MIMO (useita Syötä useita Lähtö, monikanavainen tulo - monikanavainen lähtö) on menetelmä useiden radioantennien koordinoituun käyttöön langattomassa verkkoviestinnässä, yleinen nykyaikaisissa kodin laajakaistareitittimissä ja verkoissa matkapuhelinviestintä LTE ja WiMAX.

Kuinka se toimii?

MIMO-tekniikalla varustetut Wi-Fi-reitittimet käyttävät samaa verkkoprotokollat, kuten tavalliset yksikanavaiset. Ne tarjoavat enemmän korkea suorituskyky lisäämällä tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen tehokkuutta langattoman tietoliikennelinjan kautta. Erityisesti asiakkaiden ja reitittimen välinen verkkoliikenne järjestetään erillisiksi virroiksi, jotka lähetetään rinnakkain, minkä jälkeen vastaanottava laite palauttaa ne.

MIMO-tekniikka voi kasvaa läpijuoksu, kantaman ja lähetyksen luotettavuus ja suuri muiden langattomien laitteiden aiheuttama häiriöriski.

Sovellus Wi-Fi-verkoissa

MIMO-tekniikka on ollut mukana standardissa 802.11n:stä lähtien. Sen käyttö parantaa verkkoyhteyksien suorituskykyä ja käytettävyyttä perinteisiin reitittimiin verrattuna.

Antennien määrä voi vaihdella. Esimerkiksi MIMO 2x2 tarjoaa kaksi antennia ja kaksi lähetintä, jotka pystyvät vastaanottamaan ja lähettämään kahdella kanavalla.

Hyödyntääkseen tätä tekniikkaa ja ymmärtääkseen sen edut asiakaslaitteen ja reitittimen on muodostettava MIMO-yhteys keskenään. Käytettyjen laitteiden asiakirjoista tulee ilmoittaa, tukeeko se tätä ominaisuutta. Toinen yksinkertainen tapa tarkista, onko se käytössä verkkoyhteydessä tätä tekniikkaa, Ei

SU-MIMO ja MU-MIMO

Ensimmäinen teknologian sukupolvi, joka esiteltiin 802.11n-standardissa, tuki yhden käyttäjän (SU) menetelmää. Verrattuna perinteisiin ratkaisuihin, joissa kaikki reitittimen antennit on koordinoitava kommunikoidakseen yhden kanssa asiakaslaite,SU-MIMO mahdollistaa kunkin niistä jakamisen eri laitteiden kesken.

Multi-user (MU) MIMO-tekniikka luotiin käytettäväksi Wi-Fi-verkot 802.11ac 5 GHz:llä. Kun aikaisempi standardi edellytti reitittimien hallitsevan asiakasyhteyksiään yksi kerrallaan (yksi kerrallaan), MU-MIMO-antennit voivat kommunikoida useiden asiakkaiden kanssa rinnakkain. parantaa yhteyden suorituskykyä. Vaikka 802.11ac-reitittimellä olisikin tarvittava laitteistotuki MIMO-tekniikalle, on muita rajoituksia:

• tukee rajoitettua määrää samanaikaisia ​​asiakasyhteyksiä (2-4) antennikokoonpanosta riippuen;
• antennin koordinointi tarjotaan vain yhteen suuntaan - reitittimestä asiakkaalle.

MIMO ja Cellular

Tekniikkaa käytetään mm eri tyyppejä langattomat nettiyhteydet. Se löytää yhä enemmän käyttöä matkapuhelinviestinnässä (4G ja 5G) useissa muodoissa:

• Verkko MIMO - koordinoitu signaalinsiirto tukiasemien välillä;
• Massiivinen MIMO - suuren määrän (satojen) antennien käyttö;
• millimetriaallot - ultrakorkeiden taajuuskaistojen käyttö, joiden kapasiteetti on suurempi kuin 3G- ja 4G-lisenssillä.

Monen käyttäjän tekniikka

Ymmärtääksemme, miten MU-MIMO toimii, meidän on tarkasteltava, kuinka perinteinen langaton reititin käsittelee datapaketteja. Se tekee hyvää työtä tietojen lähettämisessä ja vastaanottamisessa, mutta vain yhteen suuntaan. Toisin sanoen se voi kommunikoida vain yhden laitteen kanssa kerrallaan. Jos esimerkiksi videota ladataan, et voi suoratoistaa online-videopeliä konsoliin samanaikaisesti.

Käyttäjä voi käyttää useita laitteita Wi-Fi-verkossa, ja reititin lähettää hyvin nopeasti vuorotellen databittejä niille. Se voi kuitenkin käyttää vain yhtä laitetta kerrallaan, mikä on pääsyy huonoon yhteyden laatuun, jos Wi-Fi-kaistanleveys on liian pieni.

Koska se toimii, se kiinnittää vain vähän huomiota itseensä. Kuitenkin reitittimen tehokkuutta, joka lähettää tietoja useille laitteille samanaikaisesti, voidaan parantaa. Samalla se toimii nopeammin ja tarjoaa mielenkiintoisempia verkkokokoonpanoja. Tästä syystä MU-MIMOn kaltaiset kehitystyöt syntyivät, jotka lopulta sisällytettiin nykyaikaiset standardit langaton kommunikaatio. Tämän kehityksen ansiosta edistyneet reitittimet voivat kommunikoida useiden laitteiden kanssa samanaikaisesti.

Lyhyt historia: SU vs MU

Yhden ja monen käyttäjän MIMO ovat eri tavoilla tiedonsiirto reitittimien ja useiden laitteiden välillä. Ensimmäinen on vanhempi. SU-standardi salli tietojen lähettämisen ja vastaanottamisen useiden virtojen kautta kerralla riippuen käytettävissä olevasta antennien määrästä, joista jokainen voisi toimia eri laitteiden kanssa. SU sisällytettiin vuoden 2007 802.11n-päivitykseen, ja sitä on alettu vähitellen ottaa käyttöön uusissa tuotelinjoissa.

SU-MIMO:lla oli kuitenkin rajoituksia antennivaatimusten lisäksi. Vaikka laitteita voi olla kytkettynä useita, ne käsittelevät edelleen reititintä, joka pystyy käsittelemään vain yhtä kerrallaan. Tiedonsiirtonopeudet ovat kasvaneet ja häiriöt ovat vähentyneet, mutta parantamisen varaa on edelleen runsaasti.

MU-MIMO on standardi, joka on kehittynyt SU-MIMOsta ja SDMA:sta (Space Division Multiple Access). Teknologian ansiosta tukiasema voi kommunikoida useiden laitteiden kanssa käyttämällä jokaiselle erillistä virtaa, ikään kuin niillä kaikilla olisi oma reititin.

MU-tuki lisättiin lopulta päivitykseen 802.11ac-standardiin vuonna 2013. Usean vuoden kehitystyön jälkeen valmistajat alkoivat sisällyttää tätä ominaisuutta tuotteisiinsa.

MU-MIMO:n edut

Tämä on jännittävä tekniikka, koska sillä on huomattava vaikutus jokapäiväiseen Wi-Fi-käyttöön muuttamatta suoraan kaistanleveyttä tai muita tärkeitä parametreja langaton yhteys. Verkostot ovat entistä tehokkaampia.

Vakaan yhteyden varmistamiseksi kannettavaan tietokoneeseen, puhelimeen, tablettiin tai tietokoneeseen standardi ei edellytä, että reitittimessä on useita antenneja. Jokainen tällainen laite ei saa jakaa MIMO-kanavaansa muiden kanssa. Tämä on erityisen havaittavissa suoratoistaessa videoita tai suoritettaessa muita monimutkaisia ​​tehtäviä. Internetin nopeudet ovat subjektiivisesti nopeampia ja yhteys luotettavampi, vaikka todellisuudessa verkko on älykkäämpää. Myös samanaikaisesti huollettavien laitteiden määrä kasvaa.

MU-MIMO:n rajoitukset

Monen käyttäjän monikäyttötekniikalla on myös useita mainitsemisen arvoisia rajoituksia. Nykyiset standardit tukevat 4 laitetta, mutta voit lisätä niitä ja niiden on jaettava stream, mikä tuo takaisin SU-MIMOn ongelmat. Tekniikkaa käytetään pääasiassa alaslinkeissä, ja se on rajoitettu nousevien linkkien osalta. Lisäksi MU-MIMO-reitittimessä on oltava enemmän laite- ja linkin tilatietoja kuin aikaisemmat standardit vaativat. Tämä vaikeuttaa langattomien verkkojen hallintaa ja vianmääritystä.

MU-MIMO on myös suuntatekniikka. Tämä tarkoittaa, että kaksi vierekkäistä laitetta eivät voi käyttää eri kanavia samanaikaisesti. Jos aviomies esimerkiksi katselee verkkolähetystä televisiosta ja hänen vaimonsa on lähellä suoratoistamassa PS4-peliä Vitalleen Remote Playn kautta, heidän on silti jaettava kaistanleveyttä. Reititin voi tarjota vain erillisiä streameja laitteille, jotka sijaitsevat eri suuntiin.

Massiivinen MIMO

Kun siirrymme kohti viidennen sukupolven (5G) langattomia verkkoja, älypuhelimien ja uusien sovellusten kasvu on johtanut niiden vaaditun kaistanleveyden 100-kertaiseen kasvuun LTE:hen verrattuna. Viime vuosina paljon huomiota saanut uusi Massive MIMO -teknologia on suunniteltu nostamaan tietoliikenneverkkojen tehokkuutta merkittävästi ennennäkemättömälle tasolle. Käytettävissä olevien resurssien niukkuus ja korkeat kustannukset huomioon ottaen operaattoreita houkuttelee mahdollisuus lisätä kapasiteettia alle 6 GHz:n taajuuskaistoilla.

Huomattavasta edistymisestä huolimatta Massive MIMO on kaukana täydellisestä. Teknologian tutkimus jatkuu edelleen aktiivisesti sekä korkeakouluissa että teollisuudessa, jossa insinöörit pyrkivät saavuttamaan teoreettisia tuloksia kaupallisesti hyväksyttävillä ratkaisuilla.

Massiivinen MIMO voi auttaa ratkaisemaan kaksi keskeistä ongelmaa - suorituskyvyn ja kattavuuden. Operaattoreille matkaviestintä Taajuusalue on edelleen niukka ja suhteellisen kallis resurssi, mutta se on keskeinen edellytys signaalin lähetysnopeuden lisäämiselle. Kaupungeissa tukiasemien etäisyyttä ohjaa pikemminkin kapasiteetti kuin peitto, mikä edellyttää suurten tukiasemien käyttöönottoa ja aiheuttaa lisäkustannuksia. Massiivisen MIMOn avulla voit lisätä jo kapasiteettia olemassa olevaa verkkoa. Alueilla, joilla tukiasemien käyttöönotto perustuu peittoalueeseen, teknologia voi laajentaa tukiasemien valikoimaa.

Konsepti

Massiivinen MIMO muuttaa perusteellisesti nykyistä käytäntöä käyttämällä erittäin suurta määrää koherentisti ja adaptiivisesti toimivia 4G-palveluantenneja (satoja tai tuhansia). Tämä auttaa keskittämään signaalienergian lähetyksen ja vastaanoton pienemmille tilan alueille, mikä parantaa huomattavasti suorituskykyä ja energiatehokkuutta, varsinkin kun se yhdistetään useiden käyttäjäpäätteiden (kymmenien tai satojen) samanaikaiseen ajoitukseen. Menetelmä oli alun perin tarkoitettu TDD (Time Division Duplex) -lähetykseen, mutta sitä voitaisiin mahdollisesti käyttää myös taajuusjakokupleksitilassa (PDD).

MIMO-tekniikka: edut ja haitat

Menetelmän etuja ovat halpojen pienitehoisten komponenttien laaja käyttö, alennettu latenssi, yksinkertaistettu pääsynhallintakerros (MAC) ja kestävyys satunnaisille ja tahallisille häiriöille. Odotettu suoritusteho riippuu etenemisväliaineesta, joka tarjoaa asymptoottisesti ortogonaalisia linkkejä terminaaleihin, ja kokeet eivät ole toistaiseksi paljastaneet rajoituksia tässä suhteessa.

Monien ongelmien poistamisen myötä ilmaantuu kuitenkin uusia, jotka vaativat kiireellisiä ratkaisuja. Esimerkiksi MIMO-järjestelmissä on varmistettava tehokkuus Työskennellä yhdessä useita edullisia ja tarkkoja komponentteja, kerää kanavan tilatietoja ja allokoi resursseja äskettäin liitettyihin päätelaitteisiin. On myös tarpeen hyödyntää redundanttien palveluantennien tarjoamia lisävapausasteita, vähentää sisäistä virrankulutusta kokonaisenergiatehokkuuden saavuttamiseksi ja löytää uusia käyttöönottoskenaarioita.

MIMO-toteutuksiin liittyvien 4G-antennien kasvava määrä vaatii tyypillisesti käyntejä jokaiselle tukiasemalle konfigurointia ja johdotusmuutoksia varten. Ensimmäinen käyttöönotto LTE-verkot vaati uusien laitteiden asentamista. Tämä mahdollisti alkuperäisen LTE-standardin 2x2 MIMO-kokoonpanon. Lisämuutoksia tukiasemiin tehdään vain ääritapauksissa ja korkeamman asteen toteutukset riippuvat toimintaympäristöstä. Toinen ongelma on se, että MIMO-toiminta johtaa täysin erilaiseen verkkokäyttäytymiseen kuin aikaisemmissa järjestelmissä, mikä aiheuttaa jonkin verran ajoituksen epävarmuutta. Siksi operaattoreilla on tapana käyttää ensin muita kehitysversioita, varsinkin jos ne voidaan ottaa käyttöön ohjelmistopäivityksen kautta.

Elämme digitaalisen vallankumouksen aikakautta, rakas anonyymi. Ennen kuin ehdimme tottua uuteen tekniikkaan, meille tarjotaan jo joka puolelta vielä uudempaa ja edistyneempää. Ja samalla kun mietimme, auttaako tämä tekniikka todella saamaan enemmän nopea internet tai sitten vain huijataan rahat jälleen kerran, suunnittelijat kehittävät tällä hetkellä vielä uudempaa tekniikkaa, jota meille tarjotaan korvaamaan nykyinen kirjaimellisesti 2 vuoden kuluttua. Tämä koskee myös MIMO-antennitekniikkaa.

Millainen tekniikka MIMO on? Multiple Input Multiple Output - useita tuloja useita lähtöjä. Ensinnäkin MIMO-tekniikka on kokonaisvaltainen ratkaisu ja koskee muutakin kuin antenneja. Tämän tosiasian ymmärtämiseksi paremmin kannattaa tehdä lyhyt retki matkaviestinnän kehityksen historiaan. Kehittäjät kohtaavat tehtävän siirtää suurempi määrä tietoa aikayksikköä kohden, ts. lisää nopeutta. Analogisesti vesihuollon kanssa - toimita käyttäjälle suurempi määrä vettä aikayksikköä kohti. Voimme tehdä tämän lisäämällä "putken halkaisijaa" tai analogisesti laajentamalla tiedonsiirtotaajuuskaistaa. Alun perin GSM-standardi oli räätälöity puheliikenteeseen ja sen kanavan leveys oli 0,2 MHz. Se oli aivan tarpeeksi. Lisäksi ongelmana on monen käyttäjän pääsyn tarjoaminen. Se voidaan ratkaista jakamalla tilaajat taajuudella (FDMA) tai ajalla (TDMA). GSM käyttää molempia menetelmiä samanaikaisesti. Tämän seurauksena meillä on tasapaino verkon suurimman mahdollisen tilaajamäärän ja puheliikenteen pienimmän mahdollisen kaistanleveyden välillä. Mobiili-Internetin kehittyessä tästä vähimmäiskaistasta on tullut esterata nopeuden lisäämiselle. Kaksi GSM-alustaan ​​perustuvaa teknologiaa - GPRS ja EDGE - ovat saavuttaneet maksiminopeuden 384 kbit/s. Nopeuden lisäämiseksi oli tarpeen laajentaa Internet-liikenteen kaistanleveyttä ja samalla käyttää mahdollisuuksien mukaan GSM-infrastruktuuria. Tämän seurauksena kehitettiin UMTS-standardi. Suurin ero tässä on kaistan laajentaminen välittömästi 5 MHz:iin ja monen käyttäjän pääsyn varmistamiseksi - CDMA-koodipääsyteknologian käyttö, jossa useat tilaajat toimivat samanaikaisesti samalla taajuuskanavalla. Tätä tekniikkaa kutsuttiin W-CDMA:ksi, mikä korostaa, että se toimii laajalla kaistalla. Tätä järjestelmää kutsuttiin kolmannen sukupolven järjestelmäksi - 3G, mutta samalla se on GSM-lisäosa. Joten saimme leveän 5 MHz:n "putken", jonka ansiosta pystyimme aluksi kasvattamaan nopeutta 2 Mbit/s.

Kuinka muuten voimme lisätä nopeutta, jos meillä ei ole mahdollisuutta kasvattaa "putken halkaisijaa" edelleen? Voimme rinnastaa virtauksen useisiin osiin, lähettää jokaisen osan erillisen pienen putken läpi ja sitten yhdistää nämä erilliset virtaukset vastaanottopäässä yhdeksi leveäksi virtaukseksi. Lisäksi nopeus riippuu kanavan virheiden todennäköisyydestä. Pienentämällä tätä todennäköisyyttä redundantilla koodauksella, eteenpäin suunnatulla virheenkorjauksella ja käyttämällä kehittyneempiä menetelmiä radiosignaalin moduloimiseksi voimme myös lisätä nopeutta. Kaikkia näitä kehityssuuntia (yhdessä "putken" laajentamisen kanssa lisäämällä kantoaaltojen määrää kanavaa kohti) käytettiin johdonmukaisesti UMTS-standardin edelleen parantamisessa, ja niitä kutsuttiin HSPA:ksi. Tämä ei korvaa W-CDMA:ta, vaan tämän pääalustan soft+hard-päivitys.

Kansainvälinen konsortio 3GPP kehittää standardeja 3G:lle. Taulukossa on yhteenveto tämän standardin eri julkaisujen ominaisuuksista:

3G HSPA -nopeus ja keskeiset tekniset ominaisuudet
3GPP julkaisu	Teknologiat	Downlink-nopeus (MBPS)	Uplink-nopeus (MBPS)
Suh 6	HSPA	14.4	5.7
Suh. 7	HSPA+ 5 MHz, 2x2 MIMO downlink	28	11
Suh. 8	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink	42	11
Suh 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	84	23
Suh 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	168	23
Suh 11	MC-HSPA+ 8x5 MHz 2x2/4x4 MIMO downlink, 2x5 MHz 2x2 MIMO uplink	336 - 672	70

4G LTE -teknologia sen lisäksi, että se on taaksepäin yhteensopiva 3G-verkkojen kanssa, mikä antoi sille mahdollisuuden voittaa WiMAXin, pystyy saavuttamaan tulevaisuudessa entistä suurempia nopeuksia, jopa 1 Gbit/s ja enemmän. Tässä käytetään vielä kehittyneempiä tekniikoita digitaalisen virran siirtämiseen ilmarajapintaan, esimerkiksi OFDM-modulaatiota, joka integroituu erittäin hyvin MIMO-tekniikkaan.

Joten mikä on MIMO? Rinnakoimalla virtaus useaan kanavaan, voit lähettää ne eri tavoilla useiden antennien kautta "over the air" ja vastaanottaa ne samoilla itsenäisillä antenneilla vastaanottopuolella. Näin saamme useita itsenäisiä "putkia" ilmarajapinnan yli kaistaa laajentamatta. Tämä on pääidea MIMO. Kun radioaallot etenevät radiokanavalla, havaitaan valikoivaa häipymistä. Tämä näkyy erityisesti tiheällä kaupunkialueella, jos tilaaja on liikkeellä tai solun palvelualueen reunalla. Häipyminen kussakin spatiaalisessa "putkessa" ei tapahdu samanaikaisesti. Siksi, jos lähetämme saman tiedon kahdella MIMO-kanavalla pienellä viiveellä, päällekkäin aiemmin erikoiskoodin (Alamuoti-menetelmä, maaginen neliökoodisuperpositio), voimme palauttaa kadonneet symbolit vastaanottavalla puolella, mikä vastaa parantaa signaali-signaalisuhdetta kohina jopa 10-12 dB. Tämän seurauksena tämä tekniikka johtaa jälleen nopeuden kasvuun. Itse asiassa tämä on pitkään tunnettu diversiteettivastaanotto (Rx Diversity), joka on orgaanisesti sisäänrakennettu MIMO-tekniikkaan.

Viime kädessä meidän on ymmärrettävä, että MIMOa on tuettava sekä tukiasemassa että modeemissamme. Yleensä 4G:ssä MIMO-kanavien määrä on kahden kerrannainen - 2, 4, 8 (Wi-Fi-järjestelmissä kolmikanavainen 3x3-järjestelmä on yleistynyt) ja on suositeltavaa, että niiden lukumäärä on sama sekä tukiasemassa että modeemissa. . Siksi tämän tosiasian korjaamiseksi MIMO määritetään vastaanotto∗lähetyskanavilla - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO jne. Toistaiseksi käsittelemme pääasiassa 2x2 MIMO:ta.

Mitä antenneja käytetään MIMO-tekniikassa? Nämä ovat tavallisia antenneja, niitä tarvitsee vain olla kaksi (2x2 MIMO:lle). Kanavien erottamiseen käytetään ortogonaalista, ns. X-polarisaatiota. Tässä tapauksessa kunkin antennin polarisaatio suhteessa pystysuoraan siirtyy 45° ja suhteessa toisiinsa - 90°. Tämä polarisaatiokulma asettaa molemmat kanavat yhtäläisiksi, koska antennien vaaka-/pystysuuntaisessa asennossa toinen kanavista saisi väistämättä suuremman vaimennuksen maan pinnan vaikutuksesta. Samanaikaisesti 90° polarisaatiosiirtymä antennien välillä mahdollistaa kanavien irrottamisen toisistaan ​​vähintään 18-20 dB:llä.

MIMOa varten sinä ja minä tarvitsemme modeemin, jossa on kaksi antennituloa ja kaksi antennia katolla. Kysymys jää kuitenkin, tuetaanko tätä tekniikkaa tukiasemalla. 4G LTE- ja WiMAX-standardeissa tällainen tuki on saatavilla sekä tilaajalaitteiden sivulla että tukiasemassa. 3G-verkossa kaikki ei ole niin yksinkertaista. Verkossa toimii jo tuhansia laitteita, jotka eivät tue MIMO:ta, joille tämän tekniikan käyttöönotolla on päinvastainen vaikutus - verkon läpimenokyky heikkenee. Siksi operaattoreilla ei ole vielä kiire ottamaan MIMO:ta yleisesti käyttöön 3G-verkoissa. Jotta tukiasema voisi tarjota tilaajille suurta nopeutta, sillä itsellään on oltava hyvä kuljetus, ts. siihen on liitettävä "paksu putki", mieluiten valokuitu, mikä ei myöskään aina pidä paikkaansa. Siksi 3G-verkoissa MIMO-tekniikka on tällä hetkellä lapsenkengissään ja kehitysvaiheessa, sitä testaavat sekä operaattorit että käyttäjät, eikä jälkimmäinen aina onnistu. Siksi sinun tulee luottaa MIMO-antenneihin vain 4G-verkoissa. Solun palvelualueen reunalla voidaan käyttää suuritehoisia antenneja, kuten peiliantenneja, joihin MIMO-syötteitä on jo kaupallisesti saatavilla.

Wi-Fi-verkoissa MIMO-tekniikka on kiinteä IEEE 802.11n- ja IEEE 802.11ac -standardeissa, ja monet laitteet tukevat sitä jo. Vaikka näemme 2x2 MIMO -tekniikan saapumisen 3G-4G-verkkoihin, kehittäjät eivät istu paikallaan. 64x64 MIMO-tekniikoita, joissa on älykkäitä antenneja, joissa on mukautuva säteilykuvio, kehitetään jo. Nuo. jos siirrymme sohvalta nojatuoliin tai menemme keittiöön, tablettimme huomaa tämän ja kääntää sisäänrakennetun antennin säteilykuvion haluttuun suuntaan. Tarvitseeko kukaan tätä sivustoa tuolloin?

MIMO - m moniantenniteknologiat LTE:ssä

MIMO-toiminnot (M useita tuloja – useita lähtöjä)

MIMO-tekniikoiden (multiple input – multiple output) käyttö ratkaisee kaksi ongelmaa:

Parempi viestinnän laatu spatiaalisen aika/taajuuskoodauksen ja (tai) säteenmuodostuksen ansiosta,

Lähetysnopeuden lisääminen käytettäessä spatiaalista multipleksointia.

MIMO-rakenne

MIMO:n eri toteutuksissa tämä tarkoittaa useiden itsenäisten sanomien samanaikaista lähettämistä yhdellä fyysisellä kanavalla. MIMO:n toteuttamiseksi käytetään moniantennijärjestelmiä: lähetyspuolella on Nt lähetysantenneissa ja vastaanottopuolella N r hyväksytty Tämä rakenne on esitetty kuvassa. 1.

Riisi. 1. MIMO-rakenne

Mikä on MIMO?

MIMO (englanniksi) Useita tuloja Useita lähtöjä) -spatiaalisen signaalin koodausmenetelmä, jonka avulla voit lisätä kanavan kaistanleveyttä, jossa tiedonsiirto suoritetaan käyttämällä N antennit ja niiden vastaanotto M antennit. Lähetys- ja vastaanottoantennit ovat riittävän erillään vierekkäisten antennien välisen heikon korrelaation saavuttamiseksi.

MIMOn historia

MIMO-järjestelmien historia langattoman viestinnän kohteena ei ole vielä kovin pitkä. Ensimmäinen patentti MIMOn käytölle radioviestinnässä rekisteröitiin vuonna 1984 Bell Laboratoriesin työntekijän Jack Wintersin puolesta. Saman yrityksen Jack Salz julkaisi tutkimuksensa perusteella ensimmäisen artikkelin MIMO-ratkaisuista vuonna 1985. Tämän alueen kehittämistä jatkoivat Bell Laboratories -asiantuntijat ja muut tutkijat vuoteen 1995 asti. Vuonna 1996 Greg Raleigh ja Gerald J. Foschini ehdottivat MIMO-järjestelmän uutta toteutusta, mikä lisäsi sen tehokkuutta. Myöhemmin Greg Raleigh, joka on hyvitetty OFDM:stä ( Ortogonaalinen taajuusjakoinen multipleksointi– ortogonaalinen kantoaaltomultipleksaus) MIMOlle, joka perusti Airgo Networksin, joka kehitti ensimmäisen MIMO-piirisarjan nimeltä True MIMO.

Huolimatta ilmestymisensä melko lyhyestä ajanjaksosta MIMO-suunta kehittyy kuitenkin hyvin monitahoisesti ja sisältää heterogeenisen menetelmäperheen, joka voidaan luokitella vastaanottavan laitteen signaalin erotteluperiaatteen mukaan. Samaan aikaan MIMO-järjestelmissä käytetään sekä jo käytäntöön tulleita että uusia lähestymistapoja signaalien erottamiseen. Näitä ovat esimerkiksi tila-ajallinen, spatiaalinen taajuus, spatiaalinen polarisaatiokoodaus sekä superresoluutio signaalin saapumissuunnassa vastaanottimeen. Signaalien erottamiseen liittyvien lähestymistapojen runsauden ansiosta kesti niin kauan standardien kehittäminen MIMO-järjestelmien käytölle viestinnässä. Kaiken tyyppiset MIMO:t pyrkivät kuitenkin saavuttamaan yhden tavoitteen - tiedonsiirtonopeuden huipputason lisäämisen tietoliikenneverkoissa parantamalla kohinansietokykyä.

Yksinkertaisin MIMO-antenni on kahden epäsymmetrisen vibraattorin (monopolin) järjestelmä, jotka on suunnattu ±45° kulmaan pystyakseliin nähden (kuva 2).

Riisi. 2 Yksinkertaisin MIMO-antenni

Tämä polarisaatiokulma sallii kanavien olla yhtäläisissä olosuhteissa, koska emitterien vaaka-pystysuorassa suunnassa yksi polarisaatiokomponenteista saisi väistämättä suuremman vaimennuksen eteneessään pitkin maan pintaa. Kunkin monopolin itsenäisesti lähettämät signaalit polarisoidaan keskenään ortogonaalisesti riittävän suurella keskinäisellä eristyksellä ristipolarisaatiokomponentissa (vähintään 20 dB). Vastaanottopuolella käytetään samanlaista antennia. Tämä lähestymistapa mahdollistaa signaalien samanaikaisen lähettämisen samoilla kantoaaltoilla, jotka on moduloitu eri tavoin. Polarisaatioerotuksen periaate mahdollistaa radioviestintälinkin kapasiteetin kaksinkertaistamisen yksittäiseen monopoliin verrattuna (ihanteellisissa näköyhteysolosuhteissa, kun vastaanotto- ja lähetysantennit ovat identtisiä). Siten olennaisesti mitä tahansa kaksoispolarisaatiojärjestelmää voidaan pitää MIMO-järjestelmänä.

MIMOn jatkokehitys

Kun MIMO-tekniikka määriteltiin julkaisussa 7, standardi levisi aktiivisesti ympäri maailmaa. Kolmannen sukupolven verkkoja on yritetty yhdistää MIMO-teknologiaan, mutta ne eivät ole yleistyneet. Global Mobile Equipment Suppliers Associationin mukaan ( Global Mobile Suppliers Association, GSA), päivätty 4. marraskuuta 2010. Tuolloin markkinoilla olevista 2 776 HSPA-yhteensopivasta laitteesta vain 28 mallia tukee MIMOa. Lisäksi MIMO-verkon toteutus, jossa MIMO-päätelaitteiden penetraatio on alhainen, johtaa verkon läpäisykyvyn laskuun. Nokia on kehittänyt teknologiaa kaistanleveyshäviöiden minimoimiseksi, mutta se olisi tehokasta vain, jos MIMO-päätetiheys olisi vähintään 40 % tilaajalaitteista. Edellä olevaan lisäten on syytä muistaa, että 14. joulukuuta 2009 maailman ensimmäinen mobiiliverkko perustuu LTE-tekniikkaan, joka mahdollisti paljon enemmän suuret nopeudet. Tämän perusteella on selvää, että operaattoreiden tavoitteena oli LTE-verkkojen nopea käyttöönotto kolmannen sukupolven verkkojen päivittämisen sijaan.

Tänä päivänä voidaan havaita liikenteen määrän nopea kasvu neljännen sukupolven matkaviestinverkoissa, ja tarjotakseen tarvittavan nopeuden kaikille tilaajilleen operaattoreiden on etsittävä erilaisia ​​menetelmiä tiedonsiirtonopeuden lisäämiseksi tai taajuusresurssien käytön tehostamiseksi. MIMO puolestaan ​​mahdollistaa lähes 2 kertaa enemmän datan lähettämisen käytettävissä olevalla taajuuskaistalla samalla ajanjaksolla 2x2-vaihtoehdolla. Jos käytät 4x4-antennin toteutusta, valitettavasti suurin nopeus lataustietojen nopeus on 326 Mbit/s eikä 400 Mbit/s, kuten teoreettinen laskelma antaa ymmärtää. Tämä johtuu 4 antennin kautta tapahtuvan lähetyksen erityispiirteistä. Jokaiselle antennille on allokoitu tietyt resurssielementit (RE) referenssisymbolien lähettämistä varten. Ne ovat välttämättömiä koherentin demodulaation ja kanavaestimoinnin järjestämiseksi. Näiden RE:n sijainti on esitetty kuvassa. 3. Lähetysantenneille on määritetty loogiset antenniporttinumerot. R0-merkityt merkit lähetetään portin 0 kautta, R1:n merkit lähetetään portin 1 kautta jne. Tämän seurauksena 14,3 % kaikista RE:stä on varattu referenssisymbolien siirtoon, mikä selittää eron teoreettisen ja käytännön nopeuden välillä.

Monen käyttäjän MIMO on olennainen osa 802.11ac-standardia. Mutta tähän mennessä ei ole ollut laitteita, jotka tukevat tätä uudentyyppistä moniantennitekniikkaa. Edellisen sukupolven 802.11ac WLAN-reitittimet nimettiin Wave 1 -laitteiksi. Vain Wave 2:ssa on otettu käyttöön Multi-User MIMO (MU-MIMO) -tekniikka, ja tämä toinen laitteiden aalto on johdossa.

WLAN-standardi	802.11b	802.11g/a	802.11n	802.11ac	802.11ax*
Tiedonsiirtonopeus per stream, Mbit/s	11	54	150	866	vähintään 3500
Taajuusalue, GHz	2,4	2,4/5	2, 4 ja 5	5	1 ja 6 välillä
Kanavan leveys, MHz	20	20/20	20 ja 40	20, 40, 80 tai 160	ei ole vielä päätetty
Antenni tekniikka		Single Input Single Output (yksi tulo - yksi lähtö)	MIMO: Multiple Input Multiple Output		MIMO/MU-MIMO (monen käyttäjän MIMO)
Enimmäismäärä tila	1	1	4	8	ei ole vielä päätetty
Säteenmuodostusteknologian tuki	□	□	■	■	■

■ kyllä ​​□ ei

Koska usean käyttäjän MIMO lähettää signaalin useille laitteille samanaikaisesti, lähetysprotokollaa laajennetaan vastaavasti datalohkojen otsikoiden suhteen: usean käyttäjän MIMO jakaa lähetyksen kullekin käyttäjälle erikseen sen sijaan, että lähettäisi useita spatiaalisesti erotettuja virtoja yhdelle asiakkaalle. sekä koodaus. Taajuuskaistan allokointi ja koodaus pysyvät samoina.

Yksi käyttäjä Jos neljä laitetta jakaa saman WLAN-verkon, reititin, jossa on 4x4:4 MIMO-konfiguraatio, lähettää neljä paikkatietovirtaa, mutta aina vain samalle laitteelle. Laitteita ja laitteita huolletaan vuorotellen. Monikäyttäjä Multi User MIMO:n tuella ei muodostu jonoja laitteista, jotka odottavat pääsyä WLAN-reitittimen resursseihin. Kannettava tietokone, tabletti, puhelin ja televisio tarjotaan dataa samanaikaisesti.

WLAN-verkko on kuin vilkas valtatie: vuorokaudenajasta riippuen tähän liikenteeseen on kytketty tietokoneiden ja kannettavien lisäksi tabletit, älypuhelimet, televisiot ja pelikonsolit. Keskivertotaloudessa on yli viisi laitetta, jotka ovat yhteydessä Internetiin WLAN-verkon kautta, ja määrä kasvaa jatkuvasti. IEEE 802.11b -ydinstandardin sisältämän 11 ​​Mbps:n nopeuden ansiosta verkon surffaaminen ja tietojen lataaminen vaatii paljon kärsivällisyyttä, koska reititin voidaan yhdistää vain yhteen laitteeseen kerrallaan. Jos radioviestintää käyttää kolme laitetta kerralla, kukin asiakas saa vain kolmanneksen viestintäistunnon kestosta ja kaksi kolmasosaa ajasta kuluu odottamiseen. Vaikka uusinta IEEE 802.11ac -standardia käyttävät WLAN-verkot tarjoavat jopa 1 Gbps:n tiedonsiirtonopeuden, ne kärsivät myös nopeuden heikkenemisestä jonotuksen vuoksi. Mutta seuraavan sukupolven laitteet (802.11ac Wave 2) lupaavat parempaa suorituskykyä radioverkoissa, joissa on useita aktiivisia laitteita.

Ymmärtääksesi paremmin innovaatioiden ydintä, sinun tulee ensin muistaa, mitä muutoksia WLAN-verkoissa on tapahtunut viime aikoina. Yksi tehokkaimmista tekniikoista tiedonsiirtonopeuksien lisäämiseksi IEEE 802.1In -standardista alkaen on MIMO (Multiple Input Multiple Output) -tekniikka. Se sisältää useiden radioantennien käytön datavirtojen rinnakkaiseen siirtoon. Jos esimerkiksi yksi videotiedosto lähetetään WLAN-verkon kautta ja käytetään MIMO-reititintä, jossa on kolme antennia, jokainen lähettävä laite lähettää ihanteellisesti (vastaanottimessa kolme antennia) kolmanneksen tiedostosta.

Kustannukset kasvavat jokaisen antennin myötä

IEEE 802.11n -standardissa kunkin yksittäisen virran maksimi tiedonsiirtonopeus yhdessä palvelutietojen kanssa on 150 Mbit/s. Neljällä antennilla varustetut laitteet pystyvät siis lähettämään dataa jopa 600 Mbit/s nopeuksilla. Nykyinen IEEE 802.11ac -standardi saavuttaa teoriassa noin 6900 Mbps. Leveiden radiokanavien ja parannetun modulaation lisäksi uusi standardi mahdollistaa jopa kahdeksan MIMO-virran käytön.

Mutta pelkkä antennien määrän lisääminen ei takaa tiedonsiirron moninkertaista kiihtyvyyttä. Päinvastoin, neljällä antennilla palveludatan määrä kasvaa huomattavasti, ja myös radiosignaalien törmäysten havaitsemisprosessi tulee kalliimmaksi. Jotta antennien lisääminen olisi kannattavaa, MIMO-tekniikka kehittyy jatkuvasti. Eron vuoksi on oikeampaa kutsua vanhaa MIMO-yhdenkäyttäjää MIMO:ksi (Single User MIMO). Vaikka se tarjoaa useiden tilavirtojen samanaikaisen siirron, kuten aiemmin mainittiin, mutta aina vain yhteen osoitteeseen. Tämä haitta on nyt poistettu käyttämällä usean käyttäjän MIMOa. Tämän tekniikan avulla WLAN-reitittimet voivat lähettää signaalin samanaikaisesti neljälle asiakkaalle. Kahdeksalla antennilla varustettu laite voisi esimerkiksi käyttää neljää kannettavan tietokoneen virtalähteenä ja rinnakkain käyttää kahta muuta - tablettia ja älypuhelinta.

MIMO – tarkka suuntasignaali

Jotta reititin voi välittää WLAN-paketteja eri asiakkaille samanaikaisesti, se tarvitsee tietoa asiakkaiden sijainnista. Tätä varten ensin lähetetään testipaketteja kaikkiin suuntiin. Asiakkaat vastaavat näihin paketteihin, ja tukiasema tallentaa signaalin voimakkuustiedot. Beamforming-tekniikka on yksi MU MIMOn tärkeimmistä apuvälineistä. Vaikka IEEE 802.11n -standardi tukee sitä jo, sitä on parannettu IEEE 802.11ac -standardissa. Sen ydin on optimaalisen suunnan määrittäminen radiosignaalin lähettämiselle asiakkaille. Tukiasema asettaa erityisesti lähetysantennin optimaalisen suunnan kullekin radiosignaalille. Usean käyttäjän tilassa optimaalisen signaalipolun löytäminen on erityisen tärkeää, koska vain yhden asiakkaan sijainnin vaihtaminen voi muuttaa kaikkia siirtoteitä ja häiritä koko WLAN-verkon suorituskykyä. Siksi kanava analysoidaan 10 ms:n välein.

Vertailun vuoksi yhden käyttäjän MIMO analysoi vain 100 ms:n välein. Monen käyttäjän MIMO voi palvella neljää asiakasta samanaikaisesti, ja jokainen asiakas vastaanottaa jopa neljä tietovirtaa rinnakkain, yhteensä 16 streamia. Tämä monen käyttäjän MIMO vaatii uusia WLAN-reitittimiä laskentatehon tarpeen kasvaessa.

Yksi usean käyttäjän MIMO:n suurimmista ongelmista on asiakkaiden väliset häiriöt. Vaikka kanavien ruuhkautumista usein mitataan, se ei riitä. Tarvittaessa joillekin kehyksille annetaan etusija, kun taas toisia päinvastoin noudatetaan. Tämän saavuttamiseksi 802.11ac käyttää erilaisia ​​jonoja, jotka eri nopeuksilla Käsittely suoritetaan datapaketin tyypistä riippuen, esimerkiksi videopaketteja suosimalla.

MIMO-teknologialla oli valtava rooli WiFin kehityksessä. Muutama vuosi sitten oli mahdotonta kuvitella muita laitteita, joiden nopeus olisi vähintään 300 Mbit/s. Uusien nopeiden tietoliikennestandardien, esimerkiksi 802.11n, ilmaantuminen johtui suurelta osin MIMO:sta.

Yleisesti ottaen tässä on syytä mainita, että kun puhumme WiFi-tekniikasta, tarkoitamme itse asiassa yhtä viestintästandardeista, erityisesti IEEE 802.11. WiFistä tuli brändi sen jälkeen, kun houkuttelevia käyttönäkymiä syntyi langaton lähetys tiedot. Voit lukea lisää Wi-Fi-tekniikasta ja 802.11-standardista.

Mikä on MIMO-tekniikka?

Antaakseen yksinkertaisimman mahdollisen määritelmän MIMO on Multi-Stream Data Transmission. Lyhenne voidaan kääntää englannista "useita tuloja, useita ulostuloja". Toisin kuin edeltäjänsä (SingleInput/SingleOutput), MIMO-tuella varustetuissa laitteissa signaali lähetetään yhdellä radiokanavalla käyttämällä ei yhtä, vaan useita vastaanottimia ja lähettimiä. Kun nimetään tekniset ominaisuudet WiFi-laitteet Lyhenteen vieressä on niiden numero. Esimerkiksi 3x2 tarkoittaa 3 signaalilähetintä ja 2 vastaanottoantennia.

Sitä paitsi, MIMO käyttää spatiaalista multipleksointia. Pelottavan nimen takana piilee tekniikka useiden datapakettien samanaikaiseen siirtämiseen yhden kanavan kautta. Tämän kanavan "tiivistymisen" ansiosta sen kapasiteetti voidaan kaksinkertaistaa tai enemmän.

MIMO ja WiFi

Langattoman tiedonsiirron suosion kasvaessa WiFi-yhteydet Tietenkin vaatimukset niiden nopeudelle ovat lisääntyneet. Ja juuri MIMO-teknologia ja muut kehityssuunnat ottivat sen perustana, joka mahdollisti suorituskyvyn lisäämisen useita kertoja. WiFi:n kehitys seuraa 802.11-standardien kehityspolkua - a, b, g, n ja niin edelleen. Ei turhaan maininnut 802.11n-standardin syntymistä. Multiple Input Multiple Output on sen avainkomponentti, joka mahdollistaa langattoman yhteyden kanavanopeuden lisäämisen 54 Mbit/s yli 300 Mbit/s.

802.11n-standardin avulla voit käyttää joko tavallista 20 MHz:n kanavaleveyttä tai 40 MHz:n laajakaistalinjaa suuremmalla suorituskyvyllä. Kuten edellä mainittiin, signaali heijastuu monta kertaa, jolloin käytetään useita virtoja yhdellä viestintäkanavalla.

Tämän ansiosta WiFi-pohjainen Internet-yhteys mahdollistaa nyt surffaamisen, sähköpostin tarkistamisen ja viestinnän ICQ:ssa, mutta myös online-pelit, online-videot, Skype-viestinnän ja muun "raskkaan" liikenteen.

Lisää uusi standardi- käyttää myös MIMO-tekniikkaa.

Ongelmia MIMO:n käytössä WIFI:ssä

Tekniikan kynnyksellä laitteiden yhdistämisessä oli vaikeuksia, työskentely MIMO-tuen kanssa ja ilman. Nyt tämä ei kuitenkaan ole enää niin relevantti - melkein jokainen itseään kunnioittava langattomien laitteiden valmistaja käyttää sitä laitteissaan.

Myös yksi useita vastaanottimia ja lähettimiä käyttävän tiedonsiirtotekniikan ongelmista oli laitteen hinta. Tässä kuitenkin yritys teki todellisen hintavallankumouksen. Hän ei vain onnistunut perustamaan langattomien laitteiden tuotantoa MIMO-tuella, vaan teki sen myös erittäin edulliseen hintaan. Katso esimerkiksi tyypillisen yrityspaketin hintaa - (tukiasema), (asiakaspuoli). Ja näissä laitteissa se ei ole vain MIMO, vaan patentoitu parannettu airMax-tekniikkaa sen perusteella.

Ainoa jäljellä oleva ongelma on antennien ja lähettimien määrän kasvu (tällä hetkellä enintään 3) laitteissa, joissa on PoE. Energiaintensiivisempään suunnitteluun on vaikea antaa tehoa, mutta jälleen kerran, Ubiquiti edistyy jatkuvasti tähän suuntaan.

AirMAX-tekniikkaa

Ubiquiti Networks on tunnustettu johtaja innovatiivisten WiFi-tekniikoiden, mukaan lukien MIMO, kehittämisessä ja toteuttamisessa. Tällä perusteella Ubiquiti kehitti ja patentoi teknologian AirMAX. Sen ydin on, että signaalin vastaanotto ja lähetys useilla antenneilla yhdellä kanavalla on järjestetty ja jäsennelty TDMA-protokollalla laitteistokiihdytyksellä: datapaketit erotetaan erillisiin aikaväleihin, lähetysjonoja koordinoidaan.

Tämän avulla voit laajentaa kanavakapasiteettia ja lisätä yhdistettyjen tilaajien määrää ilman, että viestintälaatu heikkenee. Tämä ratkaisu on tehokas, helppokäyttöinen ja mikä tärkeintä, edullinen. Toisin kuin vastaavat WiMAX-verkoissa käytetyt laitteet, Ubiquiti Networksin AirMAX-tekniikalla varustetut laitteet ovat edullisia.

verkkosivusto