пространственный поток представляет собой набор данных, посланный передающими антеннами, который может быть математически реконструирован на антеннах приемника. В MIMO каждый пространственный поток передается с разных антенн в том же частотном канале, на котором работает передатчик. Рисунок ниже иллюстрирует это для случая с двумя потоками.
Приемник принимает каждый поток на идентичную радио цепь. Поскольку он знает смещения фазы своих собственных антенн, он может использовать математические методы обработки сигналов для реконструкции исходных потоков. Чтобы повысить пропускную способность нужно увеличивать количество потоков. Каждый пространственный поток содержит набор уникальных данных, а количество независимых пространственных потоков ограничено тем, какое Wi-Fi устройство имеет наименьшее количество радиолиний.
Как правило, этим ограничением является клиентское устройство: поскольку каждая радио цепь (антенна) потребляет энергию и требует место для размещения. Вот почему большинство мобильных смартфонов и планшетов способны поддерживать только однопотоковую или двухпотоковую связь, и даже высокопроизводительные ноутбуки и ПК обычно поддерживают только до трех потоков.
В первой волне 802.11ac пропускная способность повышалась не только за счет использования MIMO, а применялись и другие механизмы:
- использование большей ширины канала;
- более сложная схема модуляции и кодирования 256-QAM.
Однако общая ширина полосы в любом частотном диапазоне является «конечной» и это накладывает свои ограничения. Чем шире канал, тем больше он подвержен помехам.
Федеральная комиссия связи ведет работу над открытием большего количества нелицензированного спектра в 5 ГГц для Wi-Fi. Но каналы шириной в 80 и 160 МГц на практике остаются редко достижимыми из-за наличия помех. Чем выше модуляция, тем чище должен быть сигнал. Это означает одно — между точкой доступа и клиентами должен быть действительно хороший сигнал, практически такое возможно только когда они находятся на близких расстояниях в отсутствии помех.
Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)
Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.
TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.
Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.
Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.
Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе).
За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.
Умея контролировать фазовую диаграмму направленности антенны, можно управлять зонами с максимальной конструктивной интерференцией — там, где сигнал является самым сильным, так и зонами с максимальной деструктивные интерференцией — там, где сигнал является самым слабым. А имея матрицу с параметрами сигналов от клиентов и зная их относительное положение, можно создавать шаблон для связи сразу с несколькими клиентами одновременно и независимо.
Механизм передачи информации в MU-MIMO
- AP передает сигнальный зондирующий кадр;
- Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
- AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
- Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
- AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
- AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
- AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
- Связь установлена и начинается передача данных.
Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.
Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:
- Одно потоковое клиентское устройство 3×3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1×1: 1;
- Два потоковых клиентских устройства 2×2: 2;
- Одно потоковое клиентское устройство 2×2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1×1: 1;
- До трех потоковых клиентских устройств 1×1: 1.
Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:
- повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
- повысить скорость передачи информации в системе;
- увеличить зону покрытия;
- уменьшить требуемую мощность передатчика.
IoT (Интернет вещей) и MU-MIMO
Стандарт 802.11ax может поддерживать одновременно восемь передач MU-MIMO, по сравнению с четырьмя в 802.11ac. Одновременная поддержка восьми выделенных каналов позволяет большему количеству IoT устройств установить связь с точкой доступа и избежать проблем с пропускной способностью, которые существовали в более ранних версиях Wi-Fi, включая 802.11ac. Это особенно актуально, если в помещении большое количество устройств, обладающих низкой скоростью передачи данных (а это как раз и есть IoT).
Практические ограничения MU-MIMO
- Работа возможна только с клиентами поддерживающими 802.11ac и ax. Клиент должен принять информацию, предназначенную сразу нескольким клиентам, вычленить оттуда то, что предназначено только ему, обработать данные и отправить в матричном виде обратно роутеру. А для этого он должен уметь обрабатывать сигнальные кадры в дейтограммах, иначе он не сможет принять информацию.
- Клиенты должны находиться на значительном друг от друга расстоянии, что бы роутер мог сформировать потоки с разнесением во времени и пространстве. Если на столе будет лежать ноутбук, планшет и телефон, роутер не сможет вычислить пространственное положение каждого устройства и сформировать для него пространственно-временной сдвиг фаз. В этом случае он переключится на обычный МИМО-режим.
- Скорость передачи всегда будет выравниваться по самому медленному клиенту! ВСЕГДА!
Видео — увеличение емкости сети с помощью Massive MIMO и 3D Beamforming
Комментарии
Даниил 2021-05-14 10:37:00
Технология mimo что это для wifi
Дистрибутор сетевого
и телекоммуникационного оборудованияНаш телефон:
+7 495 789-65-65Что такое MIMO
РАССЕЛ КЕЙ
Источник: Computerworld, Россия 18 апреля 2006 года.
Другие новости Wireless:
26 июля 2023 г.
6 июня 2023 г.
5 апреля 2022 г.
© 1996— 2023 «CompTek». Все права защищены.
Адрес нашего офиса: г. Москва, БП Румянцево,офисный подъезд № 5, 8 этаж.
Наши телефоны: +7 (495) 789-65-65 +7 (495) 249-00-05
Факс: +7 (495) 287-30-53
E-mail: sales@comptek.ru
Нашли ошибку? Сообщите нам!Что такое Mimo в wifi?
Технология MIMO сыграла огромную роль в развитии WiFi. Несколько лет назад невозможно было представить точки доступа Wi-Fi и другие устройства с пропускной способностью в 300 Мбит/сек и выше. Появление новых скоростных стандартов связи, к примеру, 802.11n произошло во многом благодаря MIMO.
Вообще тут стоит упомянуть, что когда мы говорим о технологии WiFi, то на самом деле имеем в виду один из стандартов связи, а конкретно – IEEE 802.11. Брендом WiFi стал после того, как обрисовались заманчивые перспективы использования беспроводной передачи данных. Чуть подробнее о технологии вай-фай и стандарте 802.11 можно прочесть в этой статье.
Что представляет собой технология MIMO?
Если дать как можно более простое определение, то MIMO – это многопотоковая передача данных. Аббревиатуру можно перевести с английского как «несколько входов, несколько выходов» В отличие от предшественника (SingleInput/SingleOutput), в устройствах с поддержкой MIMO сигнал транслируется на одном радиоканале с помощью не одного, а нескольких приемников и передатчиков. При обозначении технических характеристик устройств WiFi рядом с аббревиатурой указывают их количество. Например, 3х2 — это 3 передатчика сигнала и 2 принимающих антенны.
Кроме того, в MIMO используется пространственное мультиплексирование. За устрашающим названием кроется технология одновременной передачи нескольких пакетов данных по одному каналу. Благодаря такому «уплотнению» канала его пропускную способность можно увеличить в два раза и более.
MIMO и WiFi
С ростом популярности беспроводной передачи данных по WiFi соединениям, конечно же, возросли требования к их скорости. И именно технология MIMO и другие разработки, взявшие ее за основу, позволили увеличить пропускную способность в несколько раз. Развитие WiFi идет по пути развития стандартов 802.11 – a, b, g, n и так далее. Мы не зря упомянули возникновение стандарта 802.11n. Multiple Input Multiple Output – его ключевой компонент, позволивший увеличить канальную скорость беспроводного соединения с 54 Мбит/сек до более 300 Мбит/сек.
Стандарт 802.11n позволяет применять как стандартную ширину канала в 20 МГц, так и использовать широкополосную линию в 40 МГц с более высокими показателями пропускной способности. Как уже упоминалось выше, сигнал многократно отражается, тем самым используя множество потоков на одном канале связи.
Благодаря этому доступ в интернет на основе WiFi теперь позволяет не только серфинг, проверку почты и общение в аське, но и онлайн-игры, онлайн-видео, общение в скайпе и прочий «тяжелый» трафик.
Более новый стандарт — 802.11ac также использует технологию MIMO.
Проблемы применения MIMO в WIFI
На заре становления технологии существовало затруднение совмещения устройств, работающих с поддержкой MIMO и без нее. Однако сейчас это уже не так актуально – практически каждый уважающий себя производитель беспроводного оборудования использует ее в своих устройствах.
Также одной из проблем при появлении технологии передачи данных с помощью нескольких приемников и нескольких передатчиков являлась цена устройства. Однако здесь настоящую ценовую революцию совершила компания Ubiquiti. Ей не только удалось наладить производство беспроводного оборудования с поддержкой MIMO, но и сделать это по очень демократичным ценам. Посмотрите, к примеру, стоимость типичного комплекта компании — Ubiquiti Rocket M5 (базовая станция), Ubiquiti NanoStation M5 (на стороне клиента). И в этих устройствах не просто MIMO, а фирменная улучшенная технология airMax на ее основе.
Проблемой остается только увеличение количества антенн и передатчиков (сейчас максимум 3) для устройств с PoE. Обеспечить питанием более энергоемкую конструкцию затруднительно, но опять-таки, постоянные сдвиги в этом направлении делает Ubiquiti.
Технология AirMAX
Компания Ubiquiti Networks является признанным лидером разработки и реализации инновационных технологий WiFi, в том числе и MIMO. Именно на ее основе Ubiquiti была разработана и запатентована технология AirMAX. Суть ее в том, что прием-передача сигнала несколькими антеннами на одном канале упорядочивается и структурируется протоколом TDMA с аппаратным ускорением: пакеты данных разнесены в отдельные временные слоты, очереди передачи координируются.
Это позволяет расширить пропускную способность канала, увеличить количество подключаемых абонентов без потери качества связи. Данное решение эффективно, удобно в использовании и, что немаловажно – недорого. В отличие от аналогичного оборудования, используемого в WiMAX – сетях, оборудование от Ubiquiti Networks с технологией AirMAX приятно радует ценами.