MIMO (Multiple Input Multiple Output, multi-channel input - multi-channel output) este o metodă de utilizare coordonată a mai multor antene radio în comunicațiile de rețea fără fir, comună în routerele moderne de bandă largă și în rețelele celulare LTE și WiMAX.
Cum functioneaza?
Routerele Wi-Fi cu tehnologie MIMO folosesc aceleași protocoale de rețea ca routerele convenționale cu o singură legătură. Acestea oferă performanțe mai mari prin îmbunătățirea eficienței transmiterii și recepționării datelor printr-o legătură fără fir. În special, traficul de rețea dintre clienți și router este organizat în fluxuri separate transmise în paralel, cu recuperarea lor ulterioară de către dispozitivul receptor.
Tehnologia MIMO poate crește debitul, raza de acțiune și fiabilitatea transmisiei atunci când există un risc mare de interferență de la alte echipamente fără fir.
Aplicație în rețele Wi-Fi
Tehnologia MIMO a fost inclusă în standard începând cu versiunea 802.11n. Utilizarea acestuia îmbunătățește performanța și disponibilitatea conexiunilor de rețea în comparație cu routerele convenționale.
Numărul de antene poate varia. De exemplu, MIMO 2x2 prevede două antene și două transmițătoare capabile să recepționeze și să transmită pe două canale.
Pentru a profita de această tehnologie și a-și realiza beneficiile, dispozitivul client și routerul trebuie să stabilească o conexiune MIMO între ele. Documentația pentru echipamentul utilizat ar trebui să indice dacă acceptă această caracteristică. Nu există o altă modalitate ușoară de a verifica dacă o conexiune de rețea folosește această tehnologie.
SU-MIMO și MU-MIMO
Prima generație de tehnologie, introdusă cu standardul 802.11n, a acceptat metoda Single User (SU). În comparație cu soluțiile tradiționale, în care toate antenele de router trebuie să fie coordonate pentru a comunica cu un singur dispozitiv client, SU-MIMO permite ca fiecare antenă să fie distribuită între diferite echipamente.
Tehnologia MIMO multi-utilizator (MU) a fost creată pentru a fi utilizată în rețelele Wi-Fi 802.11ac la 5 GHz. În timp ce standardul anterior cerea ca routerele să-și gestioneze pe rând conexiunile clienților (una câte una), antenele MU-MIMO pot comunica cu mai mulți clienți în paralel. îmbunătățește performanța conexiunii. Cu toate acestea, chiar dacă routerul 802.11ac are suportul hardware necesar pentru tehnologia MIMO, există și alte limitări:
- număr limitat de conexiuni client simultane (2-4) acceptate în funcție de configurația antenei;
- Coordonarea antenei este asigurată doar într-o singură direcție - de la router la client.
MIMO și Cellular
Tehnologia este utilizată în diferite tipuri de rețele fără fir. Este din ce în ce mai utilizat în comunicațiile celulare (4G și 5G) sub mai multe forme:
- Network MIMO - transmisie coordonată a semnalului între stațiile de bază;
- MIMO masiv - utilizarea unui număr mare (sute) de antene;
- unde milimetrice - utilizarea benzilor de microunde, în care lățimea de bandă este mai mare decât în benzile licențiate pentru 3G și 4G.
Tehnologie multi-utilizator
Pentru a înțelege cum funcționează MU-MIMO, luați în considerare modul în care un router wireless tradițional gestionează pachetele de date. Face o treabă bună de a trimite și de a primi date, dar numai într-o singură direcție. Cu alte cuvinte, poate comunica doar cu un dispozitiv la un moment dat. De exemplu, dacă se încarcă un videoclip, nu puteți transmite un joc video online în consolă în același timp.
Un utilizator poate rula mai multe dispozitive într-o rețea Wi-Fi, iar routerul le transmite foarte repede biți de date la rândul lor. Cu toate acestea, poate accesa doar un dispozitiv la un moment dat, care este principalul motiv pentru o scădere a calității conexiunii dacă lățimea de bandă Wi-Fi este prea mică.
Pentru că funcționează, atrage puțin atenția asupra ei. Cu toate acestea, eficiența unui router care transmite date către mai multe dispozitive în același timp poate fi îmbunătățită. În același timp, va funcționa mai rapid și va oferi configurații de rețea mai interesante. Acesta este motivul pentru care au apărut dezvoltări precum MU-MIMO și au fost în cele din urmă încorporate în standardele wireless de astăzi. Aceste evoluții permit routerelor avansate să interacționeze cu mai multe dispozitive simultan.
Scurt istoric: SU vs. MU
MIMO unic și multi-utilizator sunt moduri diferite prin care routerele pot comunica cu mai multe dispozitive. Primul este mai vechi. Standardul SU permitea trimiterea și primirea de date pe mai multe fluxuri simultan, în funcție de numărul de antene disponibile, fiecare dintre acestea putând funcționa cu dispozitive diferite. SU a fost inclus în actualizarea 802.11n din 2007 și a început să fie introdus treptat în noile linii de produse.
Cu toate acestea, SU-MIMO a avut limitări în plus față de cerințele antenei. În timp ce mai multe dispozitive pot fi conectate, ele încă au de-a face cu un router care poate gestiona doar unul câte unul. Ratele de transfer de date au crescut, interferențele au devenit mai puțin o problemă, dar există încă mult loc de îmbunătățire.
MU-MIMO este un standard care a evoluat de la SU-MIMO și SDMA (Space Division Multiple Access). Tehnologia permite unei stații de bază să comunice cu mai multe dispozitive folosind un flux separat pentru fiecare dintre ele, ca și cum toate ar avea propriul lor router.
Suportul MU a fost adăugat în cele din urmă în actualizarea din 2013 la standardul 802.11ac. După ani de dezvoltare, producătorii au început să includă această caracteristică în produsele lor.
Beneficiile MU-MIMO
Aceasta este o tehnologie interesantă, deoarece are un impact vizibil asupra utilizării de zi cu zi a Wi-Fi fără a modifica direct lățimea de bandă sau alți parametri cheie ai conexiunii fără fir. Rețelele devin mult mai eficiente.
Pentru a asigura o conexiune stabilă cu un laptop, telefon, tabletă sau computer, standardul nu necesită ca routerul să aibă mai multe antene. Este posibil ca fiecare astfel de dispozitiv să nu-și partajeze canalul MIMO cu alții. Acest lucru este vizibil mai ales atunci când redați videoclipuri sau efectuați alte sarcini complexe. Viteza Internetului este crescută subiectiv, iar conexiunea este mai fiabilă, deși de fapt conexiunea devine mai inteligentă. Crește și numărul de dispozitive deservite simultan.
Limitările MU-MIMO
Tehnologia de acces multiplu multi-utilizator are, de asemenea, o serie de limitări care merită menționate. Standardele existente acceptă 4 dispozitive, dar permit adăugarea mai multor și trebuie să partajeze fluxul, ceea ce readuce problemele SU-MIMO. Tehnologia este folosită în principal în downlink-uri și este limitată atunci când vine vorba de outgoing. În plus, un router MU-MIMO trebuie să aibă mai multe informații despre starea dispozitivului și a conexiunii decât cerințele standardelor anterioare. Acest lucru complică gestionarea și depanarea rețelelor wireless.
MU-MIMO este, de asemenea, o tehnologie direcțională. Aceasta înseamnă că 2 dispozitive unul lângă altul nu pot folosi canale diferite în același timp. De exemplu, dacă un soț urmărește un stream live la televizor, iar în apropiere, soția lui transmite un joc PS4 către Vita prin Remote Play, totuși trebuie să partajeze lățimea de bandă. Un router poate furniza fluxuri discrete numai dispozitivelor care sunt situate în direcții diferite.
MIMO masiv
Pe măsură ce ne îndreptăm către rețelele wireless de a cincea generație (5G), creșterea smartphone-urilor și a noilor aplicații a dus la o creștere de 100 de ori a lățimii de bandă necesare, comparativ cu LTE. Noua tehnologie Massive MIMO, care a primit multă atenție în ultimii ani, este concepută pentru a crește semnificativ eficiența rețelelor de telecomunicații la niveluri fără precedent. Având în vedere raritatea și costul ridicat al resurselor disponibile, operatorii sunt atrași de oportunitatea de a crește lățimea de bandă în benzile de frecvență sub 6 GHz.
În ciuda progreselor semnificative, Massive MIMO este departe de a fi perfect. Tehnologia continuă să fie explorată activ atât în mediul academic, cât și în industrie, unde inginerii caută să obțină rezultate teoretice cu soluții viabile din punct de vedere comercial.
MIMO masiv poate ajuta la rezolvarea a două probleme cheie - debitul și acoperirea. Pentru operatorii de telefonie mobilă, banda de frecvență rămâne o resursă limitată și relativ costisitoare, dar este o condiție cheie pentru creșterea vitezei de transmisie a semnalului. În orașe, distanța dintre stațiile de bază este determinată mai degrabă de lățimea de bandă decât de acoperire, ceea ce necesită implementări mari și costuri suplimentare. Massive MIMO vă permite să creșteți capacitatea unei rețele existente. În zonele în care desfășurarea stațiilor de bază se datorează acoperirii, tehnologia vă permite să creșteți raza de acțiune a acestora.
Concept
Massive MIMO revoluționează practica actuală prin utilizarea unui număr foarte mare de antene de serviciu 4G care funcționează coerent și adaptiv (sute sau mii). Acest lucru ajută la concentrarea transmisiei și recepției energiei semnalului în zone mai mici din spațiu, îmbunătățind considerabil performanța și eficiența energetică, mai ales atunci când este combinată cu programarea unui număr mare de terminale de utilizator (zeci sau sute) în același timp. Tehnica a fost inițial concepută pentru duplexarea cu diviziune în timp (TDD), dar are potențialul de a fi aplicată și pentru duplexarea cu divizare în frecvență (PDD).
Tehnologia MIMO: avantaje și dezavantaje
Avantajele metodei sunt utilizarea pe scară largă a componentelor ieftine de putere redusă, reducerea latenței, simplificarea nivelului de control al accesului (MAC), rezistența la interferențe aleatorii și deliberate. Debitul așteptat depinde de mediul de propagare care furnizează canale asimptotic ortogonale terminalelor, iar experimentele de până acum nu au evidențiat nicio limită în acest sens.
Cu toate acestea, odată cu eliminarea multor probleme, apar și altele noi care necesită soluții urgente. De exemplu, în sistemele MIMO, este necesar să se asigure că multe componente cu costuri reduse și de precizie redusă lucrează împreună eficient, colectează date despre starea canalului și alocă resurse terminalelor nou conectate. De asemenea, este necesar să se utilizeze gradele suplimentare de libertate oferite de excesul de antene de serviciu, să se reducă consumul intern de energie pentru a obține eficiența energetică globală și să se găsească noi scenarii de implementare.
Creșterea numărului de antene 4G implicate în implementarea MIMO necesită de obicei o vizită la fiecare stație de bază pentru a schimba configurația și cablarea. Implementarea inițială a rețelelor LTE a necesitat instalarea de noi echipamente. Acest lucru a făcut posibilă producerea configurației MIMO 2x2 a standardului LTE original. Modificările ulterioare ale stațiilor de bază sunt făcute doar ca ultimă soluție, iar implementările de ordin superior depind de mediul de operare. O altă problemă este că operațiunea MIMO are ca rezultat un comportament al rețelei complet diferit față de sistemele anterioare, ceea ce introduce o anumită incertitudine de planificare. Prin urmare, operatorii tind să folosească mai întâi alte modele, mai ales dacă acestea pot fi implementate prin actualizări de software.
Pe degete despre MIMO.
Imaginați-vă că informațiile sunt oameni, iar modemul și stația de bază a operatorului sunt două orașe între care se află o cale, iar antena este stația. Vom transporta oameni cu trenul, care, de exemplu, nu poate transporta mai mult de o sută de persoane. Debitul între astfel de orașe va fi limitat, deoarece. trenul poate lua doar o sută de oameni o dată.
Pentru ca 200 de persoane să poată ajunge în alt oraș în același timp, se construiește o a doua cale între orașe și se lansează un al doilea tren în același timp cu primul, dublând astfel fluxul de oameni. Tehnologia MIMO funcționează în același mod, de fapt, pur și simplu dublem numărul de fluxuri. Numărul de fluxuri este determinat de standardul MIMO, două fluxuri - MIMO 2x2, patru fluxuri - MIMO 4x4 etc. Pentru a transfera date prin Internet, fie că este vorba de 4G LTE sau WiFi, astăzi, de regulă, este folosit standardul MIMO 2x2. Pentru a primi un flux dual în același timp, sunt necesare două antene convenționale, sau, prin analogie, două stații sau, pentru a economisi bani, o antenă MIMO, de parcă ar fi o stație cu două platforme. Adică, o antenă MIMO este două antene în interiorul uneia.
O antenă MIMO panou poate avea literalmente două seturi de elemente radiante ( "petice") într-un caz ( de exemplu, patru petice funcționează în polarizare verticală, celelalte patru în polarizare orizontală, pentru un total de opt petice). Fiecare set este conectat la propria priză.
Și poate avea un set de patch-uri, dar având o alimentare cu două porturi (ortogonale), astfel încât elementele antenei sunt alimentate cu o schimbare de fază de 90 de grade, iar apoi fiecare patch va funcționa în polarizare verticală și orizontală în același timp.
În acest caz, un set de patch-uri va fi conectat la două prize simultan, acestea sunt antenele MIMO care sunt vândute în magazinul nostru online.
Mai mult
Difuzarea pe mobil a fluxului digital LTE este direct legată de noile evoluții ale 4G. Luând o rețea 3G pentru analiză, puteți constata că rata de transfer a datelor este de 11 ori mai mică decât 4G. Cu toate acestea, viteza atât de primire, cât și de transmitere a datelor LTE este adesea de proastă calitate. Acest lucru se datorează lipsei puterii sau nivelului semnalului pe care modemul 4G LTE îl primește de la stație. Pentru a îmbunătăți semnificativ calitatea difuzării informațiilor, sunt introduse antene 4G MIMO.
Antenele modificate, în comparație cu sistemele convenționale de distribuție a datelor, au o schemă de emițător diferită. De exemplu, este necesar un divizor digital de flux pentru a distribui informațiile în fluxuri cu rată scăzută, al căror număr este legat de numărul de antene. Dacă viteza fluxului de intrare este de aproximativ 200 Mbps, atunci vor fi create două fluxuri - ambele la 100 Mbps. Fiecare flux trebuie transmis printr-o antenă separată. Polarizarea undei radio transmise de la fiecare dintre cele două antene va fi diferită pentru a descifra datele în momentul recepției. Dispozitivul de recepție, pentru a menține rata de date, trebuie să aibă și două antene de recepție în polarizări diferite.
Avantajele MIMO
MIMO este distribuirea mai multor fluxuri de informații simultan pe un singur canal, urmată de trecerea lor printr-o pereche sau mai multe antene înainte de a intra în dispozitive de recepție independente pentru difuzarea undelor radio. Acest lucru vă permite să îmbunătățiți semnificativ debitul semnalului fără a recurge la extinderea lățimii de bandă.
Când sunt difuzate unde radio, fluxul digital din canalul radio îngheață selectiv. Este posibil să observați acest lucru dacă sunteți înconjurat de clădiri urbane înalte, vă deplasați cu viteză mare sau vă îndepărtați de o zonă pe care o pot ajunge undele radio. Pentru a scăpa de această problemă, a fost creată o antenă MIMO, capabilă să transmită informații pe mai multe canale cu puțină întârziere. Informația este pre-codificată și apoi reconstruită la capătul de recepție. Ca rezultat, nu numai viteza de distribuție a datelor este crescută, ci și calitatea semnalului este îmbunătățită semnificativ.
În funcție de caracteristicile lor de proiectare, antenele LTE sunt împărțite în obișnuite și constau din două transceiver (MIMO). Un sistem tipic de propagare a semnalului poate atinge viteze de cel mult 50 megabiți pe secundă. MIMO oferă șanse de a dubla viteza de transmisie a semnalului. Acest lucru se realizează prin instalarea simultană a mai multor antene în cutie, care sunt situate la o distanță ușoară una de alta.
Recepția simultană, precum și distribuția fluxului digital prin antene către destinatar, are loc prin două cabluri independente. Acest lucru vă permite să creșteți semnificativ parametrii de viteză. MIMO a fost folosit cu succes în sisteme wireless precum WiFi, precum și în rețelele celulare și WiMAX. Utilizarea acestei tehnologii, care are de obicei două intrări și două ieșiri, poate îmbunătăți calitatea spectrală a WiFi, WiMAX, 4G/LTE și a altor sisteme, poate crește viteza de transfer de informații și capacitatea fluxului de date. Avantajele enumerate sunt realizabile datorită transmiterii datelor de la antena 4G MIMO către destinatar prin mai multe conexiuni wireless. De aici și numele acestei tehnologii (Multiple Input Multiple Output - multiple input și multiple output).
. Unde se aplică MIMO?
MIMO a câștigat rapid popularitate prin creșterea capacității și a debitului protocoalelor de transfer de date, cum ar fi WiFi. Se poate lua standardul WiFi 802.11n drept cel mai popular caz de utilizare pentru MIMO. Datorită tehnologiei de comunicație MIMO, acest protocol WiFi reușește să atingă viteze de peste 300 Mbps.
Pe lângă accelerarea transmiterii fluxului de informații, rețeaua wireless datorită MIMO a primit performanțe îmbunătățite în ceea ce privește calitatea transmisiei datelor chiar și în locurile în care nivelul semnalului de recepție este destul de scăzut. Datorită noii tehnologii, WiMAX a reușit să transmită date cu o viteză de până la 40 de megabiți pe secundă.
În standardul 4G (LTE), MIMO poate fi utilizat cu o configurație de până la 8x8. Teoretic, acest lucru va permite difuzarea unui flux digital de la stația principală la destinatar la o viteză de peste 300 de megabiți pe secundă. Un alt punct atractiv din utilizarea noului sistem este o conexiune de înaltă calitate și stabilă, observată chiar și la marginea celulei.
Aceasta înseamnă că chiar și la o distanță semnificativă de stație, precum și atunci când este situat într-o cameră cu pereți groși, se va observa doar o ușoară scădere a performanței vitezei. MIMO poate fi aplicat aproape oricărui sistem de comunicații fără fir. De menționat că potențialul acestui sistem este inepuizabil.
Ei caută constant modalități de a dezvolta noi configurații de antene MIMO, de exemplu până la 64x64. În viitorul apropiat, acest lucru va face posibilă îmbunătățirea în continuare a eficienței indicatorilor spectrale, creșterea capacității rețelelor și a mărimii vitezei de transmitere a informațiilor.
9 aprilie 2014
La un moment dat, conexiunea IR a plecat cumva liniștit și imperceptibil, apoi au încetat să mai folosească Bluetooth pentru schimbul de date. Și acum este rândul Wi-Fi-ului...
A fost dezvoltat un sistem multi-utilizator cu mai multe intrări și ieșiri, permițând rețelei să comunice cu mai mult de un computer în același timp. Creatorii susțin că atunci când se utilizează aceeași gamă de unde radio alocată pentru Wi-Fi, cursul de schimb poate fi triplat.
Qualcomm Atheros a dezvoltat un sistem multi-user, multiple-in/out (MU-MIMO) care permite unei rețele să comunice cu mai multe computere în același timp. Compania intenționează să înceapă să demonstreze tehnologia în următoarele câteva luni înainte de livrarea către clienți la începutul anului viitor.
Cu toate acestea, pentru a obține această viteză mare, utilizatorii vor trebui să își actualizeze atât computerele, cât și routerele de rețea.
Cu protocolul Wi-Fi, clienții sunt serviți secvențial - doar un dispozitiv de transmitere și recepție este utilizat pentru o anumită perioadă de timp - astfel încât să fie utilizată doar o mică parte din lățimea de bandă a rețelei.
Acumularea acestor evenimente consecutive creează o scădere a cursului de schimb pe măsură ce tot mai multe dispozitive se conectează la rețea.
Protocolul MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) asigură transmiterea simultană a informațiilor către un grup de clienți, ceea ce face o utilizare mai eficientă a lățimii de bandă disponibile a rețelei Wi-Fi și, prin urmare, accelerează transmisia.
Qualcomm consideră că astfel de capabilități vor fi deosebit de utile pentru centrele de conferințe și cafenelele internet atunci când mai mulți utilizatori se conectează la aceeași rețea.
De asemenea, compania crede că nu este vorba doar de creșterea vitezei absolute, ci și de utilizarea mai eficientă a rețelei și a timpului de antenă pentru a susține un număr tot mai mare de dispozitive, servicii și aplicații conectate.
Qualcomm intenționează să vândă cipuri MU-Mimo producătorilor de routere, puncte de acces, smartphone-uri, tablete și alte dispozitive compatibile cu Wi-Fi. Primele cipuri vor putea funcționa simultan cu patru fluxuri de date; suportul tehnologic va fi inclus în cipurile Atheros 802.11ac și procesoarele mobile Snapdragon 805 și 801. Demonstrarea tehnologiei va avea loc anul acesta, iar primele livrări de cipuri sunt programate pentru primul trimestru al anului viitor.
Ei bine, acum cine vrea să se aprofundeze în această tehnologie mai detaliat, continuăm...
MIMO(Multiple Input Multiple Output - multiple input multiple output) este o tehnologie utilizată în sistemele de comunicații fără fir (WIFI, WI-MAX, rețele celulare), care poate îmbunătăți semnificativ eficiența spectrală a sistemului, rata maximă de transfer de date și capacitatea rețelei. Principala modalitate de a obține avantajele de mai sus este transmiterea datelor de la sursă la destinație prin mai multe legături radio, de unde își trage numele tehnologia. Luați în considerare fundalul acestei probleme și determinați principalele motive care au servit ca o utilizare pe scară largă a tehnologiei MIMO.
Nevoia de conexiuni de mare viteză care să ofere servicii de înaltă calitate (QoS) cu toleranță ridicată la erori crește de la an la an. Acest lucru este facilitat în mare măsură de apariția unor servicii precum VoIP (Voice over Internet Protocol), videoconferințe, VoD (Video on Demand) etc. Cu toate acestea, majoritatea tehnologiilor wireless nu oferă abonaților servicii de înaltă calitate la limita acoperirii. zonă. În sistemele celulare și alte sisteme de comunicații fără fir, calitatea conexiunii, precum și rata de date disponibilă, scade rapid odată cu distanța de la stația de bază (BTS). În același timp, scade și calitatea serviciilor, ceea ce duce în cele din urmă la imposibilitatea furnizării de servicii în timp real de înaltă calitate pe toată acoperirea radio a rețelei. Pentru a rezolva această problemă, puteți încerca să instalați stațiile de bază cât mai strâns posibil și să organizați acoperirea internă în toate locurile cu un nivel de semnal scăzut. Totuși, acest lucru va necesita costuri financiare semnificative, care vor duce în cele din urmă la o creștere a costului serviciului și o scădere a competitivității. Astfel, pentru rezolvarea acestei probleme este necesară o inovație originală, folosind, dacă este posibil, gama de frecvență actuală și nefiind necesară construirea de noi dotări de rețea.
Caracteristici ale propagării undelor radio
Pentru a înțelege principiile de funcționare a tehnologiei MIMO, este necesar să se ia în considerare principiile generale de propagare a undelor radio în spațiu. Undele emise de diverse sisteme radio fără fir în intervalul de peste 100 MHz se comportă în multe feluri ca niște fascicule de lumină. Când undele radio întâlnesc o suprafață în timpul propagării, atunci, în funcție de materialul și dimensiunea obstacolului, o parte din energie este absorbită, o parte trece, iar restul este reflectată. Raportul cotelor părților absorbite, reflectate și transmise ale energiei este afectat de mulți factori externi, inclusiv de frecvența semnalului. Mai mult, energiile semnalului reflectate și trecute pot schimba direcția de propagare ulterioară a acestora, iar semnalul în sine este împărțit în mai multe unde.
Semnalul care se propagă conform legilor de mai sus de la sursă la destinatar, după întâlnirea cu numeroase obstacole, este împărțit în mai multe unde, doar o parte din care va ajunge la receptor. Fiecare dintre undele care ajung la receptor formează o așa-numită cale de propagare a semnalului. Mai mult, datorită faptului că diferitele valuri sunt reflectate de un număr diferit de obstacole și parcurg distanțe diferite, căi diferite au întârzieri de timp diferite.
Într-un mediu urban dens, din cauza unui număr mare de obstacole precum clădiri, copaci, mașini etc., apare foarte des o situație când nu există o linie de vedere între echipamentul abonatului (MS) și antenele stației de bază (BTS). ). În acest caz, singura modalitate de a ajunge la semnalul receptorului este prin undele reflectate. Cu toate acestea, după cum sa menționat mai sus, semnalul reflectat în mod repetat nu mai are energia inițială și poate ajunge cu o întârziere. O dificultate deosebită este creată și de faptul că obiectele nu rămân întotdeauna staționare și situația se poate schimba semnificativ în timp. În acest sens, se pune problema propagării semnalului cu mai multe căi - una dintre cele mai semnificative probleme în sistemele de comunicații fără fir.
Propagarea pe mai multe căi - o problemă sau un avantaj?
Pentru a combate propagarea semnalului pe mai multe căi, sunt utilizate mai multe soluții diferite. Una dintre cele mai comune tehnologii este Receive Diversity - recepția diversității. Esența sa constă în faptul că nu una, ci mai multe antene (de obicei două, mai rar patru) sunt folosite pentru a recepționa semnalul, situate la distanță una de cealaltă. Astfel, destinatarul are nu una, ci două copii ale semnalului transmis, care au venit în moduri diferite. Acest lucru face posibilă colectarea mai multă energie din semnalul original, deoarece undele primite de o antenă pot să nu fie recepționate de alta și invers. De asemenea, semnalele care sosesc defazate la o antenă pot ajunge la cealaltă în fază. Această schemă de organizare a interfeței radio poate fi numită Single Input Multiple Output (SIMO), spre deosebire de schema standard de Single Input Single Output (SISO). Se poate aplica și abordarea inversă: atunci când se folosesc mai multe antene pentru transmisie și una pentru recepție. Acest lucru crește, de asemenea, energia totală a semnalului original primit de receptor. Această schemă se numește Multiple Input Single Output (MISO). În ambele scheme (SIMO și MISO), mai multe antene sunt instalate pe partea laterală a stației de bază, de atunci este dificil să se implementeze diversitatea antenei într-un dispozitiv mobil pe o distanță suficient de mare fără a crește dimensiunile echipamentului terminal în sine.
Ca urmare a unor raționamente suplimentare, ajungem la schema MIMO (Multiple Input Multiple Output). În acest caz, sunt instalate mai multe antene pentru transmitere și recepție. Totuși, spre deosebire de schemele de mai sus, această schemă de diversitate permite nu numai să se ocupe de propagarea semnalului pe mai multe căi, ci și să obțină câteva avantaje suplimentare. Prin utilizarea mai multor antene de transmisie și recepție, fiecărei perechi de antene de transmisie/recepție i se poate atribui o cale separată pentru transmiterea informațiilor. În acest caz, recepția diversității va fi efectuată de antenele rămase, iar această antenă va servi și ca antenă suplimentară pentru alte căi de transmisie. Ca rezultat, teoretic, este posibilă creșterea ratei de date de atâtea ori câte antene suplimentare vor fi utilizate. Cu toate acestea, o limitare semnificativă este impusă de calitatea fiecărei căi radio.
Cum funcționează MIMO
După cum sa menționat mai sus, organizarea tehnologiei MIMO necesită instalarea mai multor antene pe părțile de transmisie și recepție. De obicei, la intrarea și la ieșirea sistemului este instalat un număr egal de antene, deoarece în acest caz, este atinsă rata maximă de transfer de date. Pentru a arăta numărul de antene la recepție și transmisie, împreună cu numele tehnologiei MIMO, este de obicei menționată denumirea "AxB", unde A este numărul de antene la intrarea sistemului și B este la ieșire. . Sistemul se referă în acest caz la conexiunea radio.
Pentru ca tehnologia MIMO să funcționeze, sunt necesare unele modificări în structura emițătorului în comparație cu sistemele convenționale. Să luăm în considerare doar una dintre modalitățile posibile și cele mai simple de organizare a tehnologiei MIMO. În primul rând, este necesar un divizor de flux pe partea de transmisie, care va împărți datele destinate transmiterii în mai multe subfluxuri de viteză redusă, al căror număr depinde de numărul de antene. De exemplu, pentru MIMO 4x4 și o rată a datelor de intrare de 200 Mbps, divizorul va crea 4 fluxuri de 50 Mbps fiecare. În plus, fiecare dintre aceste fluxuri trebuie să fie transmis prin propria antenă. De obicei, antenele de transmisie sunt configurate cu o anumită separare spațială pentru a permite cât mai multe semnale false care rezultă din căi multiple. Într-una dintre modalitățile posibile de organizare a tehnologiei MIMO, semnalul este transmis de la fiecare antenă cu o polarizare diferită, ceea ce face posibilă identificarea acestuia la recepție. Cu toate acestea, în cel mai simplu caz, fiecare dintre semnalele transmise se dovedește a fi marcat de mediul de transmisie însuși (întârziere, atenuare și alte distorsiuni).
Pe partea de recepție, mai multe antene primesc un semnal de la radio. Mai mult, antenele de pe partea de recepție sunt, de asemenea, instalate cu o anumită diversitate spațială, datorită căreia este asigurată recepția diversității discutată mai devreme. Semnalele primite sunt transmise la receptoare, al căror număr corespunde numărului de antene și căilor de transmisie. Mai mult, fiecare dintre receptori primește semnale de la toate antenele sistemului. Fiecare dintre acești sumatori extrage din fluxul total energia semnalului doar a căii pentru care este responsabil. El face acest lucru fie în funcție de un semn prestabilit cu care a fost echipat fiecare dintre semnale, fie datorită analizei întârzierii, atenuării, defazajului, i.e. un set de distorsiuni sau „amprentă” a mediului de distribuție. În funcție de modul în care funcționează sistemul (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC), etc.), semnalul transmis poate fi repetat după un anumit timp, sau transmis cu o ușoară întârziere prin alte antene.
Într-un sistem cu tehnologie MIMO, poate să apară un fenomen neobișnuit prin faptul că rata de date în sistemul MIMO poate scădea dacă există o linie de vedere între sursa semnalului și receptor. Acest lucru se datorează în primul rând unei scăderi a severității distorsiunilor spațiului înconjurător, care marchează fiecare dintre semnale. Ca urmare, devine problematică din partea receptoare să se separe semnalele, iar acestea încep să se influențeze reciproc. Astfel, cu cât este mai mare calitatea conexiunii radio, cu atât se pot obține mai puține beneficii din MIMO.
MIMO multi-utilizator (MU-MIMO)
Principiul de mai sus de organizare a comunicațiilor radio se referă la așa-numitul Single user MIMO (SU-MIMO), unde există un singur emițător și receptor de informații. În acest caz, atât emițătorul, cât și receptorul își pot coordona în mod clar acțiunile și, în același timp, nu există un factor surpriză atunci când pot apărea noi utilizatori în aer. O astfel de schemă este destul de potrivită pentru sistemele mici, de exemplu, pentru organizarea comunicării într-un birou de acasă între două dispozitive. La rândul lor, majoritatea sistemelor, precum WI-FI, WIMAX, sistemele de comunicații celulare sunt multi-utilizator, adică. au un singur centru și mai multe obiecte la distanță, cu fiecare dintre ele este necesar să se organizeze o conexiune radio. Astfel, apar două probleme: pe de o parte, stația de bază trebuie să transmită un semnal către mai mulți abonați prin același sistem de antenă (difuzare MIMO) și, în același timp, să primească un semnal prin aceleași antene de la mai mulți abonați (MIMO MAC - Canale de acces multiple).
În direcția uplink - de la MS la BTS, utilizatorii își transmit informațiile simultan pe aceeași frecvență. În acest caz, apare o dificultate pentru stația de bază: este necesar să se separe semnalele de la diferiți abonați. O modalitate posibilă de a rezolva această problemă este și metoda de procesare liniară, care implică pre-codificarea semnalului transmis. Semnalul original, conform acestei metode, este înmulțit cu o matrice, care este compusă din coeficienți care reflectă interferența de la alți abonați. Matricea este compilată pe baza situației actuale în emisie: numărul de abonați, vitezele de transmisie etc. Astfel, înainte de transmisie, semnalul este supus unei distorsiuni inverse celei pe care o întâlnește în timpul transmisiei radio.
În downlink - direcția de la BTS la MS, stația de bază transmite semnale simultan pe același canal către mai mulți abonați deodată. Acest lucru duce la faptul că semnalul transmis pentru un abonat afectează recepția tuturor celorlalte semnale, adică apare interferența. Opțiunile posibile pentru a rezolva această problemă sunt utilizarea Smart Antena sau utilizarea tehnologiei de codare a hârtiei murdare („hartie murdară”). Să aruncăm o privire mai atentă asupra tehnologiei hârtiei murdare. Principiul funcționării sale se bazează pe analiza stării actuale a radioului și a numărului de abonați activi. Singurul (primul) abonat își transmite datele către stația de bază fără codare, schimbându-și datele, deoarece. nu există interferențe din partea altor abonați. Al doilea abonat va codifica, adică. schimba energia semnalului său pentru a nu interfera cu primul și pentru a nu supune semnalul său influenței de la primul. Abonații ulterior adăugați în sistem vor urma și acest principiu, în funcție de numărul de abonați activi și de efectul semnalelor pe care le transmit.
Aplicarea MIMO
Tehnologia MIMO din ultimul deceniu este una dintre cele mai relevante moduri de a crește debitul și capacitatea sistemelor de comunicații fără fir. Să luăm în considerare câteva exemple de utilizare a MIMO în diferite sisteme de comunicații.
Standardul WiFi 802.11n este unul dintre cele mai proeminente exemple de utilizare a tehnologiei MIMO. Potrivit acestuia, vă permite să mențineți viteze de până la 300 Mbps. Mai mult decât atât, standardul anterior 802.11g permitea să ofere doar 50 Mbps. Pe lângă creșterea ratei de transmitere a datelor, noul standard, datorită MIMO, permite, de asemenea, o calitate mai bună a performanței serviciilor în zonele cu putere scăzută a semnalului. 802.11n este folosit nu numai în sisteme punct/multipunct (Punct/Multipunct), cea mai comună nișă pentru utilizarea tehnologiei WiFi pentru a organiza o LAN (Local Area Network), dar și pentru organizarea conexiunilor punct/punct care sunt utilizate pentru a organiza comunicația trunchiului. canale la o viteză de câteva sute de Mbps și permițând transmiterea datelor pe zeci de kilometri (până la 50 km).
Standardul WiMAX are și două versiuni care aduc noi posibilități utilizatorilor cu ajutorul tehnologiei MIMO. Primul, 802.16e, oferă servicii mobile de bandă largă. Vă permite să transferați informații cu o viteză de până la 40 Mbps în direcția de la stația de bază la echipamentul abonatului. Cu toate acestea, MIMO în 802.16e este considerat o opțiune și este utilizat în cea mai simplă configurație - 2x2. În următoarea ediție, 802.16m MIMO este considerată o tehnologie obligatorie, cu o posibilă configurație 4x4. În acest caz, WiMAX poate fi deja atribuit sistemelor de comunicații celulare, și anume a patra generație a acestora (datorită ratei mari de transfer de date), deoarece are o serie de caracteristici inerente rețelelor celulare: roaming, handover, conexiuni vocale. În cazul utilizării mobile, teoretic se pot atinge 100 Mbps. În versiunea fixă, viteza poate ajunge la 1 Gbps.
De cel mai mare interes este utilizarea tehnologiei MIMO în sistemele de comunicații celulare. Această tehnologie și-a găsit aplicația încă de la a treia generație de sisteme de comunicații celulare. De exemplu, în standardul UMTS, în Rel. 6, este folosit împreună cu tehnologia HSPA cu suport pentru viteze de până la 20 Mbps, iar în Rel. 7 - cu HSPA+, unde ratele de transfer de date ajung la 40 Mbps. Cu toate acestea, MIMO nu a găsit o aplicație largă în sistemele 3G.
Sistemele, și anume LTE, prevăd și utilizarea MIMO în configurații de până la 8x8. Acest lucru, teoretic, poate face posibilă transmiterea datelor de la stația de bază către abonat la peste 300 Mbps. De asemenea, un punct pozitiv important este calitatea stabilă a conexiunii chiar și la marginea fagurelui. În acest caz, chiar și la o distanță considerabilă de stația de bază, sau atunci când vă aflați într-o cameră îndepărtată, se va observa doar o ușoară scădere a ratei de transfer de date.
Astfel, tehnologia MIMO își găsește aplicație în aproape toate sistemele de transmisie de date fără fir. Și potențialul său nu a fost epuizat. Sunt deja dezvoltate noi opțiuni de configurare a antenei, până la 64x64 MIMO. Acest lucru va face posibilă obținerea unor rate de date și mai mari, capacitatea rețelei și eficiența spectrală în viitor.
Pentru a înțelege mai bine principiul de funcționare a unei antene MIMO, să ne imaginăm următoarea situație: stația de bază (BS) a operatorului de rețea mobilă și modemul au devenit două puncte geografice A și B, o anumită cale a fost așezată între aceste obiecte, oamenii care se deplasează pe această cale personifică informația, A - aceasta este antena ta de recepție, B este BS a operatorului celular. Oamenii se deplasează dintr-un punct în altul cu ajutorul unui tren cu o capacitate de 100 de persoane. Dar sunt mult mai mulți oameni care doresc să ajungă din punctul B în punctul A. Prin urmare, se construiește o a doua cale și se lansează un nou tren, a cărui capacitate este tot de 100 de persoane. Astfel, performanța și eficiența a două trenuri este de 2 ori mai mare.
Cea mai recentă tehnologie MIMO funcționează în același mod. (Eng. Intrări multiple Ieșiri multiple), vă permite să primiți mai multe fluxuri în același timp. Pentru aceasta, sunt utilizate diferite polarizări ale semnalului, de exemplu, orizontală și verticală - 2x2. Anterior, pentru a primi mai multe informații, adică mai multe stream-uri, ar fi necesară achiziționarea a două antene simple.
 |
 |
Astăzi, este suficient să cumpărați o singură antenă MIMO. O antenă MIMO îmbunătățită conține două seturi de elemente radiante, așa-numitele patch-uri, într-o singură carcasă, fiecare dintre acestea fiind conectată la o priză separată. A doua versiune a dispozitivului: există un set de patch-uri și sursă de alimentare pentru două porturi, ceea ce permite patch-ului să funcționeze în două direcții: orizontală și verticală. În acest caz, la cele două mufe este atașat un singur set de petice. Este a doua varianta (cu doua presetupe) pe care o gasiti in sortimentul firmei noastre.
Dar cum se conectează 2 cabluri care ies din antena trecută la un modem? Totul este foarte simplu. Astăzi, nu doar antenele acceptă această funcție, ci și modemurile. Există modemuri cu 2 intrări pentru conectarea antenelor externe, precum larg răspândit Huawei.
Beneficiile tehnologiei MIMO
Principalele avantaje includ capacitatea de a îmbunătăți debitul fără a extinde lățimea de bandă. Deci, dispozitivul distribuie simultan mai multe fluxuri de informații pe un singur canal.
Calitatea semnalului transmis și rata de transfer de date sunt din ce în ce mai bune. Pentru că tehnologia mai întâi codifică datele, apoi le restaurează pe partea de recepție.
Viteza de transmisie a semnalului este mai mult decât dublată.
Mulți alți parametri de viteză sunt, de asemenea, măriți datorită utilizării a două cabluri independente, prin care informațiile sunt distribuite și recepționate simultan sub forma unui flux digital. Calitatea spectrului următoarelor sisteme este îmbunătățită: 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, datorită utilizării a două intrări și două ieșiri.
Domeniul de aplicare al antenelor MIMO
Cel mai adesea, tehnologia MIMO este folosită pentru a transmite date folosind un protocol precum WiFi. Acest lucru se datorează debitului și capacității crescute. De exemplu, să luăm protocolul 802.11n, în care, folosind tehnologia descrisă, puteți atinge viteze de până la 350 Mbps. Calitatea transmisiei datelor s-a îmbunătățit și ea, chiar și în zonele în care semnalul de recepție este scăzut. Un exemplu de punct de acces exterior cu antenă MIMO este binecunoscutul.
Rețeaua WiMAX, atunci când folosește MIMO, poate acum difuza informații la viteze de până la 40 Mbps.
Utilizează tehnologia MIMO până la 8x8. Datorită acestui fapt, se obține o viteză mare de transmisie - mai mult de 35 Mbps. În plus, este asigurată o conexiune fiabilă și de înaltă calitate, de o calitate excelentă.
Se lucrează în mod constant pentru îmbunătățirea și îmbunătățirea configurațiilor tehnologiei. În viitorul apropiat, acest lucru va îmbunătăți performanța spectrului, va îmbunătăți capacitatea rețelei și va accelera ratele de transfer de date.
O abordare pentru a crește ratele de date pentru 802.11 WiFi și 802.16 WiMAX este utilizarea sistemelor wireless cu mai multe antene atât pentru transmițător, cât și pentru receptor. Această abordare se numește MIMO (traducere literală - „multiple input multiple output”) sau „sisteme de antenă inteligente” (sisteme de antenă inteligente). Tehnologia MIMO joacă un rol important în implementarea standardului WiFi 802.11n.
Tehnologia MIMO folosește mai multe tipuri diferite de antene reglate pe același canal. Fiecare antenă transmite un semnal cu caracteristici spațiale diferite. Astfel, tehnologia MIMO folosește spectrul radio mai eficient și fără a sacrifica fiabilitatea operațională. Fiecare receptor wi-fi „ascultă” toate semnalele de la fiecare transmițător wi-fi, ceea ce vă permite să diversificați căile de transmisie a datelor. În acest fel, mai multe căi pot fi recombinate, rezultând amplificarea semnalelor dorite în rețelele fără fir.
Un alt avantaj al tehnologiei MIMO este că această tehnologie oferă Spatial Division Multiplexing (SDM). SDM multiplexează spațial mai multe fluxuri de date independente simultan (canale virtuale, în principal) într-o lățime de bandă spectrală a unui singur canal. În esență, mai multe antene transmit diferite fluxuri de date codificate individual (fluxuri spațiale). Aceste fluxuri, care se deplasează în paralel prin aer, „împing” mai multe date printr-un anumit canal. La receptor, fiecare antenă vede diferite combinații de fluxuri de semnal, iar receptorul „demultiplexează” aceste fluxuri pentru utilizarea lor. MIMO SDM poate crește semnificativ debitul pentru transmisia de date dacă numărul de fluxuri de date spațiale este crescut. Fiecare flux spațial are nevoie de propriile perechi de antene de transmisie/recepție (TX/RX) la fiecare capăt al transmisiei. Funcționarea sistemului este prezentată în Fig. 1
De asemenea, trebuie înțeles că tehnologia MIMO necesită un circuit RF separat și un convertor analog-digital (ADC) pentru fiecare antenă. Implementările care necesită mai mult de două antene într-un circuit trebuie proiectate cu atenție pentru a menține costurile scăzute, menținând în același timp un nivel adecvat de eficiență.
Un instrument important pentru creșterea vitezei fizice de transmisie a datelor în rețelele fără fir este extinderea lățimii de bandă a canalelor spectrale. Prin utilizarea lățimii de bandă mai largă a canalului Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), transmisia de date este realizată la performanță maximă. OFDM este o modulație digitală care s-a dovedit a fi un instrument pentru implementarea transmisiei de date fără fir bidirecționale de mare viteză în rețelele WiMAX / WiFi. Metoda de extindere a capacității canalului este rentabilă și destul de ușor de implementat cu o creștere moderată a procesării semnalelor digitale (DSP). Când este aplicat corect, este posibilă dublarea lățimii de bandă a standardului Wi-Fi 802.11 de la un canal de 20 MHz la un canal de 40 MHz și mai mult decât dublul lățimii de bandă a canalelor utilizate în prezent. Prin combinarea arhitecturii MIMO cu o lățime de bandă mai mare a canalului, se obține o abordare foarte puternică și rentabilă pentru a crește rata de transmisie fizică.
Utilizarea tehnologiei MIMO cu canale de 20 MHz este costisitoare pentru a îndeplini standardul WiFi IEEE 802.11n (debit de 100 Mbps pe MAC SAP). De asemenea, pentru a îndeplini aceste cerințe atunci când utilizați un canal de 20 MHz, veți avea nevoie de cel puțin trei antene, atât pe emițător, cât și pe receptor. Dar, în același timp, funcționarea la 20 MHz oferă performanțe fiabile pentru aplicațiile care necesită lățime de bandă mare într-un mediu de utilizator real.
Utilizarea combinată a tehnologiilor MIMO și extinderea canalului îndeplinește toate cerințele utilizatorului și este un tandem destul de fiabil. Acest lucru este valabil și atunci când utilizați mai multe aplicații de rețea care consumă mult resurse în același timp. Combinația dintre MIMO și extensia de canal de 40 MHz va îndeplini, de asemenea, cerințe mai complexe, cum ar fi Legea lui Moore și implementarea tehnologiei CMOS pentru a îmbunătăți tehnologia DSP.
La utilizarea unui canal extins de 40 MHz în banda de 2,4 GHz, inițial au existat dificultăți în ceea ce privește compatibilitatea cu echipamentele bazate pe standardele WiFi 802.11a / b / g, precum și cu echipamentele care utilizează tehnologia Bluetooth pentru transmiterea datelor.
Pentru a rezolva această problemă, standardul Wi-Fi 802.11n oferă o serie de soluții. Un astfel de mecanism special conceput pentru a proteja rețelele este așa-numitul mod dual non-high throughput (non-HT). Înainte de a utiliza protocolul de date WiFi 802.11n, acest mecanism trimite câte un pachet la fiecare jumătate a canalului de 40 MHz pentru a anunța o rețea Distribution Vector (NAV). Urmând mesajul NAV în mod duplicat non-HT, protocolul de transfer de date 802.11n poate fi utilizat pentru timpul specificat în mesaj, fără a compromite moștenirea (integritatea) rețelei.
Un alt mecanism este un fel de semnalizare și împiedică rețelele wireless să răspândească canalul dincolo de 40 MHz. De exemplu, un laptop are instalate module 802.11n și Bluetooth, acest mecanism este conștient de posibilitatea unei potențiale interferențe atunci când aceste două module funcționează simultan și dezactivează transmisia pe canalul de 40 MHz al unuia dintre module.
Aceste mecanisme asigură că 802.11n WiFi va funcționa cu rețelele de standarde 802.11 anterioare fără a fi necesară migrarea întregii rețele la echipamente 802.11n.
Puteți vedea un exemplu de utilizare a sistemului MIMO în Fig. 2
Dacă aveți întrebări după citire, le puteți adresa prin intermediul formularului de trimitere a mesajelor din secțiune
