MIMO-технология (Multiple Input Multiple Output) - метод за пространствено кодиране на сигнал

MIMO (Multiple Input Multiple Output, многоканален вход - множествен изход) - метод за координирано използване на множество антени в областта на безжичните мрежови комуникации, често срещани в съвременните дома широколентови маршрутизатори и LTE и WiMAX мобилни мрежи.

Как действа?

Wi-Fi маршрутизаторите с технологията MIMO използват същите мрежови протоколи като конвенционалните едноканални. Те осигуряват по-висока производителност, като подобряват ефективността на предаването и приемането на данни по безжичната връзка. По-специално, мрежовият трафик между клиентите и маршрутизатора се организира в отделни потоци, предавани паралелно, с последващото им възстановяване от приемащото устройство.

Технологията MIMO може да увеличи честотната лента, обхвата и надеждността на предаването с висок риск от смущения от друго безжично оборудване.

Приложение в Wi-Fi мрежи

Технологията MIMO е включена в стандарта с версия 802.11n. Използването му увеличава производителността и наличието на мрежови връзки в сравнение с конвенционалните маршрутизатори.

Броят на антените може да варира. Например, MIMO 2x2 осигурява две антени и два предавателя, които могат да приемат и предават на два канала.

За да използва тази технология и да реализира предимствата си, клиентското устройство и маршрутизаторът трябва да установят MIMO връзка. Документацията за използваното оборудване трябва да посочва дали поддържа тази функция. Друг лесен начин да проверите дали тази технология се прилага към мрежова връзка не е така.

SU-MIMO и MU-MIMO

Първото поколение технологии, представено в стандарта 802.11n, поддържа метода за един потребител (SU). В сравнение с традиционните решения, когато всички рутерни антени трябва да бъдат координирани да комуникират с едно клиентско устройство, SU-MIMO позволява всеки един от тях да бъде разпределен между различни устройства.

Многопотребителска (MU) технология MIMO е създадена за използване в мрежи Wi-Fi 802.11ac на честота 5 GHz. Ако предишният стандарт изисква рутерите да управляват клиентските си връзки на свой ред (един по един), антените MU-MIMO могат да комуникират с множество клиенти успоредно. Методът за няколко потребители подобрява ефективността на връзката. Въпреки това, дори маршрутизаторът 802.11ac да има необходимата хардуерна поддръжка за технологията MIMO, съществуват и други ограничения:

• Поддръжка на ограничен брой съпътстващи клиентски връзки (2-4) в зависимост от конфигурацията на антената;
• Координацията на антените се осъществява само в една посока - от маршрутизатора до клиента.

MIMO и клетъчни

Технологията се използва в различни видове безжични мрежи. Все по-често се използва в клетъчните комуникации (4G и 5G) в няколко форми:

• Network MIMO - координирано предаване на сигнал между базовите станции;
• Масивна MIMO - използването на голям брой (стотици) антени;
• милиметърни вълни - използването на ултра-високи честотни ленти, в които честотната лента е по-голяма, отколкото в лентите, лицензирани за 3G и 4G.

Многопотребителска технология

За да разберете как работи MU-MIMO, трябва да обмислите как традиционният безжичен маршрутизатор обработва пакетите данни. Той върши добра работа по изпращането и получаването на данни, но само в една посока. С други думи, тя може да комуникира само с едно устройство в даден момент. Например, ако е качен видеоклип, не е възможно едновременно да се излъчи онлайн видео игра в конзолата.

Потребителят може да стартира няколко устройства в Wi-Fi мрежа и маршрутизаторът бързо предава данните за тях на свой ред. Все пак, едновременно с това може да има достъп само до едно устройство, което е основната причина за намаляване на качеството на връзката, ако широчината на лентата на Wi-Fi е твърде ниска.

Тъй като това работи, тя не обръща много внимание на себе си. Независимо от това, ефективността на маршрутизатора, която предава данни на няколко устройства едновременно, може да се увеличи. В същото време тя ще работи по-бързо и ще осигури по-интересни мрежови конфигурации. Ето защо имаше разработки като MU-MIMO, които в крайна сметка бяха включени в модерните безжични стандарти. Тези разработки позволяват на съвременните рутери да комуникират с няколко устройства наведнъж.

Кратка история: SU vs. MU

MIMO с едно и повече потребители са различни начини за комуникиране на маршрутизатори с множество устройства. Първият е по-стар. Стандартът SU позволява изпращането и приемането на данни на няколко нишки наведнъж, в зависимост от броя на наличните антени, всеки от които може да работи с различни устройства. SU е включена в актуализацията на 802.11n през 2007 г. и постепенно се въвежда в нови продуктови линии.

Въпреки това, SU-MIMO имаше допълнителни ограничения в допълнение към изискванията към антената. Въпреки че могат да бъдат свързани няколко устройства, те все още се справят с маршрутизатор, който може да работи само с един по един. Скоростта на предаване на данни се е увеличила, намесата е станала по-малко проблем, но има много възможности да се подобри.

MU-MIMO е стандартът, който се е развил от SU-MIMO и SDMA (Spatial Multiple Access). Технологията позволява на базовата станция да комуникира с множество устройства, използвайки отделен поток за всеки от тях, сякаш всички имат собствен маршрутизатор.

В крайна сметка, поддръжката на MU беше добавена към актуализацията 802.11ac през 2013 г. След няколко години на развитие, производителите започнаха да включват тази функция в своите продукти.

Предимства на MU-MIMO

Това е вълнуваща технология, тъй като оказва значително влияние върху ежедневната употреба на Wi-Fi без директно променяне на честотната лента или други ключови настройки за безжична връзка. Мрежите са много по-ефективни.

За да се осигури стабилна връзка с лаптоп, телефон, таблет или компютър, стандартът не изисква маршрутизаторът да има няколко антени. Всяко такова устройство може да не споделя своя MIMO канал с други. Това е особено забележимо при стрийминг на видео или изпълнение на други сложни задачи. Скоростта на работа в Интернет се увеличава субективно и връзката се установява по-надеждно, въпреки че в действителност става по-разумно да се организира мрежата. Също така броят на едновременно обслужваните устройства се увеличава.

Ограничения на MU-MIMO

Технологията за множествен достъп за множество потребители има редица ограничения, които заслужават да бъдат споменати. Съществуващите стандарти поддържат 4 устройства, но ви позволяват да добавите повече и те ще трябва да споделят потока, който се връща към проблемите на SU-MIMO. Технологията се използва главно в комуникационните канали надолу по веригата и е ограничена, когато става дума за изходящи. В допълнение, маршрутизаторът MU-MIMO трябва да има повече информация за устройствата и състоянието на каналите, отколкото изискваните от предишните стандарти. Това усложнява управлението и отстраняването на проблеми с безжичните мрежи.

MU-MIMO също е насочена технология. Това означава, че 2 устройства, разположени един до друг, не могат едновременно да използват различни канали. Например, ако един съпруг гледа телевизия онлайн по телевизията, а до съпругата си изпраща PS4 играта на своя Vita чрез Remote Play, те все още трябва да споделят трафик. Маршрутизаторът може да осигурява отделни потоци само за устройства, разположени в различни посоки.

Масивна MIMO

Тъй като ние се движат към безжична пето поколение (5G) увеличаване на броя на смартфони и нови приложения, е довело до увеличение на 100-кратно в техните лента изисквания в сравнение с LTE. Новата технология Massive MIMO, която е получила много внимание през последните години, има за цел значително да увеличи производителността на телекомуникационните мрежи до безпрецедентни нива. Предвид недостига и високата цена на наличните ресурси операторите се привличат от възможността да увеличат производителността в честотните ленти под 6 GHz.

Въпреки значителния напредък, Massive MIMO далеч не е перфектен. Технологията продължава да бъде активно проучена както в академичните среди, така и в индустрията, където инженерите се стремят да постигнат теоретични резултати чрез търговски приемливи решения.

Масивното MIMO може да помогне в решаването на два ключови проблема - производителност и покритие. За мобилните оператори честотният диапазон остава оскъден и относително скъп ресурс, но е ключово условие за увеличаване на скоростта на предаване на сигнала. В градовете разстоянието между базовите станции се дължи на честотна лента, а не на покритие, което изисква разполагането на голям брой от тях и води до допълнителни разходи. Масивната MIMO ви позволява да увеличите капацитета на съществуваща мрежа. В областите, където разгръщането на базовите станции се дължи на покритие, технологията позволява да се увеличи обхватът на тяхното покритие.

понятие

Масивният MIMO коренно променя текущата практика, като използва много голям брой кохерентно и адаптивно работещи 4G сервизни антени (стотици или хиляди). Това помага да се съсредоточи на предаване и приемане на сигнал енергия в по-малки региони на място, значително подобряване на ефективността и ефикасността, особено в комбинация с едновременно планиране на голям брой потребителски терминали (десетки или стотици). Методът първоначално е предназначен за предаване на времевото разделяне на дуплекс (TDD), но евентуално би могъл да се използва и при разделяне на честотата на дуплекс (PDD).

MIMO технология: предимства и недостатъци

Предимствата на метода са широкото използване на евтини компоненти с ниска мощност, намалена латентност, опростяване на нивото на контрол на достъпа (MAC), устойчивост на случайни и умишлени смущения. Очакваната широчина на честотната лента зависи от разпространяващата среда, осигуряваща асимптотично ортогонални канали към терминалите, а експериментите досега не показват никакви ограничения в това отношение.

Въпреки това, заедно с премахването на много проблеми, се появяват нови, които изискват спешни решения. Например в системите MIMO е необходимо ефективно да се работи съвместно с много евтини, ниско прецизни компоненти, да се събират данни за състоянието на каналите и да се разпределят ресурси за новоприсъединени терминали. Освен това се изисква използването на допълнителни степени на свобода, осигурени от прекомерни служебни антени, по-ниско вътрешно потребление на енергия, за да се постигне цялостна енергийна ефективност, и да се намерят нови сценарии за разгръщане.

Увеличаването на броя на 4G антени, участващи в изпълнението на MIMO, обикновено изисква посещение на всяка базова станция за преконфигуриране и окабеляване. Първоначалното разгръщане на LTE мрежи изисква инсталирането на ново оборудване. Това направи възможно конфигурирането на MIMO 2x2 на оригиналния LTE стандарт. Допълнителни промени в базовите станции се извършват само в екстремни случаи, а реализациите от по-висок ред зависят от работната среда. Друг проблем е, че операцията MIMO води до напълно различно поведение в мрежата от предишните системи, което създава известна несигурност в планирането. Следователно, операторите са склонни първо да използват други разработки, особено ако те могат да бъдат внедрени чрез актуализиране на софтуера.