Обзоры роутеров с технологией mu mimo. Что такое Mimo в wifi? Отличия между MU-MIMO и SU-MIMO

Мы с вами живем в эпоху цифровой революции, уважаемый аноним. Не успели мы привыкнуть к какой-то новой технологии, нам уже со всех сторон предлагают еще более новую и продвинутую. И пока мы томимся размышлениями, действительно ли эта технология реально поможет нам получить более быстрый интернет или нас просто очередной раз разводят на деньги, конструкторы в это время разрабатывают еще более новую технологию, которую нам предложат взамен текущей уже буквально через 2 года. Это касается и технологии MIMO антенн.

Что же это за технология - MIMO? Multiple Input Multiple Output - множественный вход множественный выход. Прежде всего, технология MIMO является комплексным решением и касается не только антенн. Для лучшего понимания этого факта стоит совершить небольшой экскурс в историю развития мобильной связи. Перед разработчиками стоит задача передать больший объем информации в единицу времени, т.е. увеличить скорость. По аналогии с водопроводом - доставить пользователю больший объем воды в единицу времени. Мы можем сделать это увеличив "диаметр трубы", или, по аналогии, - расширив полосу частот связи. Первоначально стандарт GSM был заточен под голосовой трафик и имел ширину канала равную 0.2 МГц. Это было вполне достаточно. Кроме того есть проблема обеспечения многопользовательского доступа. Ее можно решить разделив абонентов по частоте (FDMA) или по времени (TDMA). В GSM применяются оба способа одновременно. В итоге мы имеем баланс между максимально возможным количеством абонентов в сети и минимально возможной полосой для голосового трафика. С развитием мобильного интернета эта минимальная полоса стала полосой препятствия для увеличения скорости. Две технологии основанные на платформе GSM - GPRS и EDGE достигли предельной скорости 384 кБит/с. Для дальнейшего увеличения скорости необходимо было расширить полосу для интернет трафика одновременно по возможности используя инфраструктуру GSM. В результате был разработан стандарт UMTS. Основным отличием здесь является расширение полосы сразу до 5 МГц, а для обеспечения многопользовательского доступа - применение технологии кодового доступа CDMA, при котором несколько абонентов одновременно работают в одном частотном канале. Такую технологию назвали W-CDMA, подчеркивая этим, что она работает в широкой полосе. Эта система была названа системой третьего поколения - 3G, но при этом она является надстройкой над GSM. Итак, мы получили широкую "трубу" в 5МГц, что позволило первоначально увеличить скорость до 2 МБит/с.

Как еще можно увеличить скорость, если у нас нет возможности дальше увеличивать "диаметр трубы"? Мы можем распараллелить поток на несколько частей, пустить каждую часть по отдельной небольшой трубе и затем сложить эти отдельные потоки на приемной стороне в один широкий поток. Кроме того, скорость зависит от вероятности ошибок в канале. Уменьшая эту вероятность путем избыточного кодирования, упреждающей коррекции ошибок, применения более совершенных способов модуляции радиосигнала, мы также можем увеличить скорость. Все эти наработки (совместно с расширением "трубы" путем увеличения числа несущих на канал) последовательно применялись в дальнейшем усовершенствовании стандарта UMTS и получили наименование HSPA. Это не замена для W-CDMA, а soft+hard upgrade этой основной платформы.

Разработкой стандартов для 3G занимается международный консорциум 3GPP. В таблицу сведены некоторые особенности разных релизов этого стандарта:

3G HSPA скорость & главные технологические особенности
3GPP релиз	Технологии	Скорость Downlink (MBPS)	Скорость Uplink (MBPS)
Rel 6	HSPA	14.4	5.7
Rel 7	HSPA+ 5 MHz, 2x2 MIMO downlink	28	11
Rel 8	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink	42	11
Rel 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	84	23
Rel 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, 2x2 MIMO downlink, 2x5 MHz uplink	168	23
Rel 11	MC-HSPA+ 8x5 MHz 2x2/4x4 MIMO downlink, 2x5 MHz 2x2 MIMO uplink	336 - 672	70

Технология 4G LTE, помимо обратной совместимости с 3G сетями, что позволило ей одержать верх над WiMAX, способна в перспективе развить еще большие скорости, до 1Гбит/с и выше. Здесь применяются еще более продвинутые технологии переноса цифрового потока в радиоинтерфейс, например OFDM модуляция, которая очень хорошо интегрируется с MIMO технологией.

Итак, что же такое MIMO? Распараллелив поток на несколько каналов можно пустить их разными путями через несколько антенн "по воздуху", и принять их такими же независимыми антеннами на приемной стороне. Таким образом мы получаем несколько независимых "труб" по радиоинтерфейсу не расширяя полосы . Это основная идея MIMO . При распространении радиоволн в радиоканале наблюдаются селективные замирания. Это особенно заметно в условиях плотной городской застройки, если абонент находится в движении или на краю зоны обслуживания соты. Замирания в каждой пространственной "трубе" происходят не одновременно. Поэтому если мы передадим по двум каналам MIMO одну и ту же информацию с небольшой задержкой, предварительно наложив на нее специальный код (метод Аламуоти, наложение кода в виде магического квадрата), мы можем восстановить потерянные символы на приемной стороне, что эквивалентно улучшению отношения сигнал/шум до 10-12 дБ. В итоге такая технология опять же приводит к возрастанию скорости. По сути это давно известный разнесенный прием (Rx Diversity) органично встроенный в MIMO технологию.

В конечном счете, мы должны понимать, что MIMO должно поддерживаться как на базе, так и у нашего модема. Обычно в 4G число каналов MIMO кратно двум - 2, 4, 8 (в Wi-Fi системах получила распространение трехканальная система 3x3) и рекомендуется, чтобы их число совпадало и на базе и на модеме. Поэтому для фиксации этого факта MIMO определяют с каналами прием∗передача - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO и т.д. Пока в настоящее время мы имеем дело преимущественно с 2x2 MIMO.

Какие антенны применяются в технологии MIMO? Это обычные антенны, просто их должно быть две (для 2x2 MIMO). Для разделения каналов применяется ортогональная, так называемая X-поляризация. При этом поляризация каждой антенны относительно вертикали сдвинута на 45°, а относительно друг друга - 90°. Такой угол поляризации ставит оба канала в равные условия, поскольку при горизонтально/вертикальной ориентации антенн один из каналов неизбежно получил бы большее затухание из-за влияния земной поверхности. При этом 90° сдвиг поляризации между антеннами позволяет развязать каналы между собой не менее чем на 18-20 дБ.

Для MIMO нам с вами потребуется модем с двумя антенными входами и две антенны на крыше. Однако остается открытым вопрос поддерживается ли эта технология на базовой станции. В стандартах 4G LTE и WiMAX такая поддержка есть как на стороне абонентских устройств, так и на базе. В 3G сети не все так однозначно. В сети уже работают тысячи устройств не поддерживающих MIMO, для которых внедрение этой технологии приносит обратный эффект - пропускная способность сети понижается. Поэтому операторы пока не спешат повсеместно внедрять MIMO в 3G сетях. Чтобы база могла предоставить абонентам высокую скорость она сама должна иметь хороший транспорт, т.е. к ней должна быть подведена "толстая труба", желательно оптиковолокно, что тоже не всегда имеет место. Поэтому в 3G сетях технология MIMO в настоящий момент находится в стадии становления и развития, проходит тестирование как операторами, так и пользователями, причем последними не всегда успешно . Поэтому возлагать надежды на MIMO антенны стоит только в 4G сетях. На краю зоны обслуживания соты можно применять антенны с большим усилением, например зеркальные , для которых уже есть в продаже MIMO облучатели

В сетях Wi-Fi технология MIMO зафиксирована в стандартах IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac и поддерживается уже многими устройствами. Пока мы наблюдаем приход в 3G-4G сети технологии 2x2 MIMO, разработчики не сидят на месте. Уже сейчас разрабатываются технологии 64x64 MIMO с умными антеннами имеющими адаптивную диаграмму направленности. Т.е. если мы пересядем с дивана на кресло или уйдем на кухню, наш планшет заметит это и развернет диаграмму направленности встроенной антенны в нужном направлении. Нужен ли кому-то будет этот сайт в то время?

Многопользовательская MIMO представляет собой неотъемлемую часть стандарта 802.11 ас. Но до сих пор еще не было устройств, поддерживающих новый вид многоантенной технологии. WLAN-роутеры стандарта 802.11 ас прежнего поколения обозначались как оборудование Wave 1. Только с Wave 2 вводится многопользовательская технология MIMO (MU-MIMO), и во главе этой второй волны устройств идет .

Стандарт WLAN	802.11b	802.11g/a	802.11n	802.11ас	802.11ах*
Скорость передачи данных на поток, Мбит/с	11	54	150	866	не менее 3500
Диапазон частот, ГГц	2,4	2,4/5	2,4 и 5	5	между 1 и 6
Ширина канала, МГц	20	20/20	20 и 40	20,40,80 или 160	пока не определена
Технология антенны		Single Input Single Output (один вход- один выход)	MIMO: Multiple Input Multiple Output (многоканальный вход- многоканальный выход)		MIMO/MU-MIMO (многопользовательская система MIMO)
Максимальное число пространственных	1	1	4	8	пока не определено
Поддержка технологии формирования луча	□	□	■	■	■

■ да □ нет

Поскольку многопользовательская технология MIMO передает сигнал одновременно на несколько устройств, соответствующим образом расширяется протокол передачи в части формирования заголовков блоков данных: вместо того чтобы передавать несколько пространственно разделенных потоков для одного клиента, многопользовательская технология MIMO распределяет передачу для каждого пользователя по отдельности, равно как и кодирование. Одинаковым остается распределение полосы частот и кодирование.

Single User (однопользовательская) Если четыре устройства делят между собой одну сеть WLAN, то роутер с конфигурацией 4×4:4 MIMO передает четыре пространственных потока данных, но всегда только на одно и то же устройство. Устройства и гаджеты обслуживаются попеременно. Multi User (многопользовательская) При поддержке многопользовательской MIMO (Multi User MIMO) очередей из устройств, ожидающих доступа к ресурсам WLAN- роутера, не образуется. Ноутбук, планшет, телефон и телевизор обеспечиваются данными одновременно.

Сеть WLAN похожа на оживленную автотрассу: в зависимости от времени суток помимо ПК и ноутбуков к этому движению подключаются планшеты, смартфоны, телевизор и игровые консоли. В среднестатистическом домохозяйстве имеется более пяти устройств, подсоединяемых к Интернету по сети WLAN, и их количество постоянно растет. Со скоростью 11 Мбит/с, которая предусматривается в рамках основного стандарта IEEE 802.11b, веб-серфинг и загрузка данных требуют большого терпения, ведь роутер в каждый конкретный момент времени может быть соединен только с одним устройством. Если радиосвязь используется сразу тремя устройствами, то каждый клиент получает только треть продолжительности сеанса связи, а две трети времени тратится на ожидание. Хотя сети WLAN новейшего стандарта IEEE 802.11ac обеспечивают передачу данных на скоростях до 1 Гбит/с, в них тоже существует проблема падения скорости из-за очередей. Но уже следующее поколение устройств (802.11ac Wave 2) обещает более высокую производительность для радиосетей с несколькими активными устройствами.

Для лучшего понимания сути нововведений следует сначала вспомнить, какие изменения происходили с сетями WLAN в недавнем прошлом. Одним из самых эффективных приемов увеличения скорости передачи данных, начиная со стандарта IEEE 802.1In, является технология MIMO (Multiple Input Multiple Output: многоканальный вход - многоканальный выход). Она подразумевает использование нескольких радиоантенн для параллельной передачи потоков данных. Если, например, через сеть WLAN передается один видеофайл и используется MIMO-роутер с тремя антеннами, каждое передающее устройство в идеальном случае (при наличии трех антенн у приемника) отправит треть файла.

Рост затрат с каждой антенной

В стандарте IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных для каждого отдельного потока вместе со служебной информацией достигает 150 Мбит/с. Устройства с четырьмя антеннами, таким образом, способны передавать данные со скоростью до 600 Мбит/с. Актуальный стандарт IEEE 802.11ac теоретически выходит примерно на 6900 Мбит/с. Помимо широких радиоканалов и улучшенной модуляции новым стандартом предусмотрено использование до восьми потоков MIMO.

Но одно только увеличение числа антенн не гарантирует многократного ускорения передачи данных. Наоборот, с четырьмя антеннами очень сильно возрастает объем служебных данных, а также становится более затратным процесс обнаружения коллизий радиосигналов. Чтобы использование большего числа антенн себя оправдало, технология MIMO продолжает совершенствоваться. Прежнюю MIMO для различения правильнее называть одно-пользовательской MIMO (Single User MIMO). Хотя она обеспечивает одновременную передачу нескольких пространственных потоков, как говорилось ранее, но всегда только по одному адресу. Такой недостаток теперь устраняется с помощью многопользовательской MIMO. С этой технологией роутеры WLAN могут одновременно передавать сигнал четырем клиентам. Устройство с восемью антеннами может, например, использовать четыре, чтобы обеспечить ноутбук и параллельно с помощью двух других - планшет и смартфон.

MIMO – точный направленный сигнал

Чтобы маршрутизатор мог одновременно направлять пакеты WLAN различным клиентам, ему нужна информация о том, где расположены клиенты. Для этого в первую очередь по всем направлениям отсылаются тестовые пакеты. Клиенты отвечают на эти пакеты, и базовая станция сохраняет данные о силе сигнала. Технология формирования лучей является одним из важнейших помощников MU MIMO. Хотя ее поддержка уже предусмотрена стандартом IEEE 802.11n, в IEEE 802.11ac она была усовершенствована. Ее суть сводится к установлению оптимального направления для отправки радиосигнала клиентам. Базовая станция специально задает для каждого радиосигнала оптимальную направленность передающей антенны. Для многопользовательского режима поиск оптимального пути сигнала особенно важен, ведь перемена места только одного клиента может изменить все пути передачи и нарушить пропускную способность всей сети WLAN. Поэтому каждые 10 мс производится анализ канала.

Для сравнения, однопользовательская MIMO производит анализ только каждые 100 мс. Многопользовательская MIMO может одновременно обслуживать четырех клиентов, при этом каждый клиент может параллельно принимать до четырех потоков данных, что в сумме дает 16 потоков. Для этого многопользовательской MIMO требуются новые WLAN-роутеры, поскольку вырастает потребность в вычислительной мощности.

Одной из самых серьезных проблем многопользовательской MIMO являются интерференции между клиентами. Хотя загруженность канала часто замеряется, этого недостаточно. При необходимости одним фреймам отдается приоритет, а другие, наоборот, придерживаются. Для этого 802.11ac использует различные очереди, которые с разной скоростью производят обработку в зависимости от типа пакета данных, отдавая предпочтение, например, видеопакетам.

Для того, чтобы лучше понять принцип работы MIMO антенны давайте вообразим следующую ситуацию: базовая станция (БС) оператора мобильной сети и модем стали двумя географическими пунктами А и Б, между этими объектами проложен определенный путь, люди, передвигающиеся по этому пути олицетворяют информацию, А - это ваша приемная Антенна, Б - это БС сотового оператора. Люди передвигаются из одного пункта в другой с помощью поезда, вместимость которого- 100 человек. Но людей, которые хотят из пункта Б добраться в пункт А гораздо больше. Поэтому строится второй путь и запускается новый поезд, вместимость которого, тоже 100 человек. Таким образом, производительность и эффективность двух поездов в 2 раза выше.

Точно также же устроена и новейшая технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) , она позволяет принимать одновременно больше потоков. Для этого используются различные поляризации сигналов, например горизонтальная и вертикальная - 2х2. Раньше, чтобы принимать больше информации, то есть больше потоков, потребовалось бы приобретение двух простых антенн.

Сегодня же достаточно приобрести только одну антенну MIMO. Улучшенная антенна MIMO содержит в одном корпусе сразу два набора излучающих элементов, так называемых патчей, каждый из которых подключен к отдельному гнезду. Второй вариант устройства: имеется один набор патчей и запитка для двух портов, что позволяет патчу функционировать в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном. В этом случае к двум гнездам присоединяется единственный набор патчей. Именно второй вариант (с двумя кабельными вводами) вы можете найти в ассортименте нашей компании.

А как же подключить 2 кабеля, выходящих из мимо-антенны к одному модему? Все очень просто. Сегодня не только антенны поддерживают эту функцию, но и модемы. Существуют модемы с 2 входами для подключения внешних антенн, например широко распространенный Huawei .

Преимущества технологии MIMO

К главным преимуществам относится возможность улучшения пропускной способности, не расширяя при этом полосу. Так устройство одновременно раздает несколько потоков информации по единственному каналу.

Качество передаваемого сигнала и скорость передачи данных становится лучше. Потому что технология сначала кодирует данные, а затем на приемной стороне восстанавливает их.

Более чем в два раза увеличивается скорость трансляции сигнала.

Увеличиваются и многие другие параметры скорости за счет использования двух независимых кабелей, через которые одновременно происходит раздача и получение информации в виде цифрового потока. Улучшаются качества спектра следующих систем: 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, благодаря использованию двух входов и двух выходов.

Сфера применения антенн MIMO

Чаще всего технология MIMO применяется для передачи данных такого протокола, как WiFi. Это объясняется увеличенными пропускной способностью и емкостью. Для примера возьмем протокол 802.11n, в нем при использовании описываемой технологии, можно достичь скорость до 350 Мегабит/сек. Также улучшилось качество передачи данных, даже на тех участках, где сигнал приема низкий. Примером уличной точки доступа с антенной MIMO может послужить всем известная .

Сеть WiMAX, при использовании MIMO, теперь может транслировать информацию со скоростью до 40 Мегабит/секунду.

В применяется технология MIMO до 8x8. Благодаря этому достигается высокая скорость передачи - более 35 Мегабит/секунду. Помимо этого, обеспечивается надежное и высококачественное соединение отличного качества.

Постоянно ведутся работы по улучшению и усовершенствованию конфигураций технологии. В скором времени это позволит улучшить показатели спектра, усовершенствовать емкость сетей и ускорить скорость передачи данных.

April 9th, 2014

В свое время как то тихо и незаметно ушло ИК-соединение, потом перестали пользоваться Bluetooth для обмена данными. И теперь вот настала очередь Wi-Fi …

Разработана многопользовательская система с множеством входов и выходов, позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Создатели утверждают, что при использовании того же самого диапазона радиоволн, отведённого под Wi-Fi, скорость обмена может быть утроена.

Компания Qualcomm Atheros разработала многопользовательскую систему с множеством входов и выходов (протокол MU-MIMO), позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Компания планирует начать демонстрацию технологии в течение ближайших нескольких месяцев, прежде чем начать поставки клиентам в начале следующего года.

Однако, для того, чтобы получить эту высокую скорость обмена, пользователям придётся обновить и свои компьютеры и сетевые маршрутизаторы.

По протоколу Wi-Fi, клиенты обслуживаются последовательно - в течение определённого интервала времени задействуется только одно устройство передачи и приема информации - так что используется только небольшая часть пропускной способности сети.

Накопление этих последовательных событий создаёт падение скорости обмена, поскольку всё большее количество устройств подключаются к сети.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) обеспечивает одновременную передачу информации группе клиентов, что даёт более эффективное использование имеющейся пропускной способности сети Wi-Fi и тем самым ускоряет передачу.

Qualcomm полагает, что такие возможности будут особенно полезны конференц-центрам и интернет-кафе, когда несколько пользователей подключаются к одной и той же сети.

В компании также считают, что речь идёт не только об увеличении абсолютной скорости, но и о более эффективном использовании сети и эфирного времени для поддержки растущего числа подключённых устройств, услуг и приложений.

Чипы MU-Mimo Qualcomm собирается продавать производителям маршрутизаторов, точек доступа, смартфонов, планшетов и прочих устройств с поддержкой Wi-Fi. Первые чипы смогут работать одновременно с четырьмя потоками данных; поддержка технологии будет включена в чипы Atheros 802.11ac и мобильные процессоры Snapdragon 805 и 801. Демонстрация работы технологии состоится в нынешнем году, и первые поставки чипов запланированы на 1-й квартал будущего года.

Ну а теперь кому хочется подробнее вникнуть в эту технологию продолжаем …

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. Рассмотрим предысторию данного вопроса, и определим основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol),видеоконференции , VoD (Video on Demand) и др. Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети. Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала. Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. 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. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. 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 .

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.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием . Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), 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. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений 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 получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

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. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. 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 4х4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

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, обсуждавшийся ранее. 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. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time — BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

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 свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, 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. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала. Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция. Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использованиеSmart Antena , либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

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. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

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), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг , хэндовер , голосовые соединения. 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 стандартеUMTS , 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 , 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.

Существующие сети мобильной связи используются не только для осуществления звонков и передачи сообщений. Благодаря цифровому методу передачи, с помощью существующих сетей возможна также передача данных. Данные технологии, в зависимости от уровня развития, обозначаются 3G и 4G. Технологию 4G поддерживает стандарт LTE. Скорость передачи данных зависит от некоторых особенностей сети (определяется оператором), достигая теоретически до 2 Мб/с для сети 3G и до 1 Гб/с для сети 4G. Все указанные технологии работают эффективнее при наличии сильного и стабильного сигнала. Для этих целей большинство модемов предусматривает подключение внешних антенн.

Панельная антенна

В продаже можно встретить различные варианты антенн для улучшения качества приема. Большой популярностью пользуется панельная антенна 3G. Коэффициент усиления подобной антенны составляет около 12 дБ в диапазоне частот 1900-2200 МГц. Подобный тип устройств способен также улучшить качество сигнала 2G – GPRS и EDGE.

Как и подавляющее большинство других пассивных устройств, она имеет одностороннюю направленность, что вместе с увеличением принимаемого сигнала позволяет снизить уровень помех с боковых направлений и сзади. Таким образом, даже в условиях неустойчивого приема можно поднять уровень сигнала до приемлемых значений, тем самым увеличивая скорость приема и передачи информации.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

Поскольку рабочий диапазон сетей 4G практически совпадает с диапазоном предыдущего поколения, то не возникает никаких сложностей в использовании данных антенн в сетях 3G 4G LTE. Для любой из технологий применение антенн позволяет более приблизить скорости передачи данных к максимальным значениям.

Еще более увеличить скорости приема и передачи данных позволила новая технология, использующая раздельные приемники и передатчики в одной полосе частот. Конструкция существующего 4G модема предусматривает использование технологии MIMO.

Несомненное достоинство панельных антенн – их невысокая стоимость и исключительная надежность. В конструкции практически нет ничего, что может поломаться даже при падении с большой высоты. Единственное слабое место – высокочастотный кабель, который может переломиться в месте ввода в корпус. Для того чтобы продлить срок службы устройства, кабель должен быть надежно закреплен.

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности канала связи между приемником и передатчиком данных разработан метод обработки сигнала, когда прием и передача ведутся на различные антенны.

Обратите внимание! Применяя антенны LTE MIMO, можно увеличить пропускную способность на 20-30% относительно работы с простой антенной.

Основной принцип заключен в устранении взаимосвязи между антеннами.

Электромагнитные волны могут иметь различное направление относительно плоскости земли. Это носит название поляризации. В основном используется вертикально и горизонтально поляризованные антенны. Для исключения взаимного влияния между собой антенны отличаются друг от друга поляризацией на угол 90 гр. Чтобы влияние земной поверхности было одинаково для обеих антенн, плоскости поляризации каждой смещают на 45 гр. относительно земли. Таким образом, если одна из антенн имеет угол поляризации 45 гр., то другая, соответственно, 45 гр. Относительно друг друга смещение составляет необходимые 90 гр.

На рисунке наглядно видно, как развернуты антенны относительно друг друга и относительно земли.

Важно! Поляризация антенн должна быть такой же, как и на базовой станции.

Если для технологий 4G LTE поддержка MIMO по умолчанию имеется на базовой станции, то для 3G в связи с большим количеством устройств без MIMO, операторы не спешат внедрять новые технологии. Дело в том, что в сети MIMO 3G устройства будут работать гораздо медленнее.

Установка антенн для модема своими руками

Правила установки антенн не отличаются от обычных. Главное условие – отсутствие препятствий между клиентской и базовой станциями. Растущее дерево, крыша соседнего здания или, что еще хуже, линия электропередач, служат надежными экранами для электромагнитных волн. И чем выше частота сигнала, тем большее затухание будут вносить расположенные на пути распространения радиоволн препятствия.

В зависимости от типа крепления антенны можно устанавливать на стене здания или закреплять на мачте. Есть два вида антенн MIMO :

моноблочные;
разнесенные.

Моноблочные уже содержат внутри две конструкции, установленные с необходимой поляризацией, а разнесенные – состоят из двух антенн, которые нужно крепить отдельно, каждая из них должна быть направлена точно на базовую станцию.

Все нюансы установки антенны MIMO своими руками четко и подробно описаны в сопроводительной документации, но лучше предварительно проконсультироваться с провайдером или пригласить представителя для установки, заплатив не очень большую сумму, но получив определенную гарантию на произведенные работы.

Как сделать антенну самостоятельно

Принципиальных сложностей при самостоятельном изготовлении нет. Нужны навыки работы с металлом, умение держать в руках паяльник, желание и аккуратность.

Непременное условие – строгое соблюдение геометрических размеров всех, без исключения, составляющих частей. Геометрические размеры высокочастотных устройств должны быть соблюдены с точностью до миллиметра и точнее. Любое отклонение ведет к ухудшению характеристик. Упадет коэффициент усиления, увеличится взаимосвязь между антеннами MIMO. В конечном итоге вместо усиления сигнала буден наблюдаться его ослабление.

К сожалению, в широком доступе отсутствуют точные геометрические размеры. Как исключение, имеющиеся в сети материалы основаны на повторении некоторых заводских конструкций, не всегда скопированных с заданной точностью. Поэтому не стоит возлагать большие надежды на публикуемые в интернете схемы, описания и методики.

С другой стороны, если не требуется сверх сильного усиления, то выполненная самостоятельно, с соблюдением указанных размеров антенна MIMO, все равно даст, хоть и не большой, но положительный эффект.

Стоимость материалов невысока, затраты времени при наличии навыков также не слишком велики. К тому же никто не мешает испытать несколько вариантов и выбрать приемлемый по результатам тестирования.

Для того чтобы сделать MIMO антенну 4G LTE своими руками, нужны два абсолютно ровных листа оцинкованной стали толщиной 0.2-0.5 мм, а лучше одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Один из листов пойдет на изготовление рефлектора (отражателя), а другой – на изготовление активных элементов. Кабель для подключения к модему должен иметь сопротивление 50 Ом (таков стандарт для модемного оборудования).

Телевизионный кабель использовать нельзя по двум причинам:

сопротивление 75 Ом вызовет рассогласованность со входами модема;
большая толщина.

Также необходимо подобрать разъемы, которые должны в точности соответствовать разъемам на модеме.

Важно! Указанное расстояние между активными элементами и рефлектором должно отсчитываться от слоя фольги в случае использования фольгированного материала.

Кроме того понадобится небольшой отрезок медного провода толщиной 1-1.2 мм.

Изготовленная конструкция должна быть помещена в пластиковый корпус. Металл использовать нельзя, поскольку таким образом антенна будет заключена в электромагнитный экран и работать не будет.

Обратите внимание! Большая часть чертежей относится не к MIMO антеннам, а к панельным. Внешне они отличаются тем, что к простой панельной антенне подводится один кабель, а к MIMO нужно два.

Изготовив две панельные антенны, можно получить разнесенный вариант, выполненной своими руками антенны МИМО 4G.

Подводя итоги, можно сказать, изготовление антенны МИМО своими руками – не очень трудное дело. При надлежащей тщательности вполне возможно получить работоспособное устройство, сэкономив некоторое количество финансов. Несколько проще выполнить антенну 3G своими руками. В отдаленной местности, где еще нет покрытия ЛТЕ, это может быть единственным вариантом повысить скорость соединения.