что такое 2х2 mimo
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?
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.
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.
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.
Технология передачи данных MIMO 2×2
Технология MIMO считается молодой разработкой. Первый патент на ее применение зарегистрирован в 1984 году. Первый разработчик – компания Bell Laboratories. Спустя 12 лет, в 1996 году, концерн Airgo Networks выпускает блок микросхем для материнской платы с использованием MIMO. Разработка получила актуальность именно с развитием беспроводных технологий Wi-Fi и распространением сети 3G. На сегодняшний день она внедрена также в устройства для передачи данных в формате 4G LTE.
Преимущества использования технологии MIMO
MIMO раздает несколько потоков данных посредством одного канала. Далее сигнал проходит через две или более антенны (при этом происходит доставка разных потоков данных только по единственному каналу) до приемных устройств. Данная технология решает проблему низкой пропускной способности, причем для достижения цели не нужно расширять полосу пропускания.
При излучении радиоволны поток данных в радиоканале как бы замирает. Данное явление можно заметить в городе среди многоэтажных домов, когда пользователь двигается на значительной скорости либо удаляется от зоны излучения радиосигнала. MIMO антенны транслируют кодированный сигнал с небольшой задержкой и восстанавливают его принимающей стороной. В результате возрастает скорость передачи данных и улучшается качество сигнала.
Стандартные системы излучения сигнала для передачи данных в формате LTE имеют показатели скорости порядка 50 Мб в секунду. Системы на основе двух устройств, которые принимают и передают сигнал (технология MIMO ), позволяют увеличить скорость более чем в два раза.
Технология MIMO успешно применяется в беспроводных системах WiFi, WiMAX и в сотовой сети, т.к. она улучшает спектральные показатели качества сигнала, скорость и емкость потока информации. Все это возможно благодаря передаче данных от 4G антенны MIMO с помощью нескольких беспроводных соединений, что и отражает суть технологии. Аббревиатура MIMO исходит из выражения Multiple Input Multiple Output, что переводится как «множественный вход и множественный выход».
Область применения MIMO
область применения мимо
Разработка активно применяется для улучшения качества связи и увеличения скорости в различных стандартах беспроводной связи:
Таким образом, устройства, произведенные на основе технологии MIMO, будут передавать данные без потери качества, с высокой скоростью независимо от того, насколько удалена базовая станция оператора от места работы пользователя сети, из какого материала стены помещения, какой они толщины. Система – с безграничным потенциалом, по сути, ее возможности еще предстоит открыть.
Еще несколько лет назад словосочетание MIMO 3 G ассоциировалось с пиком скорости передачи данных. Сегодня уже начали устанавливаться 4 G антенны. Не останавливается ни на день поиск и разработка новых конфигураций MIMO антенн. Производители планируют создать версию 64х64. Если их задумка воплотится в жизнь, то совсем скоро можно будет воспользоваться оборудованием с еще более эффективными спектральными данными, с супер скоростью передачи данных, с повышенной емкостью сетей.
MIMO в загородном доме
Система будет играть важную роль и при внедрении сетей сотовой связи по стандартам 5G, где также будут практиковаться LTE и WI-FI передача данных. Подобное телекоммуникационное оборудование планируется к внедрению операторами уже к 2020 году.
Как установить антенну MIMO
Подобное оборудование – отличный вариант для установки системы связи «точка приема – точка отдачи», «точка приема – много точек отдачи». 3G, 4G антенна с поддержкой технологии MIMO обычно оснащена пластиковым корпусом, предохраняющим его от осадков и УФ-лучей. Ее можно закрепить на вертикальной поверхности, регулировать угол наклона, что особенно важно, когда нужно «ловить» сигнал на даче.
Обращайтесь в «Лан Центр»! Мы взяли на вооружение новейшие технологии, чтобы связь за городом, на даче была вам в радость.
Для тех у кого MIMO прошло мимо…
Немножко истории
У большого числа технологий, которые имеют место в сегодняшней телекоммуникационной среде «ноги растут» из военных наработок. Технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), например, была предложена ещё в 80-х годах нашими американскими друзьями, но реализовать её удалось совсем недавно лишь потому, что она чрезвычайно требовательна к вычислительной мощности системы (всему виной пресловутое БПФ).
MIMO раньше представлялась только лишь как технология разнесенного приема (имеем одну передающую и N приемных антенн). Реализуя эту идею было выпущено несколько серий военных тропосферных станций (может кому и довелось послужить на таких) и в принципе на том этапе, расходы на разворачивание дополнительных антенн себя оправдывали.
Принцип обработки был прост как лопата: в двух приемных ветках сравнивалось отношение сигнал/шум и в соответствии с оценкой этого значения каждой ветке обработки назначались весовые коэффициенты, играющие роль при принятии решения, грубо говоря, что было передано: 0 или 1. Эта нехитрая система так и была названа критерием оптимального весового сложения (MRC).
Дальше-больше. В 1997 году ирано-американец Аламоути предлагает новинку основанную на уже известных тезисах, назвав её пространственно-временным блоковым кодом (STBC). После этого год от года увеличивается вал публикаций на тему MIMO и тема стает очень актуальной на фоне того, что частотно-энергетическую эффективность систем связи повышать стало все сложнее и сложнее (уже продуманы максимально эффективные сигнально-кодовые конструкции). А дальше пошло-поехало: пространственно-временное решетчатое кодирование, пространственное мультиплексирование, а также большое количество алгоритмов декодирования от простейшего «максимального правдоподобия (ML- max likehood)» до сферического турбодекодирования на GPU и т.д.
Как это работает
Радиоканалы
Вообще эта классификация огромна и её обзор достоен отдельной статьи, но мы остановимся лишь на нескольких моментах.
Проходя путь от передатчика (T) к приемника ( R) наша радиоволна затухает (теряет в энергетике), причем то насколько она потеряет зависит то, есть ли между нашими T и R прямая видимость. Если она есть, то основная вина за потери ложится на потери среды распространения (path loss), если прямой видимости нет, то начинается самое интересное. Сталкиваясь с различными препятствиями волна идет к пункту назначения несколькими путями (многолучевое распространение) и соответственно каждый луч проходит разное расстояние. На приеме все эти лучи могут складывать с противофазе, что дополнительно снижает интенсивность сигнала, что заставляет уровень сигнала постоянно «плавать». Поэтому в зоне неуверенного приема ваши мобильники никак не могут определиться сколько «палочек сигнала» показывать.
Все это безобразие назвали замираниями. Бывают они разными и могут описывать разными законами. При наличии постоянной компоненты (наличии прямой видимости) подойдет распределение Райса, а при её отсутствии — Релеевское (частный вариант). Формул не буду приводить умышленно, они большие и страшные.
MIMO вот ОНО
Разбор того, как ЭТО работает проведем на самом простом примере. У нас есть 2 антенны на передаче и одна на приеме.
k — так называемая комплексная передаточная функция канала (определяющая его ФЧХ и АЧХ), причем различная для каждого момента времени для каждого из принятых сигналов. Главная изюминка как раз и заключается в том, что сигналы для каждой из приемных антенн проходят разные пути.
В соответствии с методом ПВБК, входной поток данных разбивается на пары [с1, с2], причем, на первом полутактовом интервале символ c1 передается через антенну Т1 и символ c2 передается через антенну Т2. На втором полутактовом интервале порядок передачи изменяется: через антенну Т1 передается инверсия символа c2 (на рисунке обозначен как (–c*2), а символ c1 передается через антенну Т2 (на рисунке обозначен как (c*1). Данный алгоритм удобно представить в виде матрицы, где номер строки будет соответствовать номеру передатчика, а номер столбца – номер полутакта (в общем случае – шаг такта) передачи. Символ «*» как уже многие догадались-комплексное сопряжение.
В итоге на входе мы получаем 2 сигнала (мультипликативные отклики за первый и второй такт), проведя ряд занимательных математических преобразований мы получаем исходный сигнал, а точнее пару этих сигналов. Собственно вся фишка и заключается в том, что каждый из этих сигналов передавался 2 раза.
Почему это возможно? Потому что k разный для каждого луча, а матрица Аламоути (рисунок выше) является ортогональной.
Практика
А теперь проведем моделирование и посмотрим выигрыш MIMO перед SISO(single in single out).
Все свои расчеты и моделирование я провожу в Matlab‘e потому, что это самая лучшая в мире очень удобная для таких экспериментов среда.
Вот собственно кусок для расчета кривой Аламоути:
Эта часть для классической схемы:
Из графика видно что выигрыш для вероятности ошибки Pош=10^(-3) примерно 12 [дБ]. И это просто огромная величина.
Технология MIMO: что из себя представляет, правила выбора
При самостоятельном выборе оборудования клиенты могут заметить, что в ассортименте присутствуют различные модели антенн с одинаковым коэффициентом усиления, но их стоимость сильно разнится. Возникает закономерный вопрос: почему модели антенн с одинаковыми характеристиками так отличаются в цене? Дело в том, что стоимость устройства зависит и от некоторых других нюансов, о чем и пойдет речь в статье.
Что такое технология MIMO?
Технология MIMO или «Multiple Input Multiple Output» представляет собой многопотоковую передачу данных. MIMO – это английская аббревиатура, дословный перевод которой звучит: «несколько входов, несколько выходов».
Суть технологии MIMO состоит в том, что пространственное кодирование сигнала позволяет увеличить полосу пропускания канала, где происходит передача данных через несколько антенн. Если сказать проще: за счет увеличения количества параллельных антенн происходит расширение сигнала. То есть, количество потоков просто удваивается.
Что такое технология MIMO?
В процессе трансляции радиоволн происходит селективное замирание цифрового потока. Это становится заметно в местности, находящейся вдалеке от зоны, охваченной радиоволнами. В целях устранения такой проблемы была разработана антенна MIMO, позволяющая по нескольким каналам с небольшой задержкой транслировать информацию. Непосредственно перед трансляцией данные кодируются и восстанавливаются на приемной стороне. Как результат, скорость распределения данных повышается, а сигнал становится лучше.
В разных реализациях технологии MIMO учитывается единовременная передача нескольких независимых сообщений в одном физическом канале. Для расширения реализации действия технологии используются системы, содержащие несколько антенн.
Какие образом работаем антенна MIMO
Для наглядности представим, что передаваемые данные – это люди, модем и базовая станция – города, которые имеют между собой один путь, а антенна – вокзал. В качестве транспорта для перевозки людей был выбран поезд вместительностью до сотни пассажиров. Поскольку поезд может перевозить не более указанного количества людей, пропускная способность в этом случае будет ограниченной. Для одновременной перевозки 200 пассажиров необходимо построить второй путь и запустить поезд с такой же пропускной способностью (100 чел). Это позволит увеличить поток пассажиров в два раза.
По тому же принципу работает и MIMO. От количества потоков зависит стандарт MIMO: при двух потоках MIMO равна 2×2, при четырех — 4×4 и т.д. Сегодня чаще используется MIMO 2х2 как для 4G LTE, так и для WiFi. Для одновременного приема двойного потока необходимо установить две обычные антенны или одну антенну с технологией MIMO. Если проводить аналогию с вокзалом, то можно сказать, что MIMO антенна представляет собой два железнодорожных пути с одной платформой.
Каким образом это отражается на интернете?
Технология MIMO способствует повышению скорости передачи данных. При определенных условиях можно добиться повышения скорости в два раза. Особенность MIMO антенны состоит в наличии двух разъемов и двух проводов.
Многие утверждают, причем не безосновательно, что MIMO антенна – это две антенны в одной. Но при этом не стоит рассчитывать на гарантированное двойное увеличение скорости от ее использования. Это все верно только в теории, а на практике обычная и MIMO антенна в сети 4G LTE могут различаться на 20-25%. При этом большую значимость будет иметь стабильность сигнала, которая обеспечивается антенной MIMO.
Специалисты рекомендуют устанавливать MIMO антенну, чтобы получить максимально быстрое и стабильное подключение в сети 4G LTE.
Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи
Функции MIMO (M ultiple 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 Nt передающих антенн, а на приемной стороне Nr приемных. Данная структура приведена на рис. 1.
Рис. 1. MIMO структура
Что такое MIMO?
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
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 3G. 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.
Рис. 3 Расположение РЭ для передачи опорных символов в субкадре при MIMO 4×4
В заключение можно сделать вывод, что MIMO оправдала себя как перспективная технология для построения мобильных систем широкополосного радиодоступа со скоростями в сотни Мб/с.
Подробно ознакомиться с функционированием технологии MIMO, конфигурацией антенн MIMO на сетях операторов мобильной связи, а также перспективах применения многоантенных систем ( Massive MIMO ) в сетях новых поколений можно в новой книге «Мобильная связь на пути к 6G».