Технология mimo 2х2

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие 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 .

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между (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 – 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 – . 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, 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 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 использование , 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: , 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 стандарте , 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 . 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.

Радиоканалы

Вообще эта классификация огромна и её обзор достоен отдельной статьи, но мы остановимся лишь на нескольких моментах.
Проходя путь от передатчика (T) к приемника ( R) наша радиоволна затухает (теряет в энергетике), причем то насколько она потеряет зависит то, есть ли между нашими T и R прямая видимость. Если она есть, то основная вина за потери ложится на потери среды распространения (path loss), если прямой видимости нет, то начинается самое интересное. Сталкиваясь с различными препятствиями волна идет к пункту назначения несколькими путями (многолучевое распространение) и соответственно каждый луч проходит разное расстояние. На приеме все эти лучи могут складывать с противофазе, что дополнительно снижает интенсивность сигнала, что заставляет уровень сигнала постоянно «плавать». Поэтому в зоне неуверенного приема ваши мобильники никак не могут определиться сколько «палочек сигнала» показывать.
Все это безобразие назвали замираниями. Бывают они разными и могут описывать разными законами. При наличии постоянной компоненты (наличии прямой видимости) подойдет распределение Райса, а при её отсутствии — Релеевское (частный вариант). Формул не буду приводить умышленно, они большие и страшные.

MIMO вот ОНО

Разбор того, как ЭТО работает проведем на самом простом примере. У нас есть 2 антенны на передаче и одна на приеме.

k — так называемая комплексная передаточная функция канала (определяющая его ФЧХ и АЧХ), причем различная для каждого момента времени для каждого из принятых сигналов. Главная изюминка как раз и заключается в том, что сигналы для каждой из приемных антенн проходят разные пути.
В соответствии с методом ПВБК, входной поток данных разбивается на пары [с1, с2], причем, на первом полутактовом интервале символ c1 передается через антенну Т1 и символ c2 передается через антенну Т2. На втором полутактовом интервале порядок передачи изменяется: через антенну Т1 передается инверсия символа c2 (на рисунке обозначен как (–c*2), а символ c1 передается через антенну Т2 (на рисунке обозначен как (c*1). Данный алгоритм удобно представить в виде матрицы, где номер строки будет соответствовать номеру передатчика, а номер столбца – номер полутакта (в общем случае – шаг такта) передачи. Символ «*» как уже многие догадались-комплексное сопряжение.

В итоге на входе мы получаем 2 сигнала (мультипликативные отклики за первый и второй такт), проведя ряд занимательных математических преобразований мы получаем исходный сигнал, а точнее пару этих сигналов. Собственно вся фишка и заключается в том, что каждый из этих сигналов передавался 2 раза.

Практика

А теперь проведем моделирование и посмотрим выигрыш MIMO перед SISO(single in single out).

Все свои расчеты и моделирование я провожу в Matlab‘e потому, что это самая лучшая в миреочень удобная для таких экспериментов среда.
Вот собственно кусок для расчета кривой Аламоути:

 numOfBlk = 1e6; % число блоков для передачи qampoz = 4; % выбираем позиционность сигнала КАМ SNRdB = 6:1:40; %пределы изменения отношения сигнал/шум linColor = 'b'; % цвет 1 linSym = 'o'; % цвет 2 errRate = zeros(size(SNRdB)); %пустышка % Аламоути for i = 1 : length(SNRdB) txData = randint(numOfBlk*2,1,qampoz);%формируем инф поток temp = reshape(txData,numOfBlk,2); %разбиваем на подпотоки temp = qammod(temp,qampoz); %модулируем H = 1/sqrt(2) * (randn(numOfBlk,2) + sqrt(-1)*randn(numOfBlk,2)); %задаем канал(он релеевский) txMod(:,1) = H(:,1).* 1/sqrt(2).*temp(:,1) + H(:,2).* 1/sqrt(2).*temp(:,2) ; %обработка на приеме txMod(:,2) = -H(:,1).*(1/sqrt(2).*temp(:,2)').' + H(:,2).*(1/sqrt(2).*temp(:,1)').' ; txMod = awgn(txMod,SNRdB(i),'measured'); temp(:,1) = sqrt(2)*(H(:,1)'.' .* txMod(:,1) + H(:,2) .* txMod(:,2)'.')./(abs(H(:,1)).^2 + abs(H(:,2)).^2); temp(:,2) = sqrt(2)*(H(:,2)'.' .* txMod(:,1) - H(:,1) .* txMod(:,2)'.')./(abs(H(:,1)).^2 + abs(H(:,2)).^2); rxData(:,1) = qamdemod(temp(:,1),qampoz); %демодуляция rxData(:,2) = qamdemod(temp(:,2),qampoz); [numErr errRate(i)] = symerr(rxData,reshape(txData,numOfBlk,2)); %считаем ошибки end 

Эта часть для классической схемы:

%SISO for i = 1 : length(SNRdB) temp = qammod(txData,qampoz); H = 1/sqrt(2) * (randn(numOfBlk*2,1) + sqrt(-1)*randn(numOfBlk*2,1));%тот же канал txMod = H.*temp; txMod = awgn(txMod,SNRdB(i),'measured'); temp = txMod./H; rxData = qamdemod(temp,qampoz); [numErr errRate(i)] = symerr(rxData,txData); end 

Из графика видно что выигрыш для вероятности ошибки Pош=10^(-3) примерно 12 [дБ]. И это просто огромная величина.

MIMO в загородном доме

Домашняя сеть – обычное дело. Уже сегодня семья из четырех человек использует минимум четыре гаджета одновременно. Поэтому возрастает нагрузка на сеть. Если речь идет об Интернете за городом, пользователи смогут почувствовать падение скорости передачи данных, ухудшение качества связи. Эту проблему решит использование технологии MIMO при построении сети Wi-Fi .

Интернет вещей внедряется в быт все глубже: в домохозяйствах появляется умная бытовая техника с удаленным управлением через всемирную сеть. Эксперты прогнозируют, что к 2020 году количество одновременно подключенных электронных устройств в доме может достигать 20 единиц на ту же семью из родителей и двух детей. Это и телефоны, и компьютеры, и бытовая техника. Проблема со сбоем связи будет решаться, в том числе, за счет технологии MIMO в антеннах 4G.

Система будет играть важную роль и при внедрении сетей сотовой связи по стандартам 5G, где также будут практиковаться LTE и WI-FI передача данных. Подобное телекоммуникационное оборудование планируется к внедрению операторами уже к 2020 году.

Как установить антенну MIMO

Чтобы улучшить связь за городом, не нужно ждать прихода на село связи 4G, что уж говорить о скорости 5G (до практического повсеместного воплощения которой еще очень далеко). Специалисты сервисного центра «Лан Центр» подберут вам антенну с поддержкой MIMO 2×2 в комплекте оборудования беспроводной системы передачи данных. Система будет поддерживать все существующие и внедренные для народа стандарты:

  • WI-FI.

Подобное оборудование – отличный вариант для установки системы связи «точка приема – точка отдачи», «точка приема – много точек отдачи». 3G, 4G антенна с поддержкой технологии MIMO обычно оснащена пластиковым корпусом, предохраняющим его от осадков и УФ-лучей. Ее можно закрепить на вертикальной поверхности, регулировать угол наклона, что особенно важно, когда нужно «ловить» сигнал на даче.

Обращайтесь в «Лан Центр»! Мы взяли на вооружение новейшие технологии, чтобы связь за городом, на даче была вам в радость.

Отличие MIMO 2×2 и 4×4

А что же с MIMO 4×4? Всё просто! Цифра обозначает количество антенн на передающей (первая цифра) и приёмной стороне (последняя цифра). Ростом числа антенн разработчики увеличили количество образуемых между сотовой станцией и смартфонами каналов. За счёт меньших потерь в радиоканале, скорости растут еще больше и по сравнению с передачей без MIMO достигают 2-3 кратного роста.

Принцип работы MIMO 4×4

В каталогах радиопередатчиков и антенн вполне можно встретить MIMO 8×8 и даже MIMO 16×16, 32×32. Хотя абонентских устройств, во всяком случае, в продаже я пока ещё не видел.

Чем больше антенн на передающей стороне — тем больше их должно быть на приёмнике. А как расположить 8 или 16 антенн в современных компактных смартфонах? Хотя за этим будущее! Еще 10 лет назад мы радовались 1 Мбит/сек, а сейчас уже 200 Мбит/сек в 4G — это реальность в некоторых городах.

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.

История развития Beamforming

Немного предыстории: формирование луча было на самом деле дополнительной функцией более старого стандарта 802.11n, но IEEE (международный орган, который устанавливает эти стандарты) не разъяснил, как именно это должно было быть реализовано. И могло получиться так, что вы купили роутер, и он использует одну реализацию, а Wi-Fi адаптер в вашем ноутбуке использует другую, в этом случае формирование луча не заработает.

Некоторые производители разрабатывали свои комплекты 802.11n, но они, как правило, были дорогими и не пользовались широким спросом на рынке.

Формирование луча фокусирует сигналы, которыми обмениваются Wi-Fi маршрутизатор и клиенты, с которыми он связан.

IEEE не допустил той же ошибки со стандартом 802.11ac. Компании, производящие оборудование с поддержкой 802.11ac, не обязаны реализовывать формирование луча, но если они это делают, то только согласно установленной спецификации. Это гарантирует, что оборудование каждой компании будет совместимо. Если одно устройство (например, точка доступа) поддерживает формирование луча, а другое (например, Wi-Fi адаптер в ноутбуке) — нет, они все равно будут работать вместе. Только не будет использоваться технология Beamforming.

Формирование луча способствует более эффективному использованию полосы пропускания беспроводной сети и увеличивает радиус ее действия. Это, в свою очередь улучшает потоковую передачу видео, качество голоса и работу других приложений, чувствительных к пропускной способности, задержке и джиттеру.

Beamforming стал возможным благодаря передатчикам и приемникам, которые используют технологию MIMO (множественный вход, множественный выход): данные отправляются и принимаются с использованием нескольких антенн для увеличения пропускной способности и дальности. MIMO был впервые представлен стандартом 802.11n, и он остается важной функцией стандарта 802.11ac и 802.11ax. MIMO может работать по схеме 1×1, 2×2 и 3×3, последний означает поддержку 3-х пространственных потоков для передачи и приема

Технология TX Beamforming

Говоря простым языком, beamforming — это технология формирования направленного луча в сторону принимающего беспроводной сигнал устройства. Ее ещё называют TX Beamforming, то есть «концентрирование излучения».

Обычные антенны роутера ретранслируют вайфай с одинаковой амплитудой во все стороны, покрывая равномерную площадь вокруг. При этом более дорогие модели бывают оснащены сразу несколькими антеннами в одном частотном диапазоне. Их излучение накладывается друг на друга, благодаря чему увеличивается качество wifi.

Благодаря формированию луча beamforming можно дополнительно улучшить за счёт того, что он распространяется не равномерно вокруг себя, а как бы вытягивается в сторону подключенного к нему девайса.

Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий и других источников радио помех.

Но как быть, если с роутером в одно время работает несколько смартфонов, ноутбуков и других гаджетов? Здесь включается умный алгоритм Beamforming, который автоматически определяет, от каких из них ответ приходит быстрее, от каких медленнее, и в какую соответственно сторону нужно направить более мощный сигнал.

Главной сложностью при ее внедрении в устройства является особая настройка антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. Поэтому в недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является больше маркетинговым ходом, нежели действительно фактором, сильно повышающим стабильность приема в отдаленных участках помещения.

Если речь идёт о стандарте wifi 802.11n, то для достижения максимального эффекта нужно, чтобы и приемник, и передатчик работали по одной и той же технологии beamforming. Поэтому рекомендуется использовать оба устройства одной фирмы — роутер и wifi адаптер.

В более новом 802.11ac beanforming уже является составной частью стандарта, поэтому производитель значения не имеет.

Формирование луча на практике

Подведем итог — каким образом эти знания могут нам пригодиться на практике? Нужно ли обращать внимание на наличие технологии формирования направления излучения TX Beamforming в маршрутизаторе?

  1. Определяющего значения при выборе она не имеет и может быть лишь дополнительным плюсом
  2. Сильного прироста в стабильности wifi только лишь из-за beamforming ожидать не стоит. Это достигается за счёт сочетания многих факторов, одним из которых он может являться
  3. Для получения максимальной отдачи от наличия технологии формирования луча по wi-fi стандарта 802.11 N (это большинство недорогих роутеров, работающих на частоте 2.4 ГГц) необходимо, чтобы все устройства были одного производителя

Основы формирования луча

В очень упрощенных объяснениях формирование луча связано с фокусировкой сигнала Wi-Fi в определенном направлении.

Традиционно, когда ваш маршрутизатор/точка доступа передает сигнал Wi-Fi, он передает данные во всех направлениях. При формировании луча маршрутизатор определяет, где находится ваше устройство — ноутбук, смартфон, планшет или что-то еще — и проецирует более сильный сигнал в этом конкретном направлении.

Beamforming обещает быстрый, более сильный Wi-Fi-сигнал с большим диапазоном для каждого устройства. Вместо того, чтобы просто транслировать по всех направлениях, маршрутизатор/точка доступа пытается широковещать беспроводные данные, предназначенные для устройства, что является оптимальным для устройства.

Итак, конечный результат формирования луча — лучший сигнал Wi-Fi ваших устройств.

802.11ac vs 802.11n

Beamforming, своего рода был частью спецификации 802.11n. Но для этого требовалось, чтобы оба устройства — точка доступа (маршрутизатор) и клиент — поддерживали одинаковое формирование луча. Не было стандартного способа, и производители устройств производили свои собственные реализации. В результате технология никогда не использовалась, так как не было никакой гарантии, что любые устройства 802.11n были бы совместимы друг с другом, даже если у обоих был бы Beamforming.

Благодаря спецификации 802.11ac это было исправлено. Существует стандартный способ формирования диаграммы направленности, и любые устройства 802.11ac, которые поддерживают формирование диаграммы направленности, будут работать с другими, которые также это делают. По сути, устройства 802.11ac, такие как ваш маршрутизатор и ноутбук, могут взаимодействовать друг с другом и предоставлять информацию об их относительных позициях.

Типы формирования луча

Существует два типа Beamforming: неявный (implicit) и явный(explicit).

Explicit Beamforming — это когда и маршрутизатор, и клиент поддерживают Beamforming. Любое устройство 802.11ac wifi, поддерживающее Beamforming, будет иметь один и тот же стандарт, поэтому, если у вас есть два устройства 802.11ac Beamforming, гарантируется, что они будут хорошо работать вместе.

Наличие двух устройств, работающих вместе, даст вам самое сильное возможное соединение, и поэтому явный Beamforming намного эффективнее, чем неявный.

Следует отметить, что поддержка 802.11ac не означает, что устройство поддерживает Beamforming.

Явное формирование луча зависит от обратной связи с клиентом. Это позволяет точке доступа задавать свои параметры формирования луча с большей точностью, что, в свою очередь, позволяет использовать более направленный луч. Вместо того, чтобы звуковые кадры передавались от клиента к точке доступа, они отправляются с точки доступа клиенту. Клиент записывает, как он получил звуковые кадры и строит матрицу (описанную ниже). Затем эта матрица передается обратно в точку доступа. Благодаря ей точка доступа может точно рассчитать, как передавать данные.

С другой стороны, Implicit Beamforming позволяет более старым устройствам без технологии 802.11ac получать некоторые преимущества, принесенные Beamforming. Если ваша точка доступа имеет технологию Beamforming, но клиент нет, соединение всеравно будет немного улучшено.

При использовании неявного формирования луча точка доступа предполагает, что настройки, которые позволяют ей лучше всего слышать клиента, также являются настройками, которые позволяют клиенту лучше всего слышать точку. Это предположение обычно полезно, но не всегда полностью точно. Настройка для неявного формирования луча очень проста. Точка доступа просит клиента отправить предсказуемый набор звуковых кадров. Затем она прослушивает эти звуковые кадры, отмечая, когда и как они принимаются на каждой из своих антенн. Это позволяет точке доступа задуматься о шаблоне, который она должна использовать для передачи.

Явные матрицы формирования луча

Чтобы установить явную связь с лучом, точка доступа отправит клиенту ряд звуковых кадров, иногда называемых Null Data Packets (NDP). Точка доступа передает их от каждой из своих антенн по одному за определенное время. Заголовок NDP определит, с какой антенны он был отправлен. Явное устройство, соответствующее стандарту 802.11ac, совместимое с формированием диаграммы направленности, сможет записывать информацию о том, как он получает звуковой кадр на каждой из своих антенн индивидуально. Это дает нам отношение M к N по числу антенн в точке доступа и количеству антенн на клиенте. Клиент регистрирует две части данных для каждого отношения MN. Первая — это сила сигнала, измеренная его амплитудой (обозначается ниже А). Второй — это время, когда он получил сигнал. Различия в этих временах регистрируются в матрице (обозначенной ниже Т). Обратите внимание, что один кадр, отправленный с точки доступа, будет приниматься на каждой антенне клиента с несколько иной амплитудой и в несколько иное время. В результате получается матрица MN с парой записей в каждом элементе. Этот процесс повторяется для каждого канала, который будет использоваться, поскольку разные частоты могут распространяться несколько иначе в реальных сценариях. Теперь это образует трехмерную матрицу MNC, где C — количество каналов, которые мы хотим отобразить. Матрица изображена ниже.

Эта матрица известна как информация о состоянии канала Channel State Information (CSI). CSI сжимается и возвращается в точку доступа. Для калибровки явного формирования луча точка доступа должна выполнять инверсию матрицы в CSI. Как только это будет сделано, точка доступа будет применять параметры от инвертированной матрицы к антенной решетке. В результате антенны, которые были услышаны в последний раз, транслируются раньше, чем те, которые были услышаны первыми. Мы можем компенсировать небольшие амплитудные расхождения аналогичным образом.

Размер сжатого CSI может сильно варьироваться в зависимости от количества антенн и количества интересующих нас каналов. Большой CSI может быть более 20 КБ.

В чем разница между неявным и явным формированием луча?

Формирование луча может значительно повысить уровень сигнала устройств, которые фактически не поддерживают формирование луча, хотя и не так сильно, как это происходит на поддерживаемом устройстве.

Явное формирование диаграммы направленности означает, что луч формируется, только если устройство на другом конце поддерживает формирование луча (explicit Beamforming – eBF). В этом случае используются специальные калибровочные кадры от клиента. Поддержку eBF реализована в стандартах 802.11ac и ax.

Неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF) будет пытаться сформировать луч, даже если конечное устройство его не поддерживает. Это упрощенный вариант алгоритма eBF. Роутер оценивает канал связи на основании принятых данных от клиента. Точка доступа объявляет, на каких скоростях она может работать. Клиент в зависимости от параметров принятого сигнала отвечает, что он будет работать на такой-то скорости. Путем итераций точка доступа меняет скорость и фазовый сдвиг на антеннах, и смотрит, что ответит клиент. Если клиент повысил скорость, принимается решение что все хорошо. Так продолжается до тех пор, пока не будет установлена максимальная скорость со стороны клиента

Технология Beamforming это еще один метод для улучшения скорости беспроводной сети, и используя ее совместно с MIMO можно получить очень хорошие результаты.

Источники

  • https://crabo.ru/configuring-wi-fi/technology-mimo-2×2-mimo-technology-what-it-is-and-what-it-eats.html
  • https://habr.com/ru/post/150225/
  • https://xn--80akqjbsn3a.xn--p1ai/tehnologija-peredachi-dannyh-mimo-2×2
  • https://zen.yandex.ru/media/celnet/chem-otlichaetsia-mimo-2×2-ot-4×4-rasskazyvaet-radioinjener-5e36f155feb8b677a6d4efff
  • https://MediaPure.ru/setevye-ustrojstva/wi-fi-oborudovanie/router-802-11-as-kak-rabotaet-texnologiya-mimo/
  • https://www.sit-com.ru/what-is-beamforming.html
  • https://wifika.ru/tehnologiya-tx-beamforming-chto-eto-v-routere.html
  • https://lanmarket.ua/entsiklopediya/besprovodnye-tekhnologii/beamforming.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Переход на цифровое телевидение в России 2019
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: