27.08.2015

مطمئناً بسیاری قبلاً در مورد این فناوری شنیده اند MIMO، در سال های اخیر اغلب مملو از جزوه ها و پوسترها به خصوص در فروشگاه ها و مجلات کامپیوتری بوده است. اما MIMO چیست و با چه چیزی خورده می شود؟ بیایید نگاه دقیق تری بیندازیم.

فناوری MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output؛ چند ورودی، چند خروجی) روشی برای کدگذاری سیگنال فضایی است که به شما امکان می دهد پهنای باند کانال را افزایش دهید، که در آن از دو یا چند آنتن برای انتقال داده و از همان تعداد آنتن برای دریافت استفاده می شود. آنتن های فرستنده و گیرنده به اندازه کافی از هم فاصله دارند تا حداقل تداخل متقابل بین آنتن های مجاور حاصل شود. فناوری MIMO در ارتباطات بی سیم Wi-Fi، WiMAX، LTE برای افزایش پهنای باند و استفاده موثرتر از باند فرکانسی استفاده می شود. در واقع، MIMO اجازه می دهد تا داده های بیشتری در یک باند فرکانسی و یک راهرو فرکانس معین، یعنی. افزایش سرعت. این امر با استفاده از چندین آنتن فرستنده و گیرنده به دست می آید.

تاریخچه MIMO

فناوری MIMO را می توان به یک توسعه نسبتاً جوان نسبت داد. تاریخچه آن از سال 1984 آغاز می شود، زمانی که اولین پتنت استفاده از این فناوری به ثبت رسید. توسعه و تحقیق اولیه در شرکت انجام شد آزمایشگاه های بل، و در سال 1996 شرکت شبکه های ایرگواولین چیپست MIMO به نام منتشر شد MIMO واقعی... فناوری MIMO در آغاز قرن بیست و یکم، زمانی که شبکه‌های Wi-Fi بی‌سیم و شبکه‌های سلولی 3G با سرعتی سریع شروع به توسعه کردند، بیشترین پیشرفت را دریافت کرد. و اکنون فناوری MIMO در شبکه‌های 4G LTE و Wi-Fi 802.11b / g / ac در نوسان کامل است.

فناوری MIMO چه می دهد؟

برای کاربر نهایی، MIMO افزایش قابل توجهی در نرخ داده ارائه می دهد. بسته به پیکربندی تجهیزات و تعداد آنتن های استفاده شده، می توانید سرعت دو برابر، سه برابر یا تا هشت برابر افزایش یابد. به طور معمول، شبکه های بی سیم از تعداد آنتن های ارسال و دریافت یکسان استفاده می کنند، و این به عنوان مثال، 2x2 یا 3x3 نوشته می شود. آن ها اگر یک رکورد MIMO 2x2 ببینیم، آنگاه دو آنتن در حال ارسال سیگنال و دو آنتن در حال دریافت هستند. به عنوان مثال، در استاندارد Wi-Fi یک کانال 20 مگاهرتز پهنای باند 866 مگابیت بر ثانیه می دهد، در حالی که در پیکربندی MIMO 8x8 8 کانال ترکیب شده است که حداکثر سرعت حدود 7 گیگابیت بر ثانیه را می دهد. به طور مشابه، در LTE MIMO - افزایش بالقوه سرعت چندین برابر. برای استفاده کامل از MIMO در شبکه های LTE، نیاز دارید از آنجا که به عنوان یک قاعده، آنتن های داخلی به اندازه کافی فاصله ندارند و تأثیر کمی دارند. و البته باید پشتیبانی MIMO از ایستگاه پایه وجود داشته باشد.

یک آنتن LTE با پشتیبانی MIMO سیگنالی را در سطوح افقی و عمودی ارسال و دریافت می کند. به این می گویند پلاریزاسیون. یکی از ویژگی های متمایز آنتن های MIMO وجود دو کانکتور آنتن و بر این اساس استفاده از دو سیم برای اتصال به مودم / روتر است.

علیرغم آنچه بسیاری می گویند، و بی دلیل نیست که یک آنتن MIMO برای شبکه های 4G LTE در واقع دو آنتن در یک است، نباید فکر کنید که استفاده از چنین آنتنی سرعت را دو برابر می کند. این فقط در تئوری می تواند چنین باشد، اما در عمل، تفاوت بین آنتن معمولی و MIMO در شبکه 4G LTE از 20-25٪ تجاوز نمی کند. با این حال، مهم تر در این مورد سیگنال پایداری است که آنتن MIMO می تواند ارائه دهد.

یکی از رویکردهای افزایش نرخ داده برای WiFi 802.11 و WiMAX 802.16 استفاده از سیستم های بی سیم با استفاده از آنتن های متعدد برای فرستنده و گیرنده است. این رویکرد MIMO (ترجمه تحت اللفظی - "خروجی چند ورودی چندگانه") یا "سیستم های آنتن هوشمند" (سیستم های آنتن هوشمند) نامیده می شود. فناوری MIMO نقش مهمی در اجرای استاندارد وای فای 802.11n ایفا می کند.

فناوری MIMO از چندین آنتن از انواع مختلف استفاده می کند که روی یک کانال تنظیم شده اند. هر آنتن سیگنالی با ویژگی های فضایی متفاوت ارسال می کند. بنابراین، فناوری MIMO از طیف رادیویی کارآمدتر و بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان عملیاتی استفاده می کند. هر گیرنده وای‌فای به تمام سیگنال‌های هر فرستنده وای‌فای گوش می‌دهد، که امکان مسیرهای انتقال متنوع‌تری را فراهم می‌کند. بنابراین، چندین مسیر را می توان برای تقویت سیگنال های مورد نیاز در شبکه های بی سیم دوباره ترکیب کرد.

مزیت دیگر فناوری MIMO این است که تقسیم فضایی چندگانه (SDM) را ارائه می دهد. SDM به صورت فضایی چندین جریان داده مستقل را به طور همزمان (عمدتاً کانال های مجازی) در یک پهنای باند کانال طیفی واحد چندگانه می کند. در اصل، آنتن‌های متعدد، جریان‌های داده‌ای متفاوت با کدگذاری جداگانه (جریان‌های فضایی) را انتقال می‌دهند. این جریان‌ها که به‌طور موازی در هوا حرکت می‌کنند، داده‌های بیشتری را از طریق یک کانال معین «هل» می‌کنند. در گیرنده، هر آنتن ترکیب متفاوتی از جریان‌های سیگنال را می‌بیند و گیرنده این جریان‌ها را برای استفاده «دمولتی پلکس» می‌کند. MIMO SDM می تواند با افزایش تعداد جریان داده های مکانی، توان عملیاتی داده را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. هر جریان فضایی به جفت آنتن های ارسال / دریافت (TX / RX) خود در هر انتهای انتقال نیاز دارد. عملکرد سیستم در شکل 1 نشان داده شده است.

همچنین باید درک کرد که اجرای فناوری MIMO به یک مدار RF مجزا و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای هر آنتن نیاز دارد. پیاده سازی هایی که به بیش از دو آنتن در یک زنجیره نیاز دارند باید با دقت طراحی شوند تا ضمن حفظ سطح کارایی مناسب، هزینه ها را افزایش ندهند.

یک ابزار مهم برای افزایش سرعت فیزیکی انتقال داده در شبکه های بی سیم، گسترش پهنای باند کانال های طیفی است. با استفاده از پهنای باند وسیع تر کانال مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانس متعامد (OFDM)، انتقال داده به حداکثر می رسد. OFDM یک مدولاسیون دیجیتال است که خود را به عنوان ابزاری برای پیاده سازی انتقال داده های بی سیم با سرعت بالا در دو جهت در شبکه های WiMAX / WiFi ثابت کرده است. روش گسترش ظرفیت کانال مقرون به صرفه است و با رشد متوسط ​​در پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) پیاده سازی آن نسبتاً آسان است. در صورت استفاده صحیح، می توان پهنای باند استاندارد وای فای 802.11 را از یک کانال 20 مگاهرتز به کانال 40 مگاهرتز دو برابر کرد و همچنین می تواند پهنای باند کانال هایی که در حال حاضر استفاده می شود را دو برابر کند. با ترکیب معماری MIMO با پهنای باند کانال گسترده تر، یک رویکرد بسیار قدرتمند و مقرون به صرفه برای افزایش نرخ انتقال فیزیکی به دست می آید.

استفاده از فناوری MIMO با کانال های 20 مگاهرتز برای برآورده کردن الزامات IEEE WiFi 802.11n گران است (100 مگابیت بر ثانیه در هر SAP MAC). همچنین، برای برآورده کردن این الزامات هنگام استفاده از یک کانال 20 مگاهرتز، به حداقل سه آنتن، هم در فرستنده و هم در گیرنده نیاز دارید. اما در عین حال، عملکرد بر روی یک کانال 20 مگاهرتز عملکرد قابل اعتماد را با برنامه های کاربردی با پهنای باند بالا در یک محیط کاربر واقعی تضمین می کند.

استفاده ترکیبی از فناوری‌های MIMO و گسترش کانال تمام نیازهای کاربر را برآورده می‌کند و یک پشت سر هم نسبتاً قابل اعتماد است. این همچنین در هنگام استفاده از چندین برنامه کاربردی شبکه با منابع فشرده به طور همزمان صادق است. ترکیب MIMO و گسترش کانال 40 مگاهرتز امکان برآوردن الزامات پیچیده تری مانند قانون مور و اجرای فناوری CMOS را برای بهبود فناوری DSP فراهم می کند.

هنگام استفاده از کانال توسعه یافته 40 مگاهرتز در محدوده 2.4 گیگاهرتز، در ابتدا مشکلاتی در سازگاری با تجهیزات مبتنی بر استانداردهای WiFi 802.11a / b / g و همچنین با تجهیزات استفاده از فناوری بلوتوث برای انتقال داده وجود داشت.

استاندارد وای فای 802.11n راه حل های مختلفی برای رفع این مشکل ارائه می دهد. یکی از این مکانیسم ها، که به طور خاص برای محافظت از شبکه ها طراحی شده است، به اصطلاح حالت اضافی با پهنای باند کم (غیر HT) است. قبل از استفاده از پروتکل WiFi 802.11n، این مکانیسم یک بسته را به هر یک از نیمه های کانال 40 مگاهرتز ارسال می کند تا یک شبکه توزیع برداری (NAV) را تبلیغ کند. با پیروی از پیام NAV حالت دوگانه غیر HT، پروتکل انتقال داده 802.11n را می توان برای مدت زمان مشخص شده در پیام، بدون به خطر انداختن میراث (یکپارچگی) شبکه استفاده کرد.

مکانیزم دیگر نوعی سیگنال دهی است و از گسترش کانال به بیش از 40 مگاهرتز توسط شبکه های بی سیم جلوگیری می کند. به عنوان مثال، یک لپ تاپ دارای ماژول های 802.11n و بلوتوث است، این مکانیزم از احتمال تداخل احتمالی در عملکرد این دو ماژول به طور همزمان اطلاع دارد و انتقال روی کانال 40 مگاهرتز یکی از ماژول ها را خاموش می کند.

این مکانیزم‌ها تضمین می‌کنند که وای‌فای 802.11n با شبکه‌های قبلی 802.11 بدون نیاز به انتقال کل شبکه به سخت‌افزار 802.11n کار می‌کند.

نمونه ای از استفاده از سیستم MIMO را در شکل 2 مشاهده می کنید.

اگر بعد از مطالعه سوالی داشتید می توانید از طریق فرم ارسال پیام در قسمت بپرسید

MIMO - m فناوری آنتن در LTE

توابع MIMO (M ورودی چندگانه - خروجی چندگانه)

استفاده از فناوری MIMO (ورودی چندگانه - خروجی چندگانه) دو مشکل را حل می کند:

افزایش کیفیت ارتباط از طریق کدگذاری زمان/فرکانس مکانی و/یا شکل دهی پرتو،

افزایش سرعت انتقال هنگام استفاده از مالتی پلکس فضایی.

ساختار MIMO

در پیاده سازی های مختلف MIMO، منظور ما ارسال همزمان چند پیام مستقل در یک کانال فیزیکی است. به منظور اجرای عمل MIMO، از سیستم های چند آنتنی استفاده می شود: در سمت فرستنده وجود دارد N tآنتن های فرستنده و در سمت گیرنده N rپذیرش این ساختار در شکل نشان داده شده است. یکی

برنج. 1. ساختار MIMO

MIMO چیست؟

MIMO (eng. چند ورودی چند خروجی) -روشی برای کدگذاری فضایی سیگنال، که امکان افزایش پهنای باند کانال را فراهم می کند، که در آن انتقال داده با استفاده از نآنتن ها و دریافت آنها مآنتن ها آنتن های فرستنده و گیرنده به اندازه کافی از هم فاصله دارند تا همبستگی ضعیفی بین آنتن های مجاور حاصل شود.

تاریخچه MIMO

تاریخچه سیستم های MIMO به عنوان یک شیء ارتباط بی سیم هنوز بسیار کوتاه است. اولین حق ثبت اختراع برای استفاده از اصل MIMO در ارتباطات رادیویی در سال 1984 به نمایندگی از جک وینترز کارمند آزمایشگاه بل ثبت شد. جک سالز از همان شرکت بر اساس تحقیقات خود اولین مقاله را در مورد راه حل های MIMO در سال 1985 منتشر کرد. توسعه این جهت توسط متخصصان آزمایشگاه بل و سایر محققان تا سال 1995 ادامه یافت. در سال 1996، گرگ رالی و جرالد جی. فوسکینی پیاده‌سازی جدیدی از سیستم MIMO را پیشنهاد کردند و در نتیجه کارایی آن را افزایش دادند. متعاقبا، گرگ رالی، که با OFDM اعتبار داشت ( مولتی پلکسی تقسیم فرکانس متعامد- مالتی پلکس حامل متعامد) برای MIMO، Airgo Networks را تأسیس کرد که اولین چیپست MIMO به نام True MIMO را توسعه داد.

با این حال، با وجود مدت زمان نسبتاً کوتاهی از زمان شروع، جهت MIMO در جهت بسیار متنوعی در حال توسعه است و شامل یک خانواده ناهمگن از روش‌ها است که می‌توان آنها را بر اساس اصل جداسازی سیگنال در دستگاه گیرنده طبقه‌بندی کرد. علاوه بر این، در سیستم‌های MIMO، هر دو رویکرد برای جداسازی سیگنال که قبلاً وارد عمل شده‌اند و رویکردهای جدید استفاده می‌شوند. اینها شامل، برای مثال، فضا-زمان، فضا-فرکانس، کدگذاری قطبش فضا، و همچنین وضوح فوق العاده در جهت رسیدن سیگنال به گیرنده است. با توجه به فراوانی رویکردها برای جداسازی سیگنال، امکان اطمینان از توسعه طولانی استانداردهای استفاده از سیستم های MIMO در ارتباطات وجود داشته است. با این حال، تمام انواع MIMO با هدف دستیابی به یک هدف - افزایش حداکثر سرعت انتقال داده در شبکه های ارتباطی با بهبود ایمنی نویز انجام می شود.

ساده ترین آنتن MIMO سیستمی متشکل از دو تک قطبی تک قطبی است که در زاویه 45 ± درجه نسبت به محور عمودی قرار گرفته اند (شکل 2).

برنج. 2 ساده ترین آنتن MIMO

چنین زاویه قطبش به کانال ها اجازه می دهد تا در شرایط مساوی قرار گیرند، زیرا با جهت گیری افقی-عمودی ساطع کننده ها، یکی از اجزای پلاریزاسیون به ناچار هنگام انتشار در امتداد سطح زمین تضعیف بیشتری دریافت می کند. سیگنال هایی که به طور مستقل توسط هر تک قطبی ساطع می شوند، به طور متعامد با انزوای متقابل به اندازه کافی بالا در مولفه قطبش متقاطع (حداقل 20 دسی بل) قطبیده می شوند. یک آنتن مشابه در سمت گیرنده استفاده می شود. این رویکرد امکان انتقال همزمان سیگنال‌ها را با حامل‌های یکسان، که به روش‌های مختلف مدوله شده‌اند، می‌دهد. اصل جداسازی پلاریزاسیون باعث دو برابر شدن توان عملیاتی یک پیوند رادیویی در مقایسه با حالت تک قطبی می شود (در شرایط ایده آل خط دید با جهت گیری های یکسان آنتن های گیرنده و فرستنده). بنابراین، در اصل، هر سیستم پلاریزاسیون دوگانه را می توان یک سیستم MIMO در نظر گرفت.

تکامل بیشتر MIMO

زمانی که فناوری MIMO در نسخه 7 مشخص شد، این استاندارد به طور فعال در سراسر جهان در حال گسترش بود. تلاش‌هایی برای ترکیب شبکه‌های نسل سوم با فناوری MIMO صورت گرفته است، اما مورد پذیرش گسترده قرار نگرفته است. طبق گزارش انجمن جهانی تامین کنندگان تجهیزات موبایل ( انجمن جهانی تامین ملزومات تلفن همراه، GSA) مورخ 11/04/2010 در آن زمان از 2776 نوع دستگاه با پشتیبانی HSPA موجود در بازار، تنها 28 مدل از MIMO پشتیبانی می کنند. علاوه بر این، معرفی شبکه MIMO با نفوذ کم پایانه های MIMO منجر به کاهش پهنای باند شبکه می شود. نوکیا فناوری را برای به حداقل رساندن تلفات پهنای باند توسعه داده است، اما تنها در صورتی موثر خواهد بود که نفوذ ترمینال MIMO حداقل 40 درصد دستگاه های مشترک باشد. علاوه بر موارد فوق، لازم به یادآوری است که در 14 دسامبر 2009، اولین شبکه تلفن همراه جهان مبتنی بر فناوری LTE راه اندازی شد که دستیابی به سرعت های بسیار بالاتری را ممکن کرد. بر این اساس، واضح است که اپراتورها به جای نوسازی شبکه های نسل سوم، بر روی استقرار اولیه شبکه های LTE تمرکز داشتند.

امروزه می توان به رشد سریع حجم ترافیک در شبکه های 4 نسل تلفن همراه اشاره کرد و اپراتورها برای ارائه سرعت لازم به تمامی مشترکین خود باید به دنبال روش های مختلفی برای افزایش سرعت انتقال داده یا افزایش آن باشند. کارایی استفاده از منبع فرکانس از طرف دیگر، MIMO اجازه می دهد تا در باند فرکانسی موجود تقریباً 2 برابر بیشتر داده را در یک بازه زمانی با گزینه 2x2 ارسال کند. اگر از اجرای آنتن 4x4 استفاده کنیم، متأسفانه حداکثر سرعت دانلود اطلاعات 326 مگابیت در ثانیه خواهد بود و نه 400 مگابیت در ثانیه، همانطور که محاسبه نظری نشان می دهد. این به دلیل خاص بودن انتقال از طریق 4 آنتن است. به هر آنتن عناصر منبع خاصی (REs) برای انتقال نمادهای مرجع اختصاص داده شده است. آنها برای سازماندهی دمدولاسیون منسجم و تخمین کانال ضروری هستند. محل این ERها در شکل نشان داده شده است. 3. آنتن های انتقال به شماره پورت آنتن منطقی اختصاص داده می شود. کاراکترهای مشخص شده با R0 در پورت 0، کاراکترهای مشخص شده با R1 - در پورت 1 و غیره منتقل می شوند. در نتیجه 14.3 درصد از کل REها برای انتقال نمادهای مرجع اختصاص داده می شود که تفاوت در نرخ نظری و عملی را توضیح می دهد.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) روشی برای استفاده هماهنگ از چندین آنتن رادیویی در ارتباطات شبکه بی سیم است که در روترهای پهن باند خانگی مدرن و در شبکه های سلولی LTE و WiMAX رایج است.

چگونه کار می کند؟

روترهای وای فای MIMO از پروتکل های شبکه مشابه روترهای تک لینک معمولی استفاده می کنند. آنها عملکرد بالاتری را با بهبود کارایی انتقال و دریافت داده از طریق پیوند بی سیم ارائه می دهند. به طور خاص، ترافیک شبکه بین کلاینت‌ها و یک روتر در جریان‌های جداگانه سازمان‌دهی می‌شود که به صورت موازی منتقل می‌شوند و سپس توسط دستگاه گیرنده بازیابی می‌شوند.

فناوری MIMO می تواند توان عملیاتی، برد و قابلیت اطمینان انتقال را با خطر تداخل سایر تجهیزات بی سیم افزایش دهد.

کاربرد در شبکه های وای فای

فناوری MIMO از 802.11n در استاندارد گنجانده شده است. استفاده از آن عملکرد و در دسترس بودن اتصالات شبکه را در مقایسه با روترهای معمولی بهبود می بخشد.

تعداد آنتن ها ممکن است متفاوت باشد. به عنوان مثال، MIMO 2x2 دو آنتن و دو فرستنده را فراهم می کند که قادر به ارسال و دریافت در دو کانال هستند.

برای استفاده از این فناوری و درک مزایای آن، دستگاه مشتری و روتر باید یک ارتباط MIMO بین خود برقرار کنند. مستندات سخت افزار مورد استفاده باید نشان دهد که آیا از این قابلیت پشتیبانی می کند یا خیر. هیچ راه ساده دیگری برای بررسی اینکه آیا اتصال شبکه از این فناوری استفاده می کند وجود ندارد.

SU-MIMO و MU-MIMO

اولین نسل از فناوری که در استاندارد 802.11n معرفی شد، از روش تک کاربره (SU) پشتیبانی می کرد. در مقایسه با راه حل های سنتی، که در آن تمام آنتن های یک روتر باید برای ارتباط با یک دستگاه مشتری هماهنگ شوند، SU-MIMO اجازه می دهد تا هر یک از آنها بین تجهیزات مختلف توزیع شود.

فناوری MIMO چند کاربره (MU) برای استفاده در شبکه‌های Wi-Fi 802.11ac با فرکانس 5 گیگاهرتز ایجاد شده است. در حالی که استاندارد قبلی روترها را ملزم می کرد که اتصالات مشتری خود را یک به یک (یک در یک زمان) مدیریت کنند، آنتن های MU-MIMO می توانند با چندین مشتری به صورت موازی ارتباط برقرار کنند. عملکرد اتصالات را بهبود می بخشد. با این حال، حتی اگر روتر 802.11ac از پشتیبانی سخت افزاری لازم برای فناوری MIMO برخوردار باشد، محدودیت های دیگری نیز وجود دارد:

• بسته به پیکربندی آنتن، تعداد محدودی از اتصالات مشتری همزمان (2-4) پشتیبانی می شود.
• هماهنگی آنتن فقط در یک جهت ارائه می شود - از روتر به مشتری.

MIMO و سلولی

این فناوری در انواع مختلف شبکه های بی سیم استفاده می شود. به طور فزاینده ای در ارتباطات سلولی (4G و 5G) به اشکال مختلف استفاده می شود:

• شبکه MIMO - انتقال سیگنال هماهنگ بین ایستگاه های پایه.
• MIMO عظیم - استفاده از تعداد زیادی (صدها) آنتن.
• امواج میلیمتری - استفاده از باندهای فرکانس فوق العاده بالا که پهنای باند بیشتری نسبت به باندهای مجاز برای 3G و 4G دارند.

تکنولوژی چند کاربره

برای درک نحوه عملکرد MU-MIMO، باید در نظر بگیرید که یک روتر بی سیم سنتی چگونه بسته های داده را مدیریت می کند. این کار ارسال و دریافت داده ها را به خوبی انجام می دهد، اما فقط در یک جهت. به عبارت دیگر، در هر زمان تنها می تواند با یک دستگاه ارتباط برقرار کند. به عنوان مثال، اگر یک ویدیو در حال بارگیری است، نمی‌توانید یک بازی ویدیویی آنلاین را همزمان روی کنسول پخش کنید.

یک کاربر می تواند چندین دستگاه را در یک شبکه Wi-Fi راه اندازی کند و روتر به نوبه خود بیت های داده را به سرعت به آنها ارسال می کند. با این حال، در هر زمان تنها می تواند به یک دستگاه دسترسی داشته باشد، که دلیل اصلی کیفیت پایین اتصال در صورت کم بودن پهنای باند Wi-Fi است.

از آنجایی که کار می کند، توجه کمی به خود دارد. با این حال، کارایی روتری که داده ها را همزمان به چندین دستگاه منتقل می کند، می تواند بهبود یابد. با انجام این کار، سریعتر اجرا می شود و تنظیمات شبکه جالب تری را ارائه می دهد. به همین دلیل است که پیشرفت هایی مانند MU-MIMO پدیدار شد و در نهایت در استانداردهای مدرن ارتباطات بی سیم گنجانده شد. این پیشرفت ها به روترهای پیشرفته اجازه می دهد تا با چندین دستگاه به طور همزمان ارتباط برقرار کنند.

تاریخچه مختصر: SU vs.MU

MIMO تک کاربره و چند کاربره راه های مختلفی برای ارتباط روترها با چندین دستگاه است. اولی بزرگتره استاندارد SU، بسته به تعداد آنتن‌های موجود، که هر کدام می‌توانند با دستگاه‌های متفاوتی کار کنند، امکان ارسال و دریافت داده‌ها را در چندین جریان به طور همزمان فراهم می‌کرد. SU در به روز رسانی 802.11n سال 2007 گنجانده شد و به تدریج در خطوط تولید جدید عرضه شد.

با این حال، SU-MIMO علاوه بر الزامات آنتن، محدودیت هایی نیز داشت. اگرچه ممکن است چندین دستگاه متصل باشند، اما همچنان با روتری سروکار دارند که تنها می‌تواند با یکی در یک زمان کار کند. نرخ داده افزایش یافته است، تداخل مشکل کمتری دارد، اما هنوز جای بهبود وجود دارد.

MU-MIMO استانداردی است که از SU-MIMO و SDMA (دسترسی چندگانه تقسیم فضایی) تکامل یافته است. این فناوری به یک ایستگاه پایه اجازه می دهد تا با استفاده از یک جریان مجزا برای هر یک از آنها با چندین دستگاه ارتباط برقرار کند، گویی که همه آنها روتر خود را دارند.

در نهایت، پشتیبانی MU در به روز رسانی 802.11ac 2013 اضافه شد.پس از چندین سال توسعه، سازندگان شروع به گنجاندن این ویژگی در محصولات خود کردند.

مزایای MU-MIMO

این یک فناوری هیجان انگیز است زیرا بدون تغییر مستقیم پهنای باند یا سایر پارامترهای کلیدی بی سیم تأثیر قابل توجهی بر استفاده روزمره از Wi-Fi دارد. شبکه ها بسیار کارآمدتر می شوند.

برای اطمینان از اتصال پایدار با لپ تاپ، تلفن، تبلت یا رایانه، استاندارد نیازی به چندین آنتن برای روتر ندارد. هر دستگاهی ممکن است کانال MIMO خود را با دیگران به اشتراک نگذارد. این امر به ویژه هنگام پخش ویدیو یا انجام سایر کارهای پیچیده قابل توجه است. سرعت اینترنت بطور ذهنی افزایش می یابد و ارتباط با اطمینان بیشتری برقرار می شود، اگرچه در واقع سازمان شبکه هوشمندتر می شود. تعداد دستگاه هایی که به طور همزمان سرویس می شوند نیز در حال افزایش است.

محدودیت های MU-MIMO

فناوری دسترسی چند کاربره دارای تعدادی محدودیت است که شایان ذکر است. استانداردهای موجود از 4 دستگاه پشتیبانی می‌کنند، اما اجازه می‌دهند دستگاه‌های بیشتری اضافه شوند و آنها باید جریان را به اشتراک بگذارند، که مشکلات SU-MIMO را باز می‌گرداند. این فناوری بیشتر در downlink استفاده می شود و زمانی که صحبت از خروجی می شود محدود است. علاوه بر این، روتر MU-MIMO باید اطلاعات بیشتری در مورد دستگاه ها و وضعیت های پیوند نسبت به استانداردهای قبلی داشته باشد. این امر مدیریت و عیب یابی شبکه های بی سیم را دشوار می کند.

MU-MIMO همچنین یک فناوری جهت دار است. یعنی 2 دستگاه در کنار هم نمی توانند همزمان از کانال های مختلف استفاده کنند. به عنوان مثال، اگر شوهری در حال تماشای یک پخش آنلاین تلویزیونی است و همسرش در همان نزدیکی در حال پخش یک بازی PS4 برای ویتا از طریق Remote Play است، آنها همچنان باید پهنای باند را به اشتراک بگذارند. یک روتر فقط می تواند جریان های مجزا را برای دستگاه هایی که در جهات مختلف قرار دارند ارائه دهد.

MIMO عظیم

همانطور که به سمت شبکه‌های بی‌سیم نسل پنجم (5G) پیش می‌رویم، رشد تعداد گوشی‌های هوشمند و برنامه‌های کاربردی جدید منجر به افزایش ۱۰۰ برابری پهنای باند مورد نیاز آنها نسبت به LTE شده است. فناوری جدید Massive MIMO که در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است، به گونه‌ای طراحی شده است که کارایی شبکه‌های مخابراتی را به میزان بی‌سابقه‌ای افزایش دهد. با توجه به کمبود و هزینه بالای منابع موجود، اپراتورها با فرصتی برای افزایش پهنای باند در باندهای فرکانسی زیر 6 گیگاهرتز جذب می شوند.

علیرغم پیشرفت چشمگیر، MIMO عظیم بسیار تا کامل نیست. این فناوری همچنان در دانشگاه و صنعت به طور فعال مورد تحقیق قرار می گیرد، جایی که مهندسان در تلاش برای دستیابی به نتایج نظری با راه حل های تجاری قابل دوام هستند.

MIMO عظیم می تواند به حل دو مشکل کلیدی کمک کند - توان عملیاتی و پوشش. برای اپراتورهای تلفن همراه، محدوده فرکانس منبع کمیاب و نسبتاً گران است، اما شرط کلیدی برای افزایش سرعت انتقال سیگنال است. در شهرها، فاصله ایستگاه های پایه بر اساس پهنای باند است، نه پوشش، که مستلزم استقرار تعداد زیادی ایستگاه پایه است و هزینه های اضافی را متحمل می شود. MIMO عظیم به شما امکان می دهد ظرفیت شبکه موجود خود را افزایش دهید. در مناطقی که استقرار ایستگاه های پایه بر اساس پوشش است، فناوری می تواند برد آنها را افزایش دهد.

مفهوم

MIMO عظیم با استفاده از تعداد بسیار زیادی آنتن خدمات 4G منسجم و سازگار (صدها یا هزاران) اساساً رویه فعلی را تغییر می دهد. این به تمرکز انتقال و دریافت انرژی سیگنال در مناطق کوچک‌تر از فضا کمک می‌کند و به طور قابل توجهی عملکرد و کارایی انرژی را بهبود می‌بخشد، به‌ویژه زمانی که با برنامه‌ریزی همزمان تعداد زیادی پایانه کاربر (ده‌ها یا صدها) ترکیب شود. این روش در ابتدا برای دوبلکس تقسیم زمانی (TDD) پیش بینی شده بود، اما این پتانسیل را دارد که در دوبلکس تقسیم فرکانس (PDD) نیز استفاده شود.

فناوری MIMO: مزایا و معایب

مزایای روش استفاده گسترده از اجزای ارزان قیمت کم مصرف، کاهش تاخیر، لایه کنترل دسترسی ساده (MAC) و مقاومت در برابر تداخل تصادفی و عمدی است. بازده مورد انتظار به محیط انتشار بستگی دارد که کانال‌های متعامد مجانبی را به پایانه‌ها ارائه می‌کند، و آزمایش‌ها تاکنون هیچ محدودیتی را در این زمینه نشان نداده‌اند.

با این حال، همراه با رفع بسیاری از مشکلات، مشکلات جدیدی ظاهر می شود که نیاز به راه حل های فوری دارد. به عنوان مثال، در سیستم‌های MIMO، چندین مؤلفه کم‌هزینه و کم‌هزینه باید به طور مؤثر با یکدیگر همکاری کنند، داده‌های وضعیت کانال باید جمع‌آوری شوند، و منابع باید به پایانه‌های تازه متصل تخصیص داده شوند. همچنین مستلزم بهره گیری از درجات آزادی اضافی ارائه شده توسط آنتن های سرویس اضافی، کاهش مصرف برق داخلی برای دستیابی به بهره وری کلی انرژی و یافتن سناریوهای استقرار جدید است.

رشد تعداد آنتن‌های 4G شرکت‌کننده در اجرای MIMO معمولاً مستلزم بازدید از هر ایستگاه پایه برای تغییرات پیکربندی و سیم‌کشی است. استقرار اولیه شبکه های LTE مستلزم نصب تجهیزات جدید بود. این امکان پیکربندی MIMO 2x2 استاندارد اصلی LTE را فراهم کرد. تغییرات بیشتر در ایستگاه های پایه فقط در موارد شدید انجام می شود و پیاده سازی های مرتبه بالاتر به محیط عملیاتی بستگی دارد. مشکل دیگر این است که عملکرد MIMO رفتار شبکه کاملاً متفاوتی را نسبت به سیستم‌های قبلی ایجاد می‌کند که باعث ایجاد عدم قطعیت زمان‌بندی می‌شود. بنابراین، اپراتورها تمایل دارند ابتدا از طرح های دیگر استفاده کنند، به خصوص اگر بتوان آنها را از طریق به روز رسانی نرم افزار مستقر کرد.

فناوری مبتنی بر استاندارد WiFi IEEE 802.11n.

Wi - زندگی یک نمای کلی از فناوری WiFi را ارائه می دهد IEEE 802.11 n .
اطلاعات گسترده به ما انتشارات ویدئویی.

اولین نسل دستگاه هایی که از استاندارد WiFi 802.11n پشتیبانی می کنند چندین سال پیش در بازار ظاهر شد. فناوری MIMO ( MIMO - ورودی چندگانه / خروجی چندگانه چند ورودی / چند خروجی) ستون فقرات 802.11n است. این یک سیستم رادیویی با بسیاری از مسیرهای انتقال و دریافت مجزا است. سیستم های MIMO با استفاده از تعداد فرستنده و گیرنده توصیف می شوند. استاندارد WiFi 802.11n مجموعه ای از ترکیبات ممکن را از 1x1 تا 4x4 تعریف می کند.

در یک استقرار معمولی وای فای داخلی، مانند دفتر، کارگاه، آشیانه، بیمارستان، سیگنال رادیویی به دلیل دیوارها، درها و سایر موانع به ندرت کوتاه ترین مسیر را بین فرستنده و گیرنده دنبال می کند. بیشتر این محیط ها سطوح مختلف زیادی دارند که سیگنال رادیویی (موج الکترومغناطیسی) را مانند آینه ای که نور را منعکس می کند منعکس می کند. پس از بازتاب مجدد، چندین نسخه از سیگنال WiFi اصلی تشکیل می شود. هنگامی که چندین نسخه از یک سیگنال WiFi در مسیرهای مختلف از فرستنده به گیرنده حرکت می کند، سیگنال کوتاه ترین مسیر اولین خواهد بود و کپی های بعدی (یا پژواک مکرر سیگنال) کمی دیرتر به دلیل مسیرهای طولانی تر می آیند. به این چند مسیر می گویند. شرایط انتشار چندگانه به طور مداوم در حال تغییر است دستگاه‌های Wi-Fi اغلب حرکت می‌کنند (یک گوشی هوشمند با Wi-Fi در دست کاربر)، در اطراف اشیاء مختلف حرکت می‌کنند که تداخل ایجاد می‌کنند (افراد، ماشین‌ها و غیره). اگر سیگنال ها در زمان ها و زوایای مختلف وارد شوند، این می تواند باعث اعوجاج و کاهش احتمالی سیگنال شود.

مهم است که به یاد داشته باشید که پشتیبانی از WiFi 802.11 n با MIMO و تعداد زیادی گیرنده می توانند اثرات تداخل چند مسیری و مخرب را کاهش دهند، اما در هر صورت بهتر است شرایط چند مسیری را در هر کجا و در اسرع وقت کاهش دهیم. یکی از مهم ترین نکات دور نگه داشتن آنتن ها از اجسام فلزی (به خصوص آنتن های WiFi omni که دارای الگوی تابش دایره ای یا همه جهته هستند) است.

ضروری استبه وضوح درک کنید که همه مشتریان Wi-Fi و نقاط دسترسی WiFi از نظر MIMO یکسان نیستند.
مشتریان 1x1، 2x1، 3x3 و غیره وجود دارد. به عنوان مثال، دستگاه های تلفن همراه مانند تلفن های هوشمند اغلب از MIMO 1x 1، گاهی اوقات 1x 2 پشتیبانی می کنند. این به دلیل دو مشکل کلیدی است:
1. نیاز به اطمینان از مصرف انرژی کم و عمر باتری طولانی،
2. مشکل در چیدمان چندین آنتن با فاصله کافی در یک بسته کوچک.
همین امر در مورد سایر دستگاه های تلفن همراه نیز صدق می کند: رایانه های لوحی، PDA و غیره.

لپ‌تاپ‌های سطح بالا اغلب از MIMO تا 3x3 (MacBook Pro و غیره) پشتیبانی می‌کنند.

اجازه دهیدانواع اصلی را در نظر بگیرید MIMO در شبکه های WiFi.
در حال حاضر از جزئیات تعداد فرستنده ها و گیرنده ها صرف نظر می کنیم. درک اصل مهم است.

نوع اول: تنوع هنگام دریافت سیگنال در دستگاه WiFi

اگر حداقل دو گیرنده تنوع آنتن کوپل شده در نقطه دریافت وجود داشته باشد،
تجزیه و تحلیل تمام کپی ها در هر گیرنده برای انتخاب بهترین سیگنال ها کاملاً واقع بینانه است.
علاوه بر این، دستکاری های مختلفی را می توان با این سیگنال ها انجام داد، اما ما در درجه اول به آن علاقه داریم
امکان ترکیب آنها با استفاده از فناوری MRC (Maximum Ratio Combined). فناوری MRC بعداً با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهد گرفت.

نوع دوم: تنوع ارسال سیگنال به دستگاه WiFi

اگر حداقل دو فرستنده WiFi متصل با آنتن های متنوع در نقطه عزیمت وجود داشته باشد، ارسال گروهی از سیگنال های یکسان برای افزایش تعداد نسخه های اطلاعات، افزایش قابلیت اطمینان در انتقال و کاهش نیاز به ارسال مجدد امکان پذیر می شود. در صورت از دست دادن داده ها را در کانال رادیویی ارسال کنید.

نوع سوم: مالتی پلکس فضایی سیگنال ها در دستگاه WiFi
(ترکیب سیگنال)

اگر در نقطه عزیمت و در نقطه دریافت حداقل دو فرستنده WiFi متصل با آنتن های متنوع وجود داشته باشد، می توان مجموعه ای از اطلاعات مختلف را بر روی سیگنال های مختلف ارسال کرد تا امکان ترکیب مجازی چنین جریان های اطلاعاتی ایجاد شود. به یک کانال انتقال داده، که پهنای باند کل آن به مجموع جریان های جداگانه ای که از آن تشکیل می شود، گرایش دارد. به این حالت Multiplexing فضایی می گویند. اما در اینجا بسیار مهم است که از امکان جداسازی با کیفیت بالا از همه سیگنال های اولیه اطمینان حاصل شود که به مقدار زیادی نیاز دارد. SNR - نسبت سیگنال به نویز.

تکنولوژی MRC (حداکثر نسبت ترکیبی ) در بسیاری از نقاط دسترسی مدرن استفاده می شودوای فای کلاس شرکتی
آقای با هدف بالا بردن سطح سیگنال در جهت ازوای فای مشتری به WiFi 802.11 Access Point.
الگوریتم کارآقای شامل جمع آوری تمام سیگنال های مستقیم و چند مسیره در چندین آنتن و گیرنده است. علاوه بر این، یک پردازنده ویژه ( DSP ) بهترین سیگنال را از هر گیرنده می گیرد و ترکیب را انجام می دهد. در واقع، پردازش ریاضی یک تغییر فاز مجازی را برای ایجاد تداخل مثبت با اضافه کردن سیگنال پیاده‌سازی می‌کند. بنابراین، سیگنال حاصل از مجموع به طور قابل توجهی بهتر از همه سیگنال های اصلی است.

آقای به شما این امکان را می دهد که شرایط کاری بسیار بهتری را برای دستگاه های تلفن همراه کم مصرف در یک شبکه استاندارد فراهم کنیدوای فای .

در سیستم های WiFi 802.11n از مزایای چند مسیری برای انتقال سیگنال های رادیویی متعدد به طور همزمان استفاده می شود. هر یک از این سیگنال ها به نام " جریان های فضایی"از یک آنتن جداگانه با استفاده از یک فرستنده جداگانه ارسال می شود. به دلیل وجود مقداری فاصله بین آنتن ها، هر سیگنال مسیر کمی متفاوت را به سمت گیرنده طی می کند. این اثر نامیده می شود تنوع فضایی". گیرنده همچنین به چندین آنتن با ماژول های رادیویی جداگانه خود مجهز است که به طور مستقل سیگنال های دریافتی را رمزگشایی می کند و هر سیگنال با سیگنال های دیگر ماژول های رادیویی دریافت کننده ترکیب می شود. در نتیجه، چندین جریان داده به طور همزمان دریافت می شود. این پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به سیستم‌های WiFi قدیمی 802.11 فراهم می‌کند، اما به کلاینت 802.11n نیز نیاز دارد.

حالا بیایید کمی عمیق تر به این موضوع برویم:
در دستگاه های وای فای با MIMO این امکان وجود دارد که کل جریان اطلاعات ورودی را به چندین جریان داده مختلف با استفاده از مالتی پلکس فضایی برای ارسال بعدی آنها تقسیم کنیم. چندین فرستنده و آنتن برای ارسال جریان های مختلف در یک کانال فرکانس استفاده می شود. شما می توانید این را به گونه ای تجسم کنید که برخی از عبارت های متنی قابل انتقال باشد به طوری که کلمه اول از طریق یک فرستنده، دوم از طریق فرستنده دیگر و غیره ارسال شود.
به طور طبیعی، سمت گیرنده باید از عملکرد یکسان (MIMO) پشتیبانی کند تا سیگنال‌های مختلف را به طور کامل جدا کند، آنها را دوباره جمع‌آوری کرده و با استفاده از مالتی پلکس فضایی ترکیب کند. بنابراین ما این فرصت را داریم که جریان اطلاعات اصلی را بازیابی کنیم. فناوری ارائه شده به شما امکان می دهد یک جریان داده بزرگ را به مجموعه ای از جریان های کوچکتر تقسیم کرده و آنها را به طور جداگانه از یکدیگر منتقل کنید. به طور کلی، این امکان استفاده موثرتر از محیط رادیویی و به طور خاص فرکانس های اختصاص داده شده برای Wi-Fi را فراهم می کند.

فناوری WiFi 802.11n همچنین تعریف می کند که چگونه MIMO می تواند برای بهبود SNR در گیرنده با استفاده از شکل دهی پرتو انتقال استفاده شود. با این تکنیک می توان فرآیند ارسال سیگنال از هر آنتن را کنترل کرد تا پارامترهای سیگنال دریافتی در گیرنده بهبود یابد. به عبارت دیگر، علاوه بر ارسال جریان های داده متعدد، می توان از فرستنده های متعدد برای دستیابی به SNR بالاتر در نقطه دریافت و در نتیجه نرخ داده بالاتر در مشتری استفاده کرد.
موارد زیر باید مورد توجه قرار گیرد:
1. روش شکل دهی پرتو انتقال تعریف شده در استاندارد Wi-Fi 802.11n نیازمند همکاری با گیرنده (در واقع با دستگاه مشتری) برای دریافت بازخورد وضعیت سیگنال در گیرنده است. در اینجا شما نیاز به پشتیبانی از این عملکرد در هر دو طرف کانال - هم در فرستنده و هم در گیرنده دارید.
2. به دلیل پیچیدگی این روش، شکل دهی پرتوهای انتقال در نسل اول تراشه های 802.11n چه در سمت ترمینال و چه در سمت AP پشتیبانی نمی شد. در حال حاضر، بیشتر تراشه‌های موجود برای دستگاه‌های مشتری نیز از این قابلیت پشتیبانی نمی‌کنند.
3. راه حل هایی برای ساخت شبکه وجود داردوای فای ، که به شما امکان می دهد الگوی تابش را در نقاط دسترسی بدون نیاز به دریافت بازخورد از دستگاه های مشتری کاملاً کنترل کنید.

برای دریافت اطلاعیه در هنگام انتشار مقالات موضوعی جدید یا ظاهر شدن مطالب جدید در سایت، پیشنهاد می کنیم.

به گروه ما بپیوندید