(2009) Технология MIMO, Сети-09: ДЗ №1. Рыгус Д.А (09).

Технология MIMO

Аннотация

Аббревиатура MIMO становится одним из ключевых слов в беспроводных технологиях. Например, MIMO применяется в стандартах 802.11n, мобильном WiMAX, LTE. Несмотря на широкое применение этой технологии во многих современных беспроводных и мобильных решениях практически отсутствуют источники, которые просто и доходчиво рассказывают тонкости ее применения. Попробую восполнить пробел и привести аналогии из повседневной жизни, которые упростят восприятие достаточно сложных механизмов, которые скрываются за этой аббревиатурой.

красшифровывать MIMO

Итак, что же такое MIMO (обычно читается как «Май-Мо»)? Это аббревиатура, которая идентифицирует один из 4 вариантов создания беспроводного канала с точки зрения его начала (input) и окончания (output). В случае радиоканала началом является передатчик, а окончанием – приемник радиосигнала. Посмотрите на Таблицу 1, которая показывает возможные 4 варианта организации радиоканала.Вариант MIMO притаился в правом нижнем углу таблицы. Встретив эту аббревиатуру, Вы должны понимать, что она означает лишь то, что для передачи информации в одном радиоканале используется несколько передатчиков и несколько приемников. Часто MIMO применяется в сочетании с цифрами. Первая цифра обозначает число передатчиков, вторая – число приемников. Например, MIMO 2×2 означает, что есть 2 передатчика и 2 приемника. стати сказать, это минимум, требуемый стандартом 802.11n.

Присоединённое изображение

Движение битов в радиоканале – это почти как поездка на автомобиле

Чтобы понять преимущества MIMO, можно сравнить передачу радиосигнала в радиоканале с поездкой на автомобиле по дороге. Чем мощнее двигатель, лучше шины, подвеска, меньше сопротивление воздуха, тем быстрее можно передвигаться. Но неровности дороги и встречный ветер мешают развивать высокую скорость движения. В радиоканале уровень сигнала – это возможности автомобиля, а неотъемлемый шум и помехи – это качество дороги. Не знаю про автомобильную технику, но в радиотехнике есть вполне определенная характеристика превосходства качества сигнала над уровнем шума в канале. Это отношение «сигнал – шум», аббревиатура SNR (Signal-to-Noise Ratio). Чем больше превышение уровня сигнала над уровнем шума – тем лучше возможности для «движения» битов в радиоканале (Рисунок 1)[1].Более мощный двигатель и подвеска позволяют поддерживать хорошую скорость движения даже на плохих дорогах. Также более высокое отношение «сигнал-шум» позволит поддерживать заданную скорость передачи данных, несмотря на плохие условия распространения в радиоканале. После того, как в канале достигнуто минимально необходимое отношение «сигнал-шум», любой выигрыш, превышение над минимально необходимым пороговым значением, может принести дополнительные преимущества. Если достигнуто превышение отношения SNR над пороговым, то дополнительные децибелы превышения могут быть израсходованы на:

• повышение скорости передачи данных;

• увеличение дистанции между приемником и передатчиком (дальности связи);

• и на увеличение скорости, и на увеличение дальности одновременно. Однако каждый «лишний» децибел может быть потрачен либо на скорость, либо на дальность.

Присоединённое изображение

Как MIMO помогает движению битов в радиоканале?

Наличие нескольких приемников и нескольких передатчиков позволяет одновременно передавать и принимать в одном радиоканале несколько сигналов. Сигналы могут нести одну и ту же информацию для увеличения надежности передачи или разную для увеличения скорости передачи, либо комбинировать эти методы.
Каждый сигнал передается со своего передатчика со своей антенной, при этом передающие антенны разнесены в пространстве. В применяемых диапазонах 2,4 и 5 ГГц даже несколько сантиметров составляют доли длины волны, и передаваемый сигнал испытывает относительно уникальные характеристики канала при распространении до приемной антенны. Каждая из нескольких разнесенных приемных антенн одновременно принимает свою относительно уникальную копию передаваемого сигнала.
При помощи достаточно сложных математических алгоритмов из ситуации «несколько передатчиков – несколько приемников» (а коротко – MIMO) можно извлечь следующие выгоды:

• использовать несколько передатчиков для повышения отношения сигнал-шум на приеме;

• использовать несколько приемников для повышения отношения сигнал-шум на приеме (MIMO-эквалайзер);

• возможность передавать больше информации в одном и том же радиоканале – (пространственное мультиплексирование). Несмотря на устрашающее название, это всего лишь техника одновременной передачи разных потоков информации данных по одному радиоканалу.

Классификация способов использования MIMO указана на Рисунке 2.


Присоединённое изображение

Использование нескольких передатчиков

Формирование диаграммы направленности передатчика – метод координации сигналов, передаваемых передатчиками, направленный на повышение отношения сигнал-шум в точке приема. В идеале параметры сигналов на передаче подбираются таким образом, чтобы в точку приема они пришли синфазно и, сложившись, увеличили уровень приемного сигнала. Является достаточно эффективным способом, позволяет увеличить отношение сигнал-шум на 3-6 децибел при двух передатчиках и одном приемнике.

Пространственно-временные блоковые коды. Звучит также устрашающе, но очень просто по сути. Данные разбиваются на блоки и передаются сначала через один передатчик, потом через второй (третий). Поскольку одна порция данных передается несколько раз по разным каналам – вероятность их восстановления на приеме повышается. Радиоканал становится более надежным.

Субсимвольный временной сдвиг. Не самый эффективный метод, поскольку передает копию одного и того же сигнала через разные передатчики с искусственной временной задержкой для внесения искусственного эффекта многолучевого распространения в канал.

Выбор антенны. Обычно применяется в случаях с одним приемопередатчиком и двумя антеннами, то есть не совсем «честный MIMO». Базируясь на информации о канале, например уровень приемного сигнала, передатчик выбирает одну из антенн для передачи сигнала приемнику.

Использование информации от нескольких приемников

Эквалайзер MIMO – способ аналогичен формированию диаграммы направленности, но работает со стороны приемников. Эквализация принимаемых сигналов позволяет сложить их максимально эффективно и повысить отношение «сигнал-шум» на приемной стороне.

Одновременное использование и нескольких передатчиков, и нескольких приемников – пространственное мультиплексирование

Как уже упоминалось ранее, несколько передатчиков и несколько приемников создают несколько относительно уникальных каналов распространения внутри одного участка спектра. Эти каналы образуются не частотным разнесением, а пространственным разнесением антенн передатчиков и приемников, поэтому называются пространственными потоками. Вполне логично было бы использовать эти относительно уникальные каналы для передачи уникальной информации, чтобы увеличить пропускную способность канала. Этот вариант использования является одним из широко рекламируемых преимуществ MIMO и называется эта техника пространственным мультиплексированием. Но поскольку используется один участок спектра, применение пространственных потоков требует несколько серьезных условий:

• чем больше пространственных потоков мы хотим передать – тем более жесткие требования к каналу предъявляются. Извлечение уникальной информации из «условно уникальных» пространственных потоков – сложная операция, требующая значительного превышения уровня сигнала над уровнем шума и отсутствия помех.

• для передачи N потоков требуется как минимум N передатчиков и N приемников. Увеличение их количества упрощает извлечение информации и несколько ослабляет требования к качеству канала.

А теперь аналогии из повседневной жизни, чтобы упростить восприятие сложных терминов. В случае SISO (один передатчик, один приемник) мы используем однополосную дорогу для передвижения битов в радиоканале. MIMO превращает один радиоканал в несколько полос для движения битов. Нужно отметить, что эти полосы не совсем четко расчерчены, как в случае с использованием нескольких радиоканалов, поскольку используется один и тот же участок спектра.

Выбор антенны – это выбор наиболее свободной полосы для передвижения информации.

Субсимвольный временной сдвиг – это случайный выбор одной из полос для каждого бита, чтобы движение ни по одной из полос не стало очень плотным.

Пространственно-временные блоковые коды – это движение одной порции битов сразу по двум полосам с возможностью лавирования в межполосье, если ситуация не позволяет свободно двигаться в одной полосе.

Формирование диаграммы направленности – это формирование свободной полосы для движения битов, но только во вполне определенном направлении.

MIMO эквалайзер – «расчистка» полосы движения, начинающая в точке прибытия информации.

Пространственное мультиплексирование – это плотное использование образовавшихся полос для передвижения максимального количества битов. Для надежной работы этого способа требуется достаточно ровная дорога и мощные «двигатели битов».

QoS для сетей с технологией MIMO

Когда передача данных сталкивается с проблемой «бутылочного горлышка» для приёма и отправки пакетов на роутерах то обычно используется метод FIFO: первый пришел — первый ушёл (First In — First Out). При интенсивном трафике это создаёт заторы, которые разрешаются крайне простым образом: все пакеты не вошедшие в буфер очереди FIFO (на вход или на выход) игнорируются роутером, и соответственно теряются безвозвратно. Более разумный метод — использовать «умную» очередь, в которой приоритет у пакетов зависит от типа сервиса — ToS. Необходимое условие: пакеты должны уже нести метку типа сервиса для создания «умной» очереди. Обычные пользователи чаще всего сталкиваются с термином QoS в домашних роутерах с поддержкой QoS. Например весьма логично дать высокий приоритет VoIP пакетам и низкий — пакетам FTP, SMTP и клиента файлообменной сети.

Пояснения

Автор статьи - Роман Подойницын
Источник информации - Клуб IT профессионалов [2], 30 Сентября 2009

Заключение

Использование техники MIMO позволяет в разы поднять надежность и увеличить скорость передачи данных в радиоканале с той же шириной полосы частот. Это позволяет удовлетворить возрастающие потребности и ожидания пользователей беспроводных сетей. Однако не доверяйте слепо модным аббревиатурам, ведь применение MIMO очень многолико и варьируется от самых простых вариантов (выбор антенны), до наиболее продвинутых (пространственное мультиплексирование).

Список Литературы

[1] http://ru.wikipedia.org/wiki/MIMO - Интересное чтиво.

[2] http://proitclub.ru/- Клуб IT профессионалов.

[3] http://www.valinfo.ru/ - учебно-информационный сайте студентов МИФИ.

Пример отчета по ДЗ №1 в 2009 г.

(2012) Для тех у кого MIMO прошло мимо…
Источник: https://habr.com/ru/post/150225/

как работают роутеры с поддержкой технологии MU-MIMO
Источник: https://help-wifi.ru/tekh-podderzhka/mimo/