+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Что такое MIMO и зачем оно нужно?

Итак, вы только что купили или только собираетесь новый беспроводной модем, и у него есть два порта для подключения вашей антенны, и вы, вероятно, задаетесь вопросом, какой использовать, и зачем вам два?

Как это было

Все мы привыкли, что мобильная связь и радиопередачи используют одну антенну. Одна антенна побольше, на огромной вышке передает сигнал и одна антенна поменьше уже у вас в руках или на крыше автомобиля, например, принимает это сигнал, они точно так же работают и в обратную сторону. Антенна, которая на вышке, в свою очередь, ретранслирует сигнал в пункт назначения, адресату которому вы звонили в случае с телефоном, или же принимает сигнал с радиостанции в случае с радио.

Эта технология проста и эффективна для передачи телефонного звонка.

Однако спрос на быстрый интернет растет, пропорционально росту людей, обучившихся использованию интернета и гаджетов, соответственно пропускную способность нужно тоже улучшать, иначе это приведет к неизбежному ухудшению связи. (По аналогии с пробкой в часы пик на трассах в городе) Это не касается радио, потому что каждый клиент только принимает сигнал, соответственно увеличение числа реципиентов никак не влияет на качество, но напрямую зависит на телефонную связь и интернет.

Если вы пользовались 3G-интернетом в течение нескольких лет, вы, вероятно, заметили, что заявленные максимальные скорости быстро растут. Начиная примерно с 3,6 Мбит/с для первой серии «широкополосных» широкополосных мобильных устройств, до 7,2 Мбит/с в 2007 г., до 21 Мбит/с в 2008 г., до 42 Мбит/с вскоре после этого, и теперь до 100 Мбит/с с введением 4G в конце 2011 г. С 5G стучится в нашу дверь, есть Некоторые считают, что новое поколение может увеличить скорость до 4 раз с 4G.

Так как же увеличить скорость?

Увеличение скорости — непростое дело — теоретически самый большой фактор, ограничивающий скорость, — это пропускная способность.

Каждой телефонной башне присваивается общая ширина частот, на которых она может передаваться, и каждому подключенному человеку выделяется небольшой канал определенной ширины. Это означает, что каждая башня имеет ограниченное число клиентов, которые она может обслуживать, прежде чем она станет перегруженной.

Можно попробовать увеличить скорость – увеличив канал для каждого клиента – это значительно уменьшит количество людей, которое эта вышка сможет обслуживать в одну единицу времени. Увеличит скорость, но уменьшит пропускную способность, соответственно по такому плану надо значительно увеличивать количество вышек. Это работает в городской среде, но не выгодно загородом. Слишком дорого.

Скорость также ограничена отношением сигнал/шум (SNR), для улучшения этого мы можем увеличить мощность (или громкость) передачи, чтобы телефонная вышка могла «лучше слышать» нас, но это приводит к уменьшение дальности действия.

После того, как мы снизили все характеристики, которые мы можем получить от передачи от антенны к антенне, мы должны подойти к проблеме по-другому.

Вот где MIMO начинает играть — если мы не можем улучшить воздушную передачу, почему бы не увеличить количество антенн?

MIMO – это акроним Multiple-In, Multiple-Out, что переводится как «множественный вход, множественный выход».


Нам нужно больше антенн!

Используя несколько антенн, мы можем забыть о трудностях передачи по воздуху и вместо этого возложить нагрузку на оборудование обработки сигналов в вашем модеме.

Поскольку все антенны передают на одинаковых частотах, от телефонной вышки не требуется дополнительная полоса пропускания для каждого пользователя.

Данные сначала разделяют на несколько потоков, а потом собираются в точке приема. Приемник спроектирован так, чтобы учитывать небольшую разницу во времени между приемами каждого сигнала, а также дополнительные шумы или помехи и даже потерянные сигналы.

Важно знать, что MIMO включается и выключается модемом.

Решение о том, использовать ли MIMO, согласовывается с вышкой сотовой связи, в результате чего оценивается качество принятых и передаваемых сигналов (показатель, известный как CQI).

Когда уровень или качество сигнала низкое, модему сложно различить два потока данных, поэтому, когда уровни сигнала падают ниже определенного порогового уровня, MIMO выключается, и модем работает только с одной антенной.

Выводы

Из всего выше сказанного можно сделать вывод что MIMO – это технология улучшения передачи и приема сигнала, путем использования нескольких антенн. Это не означает, что нужно покупать две одинаковых антенны таким образом имитировать MIMO, это так не работает. Есть специальные антенны, которые уже «заточены» под данную технологию. Список антенн с MIMO в наших магазинах. Но тут важно понимать, что хоть потенциально MIMO может дать быстрее скорость, оно несет и большие расходы, т.к. обычно такие антенны чуть дороже обычных аналогов, а также необходимо покупать не одну кабельную сборку, а две (исключение антенны в которых модем находится в самой антенне). А также сам MIMO может по итогу не работать по причине упомянутой в тексте выше.

 

Статья имеет ознакомительный характер и не претендует на истину в научном плане, некоторые понятия могли быть упрощены или искажены для упрощения понимания читателем.

Технология MiMo : а надо ли? — Полезное

 

MiMo – сокращение от английского Multiple Input Multiple Output,  что дословно можно перевести как множественный ввод множественный вывод… Это наводит на мысль о том, что для приема и передачи используется несколько физических каналов ввода-вывода (применительно к радиосвязи – антенн)

Итак , к примеру, имеем 3 антенны на приеме и 3 на передаче, в случае если исключено взаимное влияние антенн друг на друга, каждая пара антенн организует свой канал связи и общая пропускная способность линии передачи увеличивается в 3 раза в сравнении с отдельно взятой парой антенн.

 

Чем это полезно для обычного пользователя?

 

Из теории нам известно, что для увеличения пропускной способности( скорости интернета) в 2 раза , 2 антенны должно быть как на приемной так и на передающей стороне.  Предположим Вы купили антенну для модема с технологией MiMo, но как узнать использует ли сотовый оператор 2 антенны на своей стороне? Практически ни как…. . Есть несколько видов MiMo технологии применяемой сотовыми операторами при работе, в каждом конкретном случае выбор того или иного режими MiMo осуществляется непосредственно перед установкой канала связи с абонентом. Другими словами  использование этой технологии провайдером зависит от уровня приема сигнала, загруженности сети, плотности помех и т.д. В том или ином случае второй канал может использоваться как для увеличения скорости, так и для повышения стабильности работы сети.   Подробно о теоретической части применения этих технологий в LTE можно посмотреть в видео:

 

https://www.youtube.com/watch?v=I2ch6rY6DJA

 

На практике же  в зонах уверенного приема  MiMo  антенны  не показывают ни какого прироста скорости в сравнении со своими одновходовыми собратьями или же этот прирост в районе 10-20%.

 

Иначе дело обстоит, если сигнал от базовой станции сотового оператора слабый . В  большинстве MiMo антенн для усиления 3G-4G сигнала используется пространственное разнесение каналов связи, те ведется отдельный прием вертикальной и горизонтальной поляризаций и это положительно сказывается на стабильности канала связи в целом, т.

к.  в зонах неуверенного приема уровень сигнала может значительно плавать из за наличия препятствий, помех и интерференции сигнала . А работа с двумя поляризациями одновременно дает более стабильный результирующий прием.

 

Подведем итог: Работа модема с МиМо антенной будет всегда более стабильная за счет приема сигнала в 2х поляризациях, но не всегда прирост скорости будет пропорционален стоимости  в сравнении с обычной антенной, особенно в зонах уверенного покрытия сотовой связью.

Антенны MIMO 3G/4G/LTE для усиления сигнала

Для самостоятельной установки рекомендуем рассматривать прежде всего панельные антенны 3G/4G. Этот тип устройств не требует каких-либо профессиональных навыков монтажа и специального оборудования для юстировки. Такие антенны есть в ассортименте всех основных российских производителей усиливающего оборудования.

Основным параметром, по которому следует выбирать антенну – это коэффициент усиления. Если базовая станция оператора находится недалеко от вашего дома, и прием сигнала на улице хороший, то можно использовать направленную антенну с усилением 9-12 дБ. Когда базовая станция удалена на 3-5 км, подойдет антенна 15-17 Дб. Для адресов, находящихся на границе зон обслуживания сетей 4G/LTE понадобится антенна с усилением 20 дБ. Если же вышка расположена далее 15 км, то здесь необходимо воспользоваться параболической антенной 24 – 27 дБ.

Другим важным критерием при выборе является конструкция антенны. На рынке распространены 2 основных вида устройств: с подключением модема через радиочастотный (коаксиальный) кабель и с гермобоксом и подключением по витой паре.

Первый тип антенн дешевле, но требует приобретения кабеля. При прохождении сигнала по кабельной трассе 5-10 метров при работе антенны будут возникать потери сигнала, как следствие – снижение скорости до 30%. При этом с точки зрения эксплуатации подобные антенны могут показаться непрофессионалам более удобными, так как замена сим-карты в комплекте оборудования производится внутри помещения, не нужно добираться до самой антенны (расположенной на крыше или на стене) для смены оператора связи.

Второй тип антенн дороже, так как они обычно укомплектованы уличным кабелем «витая пара» с разъемом USB. Модем размещается в герметичном боксе и подключается непосредственно к принимающей панели антенны. Такая технология позволяет полностью исключить потери сигнала при его передачи антенны к роутеру, что позволяет добиться более высокой и стабильной скорости интернета. Такая антенна не подойдет, если планируется частая смена сим-карт в комплекте, а возможности лазить на крышу к антенне – нет.

Что такое MIMO антенна? — 3G-aerial

Мы с вами живем в эпоху цифровой революции, уважаемый аноним. Не успели мы привыкнуть к какой-то новой технологии, нам уже со всех сторон предлагают еще более новую и продвинутую. И пока мы томимся размышлениями, действительно ли эта технология реально поможет нам получить более быстрый интернет или нас просто очередной раз разводят на деньги, конструкторы в это время разрабатывают еще более новую технологию, которую нам предложат взамен текущей уже буквально через 2 года. Это касается и технологии MIMO антенн.

Что же это за технология — MIMO? Multiple Input Multiple Output — множественный вход множественный выход. Прежде всего, технология MIMO является комплексным решением и касается не только антенн. Для лучшего понимания этого факта стоит совершить небольшой экскурс в историю развития мобильной связи. Перед разработчиками стоит задача передать больший объем информации в единицу времени, т.е. увеличить скорость. По аналогии с водопроводом — доставить пользователю больший объем воды в единицу времени. Мы можем сделать это увеличив «диаметр трубы», или, по аналогии, — расширив полосу частот связи. Первоначально стандарт GSM был заточен под голосовой трафик и имел ширину канала равную 0.2 МГц. Это было вполне достаточно. Кроме того есть проблема обеспечения многопользовательского доступа. Ее можно решить разделив абонентов по частоте (FDMA) или по времени (TDMA). В GSM применяются оба способа одновременно. В итоге мы имеем баланс между максимально возможным количеством абонентов в сети и минимально возможной полосой для голосового трафика. С развитием мобильного интернета эта минимальная полоса стала полосой препятствия для увеличения скорости. Две технологии основанные на платформе GSM — GPRS и EDGE достигли предельной скорости 384 кБит/с. Для дальнейшего увеличения скорости необходимо было расширить полосу для интернет трафика одновременно по возможности используя инфраструктуру GSM. В результате был разработан стандарт UMTS. Основным отличием здесь является расширение полосы сразу до 5 МГц, а для обеспечения многопользовательского доступа — применение технологии кодового доступа CDMA, при котором несколько абонентов одновременно работают в одном частотном канале. Такую технологию назвали W-CDMA, подчеркивая этим, что она работает в широкой полосе. Эта система была названа системой третьего поколения — 3G, но при этом она является надстройкой над GSM. Итак, мы получили широкую «трубу» в 5МГц, что позволило первоначально увеличить скорость до 2 МБит/с.

Как еще можно увеличить скорость, если у нас нет возможности дальше увеличивать «диаметр трубы»? Мы можем распараллелить поток на несколько частей, пустить каждую часть по отдельной небольшой трубе и затем сложить эти отдельные потоки на приемной стороне в один широкий поток. Кроме того, скорость зависит от вероятности ошибок в канале. Уменьшая эту вероятность путем избыточного кодирования, упреждающей коррекции ошибок, применения более совершенных способов модуляции радиосигнала, мы также можем увеличить скорость. Все эти наработки (совместно с расширением «трубы» путем увеличения числа несущих на канал) последовательно применялись в дальнейшем усовершенствовании стандарта UMTS и получили наименование HSPA. Это не замена для W-CDMA, а soft+hard upgrade этой основной платформы.

Разработкой стандартов для 3G занимается международный консорциум 3GPP. В таблицу сведены некоторые особенности разных релизов этого стандарта:

3G HSPA скорость & главные технологические особенности
3GPP релизТехнологииСкорость Downlink (MBPS)Скорость Uplink (MBPS)
Rel 6 HSPA 14.4 5.7
Rel 7 HSPA+
5 MHz, 2×2 MIMO downlink
28 11
Rel 8 DC-HSPA+
2×5 MHz, 2×2 MIMO downlink
42 11
Rel 9 DC-HSPA+
2×5 MHz, 2×2 MIMO downlink,
2×5 MHz uplink
84 23
Rel 10 MC-HSPA+
4×5 MHz, 2×2 MIMO downlink,
2×5 MHz uplink
168 23
Rel 11 MC-HSPA+
8×5 MHz 2×2/4×4 MIMO downlink,
2×5 MHz 2×2 MIMO uplink
336 — 672 70

Технология 4G LTE, помимо обратной совместимости с 3G сетями, что позволило ей одержать верх над WiMAX, способна в перспективе развить еще большие скорости, до 1Гбит/с и выше. Здесь применяются еще более продвинутые технологии переноса цифрового потока в радиоинтерфейс, например OFDM модуляция, которая очень хорошо интегрируется с MIMO технологией.


 Итак, что же такое MIMO? Распараллелив поток на несколько каналов можно пустить их разными путями через несколько антенн «по воздуху», и принять их такими же независимыми антеннами на приемной стороне. Таким образом мы получаем несколько независимых «труб» по радиоинтерфейсу не расширяя полосы. Это основная идея MIMO. При распространении радиоволн в радиоканале наблюдаются селективные замирания. Это особенно заметно в условиях плотной городской застройки, если абонент находится в движении или на краю зоны обслуживания соты. Замирания в каждой пространственной «трубе» происходят не одновременно. Поэтому если мы передадим по двум каналам MIMO одну и ту же информацию с небольшой задержкой, предварительно наложив на нее специальный код (метод Аламуоти, наложение кода в виде магического квадрата), мы можем восстановить потерянные символы на приемной стороне, что эквивалентно улучшению отношения сигнал/шум до 10-12 дБ. В итоге такая технология опять же приводит к возрастанию скорости. По сути это давно известный разнесенный прием (Rx Diversity) органично встроенный в MIMO технологию.

В конечном счете, мы должны понимать, что MIMO должно поддерживаться как на базе, так и у нашего модема. Обычно в 4G число каналов MIMO кратно двум — 2, 4, 8 (в Wi-Fi системах получила распространение трехканальная система 3×3) и рекомендуется, чтобы их число совпадало и на базе и на модеме. Поэтому для фиксации этого факта MIMO определяют с каналами прием∗передача — 2×2 MIMO, 4×4 MIMO и т.д. Пока в настоящее время мы имеем дело преимущественно с 2×2 MIMO.

Какие антенны применяются в технологии MIMO? Это обычные антенны, просто их должно быть две (для 2×2 MIMO). Для разделения каналов применяется ортогональная, так называемая X-поляризация. При этом поляризация каждой антенны относительно вертикали сдвинута на 45°, а относительно друг друга — 90°. Такой угол поляризации ставит оба канала в равные условия, поскольку при горизонтально/вертикальной ориентации антенн один из каналов неизбежно получил бы большее затухание из-за влияния земной поверхности. При этом 90° сдвиг поляризации между антеннами позволяет развязать каналы между собой не менее чем на 18-20 дБ.

Для MIMO нам с вами потребуется модем с двумя антенными входами и две антенны на крыше. Однако остается открытым вопрос поддерживается ли эта технология на базовой станции. В стандартах 4G LTE и WiMAX такая поддержка есть как на стороне абонентских устройств, так и на базе. В 3G сети не все так однозначно. В сети уже работают тысячи устройств не поддерживающих MIMO, для которых внедрение этой технологии приносит обратный эффект — пропускная способность сети понижается. Поэтому операторы пока не спешат повсеместно внедрять MIMO в 3G сетях. Чтобы база могла предоставить абонентам высокую скорость она сама должна иметь хороший транспорт, т.е. к ней должна быть подведена «толстая труба», желательно оптиковолокно, что тоже не всегда имеет место. Поэтому в 3G сетях технология MIMO в настоящий момент находится в стадии становления и развития, проходит тестирование как операторами, так и пользователями, причем последними не всегда успешно. Поэтому возлагать надежды на MIMO антенны стоит только в 4G сетях. На краю зоны обслуживания соты можно применять антенны с большим усилением, например зеркальные, для которых уже есть в продаже MIMO облучатели

 

 В сетях Wi-Fi технология MIMO зафиксирована в стандартах IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac и поддерживается уже многими устройствами. Пока мы наблюдаем приход в 3G-4G сети технологии 2×2 MIMO, разработчики не сидят на месте. Уже сейчас разрабатываются технологии 64×64 MIMO с умными антеннами имеющими адаптивную диаграмму направленности. Т.е. если мы пересядем с дивана на кресло или уйдем на кухню, наш планшет заметит это и развернет диаграмму направленности встроенной антенны в нужном направлении. Нужен ли кому-то будет этот сайт в то время?

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Мой мир

 

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.

Что такое MIMO

Что такое MIMO?

Вы наверное заметили, что новые беспроводные широкополосные USB модемы по какой-то причине на заводе устанавливают два порта для подключения наружной антенны. Какой из этих коннекторов мы будем использовать? Для каких целей их два?

Мобильная трансляция цифрового потока LTE данных относится к новым разработкам в сфере 4G технологий. Проанализировав 3G сеть, мы видим, что скорость передачи данных в 11 раз меньше, чем для 4G сетей. Но очень часто скорость, как получения от базовой станции, так и трансляции на неё данных LTE плохого качества. Связано это с нехваткой мощности или низкого уровня сигнала, который получает модем 4G LTE от сотовой вышки. Для существенного улучшения качества сигнала применяют специальные антенны 4G MIMO.

Представьте, что информация — это люди, а USB модем и базовая станция сотового оператора — два города между которыми проложен один путь, а антенна это вокзал. Перевозить людей будем на поезде, который, может перевезти не больше ста человек за один раз. Пропускная способность между такими городами будет ограничена в сто человек за один раз.

Как увеличить пропускную способность между городами?

Что-бы одновременно 200 человек смогли прибыть в другой город, между городами строят второй путь и запускают второй поезд одновременно с первым, тем самым увеличивая поток людей ровно в два раза. Точно также работает и MIMO технология, по сути мы просто удваиваем количество потоков. Количество потоков определяет стандарт MIMO, два потока — MIMO 2×2, четыре потока — MIMO 4×4 и т. д. Для передачи данных по сети интернет сегодня, как правило, используется стандарт MIMO 2×2. Чтобы принимать двойной поток одновременно потребуется две обычных антенны или для экономии средств одна MIMO антенна, как если бы это был один вокзал с двумя платформами. То есть, MIMO антенна — это две антенны внутри одной.

Именно по этой причине на современных 4G LTE модемах мы можем наблюдать два разъёма для подключения такой MIMO антенны.

В стандарте 4G (LTE) возможно применение MIMO с конфигурацией до 8×8.

Еще одним привлекательным моментом от применения MIMO является качественное и устойчивое соединение, наблюдаемое даже на границе действия соты. Это означает, что даже на существенном расстоянии от станции, а также при расположении в помещении с толстыми стенами, будет замечено только небольшое снижение скоростных характеристик.

Неустанно ищут пути по разработке новых конфигураций MIMO антенн, например, до 64×64. В недалеком будущем это даст возможность еще больше улучшить эффективность спектральных показателей, увеличить ёмкость сетей и величину скорости транслирования информации.

С поддержкой mu mimo. MIMO антенна

Существующие сети мобильной связи используются не только для осуществления звонков и передачи сообщений. Благодаря цифровому методу передачи, с помощью существующих сетей возможна также передача данных. Данные технологии, в зависимости от уровня развития, обозначаются 3G и 4G. Технологию 4G поддерживает стандарт LTE. Скорость передачи данных зависит от некоторых особенностей сети (определяется оператором), достигая теоретически до 2 Мб/с для сети 3G и до 1 Гб/с для сети 4G. Все указанные технологии работают эффективнее при наличии сильного и стабильного сигнала. Для этих целей большинство модемов предусматривает подключение внешних антенн.

Панельная антенна

В продаже можно встретить различные варианты антенн для улучшения качества приема. Большой популярностью пользуется панельная антенна 3G. Коэффициент усиления подобной антенны составляет около 12 дБ в диапазоне частот 1900-2200 МГц. Подобный тип устройств способен также улучшить качество сигнала 2G – GPRS и EDGE.

Как и подавляющее большинство других пассивных устройств, она имеет одностороннюю направленность, что вместе с увеличением принимаемого сигнала позволяет снизить уровень помех с боковых направлений и сзади. Таким образом, даже в условиях неустойчивого приема можно поднять уровень сигнала до приемлемых значений, тем самым увеличивая скорость приема и передачи информации.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

Поскольку рабочий диапазон сетей 4G практически совпадает с диапазоном предыдущего поколения, то не возникает никаких сложностей в использовании данных антенн в сетях 3G 4G LTE. Для любой из технологий применение антенн позволяет более приблизить скорости передачи данных к максимальным значениям.

Еще более увеличить скорости приема и передачи данных позволила новая технология, использующая раздельные приемники и передатчики в одной полосе частот. Конструкция существующего 4G модема предусматривает использование технологии MIMO.

Несомненное достоинство панельных антенн – их невысокая стоимость и исключительная надежность. В конструкции практически нет ничего, что может поломаться даже при падении с большой высоты. Единственное слабое место – высокочастотный кабель, который может переломиться в месте ввода в корпус. Для того чтобы продлить срок службы устройства, кабель должен быть надежно закреплен.

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности канала связи между приемником и передатчиком данных разработан метод обработки сигнала, когда прием и передача ведутся на различные антенны.

Обратите внимание! Применяя антенны LTE MIMO, можно увеличить пропускную способность на 20-30% относительно работы с простой антенной.

Основной принцип заключен в устранении взаимосвязи между антеннами.

Электромагнитные волны могут иметь различное направление относительно плоскости земли. Это носит название поляризации. В основном используется вертикально и горизонтально поляризованные антенны. Для исключения взаимного влияния между собой антенны отличаются друг от друга поляризацией на угол 90 гр. Чтобы влияние земной поверхности было одинаково для обеих антенн, плоскости поляризации каждой смещают на 45 гр. относительно земли. Таким образом, если одна из антенн имеет угол поляризации 45 гр., то другая, соответственно, 45 гр. Относительно друг друга смещение составляет необходимые 90 гр.

На рисунке наглядно видно, как развернуты антенны относительно друг друга и относительно земли.

Важно! Поляризация антенн должна быть такой же, как и на базовой станции.

Если для технологий 4G LTE поддержка MIMO по умолчанию имеется на базовой станции, то для 3G в связи с большим количеством устройств без MIMO, операторы не спешат внедрять новые технологии. Дело в том, что в сети MIMO 3G устройства будут работать гораздо медленнее.

Установка антенн для модема своими руками

Правила установки антенн не отличаются от обычных. Главное условие – отсутствие препятствий между клиентской и базовой станциями. Растущее дерево, крыша соседнего здания или, что еще хуже, линия электропередач, служат надежными экранами для электромагнитных волн. И чем выше частота сигнала, тем большее затухание будут вносить расположенные на пути распространения радиоволн препятствия.

В зависимости от типа крепления антенны можно устанавливать на стене здания или закреплять на мачте. Есть два вида антенн MIMO :

  • моноблочные;
  • разнесенные.

Моноблочные уже содержат внутри две конструкции, установленные с необходимой поляризацией, а разнесенные – состоят из двух антенн, которые нужно крепить отдельно, каждая из них должна быть направлена точно на базовую станцию.

Все нюансы установки антенны MIMO своими руками четко и подробно описаны в сопроводительной документации, но лучше предварительно проконсультироваться с провайдером или пригласить представителя для установки, заплатив не очень большую сумму, но получив определенную гарантию на произведенные работы.

Как сделать антенну самостоятельно

Принципиальных сложностей при самостоятельном изготовлении нет. Нужны навыки работы с металлом, умение держать в руках паяльник, желание и аккуратность.

Непременное условие – строгое соблюдение геометрических размеров всех, без исключения, составляющих частей. Геометрические размеры высокочастотных устройств должны быть соблюдены с точностью до миллиметра и точнее. Любое отклонение ведет к ухудшению характеристик. Упадет коэффициент усиления, увеличится взаимосвязь между антеннами MIMO. В конечном итоге вместо усиления сигнала буден наблюдаться его ослабление.

К сожалению, в широком доступе отсутствуют точные геометрические размеры. Как исключение, имеющиеся в сети материалы основаны на повторении некоторых заводских конструкций, не всегда скопированных с заданной точностью. Поэтому не стоит возлагать большие надежды на публикуемые в интернете схемы, описания и методики.

С другой стороны, если не требуется сверх сильного усиления, то выполненная самостоятельно, с соблюдением указанных размеров антенна MIMO, все равно даст, хоть и не большой, но положительный эффект.

Стоимость материалов невысока, затраты времени при наличии навыков также не слишком велики. К тому же никто не мешает испытать несколько вариантов и выбрать приемлемый по результатам тестирования.

Для того чтобы сделать MIMO антенну 4G LTE своими руками, нужны два абсолютно ровных листа оцинкованной стали толщиной 0.2-0.5 мм, а лучше одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Один из листов пойдет на изготовление рефлектора (отражателя), а другой – на изготовление активных элементов. Кабель для подключения к модему должен иметь сопротивление 50 Ом (таков стандарт для модемного оборудования).

Телевизионный кабель использовать нельзя по двум причинам:

  • сопротивление 75 Ом вызовет рассогласованность со входами модема;
  • большая толщина.

Также необходимо подобрать разъемы, которые должны в точности соответствовать разъемам на модеме.

Важно! Указанное расстояние между активными элементами и рефлектором должно отсчитываться от слоя фольги в случае использования фольгированного материала.

Кроме того понадобится небольшой отрезок медного провода толщиной 1-1.2 мм.

Изготовленная конструкция должна быть помещена в пластиковый корпус. Металл использовать нельзя, поскольку таким образом антенна будет заключена в электромагнитный экран и работать не будет.

Обратите внимание! Большая часть чертежей относится не к MIMO антеннам, а к панельным. Внешне они отличаются тем, что к простой панельной антенне подводится один кабель, а к MIMO нужно два.

Изготовив две панельные антенны, можно получить разнесенный вариант, выполненной своими руками антенны МИМО 4G.

Подводя итоги, можно сказать, изготовление антенны МИМО своими руками – не очень трудное дело. При надлежащей тщательности вполне возможно получить работоспособное устройство, сэкономив некоторое количество финансов. Несколько проще выполнить антенну 3G своими руками. В отдаленной местности, где еще нет покрытия ЛТЕ, это может быть единственным вариантом повысить скорость соединения.

Видео

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI, сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (), VoD () и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др. , очень часто возникает ситуация когда между (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т. к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т. е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: , голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандарте , в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы , а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

Функции MIMO (Multiple Input – Multiple Output )

Применение технологий MIMO (multiple input – multiple output) решает две задачи:

Увеличение качества связи за счет пространственного временного/ частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

Повышение скорости передачи при применении пространственного мультиплексирования.

Структура MIMO

В различных реализациях MIMO имеется ввиду одновременная передача в одном физическом канале нескольких независимых сообщений. С целью реализации действия MIMO применяют многоантенные системы: на передающей стороне имеется N t передающих антенн, а на приемной стороне N r приемных. Данная структура приведена на рис. 1.

Рис. 1. MIMO структура

Что такое MIMO?

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, при котором передача данных осуществляется с помощью N антенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

История MIMO

История систем MIMO как объекта беспроводной связи пока весьма не продолжительна. Первый патент на использование MIMO-принципа в радиосвязи был зарегистрирован в 1984 году от имени сотрудника Bell Laboratories Джека Винтерса (Jack Winters). Основываясь на его исследованиях, Джек Селз (Jack Salz) из той же компании опубликовал в 1985 году первую статью по MIMO-решениям. Развитие данного направления продолжалось специалистами Bell Laboratories и другими исследователями вплоть до 1995 года. В 1996 году Грэг Ралей (Greg Raleigh) и Джеральд Дж. Фошини (Gerald J. Foschini) предложили новый вариант реализации MIMO-системы, увеличив тем самым ее эффективность. Впоследствии Грэг Ралей, которому присваивают авторство OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование посредством ортогональных несущих) для MIMO, основал компанию Airgo Networks, которая разработала первый MIMO-чипсет под названием True MIMO.

Однако, несмотря на довольно короткий промежуток времени с момента своего появления, MIMO-направление развивается весьма многопланово и включает в себя разнородное семейство методов, которые можно классифицировать по принципу разделения сигналов в приемном устройстве. При этом в MIMO-системах используются как уже вошедшие в практику подходы к разделению сигналов, так и новые. К ним относятся, например, пространственно-временное, пространственно-частотное, пространственно-поляризационное кодирование, а также сверхразрешение по направлению прихода сигнала в приемник. Благодаря обилию подходов к разделению сигналов удалось обеспечить столь долгую разработку стандартов на использование систем MIMO в средствах связи. Однако все разновидности MIMO направлены на достижение одной цели – увеличение пиковой скорости передачи данных в сетях связи за счет улучшения помехоустойчивости.

Простейшая антенна MIMO – это система из двух несимметричных вибраторов (монополей), ориентированных под углом ±45° относительно вертикальной оси (рис.2).

Рис. 2 Простейшая антенна MIMO

Такой угол поляризации позволяет каналам находиться в равных условиях, поскольку при горизонтально-вертикальной ориентации излучателей одна из поляризационных составляющих неизбежно получила бы большее затухание при распространении вдоль земной поверхности. Сигналы, излучаемые независимо каждым монополем, поляризованы взаимно ортогонально с достаточно высокой взаимной развязкой по кросс-поляризационной составляющей (не менее 20 дБ). Аналогичная антенна используется и на приемной стороне. Такой подход позволяет одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, модулированными различным образом. Принцип поляризационного разделения обеспечивает удвоение пропускной способности линии радиосвязи по сравнению со случаем одиночного монополя (в идеальных условиях прямой видимости при идентичной ориентации приемных и передающих антенн). Таким образом, по сути любую систему с двойной поляризацией можно считать системой MIMO.

Дальнейшая эволюция MIMO

К тому моменту, когда технология MIMO была специфицирована в релизе 7, шло активное распространение по миру стандарта . Были попытки совместить сети третьего поколения с технологией MIMO, но широкого распространения не получили. По данным Глобальной Ассоциации Поставщиков Мобильного Оборудования (Global mobile Suppliers Association, GSA) от 04.11.2010 на тот момент из 2776 типов устройств с поддержкой HSPA , представленных на рынке, только 28 моделей поддерживают MIMO. К тому же внедрение MIMO сети с низким проникновением MIMO-терминалов приводит к снижению пропускной способности сети. Компания Nokia разработала технологию для минимизации потерь пропускной способности, но она показала бы свою эффективность только в том случае, когда проникновение MIMO-терминалов составило бы не менее 40% абонентских устройств. Добавляя к выше сказанному, стоит напомнить, что 14 декабря 2009 года состоялся запуск первой в мире мобильной сети на базе технологии LTE , которая позволяла достичь гораздо более высоких скоростей. Исходя из этого видно, что операторы были нацелены на скорейшее развертывание сетей LTE, нежели на модернизацию сетей третьего поколения.

На сегодняшний день можно отметить бурный рост объема трафика в сетях подвижной связи 4 поколения, и чтобы обеспечить необходимую скорость всем своим абонентам, операторам приходится искать различные методы по повышению скорости передачи данных или по повышению эффективности использования частотного ресурса. MIMO же позволяет в имеющейся полосе частот передавать почти в 2 раза больше данных за тот же временной промежуток при варианте 2х2. Если же использовать антенную реализацию 4х4, то, к сожалению, максимальная скорость загрузки информации составит 326 Мбит/с, а не 400 Мбит/с, как предполагает теоретический расчет. Это связано с особенностью передачи через 4 антенны. Каждой антенне выделены определенные ресурсные элементы (РЭ) для передачи опорных символов. Они необходимы для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. Расположение этих РЭ изображено на рис. 3. Передающим антеннам присваивают номера логических антенных портов. Символы, помеченные R0 передает порт 0, символы R1 – порт 1 и т.д. В итоге 14,3% от всех РЭ выделено на передачу опорных символов, чем и обусловлено различие теоретической и практических скоростей.

Одно из самых существенных и важных нововведений Wi-Fi за прошедшие 20 лет — технология Multi User — Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). MU-MIMO расширяет функциональность появившегося недавно обновления беспроводного стандарта 802. 11ac «Wave 2». Безусловно, это огромный прорыв для беспроводной связи. Данная технология помогает увеличить максимальную теоретическую скорость беспроводного соединения от 3,47 Гбит/с в оригинальной спецификации стандарта 802.11ac до 6,93 Гбит/с в обновлении стандарта 802.11ac Wave 2. Это одна из самых сложных функциональностей Wi-Fi на сегодняшний день.

Давайте разберемся как это работает!

Технология MU-MIMO повышает планку за счет разрешения нескольким устройствам принимать несколько потоков данных. Она базируется на однопользовательской технологии MIMO (SU-MIMO), которая была представлена почти 10 лет назад со стандартом 802.11n.

SU-MIMO увеличивает скорость Wi-Fi-соединения, позволяя паре беспроводных устройств одновременно принимать или отправлять несколько потоков данных.

Рисунок 1. Технология SU-MIMO предоставляет многоканальные входные и выходные потоки одному устройству в одно и то же время. Технология MU-MIMO обеспечивает одновременную связь с несколькими устройствами.

По сути, революционные изменения для Wi-Fi обеспечивают две технологии. Первая из этих технологий, называемая beamforming, позволяет Wi-Fi-маршрутизаторам и точкам доступа более эффективно использовать радиоканалы. До появления этой технологии Wi-Fi-маршрутизаторы и точки доступа работали как электрические лампочки, посылая сигнал во всех направлениях. Проблема заключалась в том, что несфокусированному сигналу ограниченной мощности трудно добраться до клиентских Wi-Fi-устройств.

С помощью технологии beamforming Wi-Fi-маршрутизатор или точка доступа обменивается с клиентским устройством информацией о своем местоположении. Затем маршрутизатор изменяет свою фазу и мощность для формирования лучшего сигнала. Как результат: более эффективно используются радиосигналы, ускоряется передача данных и, возможно, увеличивается максимальная дистанция соединения.

Возможности beamforming расширяются. До сих пор Wi-Fi-маршрутизаторы или точки доступа были по своей сути однозадачными, посылая или принимая данные только от одного клиентского устройства одновременно. В более ранних версиях семейства стандартов беспроводной передачи данных 802.11, включая стандарт 802.11n и первую версию стандарта 802.11ac, существовала возможность одновременного приема или передачи нескольких потоков данных, но до сих пор не существовало метода, позволяющего Wi-Fi-маршрутизатору или точке доступа в одно и то же время «общаться» сразу с несколькими клиентами. Отныне же с помощью MU-MIMO такая возможность появилась.

Это действительно большой прорыв, так как возможность одновременной передачи данных сразу нескольким клиентским устройствам значительно расширяет доступную полосу пропускания для беспроводных клиентов. Технология MU-MIMO продвигает беспроводные сети от старого способа CSMA-SD, когда в одно и то же время обслуживалось только одно устройство, к системе, где сразу несколько устройств могут одновременно «говорить». Для большей наглядности примера, представьте себе переход от однополосной проселочной дороги к широкой автомагистрали

Сегодня беспроводные маршрутизаторы и точки доступа второго поколения стандарта 802. 11ac Wave 2 активно завоевывают рынок. Каждый, кто разворачивает Wi-Fi понимать специфику работы технологии MU-MIMO. Предлагаем вашему вниманию 13 фактов, которые ускорит ваше обучение в этом направлении.

1. MU-MIMO использует только «Downstream» поток (от точки доступа к мобильному устройству).

В отличие от SU-MIMO, технология MU-MIMO в настоящее время работает только для п ередачи данных от точки доступа к мобильному устройству. Только беспроводные маршрутизаторы или точки доступа могут одновременно передавать данные нескольким пользователям, будь то один или несколько потоков для каждого из них. Сами же беспроводные устройства (такие, как смартфоны, планшеты или ноутбуки) по-прежнему должны по очереди направлять данные к беспроводному маршрутизатору или точке доступа, хотя при этом при наступлении их очереди они по отдельности могут использовать технологию SU-MIMO для передачи нескольких потоков.

Технология MU-MIMO будет особенно полезной в тех сетях, где пользователи больше скачивают данные, чем загружают.

Возможно, в будущем будет реализована версия технологии Wi-Fi: 802.11ax , где метод MU-MIMO будем применим и для «Upstream» трафика.

2. MU-MIMO работает только в Wi-Fi-диапазоне частот 5 ГГц

Технология SU-MIMO работает как в диапазоне частот 2,4 ГГц, так и 5 ГГц. Беспроводные роутеры и точки доступа второго поколения стандарта 802.11ac Wave 2 могут одновременно обслуживать несколько пользователей только на полосе частот 5 ГГц. С одной стороны, конечно, жаль, что на более узкой и более перегруженной полосе частот 2,4 ГГц мы не сможем использовать новую технологию. Но, с другой стороны, на рынке появляется все больше двухдиапазонных беспроводных устройств, поддерживающих технологию MU-MIMO, которые мы можем использовать для разворачивания производительных корпоративных Wi-Fi-сетей.

3. Технология Beamforming помогает направлять сигналы

В литературе СССР можно встретить понятие Фазированная Антенная Решётка, которая была разработана для военных радаров в конце 80-х. Аналогичная технология была применена в современном Wi-Fi. MU-MIMO использует технологию формирования направленного сигнала (в англоязычной технической литературе известной как «beamforming»). Beamfiorming позволяет направлять сигналы в направлении предполагаемого местоположения беспроводного устройства (или устройств), а не посылать их случайным образом во всех направлениях. Таким образом получается сфокусировать сигнал и существенно увеличить дальность действия и скорость работы Wi-Fi-соединения.

Хотя технология beamforming стала опционально доступна еще со стандартом 802.11n, тем ни менее большинство производителей реализовывали свои проприетарные версии этой технологии. Эти вендоры и сейчас предлагают проприетарные реализации технологии в своих устройствах, но теперь им придется включить хотя бы упрощенную и стандартизированную версию технологии формирования направленного сигнала, если они хотят поддерживать технологию MU-MIMO в своей продуктовой линейке стандарта 802.11ac.

4. MU-MIMO поддерживает ограниченное количество одновременных потоков и устройств

К огромному сожалению, маршрутизаторы или точки доступа с реализованной технологией MU-MIMO не могут одновременно обслуживать неограниченное количество потоков и устройств. Маршрутизатор или точка доступа имеют собственное ограничение на число потоков, которые они обслуживают (зачастую это 2, 3 или 4 потока), и это количество пространственных потоков также ограничивает количество устройств, которые точка доступа может одновременно обслужить. Так, точка доступа с поддержкой четырех потоков может одновременно обслуживать четыре различных устройства, либо, к примеру, один поток направить к одному устройству, а три других потока агрегировать на другое устройство (увеличив скорость от объёединения каналов).​

5. От пользовательских устройств не требуется наличие нескольких антенн

Как и в случае с технологией SU-MIMO, только беспроводные устройства со встроенной поддержкой MU-MIMO могут агрегировать потоки (скорость). Но, в отличие от ситуации с технологией SU-MIMO, беспроводным устройствам не обязательно требуется иметь несколько антенн, чтобы принимать MU-MIMO-потоки от беспроводных маршрутизаторов и точек доступа. Если беспроводное устройство оснащено только одной антенной, оно может принять только один MU-MIMO-поток данных от точки доступа, используя beamforming для улучшения приёма.

Большее количество антенн позволит беспроводному пользовательскому устройству принимать большее количество потоков данных одновременно (обычно из расчета один поток на одну антенну), что, безусловно, положительно скажется на производительности этого устройства. Однако, наличие нескольких антенн у пользовательского устройства негативно сказывается на потребляемой мощности и размере этого изделия, что критично для смартфонов.

Однако технология MU-MIMO предъявляет меньшие аппаратные требования к клиентским устройствам, чем обременительная в техническом плане технология SU-MIMO, то можно с уверенностью предположить, что производители гораздо охотнее станут оснащать свои ноутбуки и планшеты поддержкой технологии MU-MIMO.

6. Точки доступа выполняют «тяжелую» обработку

Стремясь к упрощению требований к устройствам конечных пользователей, разработчики технологии MU-MIMO постарались переложить на точки доступа большую часть работы по обработке сигнала. Это еще один шаг вперед по сравнению с технологией SU-MIMO, где бремя по обработке сигнала большей частью лежало на пользовательских устройствах. И опять же, это поможет производителям клиентских устройств экономить на мощности, размере и других затратах при производстве своих продуктовых решений с поддержкой MU-MIMO, что должно весьма позитивно сказаться на популяризации данной технологии.

7. Даже бюджетные устройства получают ощутимую выгоду от одновременной передачи через несколько пространственных поток

Подобно агрегации каналов в сети Ethernet (802.3ad и LACP), объединение потоков 802.1ac не увеличивает скорость соединения «точка-точка». Т.е. если вы единственный пользователь и у Вас запущено только одно приложение — вы задействует только 1 пространственный поток.

Однако существует возможность увеличить общую пропускную способность сети за счет предоставления возможности по обслуживанию точкой доступа нескольких пользовательских устройств одновременно.

Но если все используемые в вашей сети пользовательские устройства поддерживают работу только с одним потоком, то MU-MIMO позволит вашей точке доступа обслуживать одновременно до трех устройств, вместо одного за раз, в то время как другим (более продвинутым) пользовательским устройствам придется ожидать своей очереди.


Рисунок 2​.

8. Некоторые пользовательские устройства имеют скрытую поддержку технологии MU-MIMO

Не смотря на то, что в настоящее время все еще не так много маршрутизаторов, точек доступа или мобильных устройств поддерживают MU-MIMO, в компании-производителе Wi-Fi-чипов утверждают, что часть производителей в своем производственном процессе учла аппаратные требования для поддержки новой технологии для некоторых своих устройств для конечных пользователей еще несколько лет назад. Для таких устройств относительно простое обновление программного обеспечения добавит поддержку технологии MU-MIMO, что также должно ускорить популяризацию и распространение технологии, а также стимулировать компании и организации модернизировать свои корпоративные беспроводные сети с помощью оборудования с поддержкой стандарта 802.11ac.

9. Устройства без поддержки MU-MIMO также оказываются в выигрыше

Не смотря на то, что Wi-Fi-устройства обязательно должны иметь поддержку MU-MIMO для того, чтобы использовать эту технологию, даже те клиентские устройства, которые такой поддержкой не имеют, могут получить косвенную выгоду от работы в беспроводной сети, где маршрутизатор или точки доступа поддерживают технологию MU-MIMO. Следует помнить, что скорость передачи данных по сети напрямую зависит от общего времени, в течение которого абонентские устройства подключены к радиоканалу. И если технология MU-MIMO позволит обслуживать часть устройств быстрее, то это означает, что у точек доступа в такой сети останется больше времени на обслуживание других клиентских устройств.

10. MU-MIMO помогает увеличить пропускную способность беспроводной сети

Когда вы увеличиваете скорость Wi-Fi-соединения, вы также увеличиваете пропускную способность беспроводной сети. Так как устройства обслуживаются более быстро, то у сети появляется больше эфирного времени на обслуживание большего количества клиентских устройств. Таким образом, технология MU-MIMO может значительно оптимизировать работу беспроводных сетей с интенсивным трафиком или большим количеством подключенных устройств, таких как общественные Wi-Fi-сети. Это прекрасная новость, так как количество смартфонов и других мобильных устройств с возможностью подключения к Wi-Fi-сети, скорее всего, продолжит увеличиваться.

11. Поддерживается любая ширина канала

Одним из способов расширения пропускной способности Wi-Fi-канала является связывание каналов, когда объединяются два соседних канала в один канал, который в два раза шире, что фактически удваивает скорость Wi-Fi-соединения между устройством и точкой доступа. Стандарт 802.11n предусматривал поддержку каналов шириной до 40 МГц, в оригинальной спецификации стандарта 802.11ac поддерживаемая ширина канала была увеличена до 80 МГц. В обновленном стандарте 802.11ac Wave 2 поддерживаются каналы шириной 160 МГц.

Рисунок 3. На сегодняшний день стандарт 802.11ac поддерживает каналы шириной до 160 МГц в диапазоне частот 5 ГГц

Однако, не следует забывать, что использование в беспроводной сети каналов большей ширины увеличивает вероятность возникновения помех в совмещенных каналах. Поэтому такой подход не всегда будет правильным выбором для разворачивания всех без исключения Wi-Fi-сетей. Тем ни менее, технология MU-MIMO, как мы можем убедиться, может быть использована для каналов любой ширины.

Тем ни менее, даже если ваша беспроводная сеть использует более узкие каналы шириной 20 МГц или 40 МГц, технология MU-MIMO все равно может помочь ей работать быстрее. А вот насколько быстрее, будет зависеть от того, сколько необходимо будет обслуживать клиентских устройств и сколько потоков каждое из этих устройств поддерживает. Таким образом, использование технологии MU-MIMO даже без широких связанных каналов может более чем в два раза увеличить пропускную способность выходного беспроводного соединения для каждого устройства.

12. Обработка сигналов повышает безопасность

Интересным побочным эффектом технологии MU-MIMO является то, что маршрутизатор или точка доступа шифрует данные перед их отправкой через радиоканалы. Достаточно трудно декодировать данные, передаваемые с использованием технологии MU-MIMO, т. к. не ясно какая часть кода в каком пространственном потоке находится. Хотя впоследствии могут быть разработаны специальные инструменты, позволяющие другим устройствам перехватывать передаваемый трафик, на сегодняшний день технология MU-MIMO эффективно маскирует данные от расположенных вблизи устройств прослушивания. Таким образом, новая технология помогает повысить Wi-Fi-безопасность, что особенно актуально для открытых беспроводных сетей, таких как общественные Wi-Fi-сети, а также точек доступа, работающих в персональном режиме или использующих упрощенный режим аутентификации пользователей (Pre-Shared Key, PSK) на базе технологий защиты Wi-Fi-сети WPA или WPA2.

13. MU-MIMO лучше всего подходит для неподвижных Wi-Fi-устройств

Также существует одно предостережение о технологии MU-MIMO: она не очень хорошо работает с быстродвижущимися устройствами, так как процесс формирования направленного сигнала по технологии beamforming становится более сложным и менее эффективным. Поэтому MU-MIMO не сможет обеспечить вам заметную пользу для устройств, часто использующих роуминг в вашей корпоративной сети. Однако, следует понимать, что эти «проблемные» устройства никак не должны повлиять ни на MU-MIMO-передачу данных другим клиентским устройствам, которые менее подвижны, ни на их производительность.

Подписка на новости

April 9th, 2014

В свое время как то тихо и незаметно ушло ИК-соединение, потом перестали пользоваться Bluetooth для обмена данными. И теперь вот настала очередь Wi-Fi …

Разработана многопользовательская система с множеством входов и выходов, позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Создатели утверждают, что при использовании того же самого диапазона радиоволн, отведённого под Wi-Fi, скорость обмена может быть утроена.

Компания Qualcomm Atheros разработала многопользовательскую систему с множеством входов и выходов (протокол MU-MIMO), позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Компания планирует начать демонстрацию технологии в течение ближайших нескольких месяцев, прежде чем начать поставки клиентам в начале следующего года.

Однако, для того, чтобы получить эту высокую скорость обмена, пользователям придётся обновить и свои компьютеры и сетевые маршрутизаторы.

По протоколу Wi-Fi, клиенты обслуживаются последовательно — в течение определённого интервала времени задействуется только одно устройство передачи и приема информации — так что используется только небольшая часть пропускной способности сети.

Накопление этих последовательных событий создаёт падение скорости обмена, поскольку всё большее количество устройств подключаются к сети.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) обеспечивает одновременную передачу информации группе клиентов, что даёт более эффективное использование имеющейся пропускной способности сети Wi-Fi и тем самым ускоряет передачу.

Qualcomm полагает, что такие возможности будут особенно полезны конференц-центрам и интернет-кафе, когда несколько пользователей подключаются к одной и той же сети.

В компании также считают, что речь идёт не только об увеличении абсолютной скорости, но и о более эффективном использовании сети и эфирного времени для поддержки растущего числа подключённых устройств, услуг и приложений.

Чипы MU-Mimo Qualcomm собирается продавать производителям маршрутизаторов, точек доступа, смартфонов, планшетов и прочих устройств с поддержкой Wi-Fi. Первые чипы смогут работать одновременно с четырьмя потоками данных; поддержка технологии будет включена в чипы Atheros 802.11ac и мобильные процессоры Snapdragon 805 и 801. Демонстрация работы технологии состоится в нынешнем году, и первые поставки чипов запланированы на 1-й квартал будущего года.

Ну а теперь кому хочется подробнее вникнуть в эту технологию продолжаем …

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI,WI-MAX , сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol),видеоконференции , VoD (Video on Demand) и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использованиеSmart Antena , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи. Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек. Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек. Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO. Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2х2. В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4х4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг , хэндовер , голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандартеUMTS , в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы , а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан. Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64х64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

Технология

с несколькими входами и выходами (MIMO) | Технология множественных антенн

Множественные антенны для передатчиков и приемников значительно улучшают характеристики связи

Многие современные телекоммуникационные стандарты, особенно в потребительском пространстве, приняли технологию множественных антенн (MIMO) из-за значительных преимуществ, которые она дает по сравнению с использованием аналогичных систем. одноантенные трансиверы (SISO).

MIMO означает Multiple-In Multiple-Out , имея в виду тот факт, что когда пакет передается в канал, он передается более чем на одну антенну, а когда он выходит из канала, он принимается на нескольких антеннах.Это отличается от системы Single-In Single-Out с одной антенной на обоих концах канала или системы SIMO, которая будет включать в себя некоторые типы радиостанций, которые используют объединение разнесенных сигналов на приемном конце, но все же передают только через одну антенну. .

Некоторым может показаться эта запись немного странной, поскольку, когда названия были первоначально придуманы в Bell Labs, они были сделаны с точки зрения канала, а не радио, а «in» относится к функции передачи.

Что такое технология с несколькими антеннами?

Несколько антенн на передатчике и приемнике вводят степени свободы сигнализации, которые отсутствовали в системах SISO.Это называется пространственной степенью свободы. Пространственные степени свободы могут использоваться либо для «разнообразия», либо «мультиплексирования», либо для их комбинации. Проще говоря, разнообразие означает избыточность.

Простой пример разнесения — несколько антенн, пытающихся принять один и тот же сигнал. Принятый сигнал на двух антеннах искажается шумом, который не коррелирован между антеннами, поэтому путем объединения двух сигналов можно восстановить сигнал лучшего качества.Аналогия здесь заключается в том, что, глядя на один и тот же объект с двух разных точек обзора, можно получить более подробную информацию об объекте. Разнесение также может быть достигнуто с использованием нескольких передающих антенн с использованием методов пространственно-временного кодирования (STC).

Второй основной метод MIMO — это Пространственное мультиплексирование . Пространственное мультиплексирование позволяет паре передатчик / приемник MIMO увеличить свою пропускную способность без увеличения использования полосы пропускания или мощности передачи. Мультиплексирование увеличивает пропускную способность линейно с количеством передающих или приемных антенн, в зависимости от того, какая из них меньше.Передатчик отправляет сигналы, несущие разные битовые потоки, от каждой из своих антенн. Каждая приемная антенна принимает линейную комбинацию передаваемых сигналов. Беспроводной канал — это матрица, которая является функцией геометрии передающей / приемной антенной решетки и рассеивателей / отражателей, присутствующих в окружающей среде.

Когда пара передатчик / приемник MIMO работает в среде, богатой рассеянием, матрица каналов становится обратимой, что позволяет приемнику декодировать все различные сигналы, передаваемые из различных апертур передающей антенны, что приводит к усилению мультиплексирования.Существует компромисс между количеством разнесения и усилением мультиплексирования, которое может обеспечить система MIMO. Типичная пара передатчик / приемник MIMO автоматически находит рабочую точку на кривой компромисса разнесения и мультиплексирования на основе мгновенных условий беспроводного канала.

Методы MIMO:

Формирование собственного луча может выполняться как на передающей стороне канала, так и на приемной стороне. Классическое формирование луча похоже на использование антенны с высоким коэффициентом усиления, но такую ​​антенну не нужно переориентировать для направления в разные стороны. Формирование собственного луча обеспечивает такое же усиление, но нечувствительно к ориентации антенны или рассеивающим элементам в непосредственной близости от антенны.Многие люди думают о таких системах, как радар с фазированной антенной решеткой, когда вводится идея формирования луча, и действительно, фазированная антенная решетка — это метод использования нескольких антенных элементов для управления направленностью антенного кластера в разных направлениях, формируя передающую или приемную антенну. «луч».

Несмотря на то, что «фазированная антенная решетка» имеет, казалось бы, усовершенствованный вид из-за ее использования в чрезвычайно дорогих военных системах, на самом деле это более простая форма формирования луча, чем это можно сделать с помощью современной системы MIMO.Системы с фазированной антенной решеткой выполняют формирование диаграммы направленности с использованием ограниченной возможности фазового сдвига и комбинирования сигналов в аналоговой области, что имеет ряд существенных недостатков, включая тот факт, что улучшение производительности ухудшается по мере увеличения полосы пропускания канала и что это обычно работает только в чистой линии. видимости (LOS) в отсутствие каких-либо рассеивателей или многолучевого распространения, которые вызывают значительное ухудшение качества.

MIMO Формирование собственного луча, с другой стороны, преобразует сигналы от всех антенн в цифровую область, где может использоваться сложная цифровая обработка сигналов (DSP).Таким образом, формирование собственного луча может фактически выполняться независимо для каждой из узкополосных поднесущих системы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). В частности, системы MIMO могут использовать тип формирования луча, известный как формирование собственного луча. Формирование собственного луча не ограничивается формированием простого луча в трехмерном пространстве. На него не оказывают неблагоприятного воздействия рассеивающие объекты или многолучевые отражения. Собственный формирователь луча, принимающий сигнал в ситуации вне прямой видимости (NLOS) с множественными отражениями, может формировать эффективную диаграмму направленности антенны, которая увеличивает усиление во множестве направлений, соответствующих отдельным отражениям.Используя цифровую обработку сигналов, системы MIMO имеют возможность адаптировать эти шаблоны для каждого пакета.

Пространственно-временное кодирование — это механизм, который можно использовать для передачи по множеству антенн и достижения аналогичных усилений, которые могут быть достигнуты при использовании разнесенного приема с множеством антенн. Пространственно-временное кодирование означает принятие данных, которые обычно передавались бы с одной антенны, и применение метода кодирования обработки сигналов для передачи математически измененной версии того же информационного содержания на дополнительных антеннах таким образом, чтобы расширить возможности приемника. для отделения данных от фонового шума.Пространственно-временное кодирование может быть естественным совпадением для приема с формированием диаграммы направленности или разнесенного приема.

Возьмем, к примеру, ситуацию, когда автомобильная радиостанция может легко иметь четыре антенны, тогда как небольшой портативный блок может быть ограничен двумя или даже одной антенной. Если КПК передает на одну антенну, автомобильный блок может использовать разнесение приемников или формирование диаграммы направленности для улучшения приема. Пространственно-временное кодирование дает транспортному средству возможность передавать на всех четырех антеннах и достигать аналогичного усиления, когда карманный компьютер ограничен одной приемной антенной, что делает канал симметричным и гораздо более полезным для двунаправленной связи.

Пространственное мультиплексирование — это часто метод, в который людям трудно поверить, не говоря уже о том, чтобы понять. Этот метод MIMO фактически передает несколько уникальных информационных «потоков» от разных антенн, каждая из которых работает на идентичной центральной частоте. Приемник, использующий, по крайней мере, столько антенн, сколько переданных потоков, может декодировать их по отдельности и, таким образом, увеличить объем данных, проходящих через фиксированную полосу пропускания канала. Система MIMO 4 × 4 может обеспечивать четыре потока в оптимальных условиях и, таким образом, передавать в четыре раза больше данных, чем система SISO, по той же полосе пропускания канала.

Если у нас есть передатчик, который передает четыре потока (A, B, C и D), эти потоки сливаются в воздухе, и искаженная комбинация wA + xB + yC + zD поступает на каждую из четырех приемных антенн, где w, x, y и z представляют искажения канала, вызванные многолучевым каналом, которые меняются на каждой антенне. Именно посредством очень сложной цифровой обработки сигналов MIMO приемник характеризует все эти эффекты каналов w, x, y, z, чтобы восстановить исходные потоки A, B, C и D, выполняя то, что сводится к решению четырех уравнений с четырьмя неизвестными, которые многие могут вспомнить из классов линейной алгебры.

Пространственное мультиплексирование MIMO имеет преимущество, заключающееся в возможности увеличения спектральной эффективности (бит в секунду на Гц канала) без снижения устойчивости канала до такой степени, как при переходе к созвездиям более высокого порядка. Например, с помощью 16-QAM с довольно устойчивой скоростью кодирования FEC можно достичь скорости, близкой к 4 бит / сек / Гц, за счет использования двух потоков. Без MIMO системе необходимо было бы использовать 64-QAM и менее надежную скорость кодирования FEC, чтобы достичь аналогичной пропускной способности в одном и том же канале, что значительно ограничивает его диапазон или требует гораздо более высокой мощности передачи.

Все эти методы, независимо от того, используются ли они по отдельности или в некоторой комбинации, обеспечивают преимущество, которое можно измерить с точки зрения более низкой требуемой мощности передачи, большего диапазона, большей помехоустойчивости или более высокой пропускной способности.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Что такое MIMO (множественный ввод, множественный вывод)?

Что такое MIMO (множественный ввод, множественный вывод)?

MIMO (несколько входов, несколько выходов) — это антенная технология для беспроводной связи, в которой несколько антенн используются как в источнике (передатчик), так и в пункте назначения (приемник).Антенны на каждом конце цепи связи объединены, чтобы минимизировать ошибки, оптимизировать скорость передачи данных и повысить пропускную способность радиопередач, позволяя данным перемещаться по множеству путей сигнала одновременно.

Создание нескольких версий одного и того же сигнала предоставляет больше возможностей для передачи данных на приемную антенну без замирания, что увеличивает отношение сигнал / шум и коэффициент ошибок. Увеличивая пропускную способность радиочастотных (RF) систем, MIMO обеспечивает более стабильное соединение и меньшую перегрузку.

Важность MIMO для пользователей

Проект партнерства третьего поколения (3GPP) добавил MIMO в выпуск 8 стандарта мобильного широкополосного доступа. Технология MIMO используется для сетей Wi-Fi и сотовой связи четвертого поколения (4G) с долгосрочным развитием (LTE) и пятого поколения (5G) на широком спектре рынков, включая правоохранительные органы, производство телевещания и правительство. Он также может использоваться в беспроводных локальных сетях (WLAN) и поддерживается всеми беспроводными продуктами с 802.11н.

MIMO часто используется для связи с высокой пропускной способностью, где важно избегать помех от микроволновых или радиочастотных систем. Например, его часто используют службы быстрого реагирования, которые не всегда могут полагаться на сотовые сети во время бедствия, отключения электроэнергии или при перегрузке сотовой сети.

Wi-Fi 6 — также известный как 802.11ax — поднял планку для беспроводного подключения, представив несколько новых технологий, помогающих устранить ограничения, связанные с добавлением дополнительных устройств Wi-Fi в сеть.Wi-Fi 7 в настоящее время находится в разработке, релиз ожидается в 2024 году.

До MIMO существовали и другие типы передовых технологий антенн с различными конфигурациями — чаще всего с несколькими входами, одним выходом (MISO) и одним входом, несколькими выходами (SIMO). MIMO основывается на этих технологиях.

LTE-приложения MIMO

MIMO — одна из наиболее распространенных форм беспроводной связи, которая сыграла ключевую роль в развертывании LTE и стандарта беспроводной широкополосной технологии Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX).LTE использует MIMO и мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) для увеличения скорости до 100 мегабит в секунду (Мбит / с) и выше. Это вдвое больше, чем было в предыдущем Wi-Fi 802.11a. LTE использует MIMO для разнесения передачи, пространственного мультиплексирования (для передачи пространственно разделенных независимых каналов), а также для однопользовательских и многопользовательских систем.

MIMO в LTE обеспечивает более надежную передачу данных, а также увеличивает скорость передачи данных. Перед передачей данные разделяются на отдельные потоки.Во время передачи данные и опорные сигналы проходят по воздуху к приемнику, который уже знаком с этими сигналами, что помогает приемнику с оценкой канала.

Массивные системы MIMO и 5G

MIMO продолжает обновляться и расширяться за счет использования в новых массовых приложениях, поскольку отрасль беспроводной связи работает над размещением большего количества антенн, сетей и устройств. Одним из наиболее ярких примеров этого является внедрение технологии 5G.

Эти массивные системы 5G MIMO используют множество небольших антенн для увеличения пропускной способности для пользователей — а не только скорости передачи, как в сотовых технологиях третьего поколения (3G) и 4G — и поддерживают большее количество пользователей на одну антенну.В отличие от 4G MIMO, который использует систему дуплекса с частотным разделением (FDD) для поддержки нескольких устройств, 5G Mass MIMO использует другую настройку, называемую дуплексом с временным разделением (TDD). Это дает множество преимуществ по сравнению с FDD (см. Изображение ниже).

Узнайте, чем различаются дуплексные технологии с частотным и временным разделением каналов.

MIMO и формирование луча

Beamforming — это метод управления радиочастотами, который максимизирует мощность сигнала в приемнике, фокусируя широковещательные данные на конкретных пользователей, а не на большую область.С 5G трехмерное (3D) формирование луча формирует и направляет вертикальные и горизонтальные лучи на пользователя. Они могут достигать устройств, даже если они, например, находятся наверху высотного здания. Лучи предотвращают помехи другим беспроводным сигналам и остаются с пользователями, когда они перемещаются по заданной области.

SU-MIMO против MU-MIMO

Существует два основных типа MIMO: однопользовательский (SU) и многопользовательский (MU). В системах SU-MIMO потоки данных могут одновременно взаимодействовать только с одним устройством в сети.Таким образом, системы MU-MIMO превосходят SU-MIMO.

Проблемы возникают с SU-MIMO, когда многие пользователи пытаются использовать сеть одновременно. Если один человек загружает видео, а другой участвует в конференции, поток данных перехватится, что приведет к резкому увеличению задержки или задержек. С другой стороны, MU-MIMO имеет преимущество, заключающееся в возможности передавать несколько наборов данных на несколько устройств одновременно.

Существуют различные возможные конфигурации для этих систем MIMO, из которых наиболее распространены 2×2, 4×4, 6×6 и 8×8.Массивные системы 5G манипулируют этими конфигурациями, чтобы обеспечить большую пропускную способность сети.

Основные структурные различия между однопользовательской MIMO и многопользовательской антенной MIMO.

Основные преимущества MIMO

В различных конфигурациях MIMO имеет ряд преимуществ перед передовыми антенными технологиями MISO и SIMO:

  • MIMO обеспечивает более сильные сигналы. Он отскакивает и отражает сигналы, поэтому пользовательское устройство не должно находиться в зоне прямой видимости.
  • Видео и другой крупномасштабный контент могут передаваться по сети в больших количествах. Этот контент перемещается быстрее, потому что MIMO поддерживает большую пропускную способность.
  • Многие потоки данных улучшают качество зрения и слуха. Они также уменьшают вероятность потери пакетов данных.

Как массивные системы MIMO влияют на будущее

MIMO — это основной инструмент для улучшения всех аспектов беспроводной связи.Он играет существенную роль в технологии 5G и влияет на то, как пользователи ежедневно взаимодействуют с этими технологиями. Эти влияния включают следующее:

  • Высокая емкость сети. Данные передаются большему количеству пользователей благодаря развертыванию 5G New Radio (5G NR). MU-MIMO и 5G NR позволяют большему количеству пользователей получать доступ к данным с той же частотой и скоростью.
  • Больше покрытия. Пользователи скоро могут ожидать высокоскоростной передачи данных, где бы они ни находились, даже на границе зоны обслуживания.Благодаря трехмерному формированию луча покрытие адаптируется к перемещению и местоположению пользователя.
  • Лучший пользовательский интерфейс (UX). Смотреть видео и загружать контент стало проще и быстрее. Массивные технологии MIMO и 5G преобразуют UX.

Технология с несколькими входами и несколькими выходами »Электроника

MIMO: технология множественных входов и множественных выходов использует несколько антенн для использования отраженных сигналов для повышения устойчивости канала и пропускной способности.


Технология MIMO Включает:
Основы MIMO Форматы MIMO: SIMO, SIMO, MISO, MIMO Пространственное мультиплексирование Пространство-время и коды Аламоути Формирование диаграммы направленности антенны MIMO Многопользовательский MIMO Массивный MIMO


Несколько входов и выходов, или MIMO, — это технология радиосвязи или RF-технология, которая упоминается и используется во многих новых технологиях в наши дни.

Wi-Fi, LTE; Long Term Evolution и многие другие радио, беспроводные и радиочастотные технологии используют новую беспроводную технологию MIMO, чтобы обеспечить увеличенную пропускную способность канала и спектральную эффективность в сочетании с повышенной надежностью соединения с использованием того, что ранее считалось путями помех.

Даже сейчас на рынке существует множество беспроводных маршрутизаторов MIMO, и по мере того, как эта RF-технология становится все более распространенной, появится больше маршрутизаторов MIMO и другого беспроводного оборудования MIMO.

Типичный современный WiFi-маршрутизатор, использующий технологию MIMO с несколькими антеннами

Поскольку технология сложна, многие инженеры спрашивают, что такое MIMO и как он работает.

Развитие и история MIMO

Технология MIMO разрабатывалась на протяжении многих лет. Необходимо было не только сформулировать базовые концепции MIMO, но и разработать новые технологии, позволяющие полностью реализовать MIMO.Необходимы новые уровни обработки, чтобы реализовать некоторые функции пространственного мультиплексирования, а также использовать некоторые преимущества пространственного разнесения.

Вплоть до 1990-х годов пространственное разнесение часто ограничивалось системами, которые переключались между двумя антеннами или объединяли сигналы для обеспечения наилучшего сигнала. Также были реализованы различные формы переключения лучей, но с учетом уровней задействованной обработки и степени доступной обработки системы, как правило, были относительно ограниченными.

Однако с появлением дополнительных уровней вычислительной мощности стало возможным использовать как пространственное разнесение, так и полное пространственное мультиплексирование.

Первоначальная работа над системами MIMO была сосредоточена на базовом пространственном разнесении — здесь система MIMO использовалась для ограничения деградации, вызванной многолучевым распространением. Однако это был только первый шаг, поскольку затем система начала использовать многолучевое распространение с выгодой, превратив дополнительные пути сигнала в то, что можно было бы эффективно рассматривать как дополнительные каналы для переноса дополнительных данных.

Два исследователя: Арогьясвами Паулрадж и Томас Кайлат были первыми, кто предложил использовать пространственное мультиплексирование с использованием MIMO в 1993 году, а в следующем году был выдан их патент в США.

Однако именно Bell Labs выпала первая продемонстрировать лабораторный прототип пространственного мультиплексирования в 1998 году.

MIMO — несколько входов — несколько выходов: основы

Замирание может повлиять на канал, и это повлияет на отношение сигнал / шум. В свою очередь, это повлияет на частоту ошибок, если будут переданы цифровые данные.Принцип разнесения состоит в том, чтобы предоставить приемнику несколько версий одного и того же сигнала. Если тракт прохождения сигнала может повлиять на них по-разному, вероятность того, что все они будут затронуты одновременно, значительно снизится. Соответственно, разнесение помогает стабилизировать канал и повышает производительность, снижая частоту ошибок.

Доступно несколько различных режимов разнесения, обеспечивающих ряд преимуществ:

  • Разнесение по времени: При использовании разнесения по времени сообщение может передаваться в разное время, например.грамм. с использованием разных временных интервалов и кодирования каналов.
  • Частотное разнесение: Эта форма разнесения использует разные частоты. Это может быть в форме использования разных каналов или таких технологий, как расширенный спектр / OFDM.
  • Пространственное разнесение: Пространственное разнесение, используемое в самом широком смысле определения, используется в качестве основы для MIMO. Он использует антенны, расположенные в разных положениях, чтобы воспользоваться преимуществами различных радиотрактов, существующих в типичной наземной среде.

MIMO — это, по сути, технология радиоантенн, поскольку она использует несколько антенн на передатчике и приемнике, чтобы обеспечить передачу данных по различным трактам сигнала, выбирая отдельные тракты для каждой антенны, чтобы можно было использовать несколько трактов сигнала.

Общая схема системы MIMO

Одна из основных идей, лежащих в основе беспроводной системы MIMO, пространственно-временная обработка сигналов, в которой время (естественное измерение данных цифровой связи) дополняется пространственным измерением, присущим использованию нескольких пространственно распределенных антенн, т.е.е. использование нескольких антенн, расположенных в разных точках. Соответственно, беспроводные системы MIMO можно рассматривать как логическое продолжение интеллектуальных антенн, которые использовались в течение многих лет для улучшения беспроводной связи.

Он находится между передатчиком и приемником, сигнал может проходить по многим путям. Кроме того, при перемещении антенн даже на небольшое расстояние изменяются используемые пути. Разнообразие доступных путей возникает в результате количества объектов, которые появляются сбоку или даже на прямом пути между передатчиком и приемником.Ранее эти множественные пути служили только для создания помех. Используя MIMO, эти дополнительные пути могут быть использованы с пользой. Их можно использовать для обеспечения дополнительной устойчивости радиолинии за счет улучшения отношения сигнал / шум или увеличения пропускной способности канала передачи данных.

Два основных формата MIMO приведены ниже:

  • Пространственное разнесение: Пространственное разнесение, используемое в этом более узком смысле, часто относится к разнесению передачи и приема.Эти две методики используются для улучшения отношения сигнал / шум, и они характеризуются повышением надежности системы в отношении различных форм замирания.
  • Пространственное мультиплексирование: Эта форма MIMO используется для обеспечения дополнительной емкости данных за счет использования различных путей для переноса дополнительного трафика, т. Е. Увеличения пропускной способности данных.

В результате использования нескольких антенн беспроводная технология MIMO может значительно увеличить пропускную способность данного канала, при этом подчиняясь закону Шеннона.Увеличивая количество приемных и передающих антенн, можно линейно увеличить пропускную способность канала с каждой парой антенн, добавленных в систему. Это делает беспроводную технологию MIMO одной из самых важных беспроводных технологий, которые будут использоваться в последние годы. Поскольку спектральная полоса пропускания становится все более ценным товаром для систем радиосвязи, необходимы методы для более эффективного использования доступной полосы пропускания. Беспроводная технология MIMO — одна из таких технологий.

Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны Распространение радио Ионосферное распространение Земная волна Рассеивание метеоров Тропосферное распространение Кубический четырехугольник Диполь Дискон Ферритовый стержень Логопериодическая антенна Параболическая рефлекторная антенна Вертикальные антенны Яги Заземление антенны Коаксиальный кабель Волновод КСВ Балуны для антенн MIMO
Вернуться в меню «Антенны и распространение».. .

Что такое MU-MIMO? Как это работает и зачем мне это нужно?

Неудивительно, что постоянно растет количество беспроводных клиентских устройств, которые с жадностью стремятся использовать сетевые ресурсы, услуги и приложения, предоставляемые современными беспроводными сетями. Во множестве мест, таких как школы, офисы, открытые общественные места и т. Д., Наличие безопасного и высокопроизводительного беспроводного доступа больше не является чем-то особенным, скорее, это рассматривается многими как необходимость.По мере увеличения числа беспроводных клиентов, производители сделали множество технологических усовершенствований, чтобы облегчить бремя перегрузки, например, связывание каналов для повышения пропускной способности, множественный ввод — множественный вывод (MIMO), справедливость эфирного времени для предотвращения устаревания. клиентов от замедления связи или управления диапазоном для перемещения клиентских устройств из уже насыщенного диапазона 2,4 ГГц в более удобный диапазон 5 ГГц. Тем не менее, ни одно из этих усовершенствований не касается фундаментального « узкого места », которое было частью 802.11 стандартов беспроводной связи с момента их создания, ограничение только односторонней связи между точкой доступа и одним клиентским устройством. Так было до сих пор. С выпуском 802.11ac WAVE 2 поставляется многопользовательский MIMO (MU-MIMO), революционный новый способ связи точек доступа со связанными с ними клиентами.

Так как это работает?

Чтобы понять, как работает MU-MIMO, сначала необходимо понять, как SU (Single User) -MIMO работал с момента его появления в стандарте беспроводной связи 802.11n.SU-MIMO или, скорее, MIMO, относится к практической методике отправки и приема более чем одного сигнала данных одновременно по одному и тому же радиоканалу с использованием многолучевого распространения. Это позволило точкам беспроводного доступа и устройствам одновременно передавать или принимать несколько потоков данных между собой, увеличивая скорость соединения.

Для работы MIMO передатчик и приемник (то есть точка доступа и клиентское устройство) должны иметь несколько цепочек радио / антенн.Например, точка доступа, которая может отправлять RF в одном потоке и получать RF в другом (1×1), сможет делать это с клиентским устройством, которое также поддерживает соединение 1×1. Устройство 2×2 поддерживает два потока в каждом направлении, а устройство 3×3 поддерживает три. Любое устройство, поддерживающее больше потоков, будет работать с любым устройством, которое поддерживает меньше (и наоборот), но общая производительность будет ограничена меньшим устройством.

Пространственный поток — это набор данных, отправленный по радиоканалу передачи, который может быть математически реконструирован радиоканалами приемника.В MIMO каждый пространственный поток передается из разных цепочек радио / антенн в том же частотном канале, что и передатчик. Приемник принимает каждый поток по каждой из своих идентичных цепочек радио / антенн. Поскольку приемник знает фазовые сдвиги своих собственных антенн, он может восстанавливать исходные потоки.

Однако, чтобы понять, как работает MU-MIMO, важно сначала узнать о формировании луча передачи (TxBF). В отличие от MIMO, который отправляет разные пространственные потоки на каждую антенну, формирование луча передачи отправляет один и тот же поток на несколько антенн с преднамеренными временными сдвигами для увеличения дальности.Фаза каждого потока данных передается всеми антеннами в разное время, так что эти разные сигналы конструктивно интерферируют в точке пространства (то есть в местоположении приемника), тем самым повышая мощность сигнала в этом месте. При использовании всенаправленных антенн создаваемая диаграмма направленности становится эффективно направленной. Таким образом, формирование луча передачи может работать только в том случае, если передатчик может определить местоположение приемника с помощью зондирующих кадров.

MU-MIMO продвигает этот процесс еще на один шаг.Добавляя еще больше радиоцепей / антенн, AP может управлять фазированной диаграммой направленности антенны, чтобы контролировать, где сигнал самый сильный, а где сигнал самый слабый. Обладая достаточным количеством антенн и знаниями об относительном расположении всех связанных клиентских устройств, точка доступа может создать фазовый шаблон для разговора с несколькими клиентами как независимо, так и одновременно. Таким образом, впервые благодаря использованию многопользовательской технологии с множеством входов и множеством выходов (MU-MIMO) точка беспроводного доступа может передавать данные на несколько клиентских устройств Wi-Fi одновременно.

Так зачем мне это нужно?

Ответ на этот вопрос прост. Поскольку спрос в вашей сети увеличивается за счет подобных политик BYOD, Интернета вещей и огромного количества клиентских устройств, доступных потребителям, обслуживание каждого из этих клиентов на основе принципа один-два-один окажется слишком обременительным для пользователей, жаждущих данных. сегодня.

Важно отметить, что даже устройства, не поддерживающие MIMO, могут видеть косвенные улучшения, связанные с MU-MIMO. Если с устройствами MU-MIMO в сети обращаться своевременно, у клиентов SU-MIMO будет больше времени для обслуживания.

В конечном счете, единственный надежный способ облегчить бремя перенасыщенных беспроводных сетей и повысить их общую производительность — это разорвать оковы устаревших технологий и перейти к более новаторским решениям сегодняшнего дня, что в настоящий момент так и происходит. быть MU-MIMO.

Smart Guides. Руководство по пониманию MIMO

Прежде всего, MIMO — это сокращение от Multiple Input — Multiple Output

Итак, вы только что купили новый беспроводной широкополосный модем, у которого есть два порта для подключения антенны, и вам, вероятно, интересно, какой из них использовать и зачем вам два?

Будьте спокойны — не вдаваясь в технические подробности, вот некоторая основная информация о технологии MIMO.

Прежде чем мы перейдем к этому, если вы не знаете, как работает ваш мобильный телефон или USB-накопитель с беспроводным доступом в Интернет, вам будет полезно прочитать наше Руководство по 4G.

Увидимся здесь, когда вы закончите.

В начале …

С момента зарождения радиотехнологии мы привыкли к мобильному телефону или УВЧ-радиопередаче с помощью одной антенны. Эта передача проходит по воздуху и принимается гораздо большей антенной на телефонной вышке, которая, в свою очередь, ретранслирует сигнал в пункт назначения.

Эта технология проста и эффективна для передачи телефонного звонка.

Однако с ростом спроса на более быстрый и надежный беспроводной Интернет 4G (который работает так же, как голосовой вызов), необходимы более сложные методы передачи.

Если вы уже несколько лет пользуетесь 3G-Интернетом, то, вероятно, заметили, что заявленные максимальные скорости быстро растут. Начиная с 3,6 Мбит / с для первой серии мобильных широкополосных «палок», до 7,2 Мбит / с примерно в 2007 году, до 21 Мбит / с в 2008 году, до 42 Мбит / с вскоре после этого и теперь 100 Мбит / с с введением 4G в конце 2011 года.С появлением 5G в наши двери есть некоторые, кто считает, что новое поколение может увеличить скорость до 50 раз по сравнению с 4G.

Конечно, маловероятно, что вы действительно испытали (или испытаете) такую ​​невероятно высокую скорость передачи данных (это история для другого времени), но большинство людей испытают заметный скачок скорости при переходе на новый модем.

Скачки скорости

Увеличение скорости — непростая задача. Теоретически, самым большим фактором, ограничивающим скорость, является пропускная способность.

Каждой телефонной вышке дается общая ширина частот, на которых она может передавать, и каждому, кто подключается, выделяется небольшой канал определенной ширины.

Это означает, что у каждой башни есть ограниченное количество клиентов, которые она может обслуживать, прежде чем она станет перегруженной.

Таким образом, наиболее очевидный способ увеличения скорости — предоставить каждому клиенту более широкий диапазон частот для передачи — это означает, что на одну телефонную вышку будет меньше людей, а это значит, что для обслуживания потребуется больше телефонных вышек, а это дорого!

Вместо этого первым шагом к увеличению скорости является использование других факторов, помимо пропускной способности.

Технологии

3G, такие как HSPA, используют преимущества методов цифровой модуляции, таких как квадратурная фазовая манипуляция (и многие другие приемы), для увеличения скорости передачи символов, что является вторым важным фактором, ограничивающим скорость.

Скорость также ограничена отношением сигнал / шум (SNR), до которого мы можем увеличить мощность (или громкость) передачи, чтобы телефонная вышка могла «слышать» нас лучше, но это приводит к быстрому уменьшению отдачи. Как только мы выжали из всех возможных характеристик передачи от антенны к антенне, мы должны подойти к проблеме по-другому.

Здесь на помощь приходит MIMO — если мы не можем улучшить передачу по воздуху, почему бы не увеличить количество антенн?

Еще больше антенн на вечеринку!

Используя несколько антенн, мы можем забыть о трудностях передачи по воздуху и вместо этого переложить нагрузку на оборудование обработки сигналов в вашем модеме.

Поскольку все антенны передают на одинаковых частотах, от телефонной вышки не требуется дополнительной полосы пропускания для каждого пользователя.

Пространственное мультиплексирование — это набор умных методов модуляции, которые позволяют нам передавать независимые потоки с нескольких антенн на одних и тех же частотах без искажения информации, которую мы отправляем.

[2] Эта диаграмма демонстрирует, как мы можем переложить нагрузку на производительность оборудования для обработки сигналов, которое разбивает поток данных на канальном уровне на кадры, которые затем кодируются, модулируются и отображаются на исходящую антенну.

Приемная антенна выполняет указанные выше задачи в обратном порядке, рекомбинируя кадры (надеюсь, без ошибок) в исходный поток данных.

Обычные сигналы 3G и Next-G передаются с вертикальной поляризацией, когда волна распространяется «вверх и вниз».

LTE MIMO-волны имеют наклонную поляризацию, при этом каждая волна повернута на 45 градусов от горизонтали и является зеркальной, поэтому первая волна находится под углом 45 градусов, а вторая — под углом 135 градусов. Эта небольшая хитрость называется поляризационным разнесением и позволяет вашему модему различать два независимых потока данных на одной и той же частоте, выделенной вышкой сотовой связи.

Поскольку наш модем имеет две внутренние антенны, каждая из которых отвечает за прием одного потока данных, абсолютно необходимо, чтобы у нас были две отдельные внешние антенны.

Мы не можем использовать Y-образный соединительный провод или какой-либо другой трюк для соединения обоих портов модема в одну антенну, а также мы не можем соединить обе внешние антенны в один порт.

Использование MIMO

Важно знать, что MIMO включается и выключается модемом.

Решение об использовании MIMO согласовывается с вышкой сотовой связи, в результате чего оценивается качество принятых и переданных сигналов (показатель, известный как CQI).

При низком уровне или качестве сигнала модему трудно различить два потока данных, поэтому, когда уровень сигнала падает ниже определенного порогового уровня, MIMO отключается, и модем работает только с одной антенной (порт 1 на Sierra Беспроводные модемы).

Антенны MIMO

Чтобы узнать, поддерживают ли вышки в вашем районе MIMO, проверьте карту покрытия мобильного широкополосного доступа Telstra.

Самым темным синим цветом обозначены области с рейтингом 4G 100 Мбит / с, в которых используется 2×2 MIMO для обеспечения своей скорости.

Светло-синяя область обозначает области 3G 42 Мбит / с DC HSPA +, которые не используют MIMO, но используют два канала на одной антенне для обеспечения более высоких скоростей.

Поляризационное разнообразие

Чтобы в полной мере использовать MIMO (в настоящее время используется в связи 4G LTE), необходимо использовать две антенны.

При установке направленных антенн, таких как антенна Yagi, первая антенна должна быть повернута горизонтально на угол 45 градусов, а вторая — на угол 135 градусов.Это из-за «поляризационного разнообразия».

LTE использует поляризационное разнесение, чтобы помочь различать два потока данных, отправляемых с вышки.

Находясь за пределами зоны MIMO, большинство модемов могут по-прежнему использовать двойные антенны.

Услуги

3G могут использовать передовые методы разнесения приемников, которые используют вторую антенну для захвата задержанных сигналов и радиопередач более высокого качества, а два потока объединяются через MRC.

Улучшение производительности чаще всего наблюдается в средах с пространственно-дисперсионным многолучевым распространением, где сигналы рассеиваются на физическом расстоянии.

Услуги

DC-HSPA + могут быть полезны, когда несущие транслируются на разных полярностях, что позволяет лучше согласовать антенны с полярностью целевой несущей.

Более продвинутые типы приемников могут использовать методы линейного выравнивания и выравнивания с обратной связью по решению в попытке минимизировать межсимвольные помехи.

Наличие двух антенн позволяет получить несколько «стереоскопический» обзор источников помех, позволяя некоторым усовершенствованным приемникам настраивать коэффициенты объединения, чтобы установить ноль в направлении источника помех.

Ищете мощный маршрутизатор с модемом MIMO?

Наш Telco X1 Pro идеально подходит для получения высокоскоростного интернета там, где NBN не достигает.

Внимание!

При использовании только одной антенны убедитесь, что она подключена к порту 1 модема, который часто указывается на пластиковой / резиновой бирке, закрывающей порт.

Полезные ресурсы

[1] Д.Гальперин, В. Ху, А. Шет и Д. Ветералл, 802.11 с несколькими антеннами для чайников, Вашингтонский университет и Intel Labs в Сиэтле. [2] Д. Гесберт и Дж. Ахтар, Преодолевая барьеры возможностей Шеннона: обзор беспроводных систем MIMO, журнал Telenor: Telektronikk. [3] Профессор Роберт В. Хит мл. — однопользовательская связь MIMO

Понимание преимуществ технологии MIMO

Антенные системы с несколькими входами и выходами (MIMO) используются в современных стандартах беспроводной связи, в том числе в IEEE 802.11n, 3GPP LTE и мобильные системы WiMAX. Этот метод поддерживает повышенную скорость передачи данных даже в условиях помех, замирания сигнала и многолучевого распространения. Потребность в более высоких скоростях передачи данных на больших расстояниях была одной из основных причин разработки систем связи MIMO с ортогональным мультиплексированием с частотным разделением каналов (OFDM). В течение многих лет инженеры предполагали, что теоретические пределы пропускной способности канала были определены теоремой Шеннона-Хартли 1 , проиллюстрированной в формуле.1.

Емкость = Журнал BW 2 (1 + SNR) (1)

Как уравнение. 1 показано, что увеличение отношения сигнал / шум канала приводит к незначительному увеличению пропускной способности канала. В результате традиционным способом достижения более высоких скоростей передачи данных является увеличение полосы пропускания сигнала. К сожалению, увеличение ширины полосы сигнала канала связи за счет увеличения символьной скорости модулированной несущей увеличивает ее восприимчивость к замиранию из-за многолучевого распространения. Для широкополосных каналов одним частичным решением проблемы многолучевого распространения является использование ряда узкополосных перекрывающихся поднесущих.Использование перекрывающихся поднесущих OFDM не только улучшает спектральную эффективность, но и более низкие скорости передачи символов, используемые узкополосными поднесущими, уменьшают влияние продуктов многолучевого распространения сигнала.

Каналы связи

MIMO обеспечивают интересное решение проблемы многолучевого распространения, требуя нескольких путей прохождения сигнала. Фактически, системы MIMO используют комбинацию множества антенн и множества сигнальных трактов для получения информации о канале связи. Используя пространственное измерение канала связи, системы MIMO могут достигать значительно более высоких скоростей передачи данных, чем традиционные каналы с одним входом и одним выходом (SISO). 2 В системе MIMO 2 x 2 ( Рис. 1 ) сигналы распространяются по множеству путей от передатчика к антеннам приемника.

Используя эти сведения о канале, приемник может восстанавливать независимые потоки от каждой из антенн передатчика. Система MIMO 2 x 2 создает два пространственных потока, чтобы эффективно удвоить максимальную скорость передачи данных по сравнению с тем, что может быть достигнуто в традиционном канале связи SISO 1 x 1.

В то время как исследование 3-7 разработало несколько методов для аппроксимации максимальной пропускной способности канала системы MIMO, пропускную способность канала можно оценить как функцию N пространственных потоков.Базовое приближение пропускной способности канала MIMO является функцией пространственных потоков, полосы пропускания и отношения сигнал / шум (SNR) и показано в уравнении. 2:

Емкость = N BW журнал 2 (1 + SNR) (2)

Учитывая уравнение для пропускной способности канала MIMO, можно исследовать взаимосвязь между количеством пространственных потоков и пропускной способностью различных реализаций конфигураций SISO и MIMO. Например, спецификации IEEE 802.11g предписывают, что канал беспроводной локальной сети (WLAN) использует конфигурацию SISO.Согласно этому стандарту максимальная скорость кодированных данных 54 Мбит / с требует использования схемы модуляции 64-QAM 8 и кодовой скорости 3/4. В результате скорость передачи некодированных данных составляет 72 Мбит / с (4/3 x 54 Мбит / с). При минимальной величине вектора ошибки передатчика (EVM) на уровне -25 дБ, отношение сигнал / шум 25 дБ можно оценить как требование для схемы квадратурно-амплитудной модуляции с 64 состояниями (64QAM). Хотя EVM и SNR не эквивалентны во всех случаях, мы можем предположить, что ошибка величины символа будет преобладать над ошибкой сигнала, когда SNR приближается к своему нижнему пределу.

Максимальная скорость передачи данных IEEE 802.11g точно соответствует максимальной пропускной способности канала, определяемой теоремой Шеннона-Хартли. Согласно этой теореме, гауссов канал с отношением сигнал / шум 25 дБ должен обеспечивать скорость передачи некодированных данных 94 Мбит / с в полосе пропускания канала 20 МГц. Таким образом, реализация SISO стандарта IEEE 802.11g приближается к теоретической максимальной пропускной способности канала по теореме Шеннона-Хартли, но не превышает ее.

Напротив, уравнение. 2 предполагает, что канал MIMO с четырьмя пространственными потоками должен иметь пропускную способность в четыре раза больше, чем канал SISO, канал 20 МГц с отношением сигнал / шум (SNR) 25 дБ, а четыре пространственных потока должны иметь некодированный бит. скорость 4 х 94 Мбит / с = 376 Мбит / с.Эта оценка близко соответствует ожидаемым скоростям передачи данных чернового варианта спецификаций физического уровня IEEE 802.11n. 9 IEEE 802.11n разработан для поддержки конфигураций MIMO с четырьмя пространственными потоками. При наивысшей скорости передачи пакетов с использованием схемы модуляции 64QAM с кодовой скоростью канала 5/6 скорость передачи данных составляет 288,9 Мбит / с, а скорость передачи некодированных данных составляет 346,68 Мбит / с. При максимальной скорости передачи данных канал IEEE 802.11n с четырьмя пространственными потоками обеспечивает скорость передачи данных, сравнимую с теоретическим пределом 376 Мбит / с.На рис. 2 просмотрите сравнение теоретической пропускной способности каналов систем SISO и MIMO и макс. скорости передачи данных (по сравнению с SNR) для IEEE 802.11g и IEEE 802.11n.

Можно заметить, что скорость передачи данных конфигурации MIMO 4 x 4 (четыре пространственных потока) превышает предел Шеннона-Хартли на всех скоростях передачи данных, что делает системы MIMO привлекательными для более высокой пропускной способности. Хотя системы MIMO предоставляют пользователям явные преимущества на уровне приложений, проектирование и тестирование устройств MIMO сопряжены со значительными проблемами.Например, системы MIMO требуют от разработчиков антенн решения проблемы размещения нескольких антенн. Кроме того, разработчики приемопередатчиков должны решить проблему многоканальной синхронизации. Наконец, инженеры по цифровой обработке сигналов (DSP) должны реализовать более сложные алгоритмы обработки основной полосы частот, чтобы лучше интерпретировать модель канала.

Генераторы векторных ВЧ сигналов (VSG) и векторные анализаторы сигналов (VSA) являются одноканальными устройствами. Традиционная трехступенчатая супергетеродинная архитектура векторных анализаторов ВЧ сигналов не поддается синхронизации.По этой причине инновации от National Instruments и других поставщиков позволяют инженерам синхронизировать несколько VSA и VSG для фазово-когерентного захвата и генерации РЧ сигналов.

Требование наличия нескольких фазово-когерентных радиочастотных каналов зависит от возможности совместного использования всех тактовых сигналов между каждым повышающим или понижающим преобразователем. Каждый канал тестовой системы MIMO использует подход одноступенчатого понижающего преобразования. Чтобы каждый полученный I / Q-сигнал в основной полосе частот был фазово-когерентным, необходимо использовать общий гетеродин (гетеродин) и тактовый сигнал аналого-цифрового преобразователя (АЦП) между каждым каналом.Фазу каждого канала можно точно откалибровать, отрегулировав начальную фазу цифрового понижающего преобразователя (DDC).

Преимущества системы, такие как повышение скорости передачи данных и устойчивость к многолучевому распространению, вероятно, будут стимулировать дальнейшее развитие систем связи MIMO-OFDM.

ССЫЛКИ

1. К. Э. Шеннон, «Связь в присутствии шума», Труды Института Радиоинженеров , Vol. 37, No. 1, январь 1949 г., стр.10-21.

2. Эндрюс, Гош и Мухамед, Основы WiMAX: понимание широкополосных беспроводных сетей , Прентис Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, 2008, стр. 151-153.

3. И. Э. Телатар, «Пропускная способность многоантенных гауссовских каналов», Техническая записка AT&T, июнь 1995 г.

4. Т. Л. Марцетта и Б. М. Хохвальд, «Пропускная способность мобильного канала связи с множеством антенн при рэлеевских замираниях», IEEE Transactions on Information Theory , Vol.45, № 1, январь 1999 г., стр. 139–157.

5. Г. Дж. Фошини и М. Дж. Ганс, «О пределах беспроводной связи в условиях замирания при использовании нескольких антенн», Lucent Technologies, Bell Labs Innovations.

6. С. Лойка и А. Коуки, «Новый составной верхний предел пропускной способности канала MIMO», IEEE Communications Letters , Vol. 6, No. 3, March 2002.

7. С. Лойка и Г. Цулос, «Оценка производительности системы MIMO с использованием подхода корреляционной матрицы», IEEE Communications Letters , Vol.6, No. 1, 12 января 2002 г.

8. Спецификации IEEE 802.11-2007, Стандарт IEEE для информационных технологий, Компьютерное общество IEEE, 12 июня 2007 г. 9. Неутвержденный проект стандарта IEEE P802.11n_D3.00, сентябрь 2007 г.

Введение в основы коммуникационной технологии MIMO | Юго-западные антенны

Примечание. Мы расширили эту тему в рамках официального документа, озаглавленного «Понимание основ коммуникационной технологии MIMO»

За последние несколько десятилетий технология MIMO стала все более распространенной технологией радиочастотной / микроволновой связи, причем примерами являются сети Wi-Fi и сотовая связь 3G / 4G LTE, которые сейчас являются обычным явлением как дома, так и в бизнесе.В последнее время MIMO находит быстрорастущие рынки в профессиональном вещательном видео, правоохранительных органах и государственном секторе благодаря новым поколениям меньших, более эффективных решений для радиосвязи и новым конструкциям антенн, которые лучше поддерживают технологию MIMO. Учитывая требования к полосе пропускания, которые предъявляются к сегодняшним системам видео, аудио и данных, MIMO часто является идеальным решением для связи, особенно в городских условиях, где труднее добиться четкой линии связи, а другие радиочастотные системы могут создавать проблемы с помехами.

В настоящее время используется много типов систем MIMO, при этом различные производители радиостанций MIMO предлагают свои собственные версии технологии с уникальными функциями и преимуществами. Из-за различий между этими системами в этой статье будут обсуждаться основы обмена данными MIMO без отдельного обсуждения какой-либо одной проприетарной версии MIMO.

Фото: Пример радиостанции Silvus MIMO с двумя всенаправленными антеннами SWA Gooseneck, которые используются для передачи HD-видео на Indianapolis 500.

Основы MIMO

Аббревиатура для M ultiple- I n, M ultiple- O ut, MIMO-связь отправляет одни и те же данные в виде нескольких сигналов одновременно через несколько антенн, при этом все еще используется один канал. Это форма разнесения антенн, при которой используется несколько антенн для улучшения качества сигнала и мощности радиочастотного канала. Эти данные разделяются на несколько потоков данных в точке передачи и повторно объединяются на приемной стороне другим радиомодулем MIMO, сконфигурированным с тем же количеством антенн.Приемник разработан с учетом небольшой разницы во времени между приемами каждого сигнала, любых дополнительных шумов или помех и даже потерянных сигналов.

Передавая одни и те же данные в нескольких потоках, радиостанции MIMO обеспечивают избыточность передачи данных, которую не могут обеспечить классические конфигурации с одной антенной (SISO: Single In, Single Out). Это дает системам MIMO несколько преимуществ по сравнению с типичными конфигурациями SISO:

  1. MIMO-радиостанции могут использовать отраженную и отраженную радиочастотную передачу для фактического повышения мощности сигнала даже без четкой линии связи, поскольку радиостанции MIMO принимают и объединяют несколько потоков одних и тех же данных .Это особенно полезно в городских условиях, где ухудшение сигнала между одиночными антеннами без четкой линии связи является серьезной проблемой.
  2. Общая пропускная способность может быть улучшена, что позволяет передавать по сети более высокое качество и количество видео или других данных.
  3. Используя несколько потоков данных, можно уменьшить количество потерянных или потерянных пакетов данных, что приведет к лучшему качеству видео или звука.


Рис. 1: Пример системы SISO, где по одной антенне используется на каждой стороне радиолинии.


Рисунок 2: Пример системы 4×4 MIMO, в которой четыре антенны передающего радиомодуля взаимодействуют с четырьмя антеннами принимающего радиомодуля для улучшения соединения и увеличения полосы пропускания.


Некоторые радиосистемы MIMO также предлагают возможности сети Ad-Hoc, когда отдельные пользовательские узлы (например, человек с портативным радиоприемником или транспортное средство со встроенным радиомодулем MIMO и антеннами) могут входить или выходить из сети MIMO в любой момент. время, и автоматически пересылает данные от других пользователей узлов по сети, образуя самоформирующуюся, самовосстанавливающуюся ячеистую сеть, работа которой не зависит от центральной архитектуры.Это похоже на то, как работают масштабируемые радиосистемы MANET.

Стандартные конфигурации MIMO

Радиосистемы MIMO используют несколько антенн для одновременной отправки и приема нескольких потоков данных. Количество необходимых антенн определяется производителем радиостанции на основе того, что, по их мнению, будет работать для оптимальной передачи и приема.

Типичные конфигурации:

  • 2×2 MIMO (две передающие антенны, две приемные антенны)
  • 3×3 MIMO
  • 4×4 MIMO
  • 8×8 MIMO

Вообще говоря, чем больше антенн может передаваться система, тем больше потоков данных передаваться сразу, улучшая радиосвязь.Однако индивидуальные настройки системы, текущие физические и радиочастотные условия окружающей среды и достижения в области радиотехнологий означают, что большее количество антенн не всегда означает лучшую производительность.

Выбор антенны для радиостанций MIMO

Существует множество вариантов антенн для радиостанций MIMO, в зависимости от того, как пользователь желает настроить свою радиосистему на основе уникальных потребностей своего приложения.

Вообще говоря, антенны для использования MIMO можно разделить на следующие категории:

  1. Традиционные вертикально поляризованные дипольные антенны. Это те же антенны, которые используются в системах SISO, с той лишь разницей, что система MIMO будет использовать две или более одинаковых антенн на каждой стороне радиолинии. На практике можно использовать практически любую всенаправленную антенну, если она соответствует требованиям к полосе частот, усилению, управляемой РЧ-мощности и другим параметрам для указанной системы.
  2. Продукты с множеством антенн, содержащиеся в одном обтекателе. Эти антенны содержат два или более разъема RF, каждый из которых подключается к разным антеннам внутри обтекателя.Southwest Antennas разрабатывает их с уникальной наклонной левой и наклонной правой поляризацией, при этом каждый элемент смещен на 90 ° относительно другого, что обеспечивает дополнительное разнесение антенн для загруженных радиочастотных сред без увеличения размера обтекателя или сложности монтажа для конечного пользователя.

Как и системы SISO, системы MIMO могут использовать всенаправленные антенны, направленные панели или секторные антенны для различных сценариев связи и потребностей в зоне покрытия.

Варианты всенаправленных антенн для систем MIMO

Мы предлагаем всенаправленные антенны с сотнями вариантов покрытия диапазона, усиления и стилей крепления.Наша линейка всенаправленных антенн Ultra-Flex с защитой от окружающей среды и пружинных всенаправленных антенн со встроенными радиочастотными коаксиальными «гусиная шея» является популярным выбором для портативных, ношенных на теле и радиосистем MIMO, устанавливаемых на телекамеру. Легкий вес и прочная конструкция этих продуктов делают их неотъемлемой частью любого комплекта, в котором важны унции, что особенно важно для тех, кто работает в полевых условиях в течение продолжительных периодов времени.

Фото: Пример сверхгибкой всенаправленной антенны (слева) и всенаправленной антенны со встроенным гибким коаксиальным радиочастотным гуськом (справа), которые очень популярны в приложениях MIMO, особенно с портативными или переносными радиосистемами и беспроводными вещательными камерами.

Изношенные направленные антенны

Наши изношенные на теле антенны с малым форм-фактором идеально подходят для добавления направленного покрытия в систему MIMO. Это может быть особенно полезно для переносных радиостанций, где одна антенна является всенаправленной, а другая — направленной, носимой на теле антенной, что обеспечивает дополнительный частотный охват в определенном направлении.


Автомобильные всенаправленные MIMO-антенны

Наши автомобильные MIMO-антенны, разработанные с несколькими антеннами в одном обтекателе, являются идеальным выбором для мобильных приложений MIMO и имеют наклонную поляризацию для увеличения разнесения антенн.Мы предлагаем версии для постоянной установки на автомобиль или с магнитным основанием для приложений быстрого развертывания, которые идеально подходят для тех, кто не хочет постоянно менять автомобиль. Доступно как для двух, так и для четырехпортовых радиостанций MIMO.


Фото: Двухпортовая антенна Omni MIMO для прямого монтажа (слева) и четырехпортовая антенна Omni MIMO с магнитным креплением для быстрого развертывания (справа)


Направленные и секторные антенны для инфраструктуры

Для MIMO Для покрытия определенных областей компания Southwest Antennas разработала несколько антенн MIMO с двумя или четырьмя портами для направленного покрытия.Небольшая ширина луча и высокое усиление обеспечивают более точное направленное покрытие с помощью нескольких наклонно поляризованных антенн, содержащихся в одном обтекателе для быстрого монтажа на опорах, зданиях или других конструкциях.


Фото: Двух- и четырехпортовые секторные антенны с углом 90 ° для приложений S- и C-диапазонов.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *