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 релиз	Технологии	Скорость Downlink (MBPS)	Скорость Uplink (MBPS)
Rel 6	HSPA	14.4	5.7
Rel 7	HSPA+ 5 MHz, 2x2 MIMO downlink	28	11
Rel 8	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink	42	11
Rel 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	84	23
Rel 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	168	23
Rel 11	MC-HSPA+ 8x5 MHz 2x2/4x4 MIMO downlink, 2x5 MHz 2x2 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 3x3) и рекомендуется, чтобы их число совпадало и на базе и на модеме. Поэтому для фиксации этого факта MIMO определяют с каналами прием∗передача - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO и т.д. Пока в настоящее время мы имеем дело преимущественно с 2x2 MIMO.

Какие антенны применяются в технологии MIMO? Это обычные антенны, просто их должно быть две (для 2x2 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 2x2 MIMO, разработчики не сидят на месте. Уже сейчас разрабатываются технологии 64x64 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?

Технология на базе стандарта WiFi IEEE 802.11n.

Wi - Life представляет краткий обзор по технологии WiFi IEEE 802.11 n .
Расширенная информация к нашей видеопубликации .

Первое поколение устройств с поддержкой стандарта WiFi 802.11n появилось на рынке несколько лет назад. Технология MIMO ( MIMO - multiple input / multiple output -множественные входы/множественные выходы) является стержнем 802.11n. Это радиосистема с множеством раздельных путей передачи и приема. MIMO-системы описываются с использованием количества передатчиков и приемников. Стандарт WiFi 802.11n определяет набор возможных комбинаций от 1х1 до 4х4.

В типичном случае развертывания сети стандарта Wi-Fi внутри помещения, например в офисе, цеху, ангаре, больнице радиосигнал редко идет по кратчайшему пути между передатчиком и приемником из-за стен, дверей и других препятствий. Большинство подобных окружений имеют много различных поверхностей, которые отражают радиосигнал (электромагнитную волну) подобно зеркалу, отражающему свет. После переотражения образуются множественные копии исходного сигнала WiFi. Когда множественные копии WiFi-сигнала перемещаются различными путями от передатчика к приемнику сигнал шедший кратчайшим путем будет первым, а следующие копии (или переотраженное эхо сигнала) придут чуть позже из-за более длинных путей. Это называют многолучевым распространением сигнала (multipath). Условия множественного распространения постоянно меняются, т.к. Wi-Fi-устройства часто перемещаются (смартфон с Wi-Fi в руках пользователя), движутся вокруг различные объекты создавая помехи (люди, машины и т.п.). В случае прибытия сигналов в разное время и под разными углами это может вызывать искажения и возможное затухание сигнала.

Важно помнить, что поддержка WiFi 802.11 n c MIMO и большим количеством приемников может снизить эффект многолучевого распространения и деструктивную интерференцию, но в любом случае лучше уменьшать условия многолучевого распространения где и как только возможно. Один из важнейших моментов - держите антенны как можно дальше от металлических предметов (прежде всего омни антенны WiFi, которые имеют круговую или всенаправленную диаграмму направленности).

Необходимо четко понимать, что далеко не все Wi -Fi клиенты и Точки Доступа стандарта WiFi одинаковы с точки зрения MIMO .
Существуют клиенты 1х1, 2х1, 3х3 и т.д. Например мобильные устройства типа сматрфона чаще всего поддерживают MIMO 1x 1, иногда 1x 2. Это связано с двумя ключевыми проблемами:
1. необходимость обеспечения низкого потребления энергии и долгой жизни аккумулятора,
2. сложность в расположении нескольких антенн с адекватным их разнесением в небольшом корпусе.
Это же касается и других мобильных устройств: планшетных компьютеров, КПК и т.п..

Ноутбуки выского уровня довольно часто уже сейчас поддерживают MIMO вплоть до 3х3 (MacBook Pro и тп).

Давайте рассмотрим основные типы MIMO в сетях стандарта WiFi .
Сейчас мы опустим детализацию количества передатчиков и приемников. Важно понять принцип.

Первый тип : Разнесение при Получении сигнала на WiFi устройстве

Если в точке приема есть не менее двух связанных приемников с разнесенными антеннами,
то вполне реально провести анализ всех копий на каждом приемнике для выбора лучших сигналов.
Далее с этими сигналами можно проводить различные манипуляции, но нас интересует, прежде всего,
возможность их комбинирования с помощью технологии MRC (Maximum Ratio Combined ). Технология MRC подробнее будет рассмотрена далее.

Второй тип : Разнесение при Отправке сигнала на WiFi устройстве

Если в точке отправки есть не менее двух связанных передатчиков WiFi с разнесенными антеннами, то появляется возможность отправки группы идентичных сигналов для увеличения количества копий информации, повышения надежности на передаче и снижения необходимости перепосылки данных в радиоканале, в случае их потерь.

Третий тип : Пространственное мультиплексирование сигналов на устройстве стандарта WiFi
(объединение сигналов)

Если в точке отправки и в точке приема есть не менее двух связанных передатчиков WiFi с разнесенными антеннами, то появляется возможность отправки набора разной информации поверх разных сигналов с целью создания возможности виртуального объединения таких информационных потоков в один канал передачи данных, общая пропускная способность которого стремится к сумме отдельных потоков, из которых он состоит. Это называется Пространственным мультиплексированием. Но здесь крайне важно обеспечить возможность качественного разделения всех исходных сигналов, что требует большой величины SNR - соотношения сигнал/шум.

Технология MRC (maximum ratio combined ) используется во многих современных Точках Доступа Wi - Fi корпоративного класса.
MRC направлен на подъем уровня сигнала в направлении от Wi - Fi клиента к Точке Доступа WiFi 802.11.
Алгоритм работы MRC подразумевает сбор на нескольких антеннах и приемниках всех прямых и переотраженных при многолучевом распространении сигналов. Далее специальный процессор ( DSP ) отбирает лучший сигнал с каждого приемника и выполняет комбинирование. Фактически математическая обработка реализует виртуальный фазовый сдвиг для создания положительной интерференции со сложением сигналов. Таким образом результирующий суммарный сигнал значительно лучше по характеристикам, чем все исходные.

MRC позволяет обеспечивать значительно лучшие условия работы маломощных мобильных устройств в сети стандарта Wi - Fi .

В системах WiFi 802.11n достоинства многолучевого распространения используются для одновременной передачи нескольких радиосигналов. Каждый из этих сигналов, называемых «пространственными потоками », отправляется с отдельной антенны с помощью отдельного передатчика. Вследствие наличия некоторого расстояния между антеннами каждый сигнал следует к приемнику по немного отличающемуся пути. Этот эффект называется «пространственным разнесением ». Приемник также оборудован несколькими антеннами со своими отдельными радиомодулями, которые независимо декодируют поступающие сигналы, и каждый сигнал объединяется с сигналами от других приемных радиомодулей. В результате этого одновременно осуществляется прием нескольких потоков данных. Это обеспечивает значительно более высокую пропускную способность, чем в прежних системах стандарта WiFi 802.11, но и требует наличия клиента с поддержкой 802.11n.

Теперь немного углубимся в данную тему:
В устройствах стандарта WiFi с MIMO возможно разделение всего входящего информационного потока на несколько различных потоков данных с помощью пространственного мультиплексирования для последующей их отправки. Используется несколько передатчиков и антенн для отправки различных потоков в одном частотном канале. Можно визуализировать это таким образом, что некоторая текстовая фраза может передаваться так что первое слово отправляется через один передатчик, второе через другой передатчик и т.д.
Естественно, принимающая сторона должна поддерживать такой же функционал (MIMO) для полноценного выделения различных сигналов, их пересборки и объединения с помощью опять же пространственного мультиплексирования. Так мы получаем возможность восстановить исходный информационный поток. Представленная технология позволяет разделить большой поток данных на набор меньших потоков и передавать их отдельно один от другого. В целом это дает возможность более эффективно утилизировать радиосреду и конкретно частоты выделенные для Wi-Fi.

Технология стандарта WiFi 802.11n также определяет как MIMO может быть использована для улучшения уровня SNR на приемнике используя управление диаграммой направленности на передаче (transmit beamforming). С данной техникой возможно управлять процессом отправки сигналов с каждой антенны так, чтобы улучшились параметры принимаемого сигнала в приемнике. Другими словами в дополнение к отправке множественных потоков данных могут быть использованы множественные передатчики, чтобы достичь более высокого SNR в точке приема и, в результате, большей скорости передачи данных на клиенте.
Необходимо отметить следующие вещи:
1. Процедура управления диаграммой направленности (transmit beamforming), определенная в стандарте Wi-Fi 802.11n, требует совместной работы с приемником (фактически с клиентским устройством) для получения обратной связи о состоянии сигнала на приемнике. Здесь необходимо иметь поддержку этой функциональности на обеих сторонах канала - как на передатчике, так и на приемнике.
2. В силу сложности данной процедуры управление диаграммой направленности (transmit beamforming) не было поддержано в первом поколении чипов 802.11n как на стороне терминалов, так и на стороне Точек Доступа. В настоящее время большинство существующих чипов для клиентских устройств также Не поддерживают данный функционал.
3. Существуют решения для построения сетей Wi - Fi , которые позволяют полноценно управлять диаграммой направленности на Точках Доступа без необходимости получения обратной связи от клиентских устройств.

Для получения анонсов при выходе новых тематических статей или появлении новых материалов на сайте предлагаем .

Присоединяйтесь к нашей группе на

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.

MIMO - м ногоантенные технологии в LTE

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.

Один из подходов к увеличению скорости передачи данных для WiFi стандарта 802.11 и для WiMAX стандарта 802.16 – это использование беспроводных систем с применением нескольких антенн, как для передатчика, так и для приемника. Такой подход называется MIMO (дословный перевод - «множественный вход множественный выход»), или «умная антенная системы» (smart antenna systems). Технология MIMO играет важную роль в реализации WiFi стандарта 802.11n.

В технологии MIMO применяются несколько антенн различного рода, настроенных на одном и том же канале. Каждая антенна передает сигнал с различными пространственными характеристиками. Таким образом, технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Каждый wi-fi приемник «прислушивается» ко всем сигналам от каждого wifi передатчика, что позволяет делать пути передачи данных более разнообразными. Таким образом, несколько путей могут быть перекомбинированы, что приведет к усилению требуемых сигналов в беспроводных сетях.

Еще один плюс технологии MIMO в том, что данная технология обеспечивает пространственное деление мультиплексирования (Spatial Division Multiplexing (SDM)). SDM пространственно уплотняет несколько независимых потоков данных одновременно (в основном, виртуальных каналов) внутри одной спектральной полосы пропускания канала. В сущности, несколько антенн передают различные потоки данных с индивидуальной кодировкой сигналов (пространственные потоки). Эти потоки, двигаясь параллельно по воздуху «пропихивают» больше данных по заданному каналу. На приемнике каждая антенна видит разные сочетания сигнальных потоков и приемник «демултиплексирует» эти потоки для их использования. MIMO SDM может значительно увеличить пропускную способность для передачи данных, если увеличить число пространственных потоков данных. Каждому пространственному потоку необходимы свои собственные передающие / принимающие (TX / RX) антенные пары на каждом конце передачи. Работа системы представлена на рис.1

Также необходимо понимать, что для реализации технологии MIMO требуется отдельная радиочастотная цепь и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для каждой антенны. Реализации, требующие более двух антенн в цепи должны быть тщательно спроектированы для того, чтобы не увеличивать расходы при сохранении надлежащего уровня эффективности.

Важным инструментом для повышения физической скорости передачи данных в беспроводных сетях, является расширение полосы пропускания спектральных каналов. Благодаря использованию более широкой полосы пропускания канала с ортогональным частотным разделением мультиплексирования (OFDM) передача данных осуществляется с максимальной производительностью. OFDM является цифровой модуляцией, которая отлично себя зарекомендовала в качестве инструмента для осуществления двунаправленной высокоскоростной беспроводной передачи данных в WiMAX / WiFi сетях. Метод расширения пропускной способности каналов является экономически эффективным и достаточно легко реализуемым с умеренным ростом цифровой обработки сигнала (DSP). При правильном применении, можно удвоить частоту пропускания стандарта Wi-Fi 802.11 с 20 МГц канала на 40 МГц, также можно обеспечить более чем в два раза увеличенную пропускную способность каналов, используемых в настоящее время. Благодаря объединению MIMO архитектуры с более широкой полосой пропускания канала, получается очень мощный и экономически целесообразный подход для повышения физической скорости передачи.

Применение MIMO технологии с 20 МГц каналами требует больших затрат для удовлетворения требований IEEE по WiFi стандарту 802.11n (100 Мбит / с пропускной способности на MAC SAP). Также для удовлетворения этих требований при использовании канала в 20 МГц понадобиться, по меньшей мере, по три антенны, как на передатчике, так и на приемнике. Но в то же время работа на 20 МГц канале обеспечивает надежную работу с приложениями, требующими высокую пропускную способность в реальной пользовательской среде.

Совместное применение технологий MIMO и расширения канала отвечает всем требованием пользователя и являет собой достаточно надежный тандем. Это так же верно и при использовании одновременно нескольких ресурсоемких сетевых приложений. Комбинация MIMO и 40 МГц расширения канала позволит отвечать и более сложным требованиям, таким как Закон Мура и выполнение технологии CMOS совершенствования DSP технологии.

При применении расширенного канала 40 МГц в диапазоне 2.4 ГГц, изначально возникли трудности с совместимостью с оборудованием на основе WiFi стандартов 802.11a /b/g, а также с оборудованием, использующим технологию Bluetooth для передачи данных.

Для решения этой проблемы в Wi-Fi стандарте 802.11n предусмотрен целый ряд решений. Одним из таких механизмов, специально предназначенным для защиты сетей, является так называемая невысокая пропускная способность (non-HT) дублированного режима. Перед использованием протокола передачи данных WiFi стандарта 802.11n этот механизм отправляет по одному пакету на каждую из половинок 40 МГц канала для объявления сети распределения вектора (NAV). Следуя non-HT дублированного режима NAV сообщению, протокол передачи данных стандарта 802.11n может быть использован в течении заявленного в сообщение время, без нарушения наследия (целостности) сети.

Другой механизм является своего рода сигнализацией и не дает беспроводным сетям расширять канал более чем 40 МГц. Например, в ноутбуке установлены модули 802.11n и Bluetooth, данный механизм знает о возможности возникновения потенциальных помех при работе этих двух модулей одновременно и отключает передачу по каналу 40 МГц одного из модулей.

Эти механизмы гарантируют, что WiFi 802.11n будут работать с сетями более ранних стандартов 802.11 без необходимости перевода всей сети на оборудование стандарта 802.11n.

Увидеть пример использования системы MIMO можно на рис.2

Если у Вас после прочтения возникнут какие-либо вопросы, Вы можете задать их через форму отправки сообщений в разделе