Что такое mimo в роутере: как она работает и что дает?

Дальнейшая эволюция MIMO

К тому моменту, когда технология MIMO была специфицирована в релизе 7, шло активное распространение по миру стандарта 3G. 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.

Рис. 3 Расположение РЭ для передачи опорных символов в субкадре при MIMO 4×4

В заключение можно сделать вывод, что MIMO оправдала себя как перспективная технология для построения мобильных систем широкополосного радиодоступа со скоростями в сотни Мб/с.

Подробно ознакомиться с функционированием технологии MIMO, конфигурацией антенн MIMO на сетях операторов мобильной связи, а также перспективах применения многоантенных систем (Massive MIMO) в сетях новых поколений можно в новой книге «Мобильная связь на пути к 6G».

1. Степутин А.Н. Мобильная связь на пути к 6G = Mobile communication on the road to 6G : / А. Н. Степутин, А. Д. Николаев. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2017.
2. http://3gclub.ict-online.ru/analytics/a76468 
3. http://www.osp.ru/telecom/2011/02/13007425/
4. Рыжков А.Е., Сиверс М.А., Воробьев В.О., Гусаров А.С., Слышков А.С., Шуньков Р.В. Системы и сети радиодоступа 4G: LTE, WiMax. – СПб: Линк, 2012. – 226 с.
5. http://www.connect.ru/article.asp?id=9885

{jcomments on}

За что вы полюбите MU-MIMO

Определившись с тем, что это за технология MIMO, рекомендуется изучить функции, из-за которых вы полюбите новую ветвь развития беспроводной сети:

1. Вся мощь и пропускная способность технологии направлена на DownStream. То есть высокая скорость обеспечена при потреблении трафика клиентскими устройствами. Без задержек можно смотреть фильмы 4K, онлайн трансляции, с комфортом играть в онлайн игры.
2. Новый диапазон незабитый множественными Wi-Fi сетями в 5 ГГц. Именно в этом диапазоне по новой технологии взаимодействует роутер второго поколения с устройствами. Естественно, клиентские устройства тоже должны поддерживать работу в 5 ГГц. С каждым годом их становится все больше.
3. Технология формирования сигнала, позаимствованная из военных наработок конца 80-х годов, позволяет посылать мощные сигналы в сторону предполагаемого места положения клиентского девайса. Мощный, сфокусированный сигнал увеличивает дальность стабильного соединения и скорость Wi-Fi-подключения.
4. Обслуживание нескольких устройств одновременно возможно исходя из количества направленных потоков. Например, один направленный поток может обслуживать 1 устройство, второй поток – 2 устройства, третий и 4 поток объединился для обслуживания одного девайса. При этом для последнего увеличится скорость.
5. Девайсы с поддержкой Вай Фай 5 ГГц не нуждаются в нескольких антеннах, для нормального приема сигнала от MU-MIMO. Однако если гаджет имеет 2 и более антенны, то может принять несколько потоков от Wi-Fi роутера, повысив при этом пропускную способность образовавшегося канала.

Заключение

Что такое технология MIMO? Это технология, расширяющая пропускную способность канала. Технология прошла заметную стадию развития и эволюционировала в MU-MIMO, которая вобрала в себя наработки военных радаров для улучшения и усиления сигналов, вкупе с увеличением пропускной способности для одновременного подключения нескольких клиентских устройств.

Часть 2 — Что ещё не так с клиентскими устройствами

• Многообразие;
• Непредсказуeмость;
• Уязвимость.

Непредсказуемость

Раз.Два.три.

1. Устройство пытается подключиться к сети. Скорее всего, это будем именно 2,4 ГГц: драйверу устройства кажется, что так будет лучше — смотри, какой сильный сигнал!
2. AP проверяет, поддерживает ли устройство 5 ГГц. Умная система постоянно ведёт учёт всех MAC-адресов, с которых рассылались запросы или производилось подключение к «пятёрке» ранее;
3. DualBand-клиенты (поддерживающие оба диапазона) просто не получают ответа на свой запрос в диапазоне 2,4 ГГц;
4. Так происходит несколько раз подряд, и в итоге разочарованный драйвер решает искать лучшей доли в другом диапазоне;
5. Вуаля!

• Неожиданный и очень крепкий сон (особенности реализации PowerSave);
• Работа на модуляциях, явно не соответствующих условиям эфира;
• Самовольная раскраска трафика (QoS);
• Специфическая отработка сценариев на порталах авторизации (были проблемы при подключении к Wi-Fi в общественных местах?).

Уязвимость

• Отсутствуют либо ограничены ресурсы для контроля и противодействия подозрительной активности;
• Обновления политик безопасности недоступны, либо появляются с опозданием;
• Производители выполняют требования стандарта избирательно, отсутствует универсальность;
• Legacy-устройства не соответствуют современным требованиям безопасности;
• У администраторов нет контроля за клиентскими устройствами;
• Люди — пользователи устройств — уязвимы для социальной инженерии.

• Запрет BYOD. Сотрудникам выдаются устройства с предустановленным ПО, политиками безопасности управляет администратор;
• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) и прочие решения, позволяющие, с разной степенью эффективности, контролировать устройства клиентов. Можно, например, удалённо запретить использование камеры на смартфоне.

Простейшая антенна MIMO

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.

Что делает MU-MIMO

MU-MIMO, многопользовательский MIMO или многопользовательский множественный входной множественный выход — это возможность передавать нескольким клиентам одновременно, а не только одну, или передавать данные сетевому клиенту с использованием нескольких потоков данных одновременно и, таким образом, увеличивать скорость передачи. С помощью этого способа передачи беспроводной маршрутизатор может «разговаривать» с несколькими пользователями одновременно на одном беспроводном радиоканале или с одним пользователем, используя несколько потоков данных на одном канале.

Существуют различные типы реализаций MU-MIMO, которые можно найти в беспроводных маршрутизаторах и устройствах:

• 2×2 MIMO — он предлагает два пространственных потока беспроводной передачи и приема данных на одном канале или частоте. Для этой реализации вам нужны только две антенны, и вы можете одновременно подключить максимум два клиента, по одному на каждый поток.
• 3×3 MIMO — он предлагает три пространственных потока, и вам нужны три антенны. Вы можете одновременно подключить максимум три клиента.
• 4×4 MIMO — он предлагает четыре пространственных потока, вам нужны четыре антенны, и вы можете подключить максимум четыре клиента.
• 8×8 MIMO — предлагает восемь пространственных потоков на одном и том же беспроводном канале или одну и ту же частоту максимум до четырех клиентов (да, это правильно). Для этой реализации вам понадобится восемь антенн. 8×8 MIMO еще не является основной технологией.

На рисунке ниже вы можете увидеть представление маршрутизатора с поддержкой 3×3 MIMO, сообщающегося одновременно с тремя устройствами.

Математическая модель MIMO

Рассмотрим MIMO-систему с N передающими и M приемными антеннами (антенными элементами). Свойства MIMO-канала, соединяющего n-й передающий элемент с m-м приёмным элементом, описываются комплексными канальными коэффициентами hnm{\displaystyle h_{nm}}, образующими канальную матрицу H{\displaystyle \mathbf {H} } размера N × M. Их значения случайно изменяются со временем из-за наличия многолучевого распространения сигнала. Если

s→{\displaystyle {\vec {s}}} — вектор передаваемых сигналов;

z→{\displaystyle {\vec {z}}} — вектор собственных шумов приёмных элементов антенны;

x→{\displaystyle {\vec {x}}} — вектор принятого сообщения,

то сигнал на приёмной стороне записывается следующим образом:

x→=H⋅ s→+z→.{\displaystyle {\vec {x}}=\mathbf {H} \cdot \ {\vec {s}}+{\vec {z}}.}

Матрица H{\displaystyle \mathbf {H} } считается нормированной.

В чем преимущество технологии перед существующими?

Беспроводной интернет по технологии MU-MIMO заиграл новыми красками за счет:

1. Увеличения теоретической пропускной способности в обновленной спецификации стандарта 802.11ac Wave 2 до 6,93 Гбит/с.
2. Разрешения нескольким девайсам одновременно принимать несколько потоков данных.

Это значит, что устройства не будут как раньше ожидать, пока основной канал на компьютере перестанет забирать весь трафик, чтобы потом забрать львиную пропускную способность канала себе.

Технология MIMO принципы и алгоритмы для Multi User использует следующие:

1. За обеспечение эффективного использования радиоканалов отвечает технология beamforming.
2. Технология внедряет так называемые маяки, чтобы маршрутизатор и клиентское устройство знали о местоположении друг друга.
3. После маршрутизатор измеряет собственную фазу и мощность, чтобы сформировать лучший сигнал, достаточный для передачи к клиентскому девайсу на то расстояние, на которое в данный момент времени оно расположено.
4. Из-за качественной фокусировки более эффективно используются радиосигналы, может увеличиваться скорость передачи данных и дистанция стабильного соединения.
5. В одно и тоже время технология MIMO 2×2 разрешает «общаться» со всеми подключенными к девайсу устройствами за счет нескольких принимающих и передающих антенн, без «существенных просадок» по скорости, и «ожиданий» освобождения канала другим устройством.

MIMO-MU это действительно технологический прорыв для Wi-Fi и LTE сетей. Что было ранее, и что есть сейчас можно сравнить с модернизацией дороги. Если ранее использовалась проселочная дорога, чтобы добраться из пункта А в пункт Б, то сейчас на ее месте выстроили широкую восьми полосную магистраль.

Прием и отправка информации в линиях беспроводной связи

В радиоканале полезная информация распространяется от передатчика к приемнику в виде электромагнитных волн. При этом основными параметрами сигнала, от которых напрямую зависит качество связи, будут:

• мощность;
• частота (тесно связана с пропускной способностью канала);
• тип используемой модуляции.

Для того чтобы обеспечить хорошее качество связи недостаточно просто увеличить значение одного или всех сразу вышеописанных показателей. Это связано с тем, что существуют определенные нормативы по электромагнитной безопасности. Поэтому для повышения скорости передачи пакетов данных внутри линии беспроводной связи используют различные оптимизирующие подходы. Один из них – технология, в которой используются антенна MIMO 3G/4G LTE-диапазонов с резонаторами, имеющими между собой низкий коэффициент корреляции.

Важно! Корреляция в простейшем понимании — это степень связи между двумя рассматриваемыми величинами. Например, амплитуда локального радиосигнала будет коррелировать с количеством влаги в воздухе на его пути, а с уровнем воды в океане – нет

Проходя через пространство, электромагнитная волна обязательно будет встречать на своем пути препятствия из различного материала, испытывая частичное или полное отражение и поглощение. При этом в канале начинают наблюдаться следующие эффекты:

1. Межсимвольная интерференция — наложение одного или нескольких символов друг на друга вследствие многолучевого распространения сигнала.
2. Частотная селективность. В простейшем случае – избирательность приемника по заданной частоте (частотам).

Благодаря заложенным в математическую модель современным и эффективным методам обработки сигналов при использовании технологии MIMO можно без труда разделять полезную информацию и возникающие артефакты (в том числе и шумы).

Технология MIMO

Как уже было сказано выше, основными вопросами при приеме и передаче данных посредством радиоканала является обеспечение помехоустойчивости и высокого качества конечной обработки. Для этого сотовыми операторами применяется технология, в которой считается, что антенна 4G LTE MIMO — лучшая из имеющихся реализаций (Multiple Input Multiple Output). Ее суть заключается в том, что обмен информацией в виде электромагнитных волн осуществляется не одной парой приемо-передатчиков, а целым набором

При этом важно обеспечить низкий коэффициент корреляции между ними, а также двойную (так называемую 2х2) поляризацию

Полезно! В простейшем случае поляризация волны – это такая характеристика, которая описывает поведение вектора амплитуды (включая его направление), может быть продольной, поперечной или круговой.

С математической точки зрения суть технологии 4G MIMO может быть раскрыта следующим образом. Пусть имеются N передающих и M приемных антенных устройств, тогда свойства каждого канала (зависимость от особенностей многолучевого распространения сигнала) можно описать путем задания нестационарного (меняющегося во времени) комплексного коэффициента hnm, который набором образуют так называемую канальную матрицу H. Тогда, если иметь волновой вектор полезных данных s и волновой вектор шумов n, то направление, из которого пришел принятый сигнал r можно выразить через простую формулу r = H*s + n.

Полезно! Волновой вектор – такая величина, которая определяет направление распространения волны.

Характеристики

Больше MIMO — лучше сигнал

Проведенные испытания показали, что переход от MIMO 2 × 2 к MIMO 4 × 4 также может повысить уровень беспроводного сигнала. Компания Cellular Insights провела несколько тестов, сравнивая iPhone XR с iPhone XS. IPhone XR и iPhone XS имеют одинаковый беспроводной модем, поэтому основным отличием должно быть просто меньшее количество антенн на iPhone XR по сравнению с iPhone XS — MIMO 2 × 2 на XR против 4 × 4 на XS.

Когда оба телефона были подключены к сети MIMO LTE 4 × 4, iPhone XS 4 × 4 достиг максимума со скоростью загрузки чуть менее 400 Мбит/с. MIMO iPhone XR 2 × 2 достиг уровня 200 Мбит/с при той же мощности сигнала.

Это ожидаемо и демонстрирует преимущества MIMO 4 × 4 по сравнению с MIMO 2 × 2 — он может передавать данные в два раза быстрее.

Однако тесты также показали, что уровень сигнала iPhone XS выше, чем у iPhone XR в сети MIMO 4 × 4. Что еще более удивительно, iPhone XS имел лучшую мощность сигнала, чем iPhone XR, даже когда он был подключен к сотовой сети, которая поддерживала только MIMO2 × 2.

Это не имеет значения, если у Вас надежное соединение, и скорость загрузки устройства достаточен для Вас. Но когда у Вас слабый сотовый сигнал, похоже, что дополнительные антенны в MIMO 4 × 4 могут привести к улучшению беспроводного сигнала. MIMO 4 × 4 — это не только скорость — он также улучшает Ваш уровень сигнала.

Определение систем MIMO

В современных системах связи, например, в сотовых системах связи, высокоскоростных локальных вычислительных сетях и др., существует необходимость повышения пропускной способности. Пропускная способность может быть увеличена путём расширения полосы частот. Тем не менее, применимость этих методов ограничена из-за требований биологической защиты, ограниченной мощности источника питания (в мобильных устройствах) и электромагнитной совместимости. Поэтому если в системах связи эти подходы не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то эффективным может оказаться применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами. Системы связи с такими антеннами получили название систем MIMO.

The downsides of MU-MIMO

There are also disadvantages to using wireless mesh systems and routers with MU-MIMO:

• It works only when using the 802.11ac wireless standard and the 5 GHz WiFi frequency. You cannot take advantage of it on the 2.4 GHz frequency and older standards like 802.11n. The 2.4 GHz frequency is stuck with using SU-MIMO.
• MU-MIMO increases only the download speed, not the upload speed.
• You need both a router with MU-MIMO and network devices with MU-MIMO to get faster downloads. When buying new computers, smartphones, and other gadgets, you need to make sure that they work with 802.11ac wireless networks and that they support MU-MIMO transfers.