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:

1. 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;
2. Вырезаем 2 куска из листа оцинкованной стали размерам 375х375 см. Фиксируем основания с помощью дюбелей на каркасе строго под углом 45 градусов;
3. В центре каждого основания высверливаем отверстия для кабеля, которые будут идти к модему. Диаметр отверстий – 7 мм. Делаем разметки для крепления антенны;
4. 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.

1. Начнем со сборки антенны на 802 мГц;
2. 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;
3. 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;
4. Далее зачищаем кабель и центральную жилу, припаиваем к концам проволоки, а оплетку – к изгибу;
5. Протаскиваем кабель через полипропиленовую трубу в отверстие, которое мы просверлили заранее;
6. Теперь проверяем все размеры, а при необходимости выравниваем антенну;
7. Углы ромбов фиксируем на полипропиленовых держателях с помощью Поксипола. Для того чтобы проволока закрепилась, следует поставить сверху какой-либо груз;

1. 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;
2. 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;
3. Чтобы кабели не гуляли в отверстиях, затягиваем их с обратно стороны нейлоновыми хомутами и приклеиваем;
4. Теперь выполняем контрольные замеры по схеме и при необходимости корректируем;
5. Чтобы избежать окисления, покрываем проволоку и оцинкованные листы сверху эмалью;
6. Кабели через F-коннекторы выводим на пигтейл и уже затем на модем;
7. 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 - 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.

В свете выхода новых беспроводных устройств с поддержкой технологии MU-MIMO, в частности с выходом UniFi AC HD (UAP-AC-HD) , назрела необходимость в разъяснении, что это такое и почему старое железо не поддерживает данную технологию.

Что такое 802.11ac?

Стандарт 802.11ac является трансформацией беспроводной технологии, пришедшей на смену предыдущему поколению в виде стандарта 802.11n.

Появление 802.11n, как предполагалось ранее, должно было позволить бизнесу повсеместно использовать данную технологию в качестве альтернативы обычному проводному соединению для работы внутри локальной сети (LAN).

802.11ac – дальнейший этап на пути развития беспроводных технологий. Теоретически, новый стандарт может обеспечить скорость передачи данных до 6.9 Гбит/сек в диапазоне 5 ГГц. Это в 11.5 раз выше сферы передачи данных 802.11n.

Новый стандарт доступен в двух релизах: Wave 1 и Wave 2. Ниже вы можете ознакомиться со сравнительной таблицей по актуальным стандартам.

В чем отличие Wave 1 и Wave 2?

Продукты 802.11ac Wave 1 доступны на рынке примерно с середины 2013-го. Новая ревизия стандарта базируется на предыдущей версии стандарта, но с некоторыми очень существенными изменениями, а именно:

• Повышена производительность с 1.3 Гбит до 2.34 Гбит;
• Добавлена поддержка Multi User MIMO (MU-MIMO);
• Допускается использование широких каналов в 160 МГц;
• Четвертый пространственный поток (Spatial Stream) для большей производительности и стабильности;
• Больше каналов в диапазоне 5 ГГц;

Что именно дают усовершенствования Wave 2 для реального пользователя?

Рост пропускной способности положительно сказывается на приложениях, чувствительных к пропускной способности и задержкам внутри сети. Это в первую очередь передача потокового голосового и видеоконтента, а также повышение плотности сети и рост количества клиентов.

MU-MIMO предоставляет огромные возможности для развития «интернета вещей» (Internet of Things, IoT), когда один пользователь может подключать одновременно несколько устройств.

Технология MU-MIMO допускает несколько одновременных исходящих потоков (downstreams), обеспечивая одновременное обслуживание сразу нескольких устройств, что повышает производительность сети в целом. MU-MIMO также положительно сказывается на задержках, обеспечивая более быстрое подключение и работу клиентов в целом. К тому же, особенности технологии позволяют подключать к сети еще большее количество одновременных клиентов, нежели в предыдущей версии стандарта.

Использование ширины канала в 160 МГц требует соблюдения некоторых условий (низкая мощность, низкий показатель шума и т.д), при этом канал сможет обеспечить колоссальный прирост производительности при передачи больших объемов данных. Для сравнения 802.11n может обеспечить канальную скорость до 450 Мбит, более новый 802.11ac Wave 1 – до 1.3 Гбит, в то время как 802.11ac Wave 2 с каналом на 160 МГц может обеспечить канальную скорость порядка 2.3 Гбит/сек.

В предыдущем поколении стандарта допускалось использование 3-х приемо-передающих антенн, новая ревизия добавляет 4-й поток. Данное изменение повышает дальность и стабильность соединения.

Существует 37 каналов в диапазоне 5 ГГц, используемых во всем мире. В некоторых странах количество каналов ограничено, в некоторых нет. 802.11ac Wave 2 допускает использование большего количества каналов, что позволит повысить количество одновременно работающих устройств в одном месте. К тому же, большее количество каналов необходимо для широких каналов в 160 МГц.

Есть ли новые канальные скорости в 802.11ac Wave 2?

Новый стандарт наследует стандарты, введенные с появлением первого релиза. Как и ранее, скорость зависит от количества потоков и ширины канала. Максимальная модуляция осталась без изменений – 256 QAM.

Если ранее для канальной скорости 866.6 Мбит требовалось 2 потока и ширина канала в 80 МГц, то теперь этой канальной скорости можно достичь при использовании всего одного потока, двое увеличив при этом скорость канала – с 80 до 160 МГц.

Как видите, кардинальных изменений не произошло. В связи с поддержкой каналов на 160 МГц, увеличились и максимальные канальные скорости – до 2600 Мбит.

На практике, реальная скорость составляет примерно 65% от канальной (PHY Rate).

Используя 1 поток, модуляцию 256 QAM и канал на 160 МГц, можно достичь реальной скорости порядка 560 Мбит/сек. Соответственно 2 потока обеспечат скорость обмена на уровне ~1100 Мбит/сек, 3 потока – 1.1-1.6 Гбит/сек.

Какие диапазоны и каналы использует 802.11ac Wave2?

На практике, Waves 1 и Waves 2 работают исключительно в диапазоне 5 ГГц. Диапазон частот зависит от региональных ограничений, как правило, используется диапазон 5,15-5,35 ГГц и 5,47-5,85 ГГц.

В США под беспроводные сети 5 ГГц выделено полосу в 580 МГц.

802.11ac, как и ранее, может использовать канала на 20 и 40 МГц, в то же время хорошей производительности можно достичь используя только 80 МГц либо 160 МГц.

Поскольку на практике далеко не всегда возможно использовать непрерывную полосу в 160 МГц, стандартом предусмотрен режим 80+80 МГц, который поделит полосу в 160 МГц на 2 разные диапазона. Всё это добавляет большей гибкости.

Обратите внимание, стандартными каналами для 802.11ac являются 20/40/80 МГц.

Почему существует две волны стандарта 802.11ac?

IEEE внедряет стандарты волнами, по мере развития технологий. Такой подход позволяет промышленности сразу выпускать новые продукты, не дожидаясь пока будет доработана та или иная возможность.

Первая волна стандарта 802.11ac обеспечила значительный шаг вперед по отношению к 802.11n и заложила основу для дальнейшего развития.

Когда стоит ожидать продукты с поддержкой 802.11ac Wave 2?

Согласно первоначальным прогнозам аналитиков, первые продукты потребительского уровня должны были поступить в продажу еще в середине 2015-го. Более высокоуровневые корпоративные и операторские решения обычно выходят с задержкой в 3-6 месяцев, точно так, как это было с первой волной стандарта.

Оба класса, потребительский и коммерческий, обычно выпускаются еще до того, как WFA (Wi-Fi Alliance) начинает проводить сертификацию (вторая половина 2016).

Состоянием на февраль 2017, количество устройств с поддержкой 802.11ac W2 не так велико как этого бы хотелось. Особенно со стороны Mikrotik и Ubiquit.

Будут ли устройства Wave 2 существенно отличаться от Wave 1?

В случае с новым стандартом сохраняется общая тенденция предыдущих лет – смартфоны и ноутбуки выпускаются с 1-2 потоками, 3 потока предназначены для более требовательных задач. Нет практического смысла в том, чтобы реализовывать полный функционал стандарта на всех устройствах.

Совместимо ли оборудование Wave 1 с Wave 2?

Первая волна допускает 3 потока и каналы до 80 МГц, по этой части клиентские устройства и точки доступа полностью совместимы.

Для реализации функций второго поколения (160 МГц, MU-MIMO, 4 потока), и клиентское устройство, и точка доступа должны поддерживать новый стандарт.

Точки доступа нового поколения совместимы с клиентскими устройствами 802.11ac Wave 1, 802.11n и 802.11a.

Таким образом, использовать дополнительные возможности адаптера второго поколения не получится с точкой первого поколения, и наоборот.

Что такое MU-MIMO и что оно даёт?

MU-MIMO является сокращением от «multiuser multiple input, multiple output». По сути, это одно из ключевых нововведений второй волны.

Для работы MU-MIMO клиент и AP должны его поддерживать.

Если кратко, точка доступа может одновременно отправлять данные сразу на несколько устройств, в то время как предыдущие стандарты позволяют отправку данных только одному клиенту в конкретный момент времени.

По сути, обычный MIMO это SU-MIMO, т.е. SingleUser, однопользовательский MIMO.

Рассмотрим пример. Есть точка с 3-мя потоками (3 Spatial Streams / 3SS) и в ней подключено 4 клиента: 1 клиент с поддержкой 3SS, 3 клиента с поддержкой 1SS.

Точка доступа распределяет время поровну между всеми клиентами. Во время работы с первым клиентом, точка задействует 100% своих возможностей, ведь клиент также поддерживает 3SS (MIMO 3x3).

Оставшиеся 75% времени точка работает с тремя клиентами, каждый из которых использует только 1 поток (1SS) из 3-х доступных. При этом точка доступа использует всего 33% своих возможностей. Чем больше таких клиентов, тем меньше эффективность.

В конкретном примере, средняя канальная скорость составит 650 Мбит:

(1300 + 433,3 + 433,3 + 433,3)/4 = 650

На практике будет означать среднюю скорость порядка 420 Мбит, из возможных 845 Мбит.

А теперь давайте рассмотрим пример с использованием MU-MIMO. У нас есть точка с поддержкой второго поколения стандарта, использующая MIMO 3x3, канальная скорость останется без изменений – 1300 Мбит для ширины канала в 80 МГц. Т.е. одновременно клиенты, как и ранее, могут использовать не более 3 каналов.

Общее количество клиентов теперь составляет 7, при этом точка доступа распределила их на 3 группы:

1. один клиент 3SS;
2. три клиента 1SS;
3. один клиент 2SS + один 1SS;
4. один клиент 3SS;

На выходе мы получаем 100%-ную реализацию возможностей AP. Клиент из первой группы использует все 3 потока, клиенты из другой группы использую по одному каналу и так далее. Средняя канальная скорость составит 1300 Мбит. Как видите, на выходе это дало двукратный прирост.

Совместима ли точка MU-MIMO с более старыми клиентами?

Увы, нет! MU-MIMO не совместим с первой версией протокола, т.е. для работы данной технологии ваши клиентские устройства должны поддерживать вторую версию.

Отличия между MU-MIMO и SU-MIMO

В SU-MIMO, точка доступа передает данные только одному клиенту в конкретный момент времени. При MU-MIMO точка доступа может передавать данные сразу нескольким клиентам.

Сколько клиентов поддерживается в MU-MIMO одновременно?

Стандарт предусматривает одновременное обслуживание до 4-х устройств. Общее максимальное количество потоков может достигать 8.

В зависимости от конфигурации оборудования возможны самые разнообразные варианты, например:

• 1+1: два клиента, каждый с одним потоком;
• 4+4: два клиента, каждый из которых использует по 4 потока;
• 2+2+2+2: четыре клиента, по 2 потока у каждого;
• 1+1+1: три клиента по одному потоку;
• 2+1, 1+1+1+1, 1+2+3, 2+3+3 и другие комбинации.

Всё зависит от конфигурации оборудования, обычно устройства используют 3 потока, следовательно, точка сможет обслуживать до 3-х клиентов одновременно.

Возможен также вариант использования 4-х антенн в конфигурации MIMO 3x3. Четвертая антенна в данном случае дополнительная, она не реализует дополнительный поток, В таком случае, одновременно можно будет обслуживать 1+1+1, 2+1 либо 3SS, но никак не 4.

MU-MIMO поддерживается только для Downlink?

Да, стандартом предусмотрена поддержка только Downlink MU-MIMO, т.е. точка может одновременно передавать данные нескольким клиентам. А вот «слушать» одновременно точка не может.

Реализация Uplink MU-MIMO была признана невозможной в короткие сроки, поэтому данный функционал будет добавлен только в стандарте 802.11ax, выход которого запланирован на 2019-2020 годы.

Сколько потоков поддерживается в MU-MIMO?

Как уже упоминалось выше, MU-MIMO может работать с любым количеством потоков, но не более 4 на клиента.

Для качественной работы мнопользовательской передачи, стандартом рекомендуется наличие количество антенн, большее количества потоков. В идеале для MIMO 4x4 должно быть 4 антенны на прием и столько же на отправку.

Есть ли необходимость в использовании специальных антенн для нового стандарта?

Конструкция антенн осталась прежней. Как и ранее, вы можете использовать любые совместимые антенны, разработанные для использования в диапазоне 5 ГГц для 802.11a/n/ac.

Во втором релизе также добавлен Beamforming, что это?

Технология Beamforming позволяет изменять диаграмму направленности, адаптируя её под конкретного клиента. В процессе работы точка анализирует сигнал от клиента и оптимизирует свое излучение. В процессе формирования луча может использоваться дополнительная антенна.

Может ли точка доступа 802.11ac Wave 2 обрабатывать 1 Гбит трафика?

Потенциально, точки доступа нового поколения способны обработать такой поток трафика. Реальная пропускная способность зависит от целого ряда факторов , начиная с количества поддерживаемых потоков, дальности связи, наличия преград и заканчивая наличием помех, качеством точки доступа и клиентского модуля.

Какие диапазоны частот используются в 802.11ac Wave?

Выбор рабочей частоты зависит исключительно от регионального законодательства. Список каналов и частот постоянно меняется, ниже приведены данные по США (FCC) и Европе, состоянием на январь 2015.

В Европе разрешено использование ширины канала более 40 МГц, поэтому каких-либо изменений в плане нового стандарта нет, к нему применяются все те же правила, что и для предыдущего стандарта.

Онлайн курс по сетевым технологиям

Рекомендую курс Дмитрия Скоромнова « ». Курс не привязан к оборудованию какого-то производителя. В нем даются фундаментальные знания, которые должны быть у каждого системного администратора. К сожалению, у многих администраторов, даже со стажем 5 лет, зачастую нет и половины этих знаний. В курсе простым языком описываются много разных тем. Например: модель OSI, инкапсуляция, домены коллизий и широковещательные домены, петля коммутации, QoS, VPN, NAT, DNS, Wi-Fi и многие другие темы.

Отдельно отмечу тему по IP-адресации. В ней простым языком описывается как делать переводы из десятичной системы счисления в двоичную и наоборот, расчет по IP-адресу и маске: адреса сети, широковещательного адреса, количества хостов сети, разбиение на подсети и другие темы, имеющие отношение к IP-адресации.

У курса есть две версии: платная и бесплатная.

Мобильная передача данных LTE относится к поколению 4G . С помощью неё повышается скорость примерно в 10 раз и эффективность передачи данных, по сравнению с 3G сетью. Однако, не редко бывает, что скорость приема и передачи, даже нового поколения, оставляет желать лучшего. Это напрямую зависит от качества сигнала, который поступает от базовой станции. Для решения данной проблемы используют внешние антенны.

По своей конструкции, LTE антенны могут быть: обычные и MIMO ( двойные ) . При помощи обычной системы можно добиться скорости до 50 Мбит/сек. MIMO же, может увеличить эту скорость в два раза. Это осуществляется за счёт установки в одной системе (коробе) двух антенн, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Они одновременно принимают и передают сигнал через два отдельных кабеля к приемнику. За счёт этого происходит такое увеличение скорости.

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

Особенности распространения радиоволн

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. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки .

Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

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

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется Receive Diversity - разнесенный прием .

Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а обычно две антенны, 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. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO ). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием, эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO ).

В результате 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 за счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться.

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.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. 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 2х2 и скорости поступления входных данных 100 Мбит/сек делитель будет создавать 2 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме.

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. 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. В зависимости от принципа работы системы, передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

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 только свои действия. Такая схема подходит, 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. В этом случае, решают две проблемы: с одной стороны базовая станция передает сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную систему (MIMO broadcast), и в то же время принимает сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC - Multiple Access Channels).

Принцип организации технологии MIMO

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.

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). 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 UMTS, 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 4G, а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты . При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

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

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.