MIMO-технология (Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала. MIMO - многоантенные технологии в LTE

Для решения проблем с уровнем приема сигнала интернета и мобильной связи можно сделать своими руками MIMO антенну 4g LTE. Технология MIMO позволяет повысить пропускную способность и передавать больше данных, тем самым увеличить скорость работы. Этот эффект достигается за счет использования нескольких устройств для приема сигнала. Не зря название MIMO, или Multiple Input Multiple Output, переводится как множественные входы, множественные выходы. Используя эту технологию, можно обеспечить значительный прирост в скорости передачи данных у конечного потребителя.

Проведя распараллеливание потока на несколько каналов на входе, можно пустить сигнал по нескольким направлениям и также принять все эти данные на выходе. Двух-, трех- и даже восьмикратное увеличение достигается за счет использования определенных конфигураций и количества антенн MIMO 3G или 4G. Более того, можно пускать закодированную информацию с задержкой и восстанавливать данные при приеме. Для того чтобы понять, как работают такие устройства, рассмотрим принципиальную схему передачи радиосигнала.

Прием и отправка информации в линиях беспроводной связи

Радиоволны при перемещении в пространстве наталкиваются на разные препятствия в виде домов, деревьев и других сооружений. Препятствия на пути могут отражать или поглощать волну, а также делать это частично. Иногда сигнал разбивается на несколько составных частей. На характер взаимодействий волны и преград на пути оказывают влияние материал поверхности, частота сигнала и множество других факторов. Отражение в процессе передачи приводит к тому, что появляются временные задержки. Кроме того, из-за всех этих взаимодействий до конечного потребителя доходит только часть отправленных от приемника волн. Поэтому одной из главных проблем беспроводных сетей является многолучевое распространение сигнала.

Для ее решения используются следующие технологии:

Разнесенный прием (Receive Diversity) позволяет принимать сигнал сразу несколькими, а не одним устройством. Таким образом, непринятые одной антенной волны принимаются другой. Используется принцип одного выхода и нескольких входов, или SIMO (Single Input Multiple Output);
Разнесенная передача (Tx Diversity) основана на том, что сигнал отправляется с нескольких антенн, а принимается одной, то есть множественный выход и одни вход, или MISO (Multiple Input Single Output), как панельная антенна 3G;
Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) – разбивание выходного потока на несколько составляющих и прием через несколько устройств, или MIMO. Антенна получает сигнал, предназначенный и для других приемных устройств тоже. Используя матрицу передачи и всю полученную информацию, сигнал максимально восстанавливается.

Чтобы определить максимальную пропускную способность – С, используется формула:

С= M B log2(1 + S/N), где:

C – пропускная способность канала;
M – количество независимых потоков данных;
B – ширина канала;
S/N – соотношение сигнал/шум.

Для сотовой связи 4G, а именно LTE MIMO, возможно использование 8Х8, что позволяет добиться скорости до 300 Мбит/сек. Даже на значительном удалении от станции сигнал будет устойчивым. Сегодня больше распространены MIMO 2Х2. Всегда для 4G количество каналов должно быть четным.

Антенны могут располагаться в одной поверхности или быть вертикально разнесены. Во втором случае важно точно выдерживать расхождения по градусам, указанные в схеме.

Антенна MIMO

Как сделать антенну проще всего? Рассмотрим оборудование для получения сигнала 4G лте 800, в основе которого лежит антенна Харченко – синфазная решетка из ромбов. Эта конструкция была придумана К.П. Харченко еще в шестидесятых годах прошлого года. Основное достоинство этого оборудования состоит в том, что собрать антенну просто, а все параметры можно посчитать по многочисленным онлайн-калькуляторам в сети. За счет необычной схемы устройство редко нуждается в настройке. Если необходимо сделать оборудование для улучшения сигнала 3g своими руками, можно использовать одну антенну Харченко.

В MIMO технологии используется четное число антенн, у нас их будет 2 антенны МИМО своими руками: Downlink – от спутника до приемного устройства, и для отправки – Uplink. Если смотреть на усредненные показатели, что можно использовать 2 антенны на 802 и 843 мГц, подключение будет идти 50-омным коаксиальным кабелем.

Для 802 мГц длина в миллиметрах составляет:

L1 – 93,5,
L2 – 90,
L3 – 250,
L4 – 136,5,
L5 – 4,8,
H – 373,
В – 373,
D 45,5.

Для 843 мГц длина в миллиметрах составляет:

L1 – 90,
L2 – 96,
L3 – 238,
L4 – 129,5,
L5 – 4,6,
H – 373,
В – 355,
D 43.

Важно! Количество потоков равно либо меньше минимального числа антенн на приеме или на выходе. При использовании MIMO 4×4 можно работать в диапазоне от 1 до 4 потоков, если же речь идет о MIMO 4×2, то потоков может быть только 1 или 2.

Для работы потребуются:

решетка или кусок фанеры, обклеенной фольгой либо фольгированным скотчем, или оцинкованная сталь (у нас используется последний вариант):
проволока сечением 4 мм2;
кабель;
деревянная доска длиной не менее 1,90 м;
полипропиленовые трубы;
нейлоновые хомуты;
баллончик автоэмали;
F-коннектор – 2 штуки;
пигтейл кабель F-CRC9 – 2 штуки;
клей Поксипол;
дрель;
пассатижи;
рулетка и линейка.

Последовательность действий:

Выполняем каркас в форме буквы П. Для этого распиливаем доску на три части. Самая длинная доска (верхняя часть буквы) должна составлять 1 м 20 см, а боковые – по 35 см. Можно выпилить все части каркаса из разных досок;
Вырезаем 2 куска из листа оцинкованной стали размерам 375х375 см. Фиксируем основания с помощью дюбелей на каркасе строго под углом 45 градусов;
В центре каждого основания высверливаем отверстия для кабеля, которые будут идти к модему. Диаметр отверстий – 7 мм. Делаем разметки для крепления антенны;
Разрезаем полипропиленовую трубу на несколько частей: 3 части – 44,5 мм и 3 – 42 мм. Эти размеры напрямую связаны с центром проволоки;

Обратите внимание! Для устойчивого и качественного приема важно, чтобы технология пространственного уплотнения поддерживалась на передающей станции, а антенна использовалась для 4G модема.

Начнем со сборки антенны на 802 мГц;
Согласно чертежу, располагаем трубы на куски оцинкованных листов и приклеиваем Поксиполом. Полипропиленовые трубки и клей являются диэлектриками, поэтому при контакте антенны и этих частей сигнал не будет искажаться;
Теперь выполняем саму антенну из проволоки по размерам, указанным в чертеже. Делаем загибы, используя пассатижи. В полученных параметрах надо убавить по 4 мм, из которых 1 мм идет на погрешность по центру, а 3 мм – при загибе пассатижами;
Далее зачищаем кабель и центральную жилу, припаиваем к концам проволоки, а оплетку – к изгибу;
Протаскиваем кабель через полипропиленовую трубу в отверстие, которое мы просверлили заранее;
Теперь проверяем все размеры, а при необходимости выравниваем антенну;
Углы ромбов фиксируем на полипропиленовых держателях с помощью Поксипола. Для того чтобы проволока закрепилась, следует поставить сверху какой-либо груз;

Замеряем расстояние между концами антенны и изгибом проволоки в середине конструкции, оно должно быть 4,8-5 мм. 4,5 мм – зазор между проволокой и изгибом, подогнать его сложно, но это можно сделать маникюрными ножницами, разместив их в середине. Теперь крепим середину антенны с помощью клея;
Последовательность сборки антенны MIMO своими руками на 843 мГц точно такая же. Важно учесть, что антенны должны располагаться под углом в 90 градусов друг к другу. Х-поляризация дает больший эффект, чем вертикальная. Расположение антенн подобным образом создает для них равные условия;
Чтобы кабели не гуляли в отверстиях, затягиваем их с обратно стороны нейлоновыми хомутами и приклеиваем;
Теперь выполняем контрольные замеры по схеме и при необходимости корректируем;
Чтобы избежать окисления, покрываем проволоку и оцинкованные листы сверху эмалью;
Кабели через F-коннекторы выводим на пигтейл и уже затем на модем;
Проводим тестирование системы. Создание антенны МИМО 4G своими руками окончено.

Для того чтобы отладить работу устройства, следует правильно расположить конструкцию. Общие правила говорят, что антенну лучше вывести на улицу и поднять как можно выше. Кроме того, антенна должна быть направлена строго в сторону раздающей станции. Однако не всегда эти советы срабатывают. Чем выше будет поднята антенна MIMO, тем больше кабеля потребуется проложить до соединения модема своими руками, но в этом случае часть сигнала будет гаситься помехами, вызванными этим самым кабелем. Не всегда установка на улице благоприятна для устройства. Если от окисления можно избавиться с помощью покраски, то нельзя не учитывать, что геометрию конструкции могут нарушить порывы ветра. Кроме того, по направлению в сторону станции могут быть различные препятствия, которые будут гасить сигнал.

Для отладки антенны иногда приходится попробовать несколько вариантов установки, но потом это оборудование будет работать и в 3G 4G LTE.

Видео

MIMO (Multiple Input Multiple Output, многоканальный вход - многоканальный выход) - метод скоординированного использования нескольких радиоантенн в беспроводных сетевых коммуникациях, распространенный в современных домашних широкополосных маршрутизаторах и в сетях сотовой связи LTE и WiMAX.

Как это работает?

Маршрутизаторы Wi-Fi с MIMO-технологией используют те же сетевые протоколы, что и обычные одноканальные. Они обеспечивают более высокую производительность за счет повышения эффективности передачи и приема данных по линии беспроводной связи. В частности, сетевой трафик между клиентами и маршрутизатором организуется в отдельные потоки, передаваемые параллельно, с последующим их восстановлением принимающим устройством.

Технология MIMO может увеличить пропускную способность, диапазон и надежность передачи при высоком риске помех со стороны другого беспроводного оборудования.

Применение в сетях Wi-Fi

Технология MIMO включена в стандарт с версии 802.11n. Ее использование повышает производительность и доступность сетевых соединений по сравнению с обычными маршрутизаторами.

Количество антенн может варьироваться. Например, MIMO 2x2 предусматривает наличие двух антенн и двух передатчиков, способных осуществлять прием и передачу по двум каналам.

Чтобы воспользоваться этой технологией и реализовать ее преимущества, клиентское устройство и маршрутизатор должны установить между собой MIMO-соединение. В документации к используемому оборудованию должно быть указано, поддерживает ли оно такую возможность. Другого простого способа проверить, применяется ли в сетевом соединении данная технология, нет.

SU-MIMO и MU-MIMO

Первое поколение технологии, представленное в стандарте 802.11n, поддерживало однопользовательский (SU) метод. По сравнению с традиционными решениями, когда все антенны маршрутизатора должны координироваться для связи с одним клиентским устройством, SU-MIMO позволяет распределять каждую из них между разным оборудованием.

Многопользовательская (MU) технология MIMO была создана для использования в сетях Wi-Fi 802.11ac на частоте 5 ГГц. Если предыдущий стандарт требовал, чтобы маршрутизаторы управляли своими клиентскими подключениями поочередно (по одному за раз), антенны MU-MIMO могут обеспечивать связь с несколькими клиентами параллельно. улучшает производительность соединений. Однако даже если маршрутизатор 802.11ac имеет необходимую аппаратную поддержку технологии MIMO, есть и другие ограничения:

поддерживается ограниченное количество одновременных клиентских подключений (2-4) в зависимости от конфигурации антенны;
координация антенн обеспечивается только в одном направлении - от маршрутизатора до клиента.

MIMO и сотовая связь

Технология используется в разных типах беспроводных сетей. Она все чаще находит применение в сотовой связи (4G и 5G) в нескольких формах:

Network MIMO - координированная передача сигнала между базовыми станциями;
Massive MIMO - использование большого количества (сотен) антенн;
миллиметровые волны - задействование сверхвысокочастотных полос, в которых пропускная способность больше, чем в диапазонах, лицензированных для 3G и 4G.

Многопользовательская технология

Чтобы понять, как работает MU-MIMO, следует рассмотреть, как обрабатывает пакеты данных традиционный беспроводной маршрутизатор. Он хорошо справляется с отправкой и приемом данных, но только в одном направлении. Другими словами, он может поддерживать коммуникацию только с одним устройством одновременно. Например, если загружается видео, то нельзя в то же время транслировать на консоль онлайн-видеоигру.

Пользователь может запускать несколько устройств в сети Wi-Fi, и маршрутизатор очень быстро по очереди переправляет к ним биты данных. Однако в одно и то же время он может обращаться только к одному устройству, что является основной причиной снижения качества соединения, если пропускная способность Wi-Fi слишком низкая.

Поскольку это работает, то внимание на себя обращает мало. Тем не менее эффективность работы маршрутизатора, который передает данные на несколько устройств одновременно, можно повысить. При этом он станет быстрее работать и обеспечит более интересные сетевые конфигурации. Вот почему появились разработки, подобные MU-MIMO, которые в конечном итоге были включены в современные стандарты беспроводной связи. Эти разработки позволяют передовым маршрутизаторам взаимодействовать сразу с несколькими устройствами.

Краткая история: SU против MU

Одно- и многопользовательские MIMO представляют собой разные способы коммуникации маршрутизаторов с несколькими устройствами. Первый из них старше. Стандарт SU разрешал отправку и получение данных сразу по нескольким потокам в зависимости от имеющегося количества антенн, каждая из которых могла работать с различными устройствами. SU был включен в обновление 802.11n 2007 года и начал постепенно внедряться в новые линейки продуктов.

Однако у SU-MIMO были ограничения в дополнение к требованиям к антенне. Хотя может быть подключено несколько устройств, они по-прежнему имеют дело с маршрутизатором, который может работать только с одним за раз. Скорость передачи данных увеличилась, помехи стали меньшей проблемой, но возможностей для улучшения осталось много.

MU-MIMO является стандартом, который развился из SU-MIMO и SDMA (множественного доступа с пространственным разделением каналов). Технология позволяет базовой станции взаимодействовать с несколькими устройствами, используя отдельный поток для каждого из них, как будто все они имеют свой собственный маршрутизатор.

В конечном итоге поддержка MU была добавлена в обновление стандарта 802.11ac в 2013 г. После нескольких лет разработок производители начали включать эту функцию в свои продукты.

Преимущества MU-MIMO

Это захватывающая технология, поскольку она оказывает заметное влияние на повседневное использование Wi-Fi без прямого изменения пропускной способности или других ключевых параметров беспроводного соединения. Сети становятся намного эффективнее.

Для обеспечения стабильного соединения с ноутбуком, телефоном, планшетом или компьютером стандарт не требует наличия у маршрутизатора нескольких антенн. Каждое такое устройство может не делиться своим каналом MIMO с другими. Это особенно заметно при потоковой передаче видео или выполнении других сложных задач. Скорость работы в Интернете субъективно повышается, и соединение устанавливается надежнее, хотя на самом деле становится более разумной организация сети. Также повышается число одновременно обслуживаемых устройств.

Ограничения MU-MIMO

Многопользовательская технология множественного доступа имеет и ряд ограничений, о которых стоит упомянуть. Существующие стандарты поддерживают 4 устройства, но позволяют добавить больше, и им придется делиться потоком, что возвращает к проблемам SU-MIMO. Технология в основном используется в нисходящих каналах связи и ограничена, когда дело доходит до исходящих. Кроме того, маршрутизатор MU-MIMO должен иметь больше информации об устройствах и состоянии каналов, чем требовали предыдущие стандарты. Это усложняет управление и устранение неполадок в беспроводных сетях.

MU-MIMO также является направленной технологией. Это означает, что 2 устройства, расположенные рядом, не могут одновременно использовать разные каналы. Например, если муж смотрит онлайн-трансляцию по телевизору, а рядом его жена передает игру PS4 на свою Vita через Remote Play, им все равно придется делиться пропускной способностью. Маршрутизатор может предоставлять дискретные потоки только устройствам, которые расположены в разных направлениях.

Massive MIMO

По мере продвижения в сторону беспроводных сетей пятого поколения (5G) рост числа смартфонов и новых применений привел к 100-кратному увеличению их требуемой пропускной способности по сравнению с LTE. Новая технология Massive MIMO, которой в последние годы уделяется много внимания, призвана значительно увеличить показатели эффективности телекоммуникационных сетей до беспрецедентных уровней. При дефиците и дороговизне доступных ресурсов операторов привлекает возможность увеличить пропускную способность в полосах частот ниже 6 ГГц.

Несмотря на значительный прогресс, Massive MIMO далек от совершенства. Технология по-прежнему активно исследуется как в академических кругах, так и в промышленности, где инженеры стремятся достичь теоретических результатов с помощью коммерчески приемлемых решений.

Massive MIMO может помочь в решении двух ключевых проблем - пропускной способности и охвата. Для операторов мобильной связи частотный диапазон остается дефицитным и относительно дорогостоящим ресурсом, но является ключевым условием для повышения скорости передачи сигнала. В городах интервал между базовыми станциями обусловлен пропускной способностью, а не охватом, что требует развертывания большого их количества и приводит к дополнительным расходам. Massive MIMO позволяет увеличить емкость уже существующей сети. В областях, где развертывание базовых станций обусловлено охватом, технология позволяет увеличить радиус их действия.

Концепция

Massive MIMO кардинально меняет текущую практику, используя очень большое количество когерентно и адаптивно работающих сервисных антенн 4G (сотни или тысячи). Это помогает фокусировать передачу и прием энергии сигнала в меньших областях пространства, значительно улучшая производительность и энергоэффективность, особенно в сочетании с одновременным планированием большого количества пользовательских терминалов (десятков или сотен). Метод изначально предполагался для дуплексной передачи с временным разделением (TDD), но потенциально может применяться также в режиме дуплексного (PDD) частотного разделения.

Технология MIMO: достоинства и недостатки

Преимуществами метода являются широкое использование недорогих маломощных компонентов, снижение латентности, упрощение уровня управления доступом (MAC), устойчивость к случайным и преднамеренным помехам. Ожидаемая пропускная способность зависит от среды распространения, обеспечивающей асимптотически ортогональные каналы к терминалам, и эксперименты до сих пор не выявили никаких ограничений в этом отношении.

Однако вместе с устранением многих проблем появляются новые, требующие неотложного решения. Например, в системах MIMO необходимо обеспечить эффективную совместную работу множества недорогих компонентов малой точности, собирать данные о состоянии канала и распределять ресурсы для вновь подключенных терминалов. Также требуется использовать дополнительные степени свободы, обеспечиваемые избытком сервисных антенн, снизить внутреннее энергопотребление для достижения общей энергоэффективности и найти новые сценарии развертывания.

Рост количества 4G-антенн, участвующих в реализации MIMO, обычно требует посещения каждой базовой станции для изменения конфигурации и проводки. Первоначальное развертывание сетей LTE потребовало установки нового оборудования. Это дало возможность произвести конфигурацию MIMO 2x2 исходного стандарта LTE. Дальнейшие изменения базовых станций производятся только в крайних случаях, а реализации более высокого порядка зависят от операционной среды. Еще одна проблема заключается в том, что операция MIMO приводит к совершенно другому поведению в сети, чем предыдущие системы, что создает некоторую неопределенность планирования. Поэтому операторы склонны сначала использовать другие разработки, особенно если они могут быть развернуты путем обновления программного обеспечения.

На пальцах о MIMO.

Представим, что информация это люди, а модем и базовая станция оператора это два города между которыми проложен один путь, а антенна это вокзал. Перевозить людей будем на поезде, который, для примера, может перевезти не больше ста человек. Пропускная способность между такими городами будет ограничена, т.к. поезд может отвезти только сто человек за один раз.

Чтобы 200 человек смогли прибыть в другой город в один и тот же момент времени между городами строят второй путь и запускают второй поезд одновременно с первым, тем самым увеличивая поток людей в два раза. Точно также работает и MIMO технология, по сути мы просто удваиваем количество потоков. Количество потоков определяет стандарт MIMO, два потока - MIMO 2x2, четыре потока - MIMO 4x4 и т.д. Для передачи данных по сети интернет, будь то 4G LTE или WiFi на сегодня, как правило, используется стандарт MIMO 2x2. Чтобы принимать двойной поток одновременно потребуется две обычных антенны или по аналогии два вокзала, или, для экономии средств одна MIMO антенна, как если бы это был один вокзал с двумя платформами. То есть, MIMO антенна - это две антенны внутри одной.

Панельная MIMO антенна может буквально иметь два набора излучающих элементов("патчей" ) в одном корпусе(например четыре патча работают в вертикальной поляризации, другие четыре в горизонтальной, всего восемь патчей ). Каждый набор подключен к своему гнезду.

А может иметь один набор патчей но имеющий двухпортовая(ортогональную) запитку, таким образом элементы антенны запитываются со сдвигом фазы на 90 градусов, и тогда каждый патч будет работать в вертикальной и горизонтальной поляризации одновременно.

В таком случае один набор патчей будет подключен сразу к двум гнёздам, именно такие MIMO антенны и продаются в нашем интернет магазине.

Подробнее

Мобильная трансляция цифрового потока LTE напрямую относится к новым разработкам 4G. Взяв для анализа 3G сеть, можно обнаружить, что ее скорость передачи данных в 11 раз меньше, чем 4G. Все же скорость, как получения, так и трансляции данных LTE нередко бывает плохого качества. Связано это с нехваткой мощности или уровня сигнала, который получает модем 4G LTE от станции. Для существенного улучшения качества распространения информации внедряют антенны 4G MIMO.

Измененные антенны, по сравнению с обычными системами распределения данных, имеют другую схему передатчика. К примеру, нужен делитель цифровых потоков, чтобы распределять информацию на потоки с низкой скоростью, количество которых связано с числом антенн. Если скорость входящего потока примерно 200 Мегабит в секунду, то создастся два потока – оба по 100 Мегабит в секунду. Каждый поток должен транслироваться посредством отдельной антенны. Поляризация радиоволны, передающейся от каждой из двух антенн, будет отличаться, чтобы расшифровать данные во время приема. Приёмное устройство, чтобы сохранить скорость передачи данных должно так же иметь две приёмные антенны в разных поляризациях.

Достоинства MIMO

MIMO – это раздача сразу нескольких потоков информации всего по одному каналу с последующим прохождением их через пару или большее количество антенн до попадания в приемные независимые устройства для трансляции радиоволн. Это позволяет существенно улучшить пропускную способность сигнала, не прибегая к расширению полосы.

При трансляции радиоволн цифровой поток в радиоканале селективно замирает. Это можно заметить, если вы находитесь в окружении городских многоэтажных домов, двигаетесь на большой скорости или удаляетесь от зоны, которую могут охватить радиоволны. Для избавления от этой проблемы была создана антенна MIMO, способная транслировать информацию по нескольким каналам с незначительной задержкой. Информация предварительно кодируется, а затем восстанавливается на приемной стороне. В итоге не только увеличивается скорость распределения данных, но и значительно улучшается качество сигнала.

По своей конструктивной особенности антенны LTE делятся на обыкновенные и состоящие из двух приемопередающих устройств (MIMO). Обычная система распространения сигнала позволяет добиться скорости не более чем 50 Мегабит в секунду. MIMO дает шансы увеличить скорость трансляции сигнала более чем дважды. Достигается это благодаря монтажу в коробе сразу нескольких антенн, которые располагают на незначительном удалении одна от другой.

Одновременное получение, а также раздача цифрового потока антеннами к получателю происходит через два независимых кабеля. Это позволяет существенно увеличить скоростные параметры. MIMO применяется успешно в таких беспроводных системах, как WiFi, а также сотовые сети и WiMAX. Применение этой технологии, имеющей, как правило, два входа и два выхода, позволяет улучшить спектральные качества WiFi, WiMAX, 4G/LTE и прочих систем, поднять скорость передачи информации и емкость потока данных. Перечисленные достоинства достижимы благодаря трансляции данных от 4G антенны MIMO к получателю посредством нескольких беспроводных соединений. Отсюда и берется название этой технологии(Multiple Input Multiple Output - множественный вход и множественный выход).

. Где применяется MIMO

MIMO очень быстро завоевала популярность за счет увеличения емкости и пропускной способности таких протоколов передачи данных, как WiFi. Можно взять стандарт WiFi 802.11n в качестве наиболее популярного случая использования MIMO. Благодаря технологии связи MIMO в этом протоколе WiFi удается развить скорость более чем 300 Мегабит в секунду.

Помимо ускорения передачи потока информации, беспроводная сеть благодаря MIMO получила улучшенные характеристики в плане качества передачи данных даже в местах, где уровень приемного сигнала достаточно низок. WiMAX благодаря новой технологии получил возможность транслировать данные со скоростью до 40 Мегабит в секунду.

В стандарте 4G (LTE) возможно применение MIMO с конфигурацией до 8x8. Теоретически это позволит транслировать цифровой поток от основной станции к получателю на скорости больше 300 Мегабит в секунду. Еще одним привлекательным моментом от применения новой системы является качественное и устойчивое соединение, наблюдаемое даже на границе действия соты.

Это означает, что даже на существенном расстоянии от станции, а также при расположении в помещении с толстыми стенами, будет замечено только небольшое снижение скоростных характеристик. MIMO можно применять почти в каждой системе передачи информации беспроводным путем. Надо отметить, что потенциал этой системы неисчерпаем.

Неустанно ищут пути по разработке новых конфигураций MIMO антенн, например, до 64x64. В недалеком будущем это даст возможность еще больше улучшить эффективность спектральных показателей, увеличить ёмкость сетей и величину скорости транслирования информации.

Требования к пропускной способности мобильных сетей очень высоки и, при этом, они постоянно растут. Очевидные варианты увеличения пропускной способности - увеличение ширины канала и использование модуляций более высокого порядка, не позволяют полностью решить задачу обеспечения высокой пропускной способности. Частотный диапазон все-таки ограничен. А использование модуляции более высокого порядка подразумевает повышение SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), что тоже имеет свой предел. Еще одним способом увеличения пропускной способности беспроводных систем является использование нескольких передающих и приемных антенн (MIMO - Multiple Input Multiple Output ) и специальная обработка сигнала в этом случае. Далее приводится классификация вариантов MIMO и их краткое описание.

Классическая система (SISO - Single Input Single Output)

Для начала рассмотрим варианты MIMO, которые могут быть использованы для передачи данных одному пользователю. Первый классический и самый простой вариант использования одной передающей и одном приемной антенны изображен на рисунке ниже. Такая система с точки зрения терминологии MIMO называется SISO - Single Input Single Output .

Пропускную способность такой системы можно расчитать, используя формулу Шеннона:

C = B log 2 (1 + S /N ), где

C B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

Разнесенный прием (Rx Diversity, SIMO - Single Input Multiple Output)

Разнесенный прием (Rx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на приемной стороне, чем на передающей. С точки зрения MIMO такая система называется SIMO - Single Input Multiple Output . Простейший случай такой системы, когда передающая антенна одна, а приемных две, представлен на рисунке ниже и называется SIMO 1x2.

Представленный вариант не требует специальной подготовки сигнала при передаче, поэтому его достаточно просто реализовать на практике. При использовании разнесенного приема увеличения пропускной способности не происходит. Однако, повышается надежность передачи. В случае с изображенной выше системой на приемной стороне будет два сигнала, и существуют разные способы их обработки. Например, может выбираться сигнал с наилучшим соотношением сигнал/шум. Такой метод называется switched diversity. Или сигналы могут складываться, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. И такой метод называется MRC - Maximum Ratio Combining.

Разнесенная передача (Tx Diversity, MISO - Multiple Input Single Output)

Разнесенная передача (Tx Diversity) - это случай использования большего количества антенн на передающей стороне, чем на приемной. С точки зрения MIMO такая система называется MISO - Multiple Input Single Output . Простейший случай такой системы, когда передающих антенн две, а приемная одна, представлен на рисунке ниже и называется MISO 2x1.

Как и SIMO, MISO не позволяет увеличить пропускную способность канала, но повышает надежность передачи. В то же время, использование MISO позволяет перенести необходимую дополнительную обработку сигнала с приемной стороны (мобильной станции) на передающую (базовую станцию). Для формирования надежного сигнала используется пространственно-временное кодирование. В этом случае копия сигнала передается не только с другой антенны, но и в другое время. Также может использоваться пространственно-частотное кодирование.

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing, MIMO - Multiple Input Multiple Output)

Пространственное уплотнение (Spatial Multiplexing) - это случай использования нескольких антенн на передающей стороне и нескольких антенн на приемной. В отличие от предыдущих вариантов - MISO и SIMO, описанных выше, данный вариант направлен не на повышение надежности передачи, а на увеличение скорости передачи. Поэтому MIMO используется для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в хороших радиоусловиях. В то время, как варианты MISO и SIMO используются для передачи данных мобильным станциям, которые находятся в более плохих радиоусловиях. Для того, чтобы повысить скорость передачи данных в случае с MIMO входной поток данных разбивают на несколько потоков, каждый из которых независимо передается с отдельной антенны. На рисунке ниже приводится общая схема системы MIMO с m передающими антеннами и с n приемными антеннами.

Из-за того, что используется общий канал, каждая антенна на приемнике получает сигнал не только предназначенный для нее (сплошные линии на рисунке), но и все сигналы предназначенные другим антеннам (прерывистые линии на рисунке). Если известна матрица передачи, то влияние сигналов, предназначенных для других антенн, можно вычислить и минимизировать.

Количество независимых потоков данных, которые могут одновременно передаваться, зависит от количества используемых антенн. Если количество передающих и приемных антенн одинаково, то количество независимых потоков данных равно или меньше количеству антенн. Например, в случае MIMO 4x4 количество независимых потоков данных может быть 4 или меньше. Если же количество передающих и приемных антенн не одинаково, то количество независимых потоков данных равно минимальному количеству антенн или меньше. Например в случае MIMO 4x2 количество независимых потоков данных может быть 2 или меньше.

Для вычисления максимальной пропускной способности в случае использования MIMO применяется следующая формула:

C = M B log 2 (1 + S /N ), где

C - пропускная способность канала; M - количество независимых потоков данных; B - ширина канала; S /N - соотношение сигнал/шум.

В зависимости от количества пользователей, которым одновременно осуществляется передача данных, можно выделить следующие варианты. Single User MIMO (SU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных одному пользователю, то есть все потоки данных адресованы одному и тому же пользователю. И Multi User MIMO (MU-MIMO) - когда технология MIMO используется для передачи данных нескольким пользователям одновременно в одних и тех же ресурсных блоках, то есть когда независимые потоки данных адресованы разным пользователям. Ниже на рисунке приводится пример MU-MIMO для случая с двумя пользователями.

Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на [email protected]. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.

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