Технология mu-mimo: что это такое, и зачем нужен роутер с её поддержкой?

Введение

Рис. 1. Прорывные технологии 5G, классифицированные в соответствии с моделью Хендерсона — Кларка

Будет ли 5G только эволюцией 4G, или новейшие технологии приведут к потрясениям, которые потребуют массового переосмысления укоренившихся принципов мобильных сетей?

Мы рассматриваем влияние новых технологий, используя модель Хендерсона — Кларка (модель классификации инноваций. — Прим. перев.), следующим образом (рис. 1):

Эволюция дизайна. Незначительные изменения как узлового, так и архитектурного уровней (например, введение классификаторов и сигнализации, поддержка большего числа антенн).
Компонентные изменения. Прорывные изменения в дизайне класса сетевых узлов (например, введение новых волновых форм).
Архитектурные изменения. Прорывные изменения в системной архитектуре (например, введение новых типов узлов или введение новых функций в уже существующие).
Радикальные изменения. Прорывные изменения, оказывающие влияние на узлы и уровни архитектуры.

Ориентир на прорывные (компонентные, архитектурные, радикальные) технологии обусловлен, по нашему убеждению, чрезвычайно высокой совокупной скоростью передачи данных и низкой задержкой, требующихся для 5G, что не может быть достигнуто лишь простой эволюцией статус-кво. Кратко поясним, о каких именно пяти прорывных технологиях повествуется в статье.

Откуда взялась технология MIMO?

Как мы знаем по практике использования WiFi, когда роутер излучает беспроводной сигнал, он становится слабее в зависимости от удаления от источника и наличия препятствий. Дело в том, что сталкиваясь с барьерами и проходя большое расстояние, пучок сигнала от маршрутизатора рассеивается на множество лучей и становится слабее. В результате это выражается в том, что падает качество приема и снижается скорость интернета.

MIMO позволяет отправлять один и тот же сигнал несколько раз одновременно. В результате в разы повышается вероятность его попадания на приемник на вашем устройстве. А значит улучшается прием и стабильность сети. Для работы используется сразу несколько ретранслирующих антенн на маршрутизаторе и также несколько принимающих антенн на устройстве, поддерживающем эту технологию. Сегодня таковыми являются абсолютно все смартфоны, ноутбуки, ТВ приставки, телевизоры и другие девайсы с беспроводным модулем.

MIMO и Beamforming

Ну и напоследок хотелось бы рассказать про несколько технологий, применяемых в беспроводных сетях.

Что такое MIMO в роутере. SU-MIMO и MU-MIMO

MIMO – одно из самых важных нововведений стандарта Wi-Fi 802.11n. Если просто, то MIMO – это технология, позволяющая в один момент времени передавать или принимать несколько потоков данных с использованием нескольких антенн устройства. Больше потоков – выше скорость соединения.

Согласно стандарту могут быть различные конфигурации принимающих и передающих антенн, начиная с 1×1, где одна принимающая и одна передающая и заканчивая 4×4 (для 802.11n, в новых стандартах их количество увеличили еще больше). Зачастую в первой (1х1) конфигурации можно передать один пространственный поток, а в 4×4 – до четырех одновременно. Главное тут, чтобы не только роутер, но и клиент обладал соответствующим количеством антенн, а с этим могут возникнуть проблемы, так как, например, большинство смартфонов имеет MIMO 1×1. Да и указывают эти параметры далеко не все производители смартфонов и роутеров.

Существует два варианта MIMO: однопользовательский (SU-MIMO) и многопользовательский (MU-MIMO, впервые появившейся в стандарте 802.11ac Wave 2). В первом случае роутер в один момент времени отправляет данные только одному устройству, во втором – может отправлять данные нескольким пользователям одновременно.

Beamforming

Beamforming – технология формирования направленного луча в сторону подключенного клиента. Обычно сигнал транслируется во все стороны, создавая равномерную зону покрытия. Технология Beamforming позволяет маршрутизатору определить нахождение клиента в пространстве и сформировать сигнал в данном направлении. Изначально данный функционал появился в стандарте 802.11n, но из-за отсутствия стандартного способа реализации каждый производитель реализовывал ее по-своему и нормально она не работала. Начиная с 802.11ac был введен стандартный способ формирования диаграммы направленности, что позволило любым устройствам с поддержкой данной технологии корректно работать с любыми другими устройствами, так же ее поддерживающими.

Yota LTE-антенна

Yota — это относительно новый на российском рынке оператор. Однако зона его покрытия имеется уже в том числе и в глубинке России. Ловят модемы этого оператора сигнал в основном неплохо. Однако зона покрытия Yota до сих пор (на 2017 г) меньше, чем у старых операторов – «Билайна», «Мегафона» и МТС.

Продавцы модемов Yota, уговаривая покупателей из поселков или деревень приобрести свою продукцию, обычно успокаивают их тем, что сигнал от этого оператора хорошо ловится в тех же местах, где он стабилен и от «Мегафона». Однако это, к сожалению, не всегда соответствует действительности. Поэтому именно с модемами Yota приходится использовать LTE-антенны, в том числе и внешние, чаще всего.

Для модема Yota можно, в принципе, применить антенну и от сторонних производителей. Но можно купить и модель марки именно Yota. Тем более, что модемы от этого оператора часто идут уже в комплекте с антенной.

Что такое MU-MIMO и для чего он нужен?

Технология MU-MIMO означает » Многопользовательский MIMO «, Или также известный как» Многопользовательский, множественный ввод и множественный вывод «. Эта функция была включена в стандарт Wi-Fi 5 или также известный как Wi-Fi AC, однако она была необязательной, и многие маршрутизаторы с Wi-Fi 5 не имеют этой технологии, которая использовала бы только полосу частот 5 ГГц. , поскольку в диапазоне 2.4 ГГц мы все еще использовали Wi-Fi 4.

С запуском Wi-Fi 6 MU-MIMO доступен в обоих частотных диапазонах, как в популярном диапазоне 2.4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц, поскольку у нас есть Wi-Fi 6 во всех диапазонах частот

Очень важной особенностью является то, что в дополнение к MU-MIMO технология формирования луча необходима для достижения хорошего покрытия. Обе технологии связаны, потому что они работают вместе в домашних и профессиональных маршрутизаторах

Краткое объяснение технологии Beamforming

С приходом Wi-Fi 5, который соответствует 802.11ac стандарт, как мы обсуждали ранее, Технология формирования луча тоже прибыл. Благодаря этому мы можем сфокусировать сигнал на подключенном приемнике. Таким образом, цель состоит в том, чтобы клиент получил лучшее покрытие, а также более высокую скорость беспроводной связи. На практике, используя технологию Beamforming, помимо обеспечения большего покрытия против маршрутизатора или точки доступа, не имеющей этой технологии, мы также добьемся немного большего диапазона Wi-Fi. Чтобы закончить этот раздел в отношении расстояния, вот что мы можем внести:

Когда мы рядом с роутером или точкой доступа если нет стены или большого препятствия, мы не заметим никаких улучшений.
В случае, если мы находимся на среднем расстоянии от роутера или точки доступа , именно здесь мы получим максимальную отдачу от технологии Beamforming. Таким образом, мы добьемся большего покрытия, а также большей скорости.
Если мы находимся на очень большом расстоянии от роутера или точки доступа , мы не заметим большого улучшения, но возможно, что мы получим немного больше покрытия, с которым мы получим некоторую стабильность, но разница в скорости будет небольшой. Он способен одновременные передачи клиентам , в «восходящем» направлении, то есть от точки доступа к клиентам. Однако с Wi-Fi 6 MU-MIMO является двунаправленным, как для загрузки, так и для загрузки, и уже доступен на некоторых маршрутизаторах ASUS.

Очень распространенный пример значительного улучшения, которое приносит нам технология MU-MIMO, — это когда у нас есть маршрутизатор с тремя потоками данных, но мы подключаем клиентов из одного потока. Беспроводная сеть вместо того, чтобы работать с максимальной скоростью, которую обеспечивают эти три потока данных, будет работать с максимальной скоростью, которую обеспечивает один поток. Следовательно, мы не сможем в полной мере использовать реальный потенциал приобретенного нами беспроводного маршрутизатора.

С другой стороны, если мы используем технологию MU-MIMO, маршрутизатор может отправлять (и получать, если у нас есть двунаправленный MU-MIMO) поток данных каждому из клиентов. Таким образом, данные будут отправляться одновременно, и мы максимально используем доступную пропускную способность. Таким образом, три клиента будут отправлять и получать данные одновременно, параллельно, а не последовательно, как это происходит при использовании технологии SU-MIMO (однопользовательский MIMO). Вот вам пример того, как работают обе технологии.

На изображении выше мы можем ясно видеть, что производительность (общая сеть) утроилась при использовании технологии MU-MIMO. Кроме того, это не только позволит нам максимизировать пропускную способность, мы также сможем привлечь больше клиентов WiFi для передачи своих данных и сэкономить дополнительное время, отправляя данные клиентам одновременно. Мы должны помнить, что с Wi-Fi 6 MU-MIMO является двунаправленным, поэтому мы можем отправлять и получать данные одновременно.

История

Грегори Рэли был первым, кто выступил за использование MIMO в сочетании с OFDM. В теоретической статье он доказал, что при правильном типе системы MIMO — множественных, совмещенных антеннах, передающих и принимающих множественные информационные потоки с использованием многомерного кодирования и кодирования — многолучевое распространение может быть использовано для увеличения пропускной способности беспроводной линии связи. До того времени радиоинженеры пытались заставить реальные каналы вести себя как идеальные каналы, смягчая эффекты многолучевого распространения. Однако стратегии смягчения никогда не были полностью успешными. Чтобы использовать многолучевое распространение, было необходимо определить методы модуляции и кодирования, которые надежно работают в изменяющихся во времени, дисперсионных, многолучевых каналах. Роли опубликовал дополнительные исследования по MIMO-OFDM в условиях, изменяющихся во времени, оценке канала MIMO-OFDM, методам синхронизации MIMO-OFDM и производительности первой экспериментальной системы MIMO-OFDM.

Рэли укрепил аргументы в пользу OFDM, проанализировав производительность MIMO с тремя ведущими методами модуляции в своей докторской диссертации: квадратурная амплитудная модуляция (QAM), спектр с прямым расширением последовательности (DSSS) и дискретный многотональный сигнал (DMT). QAM является представителем узкополосных схем, таких как TDMA, которые используют коррекцию для борьбы с ISI. DSSS использует гребенчатые приемники для компенсации многолучевого распространения и используется в системах CDMA. DMT использует перемежение и кодирование для устранения ISI и является представителем систем OFDM. Анализ был выполнен путем построения моделей матрицы каналов MIMO для трех схем модуляции, количественной оценки вычислительной сложности и оценки проблем оценки канала и синхронизации для каждой из них. Модели показали, что для системы MIMO, использующей QAM с эквалайзером или DSSS с передним приемником, вычислительная сложность возрастает квадратично с увеличением скорости передачи данных. Напротив, когда MIMO используется с DMT, вычислительная сложность растет логарифмически (т.е. n log n) по мере увеличения скорости передачи данных.

Впоследствии Роли основал Clarity Wireless в 1996 году и Airgo Networks в 2001 году с целью коммерциализации технологии. Компания Clarity разработала спецификации на форуме широкополосного беспроводного Интернета (BWIF), которые привели к появлению стандартов IEEE 802.16 (коммерциализированных как WiMAX ) и LTE , которые поддерживают MIMO. Airgo разработала и поставила первые наборы микросхем MIMO-OFDM для того, что стало стандартом IEEE 802.11n . MIMO-OFDM также используется в стандарте 802.11ac и, как ожидается, будет играть важную роль в мобильных телефонных системах 802.11ax и пятого поколения ( 5G ).

Автором нескольких ранних работ по многопользовательской MIMO была Росс Марч и др. в Гонконгском университете науки и технологий. MU-MIMO был включен в стандарт 802.11ac (разработан с 2011 г. и утвержден в 2014 г.). Емкость MU-MIMO впервые появляется в продуктах, получивших название «Волны 2». Qualcomm анонсировала чипсеты с поддержкой MU-MIMO в апреле 2014 года.

Broadcom представила первые наборы микросхем 802.11ac, поддерживающие шесть пространственных потоков для скоростей передачи данных до 3,2 Гбит / с в апреле 2014 года. Quantenna заявляет, что разрабатывает наборы микросхем для поддержки восьми пространственных потоков для скоростей передачи данных до 10 Гбит / с.

Massive MIMO, Cooperative MIMO (CO-MIMO) и HetNets (гетерогенные сети) в настоящее время являются предметом исследований, касающихся беспроводной связи 5G. Ожидается, что разработка стандартов 5G начнется в 2016 году. К числу известных на сегодняшний день исследователей относятся Якоб Хойдис (из Alcatel-Lucent), Роберт У. Хит (из Техасского университета в Остине), Хельмут Бёльчкей (из ETH Zurich) и Дэвид. Гесберт (в EURECOM).

Компания Samsung провела испытания технологии 5G. Японский оператор NTT DoCoMo планирует опробовать технологию 5G в сотрудничестве с Alcatel-Lucent, Ericsson, Fujitsu, NEC, Nokia и Samsung.

Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)

Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.

TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.

Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.

Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.

Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе).

За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.

Умея контролировать фазовую диаграмму направленности антенны, можно управлять зонами с максимальной конструктивной интерференцией — там, где сигнал является самым сильным, так и зонами с максимальной деструктивные интерференцией — там, где сигнал является самым слабым. А имея матрицу с параметрами сигналов от клиентов и зная их относительное положение, можно создавать шаблон для связи сразу с несколькими клиентами одновременно и независимо.

О чем вообще идет речь?

Начнем с того, что в природе существуют, так называемые, мультипликативные помехи, влияющие на принимаемую мощность сигнала — замирания (fading).

Замирания бывают быстрыми и медленными (fast and slow fading).

Рис. 1. Колебания мощности сигнала в беспроводных каналах в зависимости от расстояния. Средний уровень потерь распространения монотонно увеличивается с увеличением дальности. Локальные отклонения могут возникать из-за макроскопических (медленных) и микроскопических (быстрых) замираний .

Сознаюсь сразу, сегодня с медленными замираниями мы работать не будем, а вот про быстрые поговорим достаточно подробно.

Быстрые замирания

Быстрые замирания возникают, как правило, по двум основным причинам:

из-за уже упомянутого нами многолучевого распространения (multipath propagation) и/или
из-за Допплеровских сдвигов частоты.

Но и это ещё далеко не всё.

Selective fading vs. Flat fading

Выше мы разделили наши помехи по характеру возникновения. Однако, помехи можно разделить ещё и по характеру воздействия на передаваемый сигнал. И здесь нам понадобится понятие избирательности канала.

Приведем небольшую классификацию по . Итак, быстрые замирания могут быть:

Избирательными (selective)
а. Частотно избирательными (frequency selective)
б. Избирательными во временной области (time selective)
в. Пространственно избирательными (это относится к вопросу об углах прихода и отправки ЭМ волн — сегодня мы этот вопрос разбирать не будем)
Плоскими (flat) — тяготеющими больше к характеру медленных замираний (да, вот такой вот парадокс)

Что подразумевает последний термин, объясним от обратного.

Обратите внимание на переменную Delay spread — разброс задержек. Именно этот разброс в задержках между приходом разных копий одного сигнала и измеряют, когда определяют характеристики того или иного реального канала

Рис. 5. Типичный профиль задержки (мощности) — средняя мощность как функция задержки .

Рис. 7. Иллюстрация времени когерентности

Обратите внимание, здесь максимальная допплеровская частота отражает движение самого мобильного терминала

Ну, и соответственно, если нам удастся каким-то чудом избежать вышеперечисленного, то мы придем к самомому простому и удобному случаю — к плоским замираниям .

Антенна Харченко для 4g модема своими руками

Антенна для Yota — для модема и интернет центра

Антенна Харченко, или горизонтальная восьмерка, является наиболее простой в изготовлении, притом довольно эффективной для увеличения мощности принимаемого сигнала.

Конструкция Харченко

Для самостоятельного изготовления требуются следующие основные материалы:

Отрезок медной проволоки диаметром 2-2.5 мм;
Лист тонкого металла или фольгированного текстолита размером 120х120 мм;
Отрезок тонкого коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50-75 Ом.

Самодельная антенна Харченко состоит из двух элементов:

Вибратора;
Рефлектора.

Изготовление вибратора

Вибратор является основным элементом для приема и передачи электромагнитных волн. Его размеры должны точно соответствовать рабочей частоте.

Рефлектор (отражатель) формирует направленные свойства антенны, повышая коэффициент усиления в направлении приема и снижая уровень помех с остальных направлений.

Размеры элементов антенны для 4G интернета зависят от частоты сигнала. В качестве примера можно рассмотреть устройство, работающее на средней частоте 2600Гц. Длина волны составляет 115 мм. Таким образом, сторона квадрата, с учетом толщины провода, должна составлять 28.9 мм. Внутренние стороны делаются несколько короче для того, чтобы углы квадратов не соприкасались и образовывали промежуток для подключения кабеля.

Изготовление рефлектора

Для рефлектора берется лист проводящего материала (это сталь или односторонний фольгированный текстолит) размером 120х120 мм. Предпочтительнее взять фольгированный материал, поскольку медь обладает меньшим удельным сопротивлением, и антенна для модема своими руками будет иметь лучшие эксплуатационные характеристики.

Строго посередине рефлектора сверлится отверстие по диаметру коаксиального кабеля (обычно 4-6 мм). По углам сверлятся отверстия ближе к краям для крепления собранной конструкции на мачте или поверхности.

Соосно отверстию термоклеем либо иным способом крепят пластмассовую втулку для крепления вибратора. Высота втулки должна составлять 13 мм.

Сборка антенны 4G

К средней части вибратора припаивают коаксиальный кабель, центральную жилу к одной стороне, оплетку – к другой. Второй конец кабеля продевают в отверстие втулки и рефлектора. Далее вибратор приклеивают средней частью к втулке.

Длина кабеля зависит от предполагаемого расстояния между антенной и модемом. На втором конце кабеля необходимо припаять разъем, соответствующий ответной части USB модема. К примеру, ЮСБ модем Мегафон или Билайн использует разъемы типа MS156. Разъемы роутера или маршрутизатора обычно выполняются по стандарту SMA.

Разъемы SMA и MS156

Никакая самая мощная антенна не повысит качество приема, не даст устойчивый коннект, если не будет направлена точно в сторону передающей аппаратуры.

Аутентификация пользователя

На данном уровне существуют два типа атак: Fake client attack (FCA) и Fake access point (AP) attack.

Fake client attack. После получения пробного кадра третье лицо отправляет на сервер поддельную информацию о канале (CSI – Channel State Information). Ниже представлено решение проблемы.

Fake access point attack. В этом случае злоумышленник предоставляет клиенту поддельный пробный кадр, из-за которого тот отправляет на сервер неверный ответ. Решение опять же ниже.

Существуют и другие схемы шифрования на физическом уровне. Грубо я выделю следующую классификацию всех существующих алгоритмов.

Симметричное и асимметричное шифрования используют канал передачи данных для генерации симметричного ключа в первом случае и пары открытый и закрытый ключ во втором случае в предположении о том, что канал является надежным генератором случайных чисел. Недостатком этих двух схем является теоретическая доступность канала связи для злоумышленника, но зато если удалось скрыть канал обмена данными, то данные схемы обеспечивают одновременно и конфиденциальность, и аутентификацию.

Для двух следующих алгоритмов выдвину предположения:

Алиса общается с Бобом и проверяет гипотезу H0 = «сообщение пришло от Боба» против H1 = «сообщение пришло не от Боба»
Канал меняется во времени, матрица канала меняется непрерывно
Матрицу канала можно разбить на вектора, из которых можно составить авторегрессионную схему.

Алгоритм AKBA(asymmetric-key based authentication):

На первом шаге Алиса передает пилоты,а Боб оценивает канал.

α — коэффициент корреляции, z(t) — независимые одинаково распределённые c.в. из комплексного нормального распределения.

Боб квантует мнимую и действительную части оценки канала при помощи определенного квантователя и уровня квантования, извлекает из них битовую последовательность b.
Боб применяет известную всем пользователям функцию хэширования и сжатия для получения более короткого ключа из битовой последовательности b, создает пару открытый-закрытый ключ (K1, K2)
На втором шаге Боб передает всем пользователям открытый ключ K1, и кодирует данные при помощи созданного закрытого ключа K2, благодаря чему Алиса может его идентифицировать.

Алгоритм SKBA(symmetric-key based authentication):

На первом шаге Алиса передает список пилотных символов Бобу, Боб оценивает канал.

На втором шаге происходит обратное общение. Боб передает Алисе список пилотных символов, а Алиса оценивает канал.
В словаре кодовых слов Алиса находит ближайшее к каждой из 2N оценок канала

Сравнительно с остальными методами наибольшей устойчивостью к взлому обладает шифрование на основе регулярных оценок канала (достаточно сложна, поэтому опустим подробное описание работы). В этом случае в ходе общения каждый раз заново оценивается канал общения (вследствие общения в MIMO-OFDM он изменчив) и на основе этих оценок шифруется сообщение. Постоянная смена ключей надежна, но при этом требует высокой вычислительной мощности передающего устройства.

Схема шифрования на основе сравнения пилотных символов принимает решение о корректности идентификации клиента на основе сходства пилотных символов в различных сообщениях.

Алгоритм PLA(Physical Layer Authentication)

На первом шаге Боб передает список пилотных символов Алисе, которая оценивает канал(так же как в прежних схемах).
Во всех последующих передачах Алиса сравнивает оценки каналов на шагах t > 1 с первой оценкой, расстояние вычисляется по формуле:

Данный способ не требователен к вычислительным ресурсам, однако имеет некоторые особенности, связанные с требованием к хранению в памяти предыдущих пилотных символов и необходимостью идентификации Боба во время первой передачи. Также в данной схеме рекомендуется настроить дополнительные системы шифрования, так как сравнение пилотов не гарантирует полной защиты.

Можно видеть, что каждая их схем опирается на свойство случайности канала связи, однако теоретически злоумышленник может оценить ваш канал связи и тогда ваша схема аутентификации не будет работать.

Вывод: данные алгоритмы шифрования являются отличным дополнением к высокоуровневым, они просто реализуемы и вычислительно просты, их можно использовать для повышения уровня защиты.

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”.

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.
http://3gclub.ict-online.ru/analytics/a76468
http://www.osp.ru/telecom/2011/02/13007425/
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.
http://www.connect.ru/article.asp?id=9885

{jcomments on}

Что нам нужно, чтобы технология MU-MIMO работала

Первое, что нужно прокомментировать, это то, что эта технология может присутствовать в Стандарт Wi-Fi 5 (Wi-Fi AC), в котором он будет работать только в диапазоне 5 ГГц. Он также доступен в новом Стандарт Wi-Fi 6 (Wi-Fi AX), но, в отличие от предыдущего Wi-Fi 5, в этом новом стандарте он позволяет нам работать как в диапазонах 2.4 ГГц, так и 5 ГГц.

Освободи Себя MU-MIMO Теоретически технология допускает, чтобы до 4 устройств использовали одно и то же время соединения Wi-Fi, в течение которого данные будут отправляться одновременно. Вот пример отличия, которое он делает для работы с предыдущей технологией SU-MIMO, которая позволяет работать только с одним устройством за раз.

Следует иметь в виду, что оба маршрутизатор и беспроводные клиентские устройства должны быть совместимы с этой технологией. . Это означает, что даже если вы купите недавний высокопроизводительный маршрутизатор, поддерживающий эту технологию, если ваши устройства не поддерживают ее, вы не получите никакой выгоды. Кроме того, чтобы воспользоваться преимуществами технологии MU-MIMO, нам потребуется как минимум два устройства, поддерживающих ее в нашем доме. В противном случае мы не заметим никаких улучшений, потому что формируется группа из одной команды, что аналогично работе с технологией SU-MIMO.

В настоящее время MU-MIMO технологии работает только для нисходящих данных по технологии Wi-Fi 5 , то есть с роутера на наши устройства. Однако с приходом Технология 802.11ax, также известный как WIFI 6, теперь он сможет работать как в нисходящем, так и в восходящем направлении. В настоящее время производители еще не включили двунаправленную функциональность в MU-MIMO, или, по крайней мере, они имеют ее на этапе тестирования, и она еще не стала общедоступной.

Эта технология нисколько не увеличивает дальность действия нашего беспроводного маршрутизатора . Однако благодаря диаграммообразующая технология, о которой мы говорили ранее, и которая уже включена в стандарт Wi-Fi 5, мы сможем заметить некоторые улучшения.

Другие методы радиосвязи, связанные с MIMO, применяемые к WiMAX

Адаптивное управление антенной (AAS), также известное как Beamforming

Связанный с MIMO метод, который можно использовать с WiMAX, называется AAS или Beamforming . Используются несколько антенн и несколько сигналов, которые затем формируют луч с целью улучшения передачи на нужную станцию. В результате уменьшаются помехи, потому что сигнал, идущий к нужному пользователю, увеличивается, а сигнал, идущий к другим пользователям, уменьшается.

Разнесение циклической задержки

Другой метод, связанный с MIMO, который может использоваться в системах WiMAX, но который выходит за рамки спецификации 802.16, известен как циклическое разнесение задержки . В этом методе один или несколько сигналов задерживаются перед передачей. Поскольку сигналы исходят из двух антенн, их приемные спектры отличаются, поскольку каждый спектр характеризуется выступами и выемками из-за многолучевого замирания. В приемнике сигналы объединяются, что улучшает прием, поскольку совместный прием приводит к более мелким спектральным горбам и меньшим спектральным вырезам. Чем ближе сигнал может быть к плоскому каналу на определенном уровне мощности, тем выше может быть получена пропускная способность.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

На сегодня рынок предлагает множество антенн, конструктивное исполнение которых значительно варьируется от таких параметров, как диаграмма направленности и рабочий частотный диапазон. Касательно первого: угол раскрытия основного лепестка варьируется в пределах от 30 до 90 градусов, для сотовых антенн — обычно от 60 до 75 градусов. Также вклад в направленность вносит угол наклона, который может быть как регулируемый как механическим путем (вертикальная плоскость), так и стационарным, установленный заводом-изготовителем (горизонтальная плоскость).

Второй параметр как раз определяет частотную селективность антенны (о чем упоминалось ранее) и для сетей 4G диапазон может быть самым разным (от 800 МГц и выше), некоторые сотовые вышки работают сразу на нескольких значениях, например, для LTE это могут быть линии 700 МГц, 800 МГц, 2600 МГц. Если необходимо включение 3G, дополнительно используется полоса 2100 МГц. Естественно, что это требует разделения как в плоскостях поляризации, так и пространственное, а также разных направленностей. Это неизбежно приведет к огромному видовому разнообразию устройств, что и можно наблюдать на рынке.