mimo technologie. Technologie MIMO: co to je a k čemu se používá?

Technologie MIMO sehrála obrovskou roli ve vývoji WiFi. Ještě před pár lety si nebylo možné představit jiná zařízení s propustností 300 Mbit/s a vyšší. Vznik nových vysokorychlostních komunikačních standardů, například 802.11n, byl z velké části způsoben MIMO.

Obecně je na místě zmínit, že když mluvíme o technologii WiFi, máme na mysli jeden z komunikačních standardů, konkrétně IEEE 802.11. WiFi se stalo značkou poté, co se objevily lákavé vyhlídky na využití bezdrátového přenosu dat. Můžete si přečíst něco více o technologii Wi-Fi a standardu 802.11 v.

Co je technologie MIMO?

Abychom uvedli co nejjednodušší definici MIMO je Multi-Stream Data Transmission. Zkratku lze z angličtiny přeložit jako „několik vstupů, více výstupů“ Na rozdíl od svého předchůdce (SingleInput/SingleOutput) je v zařízeních s podporou MIMO signál vysílán na jednom rádiovém kanálu pomocí ne jednoho, ale několika přijímačů a vysílačů. Při uvádění technických charakteristik WiFi zařízení je jejich číslo uvedeno vedle zkratky. Například 3x2 znamená 3 vysílače signálu a 2 přijímací antény.

Kromě, MIMO využívá prostorové multiplexování. Za děsivým názvem se skrývá technologie současného přenosu několika datových paketů jedním kanálem. Díky tomuto „zahuštění“ kanálu lze jeho propustnost zdvojnásobit i více.

MIMO a WiFi

S rostoucí oblibou bezdrátového přenosu dat přes WiFi připojení se samozřejmě zvýšily požadavky na jejich rychlost. A byla to technologie MIMO a další vývoj, který ji vzal za základ, který umožnil několikanásobné zvýšení propustnosti. Vývoj WiFi jde cestou vývoje standardů 802.11 - a, b, g, n a tak dále. Ne nadarmo jsme zmínili vznik standardu 802.11n. Vícenásobný vstup Vícenásobný výstup je jeho klíčovou součástí, která umožňuje zvýšit rychlost kanálu bezdrátového připojení od 54 Mbit/s do více než 300 Mbit/s.

Standard 802.11n umožňuje použít buď standardní šířku kanálu 20 MHz nebo širokopásmovou linku 40 MHz s vyšší propustností. Jak bylo uvedeno výše, signál se odráží mnohokrát, čímž se využívá více toků na jednom komunikačním kanálu.

Díky tomu nyní přístup k internetu na bázi WiFi umožňuje nejen surfování, kontrolu e-mailů a komunikaci v ICQ, ale také online hry, online video, komunikaci na Skype a další „hustý“ provoz.

Novější standard také využívá technologii MIMO.

Problémy s používáním MIMO ve WIFI

Na úsvitu technologie byly potíže s kombinováním zařízení, práce s podporou MIMO i bez ní. Nyní to však již není tak relevantní - téměř každý sebevědomý výrobce bezdrátového zařízení jej používá ve svých zařízeních.

Také jedním z problémů s nástupem technologie přenosu dat pomocí více přijímačů a více vysílačů byla cena zařízení. Nicméně zde společnost udělala skutečnou cenovou revoluci. Podařilo se jí nejen zavést výrobu bezdrátového zařízení s podporou MIMO, ale také za velmi přijatelné ceny. Podívejte se například na cenu typického firemního balíčku - (základnová stanice), (strana klienta). A v těchto zařízeních to není jen MIMO, ale proprietární vylepšené technologie airMax na jeho základě.

Jediným problémem, který zůstává, je nárůst počtu antén a vysílačů (aktuálně maximálně 3) pro zařízení s PoE. Energii energeticky náročnějšímu provedení je těžké poskytnout, ale opět Ubiquiti v tomto směru neustále postupuje.

Technologie AirMAX

Ubiquiti Networks je uznávaným lídrem ve vývoji a implementaci inovativních WiFi technologií, včetně MIMO. Právě na tomto základě Ubiquiti vyvinulo a patentovalo technologii AirMAX. Jeho podstatou je, že příjem a vysílání signálu více anténami na jednom kanálu je řazeno a strukturováno protokolem TDMA s hardwarovou akcelerací: datové pakety jsou rozděleny do samostatných časových slotů, přenosové fronty jsou koordinované.

To vám umožní rozšířit kapacitu kanálu a zvýšit počet připojených účastníků bez ztráty kvality komunikace. Toto řešení je efektivní, snadno použitelné a hlavně levné. Na rozdíl od podobných zařízení používaných ve WiMAX sítích je zařízení od Ubiquiti Networks s technologií AirMAX za příjemnou cenu.

Pro vyřešení problémů s úrovní příjmu internetu a mobilního signálu si můžete vyrobit vlastní anténu MIMO 4g LTE. Technologie MIMO umožňuje zvýšit propustnost a přenášet více dat, čímž se zvyšuje rychlost. Tohoto efektu je dosaženo použitím více zařízení pro příjem signálu. Ne nadarmo se název MIMO neboli Multiple Input Multiple Output překládá jako více vstupů, více výstupů. Pomocí této technologie je možné zajistit výrazné zvýšení rychlosti přenosu dat pro koncového uživatele.

Paralelizací proudu do několika kanálů na vstupu můžete posílat signál několika směry a všechna tato data také přijímat na výstupu. 2x, 3x a dokonce 8x zvětšení je dosaženo použitím specifických konfigurací a počtu 3G nebo 4G MIMO antén. Navíc je možné přenášet zakódované informace se zpožděním a obnovit data po přijetí. Abychom pochopili, jak taková zařízení fungují, uvažujme schematický diagram přenosu rádiového signálu.

Příjem a odesílání informací v bezdrátových komunikačních linkách

Rádiové vlny při pohybu v prostoru narážejí na různé překážky v podobě domů, stromů a dalších staveb. Překážky na cestě mohou vlnu odrážet nebo pohlcovat, nebo tak mohou učinit částečně. Někdy je signál rozdělen do několika částí. Charakter interakcí mezi vlnou a překážkami na cestě je ovlivněn materiálem povrchu, frekvencí signálu a mnoha dalšími faktory. Odraz během přenosu způsobuje časová zpoždění. Navíc díky všem těmto interakcím se ke koncovému uživateli dostane pouze část vln odeslaných z přijímače. Proto je jedním z hlavních problémů bezdrátových sítí vícecestné šíření signálu.

K vyřešení tohoto problému se používají následující technologie:

• Diverzita příjmu vám umožňuje přijímat signál z několika zařízení najednou, nikoli pouze z jednoho. Vlny nepřijímané jednou anténou jsou tedy přijímány druhou. Využívá se princip jednoho výstupu a více vstupů neboli SIMO (Single Input Multiple Output);
• Diverzitní přenos (Tx Diversity) je založen na skutečnosti, že signál je vysílán z několika antén a přijímán jednou, to znamená více výstupem a jedním vstupem, nebo MISO (Multiple Input Single Output), jako 3G panelová anténa;
• Prostorové multiplexování – rozdělení výstupního toku do několika komponent a příjem prostřednictvím několika zařízení, neboli MIMO. Anténa přijímá signál určený i pro jiná přijímací zařízení. Pomocí přenosové matice a všech přijatých informací je signál v maximální možné míře obnoven.

Pro určení maximální propustnosti - C se používá vzorec:

С= MB log2(1 + S/N), kde:

• C – kapacita kanálu;
• M – počet nezávislých datových toků;
• B – šířka kanálu;
• S/N – odstup signál/šum.

Pro 4G celulární komunikaci, konkrétně LTE MIMO, je možné použít 8X8, což umožňuje dosáhnout rychlosti až 300 Mbit/s. I ve značné vzdálenosti od stanice bude signál stabilní. Dnes je MIMO 2X2 běžnější. U 4G musí být počet kanálů vždy sudý.

Antény mohou být umístěny na stejném povrchu nebo mohou být umístěny vertikálně. Ve druhém případě je důležité přesně udržovat rozdíly ve stupních uvedených v diagramu.

MIMO anténa

Jaký je nejjednodušší způsob výroby antény? Uvažujme zařízení pro příjem signálu 4G LTE 800, které je založeno na anténě Kharchenko - in-phase pole diamantů. Tento design vynalezl K.P. Charčenko v šedesátých letech minulého roku. Hlavní výhodou tohoto zařízení je snadná montáž antény a všechny parametry lze vypočítat pomocí mnoha online kalkulátorů v síti. Vzhledem k neobvyklým obvodům je zřídka nutné zařízení konfigurovat. Pokud si potřebujete vyrobit zařízení pro zlepšení signálu 3g sami, můžete použít jednu anténu Kharchenko.

Technologie MIMO využívá sudý počet antén, budeme mít 2 DIY MIMO antény: Downlink - ze satelitu do přijímacího zařízení a pro odesílání - Uplink. Pokud se podíváte na průměrné ukazatele, můžete použít 2 antény na 802 a 843 MHz, připojení bude provedeno 50ohmovým koaxiálním kabelem.

Pro 802 MHz je délka v milimetrech:

• L1 – 93,5,
• L2 – 90,
• L3 – 250,
• L4 – 136,5,
• L5 – 4,8,
• H – 373,
• B – 373,
• D 45,5.

Pro 843 MHz je délka v milimetrech:

• L1 – 90,
• L2 – 96,
• L3 – 238,
• L4 – 129,5,
• L5 – 4,6,
• H – 373,
• B – 355,
• D 43.

Důležité! Počet toků je roven nebo menší než minimální počet antén na příjmu nebo výstupu. Při použití MIMO 4×4 můžete pracovat v rozsahu od 1 do 4 streamů, ale pokud se bavíme o MIMO 4×2, pak mohou být pouze 1 nebo 2 streamy.

K práci budete potřebovat:

• mříž nebo kus překližky potažený fólií nebo fóliovou páskou nebo pozinkovanou ocelí (používáme druhou možnost):
• drát o průřezu 4 mm2;
• kabel;
• dřevěná deska alespoň 1,90 m dlouhá;
• polypropylenové trubky;
• nylonové svorky;
• plechovka auto smaltu;
• F-konektor – 2 kusy;
• pigtail kabel F-CRC9 – 2 kusy;
• lepidlo Poxipol;
• vrtat;
• kleště;
• svinovací metr a pravítko.

Sekvenční řazení:

1. Vyrábíme rám ve tvaru písmene P. K tomu rozřízneme desku na tři části. Nejdelší deska (horní část písmene) by měla být 1 m 20 cm a každá strana by měla mít 35 cm. Všechny části rámu můžete řezat z různých desek.
2. Vyřízli jsme 2 kusy z plechu z pozinkované oceli o rozměrech 375x375 cm Upevníme základny pomocí hmoždinek na rámu přísně pod úhlem 45 stupňů;
3. Ve středu každé základny vyvrtáme otvory pro kabel, který půjde k modemu. Průměr otvorů je 7 mm. Vyrábíme značky pro připevnění antény;
4. Polypropylenovou trubku nařežeme na několik částí: 3 části - 44,5 mm a 3 - 42 mm. Tyto rozměry přímo souvisejí se středem drátu;

Poznámka! Pro stabilní a kvalitní příjem je důležité, aby na vysílací stanici byla podporována technologie prostorového multiplexování a pro 4G modem byla použita anténa.

1. Začněme montáží 802 MHz antény;
2. Podle nákresu položíme trubky na kusy pozinkovaných plechů a slepíme Poxypolem. Polypropylenové trubky a lepidlo jsou dielektrika, takže při kontaktu antény a těchto částí nedojde ke zkreslení signálu;
3. Nyní vyrobíme samotnou anténu z drátu podle rozměrů uvedených na výkresu. Ohyby provádíme pomocí kleští. V získaných parametrech je třeba odečíst 4 mm, z nichž 1 mm jde na chybu ve středu a 3 mm při ohýbání kleštěmi;
4. Dále odizolujeme kabel a centrální jádro, připájeme jej ke koncům drátu a opletení připájíme k ohybu;
5. Kabel protáhneme polypropylenovou trubkou do otvoru, který jsme předem vyvrtali;
6. Nyní zkontrolujeme všechny rozměry a případně anténu vyrovnáme;
7. Rohy diamantů fixujeme na polypropylenové držáky pomocí Poxypolu. Aby byl drát zajištěn, měl by být nahoře umístěn nějaký druh závaží;

1. Měříme vzdálenost mezi konci antény a ohybem drátu uprostřed konstrukce, měla by být 4,8-5 mm. Mezera mezi drátem a ohybem je 4,5 mm, je obtížné ji upravit, ale lze to provést nůžkami na nehty, které je umístíte doprostřed. Nyní připevníme střed antény lepidlem;
2. Sekvence pro sestavení DIY MIMO antény na 843 MHz je úplně stejná. Je důležité si uvědomit, že antény musí být umístěny pod úhlem 90 stupňů vůči sobě. X-polarizace má větší účinek než vertikální polarizace. Uspořádání antén tímto způsobem pro ně vytváří rovné podmínky;
3. Aby kabely neprocházely otvory, utáhneme je zezadu nylonovými svorkami a přilepíme;
4. Nyní provedeme kontrolní měření podle schématu a v případě potřeby provedeme úpravy;
5. Aby nedošlo k oxidaci, potřeme drát a pozinkované plechy smaltem nahoře;
6. Kabely připojíme přes F-konektory k pigtailu a teprve potom k modemu;
7. Testujeme systém. Vytvoření antény MIMO 4G s vlastními rukama je dokončeno.

Aby bylo možné odladit provoz zařízení, měla by být struktura správně umístěna. Obecná pravidla říkají, že je lepší vzít anténu ven a zvedat ji co nejvýše. Kromě toho musí být anténa nasměrována přesně k výdejní stanici. Tyto rady však ne vždy fungují. Čím výše je MIMO anténa zvednutá, tím více kabelu budete muset položit před vlastním připojením modemu, ale v tomto případě bude část signálu zrušena rušením způsobeným právě tímto kabelem. Venkovní instalace není pro zařízení vždy příznivá. Pokud lze oxidaci eliminovat nátěrem, pak nelze ignorovat, že geometrii konstrukce může narušit poryvy větru. Ve směru ke stanici se navíc mohou nacházet různé překážky, které budou signál tlumit.

Chcete-li odladit anténu, musíte někdy vyzkoušet několik možností instalace, ale pak bude toto zařízení fungovat v 3G 4G LTE.

Video

Multiuser MIMO je nedílnou součástí standardu 802.11ac. Doposud však neexistovala žádná zařízení, která by tento nový typ technologie více antén podporovala. Směrovače WLAN předchozí generace 802.11ac byly označeny jako zařízení Wave 1 Pouze s technologií Wave 2 je představena technologie Multi-User MIMO (MU-MIMO) a tato druhá vlna zařízení je vedena.

■ ano □ ne

Protože MIMO pro více uživatelů přenáší signál do více zařízení současně, je přenosový protokol odpovídajícím způsobem rozšířen, pokud jde o záhlaví datových bloků: namísto přenosu více prostorově oddělených toků pro jednoho klienta distribuuje MIMO pro více uživatelů přenos každému uživateli zvlášť, jako stejně jako kódování. Přidělení frekvenčního pásma a kódování zůstávají stejné.

Jeden uživatel Pokud čtyři zařízení sdílejí stejnou WLAN, router s konfigurací 4x4:4 MIMO přenáší čtyři toky prostorových dat, ale vždy pouze do stejného zařízení. Servis zařízení a gadgetů se provádí střídavě. Více uživatelů Díky podpoře víceuživatelského MIMO se netvoří fronty zařízení čekajících na přístup ke zdrojům routeru WLAN. Notebook, tablet, telefon a TV jsou poskytovány daty současně.

Síť WLAN je jako rušná dálnice: v závislosti na denní době jsou k tomuto provozu připojeny kromě počítačů a notebooků také tablety, smartphony, televizory a herní konzole. Průměrná domácnost má více než pět zařízení připojených k internetu přes WLAN a jejich počet neustále roste. S rychlostmi 11 Mb/s, které jsou poskytovány v rámci základního standardu IEEE 802.11b, vyžaduje surfování na webu a stahování dat hodně trpělivosti, protože router lze připojit vždy pouze k jednomu zařízení. Pokud rádiovou komunikaci využívají tři zařízení najednou, pak každý klient obdrží pouze třetinu doby trvání komunikační relace a dvě třetiny času stráví čekáním. Přestože WLAN využívající nejnovější standard IEEE 802.11ac poskytují rychlost přenosu dat až 1 Gb/s, trpí také zpomalením kvůli frontám. Ale příští generace zařízení (802.11ac Wave 2) slibuje vyšší výkon pro rádiové sítě s více aktivními zařízeními.

Abyste lépe porozuměli podstatě inovací, měli byste si nejprve připomenout, jaké změny nastaly u sítí WLAN v nedávné minulosti. Jednou z nejúčinnějších technik pro zvýšení rychlosti přenosu dat, počínaje standardem IEEE 802.1In, je technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Zahrnuje použití několika rádiových antén pro paralelní přenos datových toků. Pokud je například přes WLAN přenášen jeden videosoubor a je použit MIMO router se třemi anténami, každé vysílací zařízení bude v ideálním případě (se třemi anténami u přijímače) odesílat třetinu souboru.

Náklady se zvyšují s každou anténou

Ve standardu IEEE 802.11n dosahuje maximální rychlost přenosu dat pro každý jednotlivý tok společně s informacemi o službě 150 Mbit/s. Zařízení se čtyřmi anténami jsou tak schopna přenášet data rychlostí až 600 Mbit/s. Současný standard IEEE 802.11ac teoreticky dosahuje přibližně 6900 Mbps. Kromě širokých rádiových kanálů a vylepšené modulace umožňuje nový standard použití až osmi MIMO streamů.

Ale pouhé zvýšení počtu antén nezaručuje mnohonásobné zrychlení přenosu dat. Naopak se čtyřmi anténami se objem servisních dat velmi zvyšuje a proces detekce kolizí rádiového signálu se také prodražuje. Aby se použití více antén vyplatilo, technologie MIMO se neustále zlepšuje. Pro rozlišení je správnější nazývat staré MIMO jednouživatelské MIMO (Single User MIMO). Poskytuje sice současný přenos více prostorových toků, jak již bylo zmíněno dříve, ale vždy pouze na jednu adresu. Tato nevýhoda je nyní odstraněna pomocí MIMO pro více uživatelů. Pomocí této technologie mohou routery WLAN současně přenášet signál čtyřem klientům. Zařízení s osmi anténami by mohlo například používat čtyři k napájení notebooku a paralelně používat další dvě – tablet a smartphone.

MIMO – přesný směrový signál

Aby router předával WLAN pakety současně různým klientům, potřebuje informace o tom, kde se klienti nacházejí. K tomu se nejprve odesílají testovací pakety všemi směry. Klienti na tyto pakety reagují a základnová stanice ukládá data o síle signálu. Technologie Beamforming je jednou z nejdůležitějších pomůcek MU MIMO. Přestože je již podporován standardem IEEE 802.11n, byl vylepšen ve standardu IEEE 802.11ac. Jeho podstatou je stanovení optimálního směru vysílání rádiového signálu ke klientům. Základnová stanice specificky nastavuje optimální směrovost vysílací antény pro každý rádiový signál. Pro víceuživatelský režim je nalezení optimální signálové cesty obzvláště důležité, protože změna umístění pouze jednoho klienta může změnit všechny přenosové cesty a narušit propustnost celé WLAN sítě. Proto je kanál analyzován každých 10 ms.

Pro srovnání, MIMO pro jednoho uživatele analyzuje pouze každých 100 ms. Multi-user MIMO může obsluhovat čtyři klienty současně, přičemž každý klient přijímá až čtyři datové toky paralelně, celkem tedy 16 toků. Toto víceuživatelské MIMO vyžaduje nové směrovače WLAN, protože se zvyšuje potřeba výpočetního výkonu.

Jedním z největších problémů MIMO pro více uživatelů je interference mezi klienty. Ačkoli se často měří přetížení kanálu, není to dostatečné. V případě potřeby jsou některé rámce upřednostněny, jiné jsou naopak dodržovány. K tomu používá 802.11ac různé fronty, které zpracovávají různou rychlostí v závislosti na typu datového paketu, přičemž upřednostňují například video pakety.

Abychom lépe pochopili princip fungování MIMO antény, představme si následující situaci: základnová stanice (BS) operátora mobilní sítě a modem se staly dvěma geografickými body A a B, mezi nimi je položena určitá cesta. objekty, lidé pohybující se po této cestě představují informace, A - toto je vaše přijímací anténa, B je BS mobilního operátora. Lidé se přesouvají z jednoho místa na druhé pomocí vlaku, který má kapacitu 100 osob. Ale lidí, kteří se chtějí dostat z bodu B do bodu A, je mnohem více. Staví se proto druhá kolej a vyjíždí nový vlak, jehož kapacita je rovněž 100 osob. Produktivita a efektivita obou vlaků je tedy 2krát vyšší.

Nejnovější technologie MIMO funguje úplně stejně. (anglicky: Multiple Input Multiple Output), umožňuje přijímat více streamů současně. K tomuto účelu se používají různé polarizace signálu, například horizontální a vertikální - 2x2. Dříve, aby bylo možné přijímat více informací, tedy více streamů, bylo nutné zakoupit dvě jednoduché antény.

Dnes stačí pořídit pouze jednu MIMO anténu. Vylepšená MIMO anténa obsahuje v jednom pouzdře dvě sady vyzařovacích prvků, tzv. patche, z nichž každý je připojen do samostatné zásuvky. Druhá verze zařízení: existuje jedna sada patchů a napájení pro dva porty, což umožňuje patchi fungovat ve dvou směrech: horizontálním a vertikálním. V tomto případě je ke dvěma zásuvkám připojena jedna sada záplat. Je to druhá možnost (se dvěma kabelovými vstupy), kterou najdete v sortimentu naší společnosti.

Jak ale připojit 2 kabely vycházející z antény k jednomu modemu? Vše je velmi jednoduché. Tuto funkci dnes podporují nejen antény, ale i modemy. Existují modemy se 2 vstupy pro připojení externích antén, například rozšířený Huawei.

Výhody technologie MIMO

Mezi hlavní výhody patří možnost zlepšit propustnost bez rozšiřování šířky pásma. Zařízení tedy současně distribuuje několik toků informací přes jeden kanál.

Kvalita přenášeného signálu a rychlost přenosu dat jsou stále lepší. Protože technologie nejprve zakóduje data a poté je obnoví na přijímací straně.

Rychlost přenosu signálu se více než zdvojnásobí.

Díky použití dvou nezávislých kabelů, kterými jsou informace současně distribuovány a přijímány ve formě digitálního streamu, je zvýšeno i mnoho dalších rychlostních parametrů. Kvalita spektra u následujících systémů je vylepšena: 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, díky použití dvou vstupů a dvou výstupů.

Aplikace MIMO antén

Nejčastěji se technologie MIMO používá k přenosu dat přes protokol, jako je WiFi. To je způsobeno zvýšenou propustností a kapacitou. Vezměme si například protokol 802.11n, ve kterém lze pomocí popsané technologie dosáhnout rychlosti až 350 megabitů/s. Zlepšila se také kvalita přenosu dat, a to i v oblastech s nízkým příjmem signálu. Známý je příklad venkovního přístupového bodu s MIMO anténou.

Síť WiMAX, využívající MIMO, může nyní vysílat informace rychlostí až 40 megabitů/s.

Je použita technologie MIMO až 8x8. Díky tomu je dosaženo vysoké přenosové rychlosti – více než 35 Megabitů/sekundu. Navíc poskytuje spolehlivé a kvalitní spojení vynikající kvality.

Neustále se pracuje na zlepšování a zlepšování konfigurací technologií. To brzy zlepší výkon spektra, zlepší kapacitu sítě a zrychlí rychlost přenosu dat.

Mobilní data LTE odkazuje na generaci 4G . S jeho pomocí se rychlost a efektivita přenosu dat zvyšuje asi 10krát, ve srovnání s 3G síť. Často se však stává, že rychlost příjmu a vysílání, a to i nové generace, ponechává mnoho přání. To přímo závisí na kvalitě signálu přicházejícího ze základnové stanice. Chcete-li tento problém vyřešit, použijte externí antény.

svým designem, LTE antény mohou být: konvenční a MIMO ( dvojnásobek) . S konvenčním systémem můžete dosáhnout rychlosti až 50 Mbit/s. MIMO Tuto rychlost však může zdvojnásobit. To se provádí instalací dvou antén do jednoho systému (krabice), umístěných v krátké vzdálenosti od sebe. Současně přijímají a vysílají signál dvěma samostatnými kabely do přijímače. Díky tomu dochází k takovému zvýšení rychlosti.

MIMO (Vícenásobný vstup Vícenásobný výstup -více vstupů více výstupů) je technologie používaná v bezdrátových komunikačních systémech (WIFI, WI-MAX, celulární komunikační sítě), což umožňuje výrazně zlepšit spektrální účinnost systému, maximální rychlost přenosu dat a kapacitu sítě. Hlavním způsobem, jak dosáhnout výše uvedených výhod, je přenášet data ze zdroje do cíle prostřednictvím více rádiových spojení, což je místo, kde tato technologie získala své jméno.

Vlastnosti šíření rádiových vln

Vlny vysílané různými bezdrátovými rádiovými systémy v rozsahu nad 100 MHz se v mnoha ohledech chovají jako světelné paprsky. Když se rádiové vlny během šíření setkají s jakýmkoli povrchem, v závislosti na materiálu a velikosti překážky se část energie pohltí, část projde a zbytek se odrazí. Navíc odražená a procházející energie signálu může změnit směr svého dalšího šíření a samotný signál je rozdělen do několika vln. Každá z vln dopadajících na přijímač tvoří tzv. cestu šíření signálu. Navíc, vzhledem k tomu, že různé vlny se odrážejí od různého počtu překážek a cestují na různé vzdálenosti, mají různé cesty různý čas zpoždění .

Distribuce energie signálu při interakci s překážkou

V hustých městských podmínkách, kvůli velkému množství překážek, jako jsou budovy, stromy, auta atd., velmi často nastává situace, kdy mezi účastníky zařízení (SLEČNA)a antény základnové stanice (BTS) není přímá viditelnost. V tomto případě je jedinou možností, jak se signál dostat k přijímači, přes odražené vlny. Jak je však uvedeno výše, opakovaně odražený signál již nemá původní energii a může dorazit pozdě. Obzvláště obtížné je také to, že předměty nezůstávají vždy nehybné a situace se může v průběhu času výrazně změnit. To vyvolává problém multipathrozdělení signál - jeden z nejvýznamnějších problémů v bezdrátových komunikačních systémech.

Pro boj s vícecestným šířením signálů se používá Receive Diversity - diverzita příjem .

Jeho podstata spočívá v tom, že k příjmu signálu neslouží jedna, ale obvykle dvě antény umístěné ve vzájemné vzdálenosti. Příjemce tak nemá jednu, ale dvě kopie přenášeného signálu, které dorazily různými cestami. To umožňuje shromáždit více energie z původního signálu, protože vlny přijímané jednou anténou nemusí být přijímány druhou anténou a naopak. Toto uspořádání rádiového rozhraní lze nazvat Single Input Multiple Output (SIMO). Lze použít i obrácený přístup: když se několik antén používá pro vysílání a jedna pro příjem, toto schéma se nazývá Multiple Input Single Output (MISO).

V důsledku toho se dostáváme ke schématu MIMO (Multiple Input Multiple Output). V tomto případě je instalováno několik antén pro vysílání a příjem. Na rozdíl od výše uvedených schémat však toto schéma diverzity umožňuje nejen bojovat proti vícecestnému šíření signálu, ale také díky použití několika antén pro vysílání a příjem může být každý pár vysílacích/přijímacích antén spojen se samostatnou cestou pro přenos informací. . V důsledku toho je teoreticky možné zvýšit rychlost přenosu dat tolikrát, kolikrát se použijí další antény.

Jak MIMO funguje

Jak je uvedeno výše, pro organizaci technologie MIMO je nutné nainstalovat několik antén na vysílací a přijímací straně. Obvykle je na vstupu a výstupu systému instalován stejný počet antén, protože v tomto případě je dosaženo maximální rychlosti přenosu dat. Zobrazení počtu antén při příjmu a vysílání spolu s názvem technologie "MIMO"obvykle označované jako "AxB"kde A je počet antén na vstupu systému a B je na výstupu.

Technologie MIMO vyžaduje ve srovnání s konvenčními systémy určité změny ve struktuře vysílače. V první řadě je potřeba na vysílací straně dělič toku, který rozdělí data určená k přenosu do více nízkorychlostních dílčích toků, jejichž počet závisí na počtu antén. Například pro MIMO 2x2 a vstupní datovou rychlost 100 Mbit/s vytvoří dělič 2 toky po 50 Mbit/s. Dále musí být každý z těchto proudů vysílán prostřednictvím vlastní antény. V jednom z možných způsobů organizace MIMO technologie je signál přenášen z každé antény s jinou polarizací, což umožňuje jeho identifikaci při příjmu.

Na přijímací straně přijímá signál z rádiového vzduchu několik antén. Antény na přijímací straně jsou navíc instalovány s určitou prostorovou diverzitou, čímž je zajištěn diverzitní příjem. Přijímané signály přicházejí do přijímačů, jejichž počet odpovídá počtu antén a přenosových cest. Navíc každý z přijímačů přijímá signály ze všech antén systému. Každá z těchto sčítaček extrahuje z celkového toku energii signálu pouze cesty, za kterou je odpovědná. V závislosti na principu činnosti systému lze vysílaný signál po určité době opakovat, nebo s mírným zpožděním vysílat přes další antény.

Princip organizace rádiové komunikace diskutovaný výše se týká tzv. Single user MIMO (SU-MIMO), kde existuje pouze jeden vysílač a přijímač informací. V tomto případě může vysílač i přijímač pouze jasně koordinovat své akce. Toto schéma je vhodné například pro organizaci komunikace v domácí kanceláři mezi dvěma zařízeními. Většina systémů, jako jsou WI-FI, WIMAX, mobilní komunikační systémy jsou zase víceuživatelské, tzn. v nich je jediné centrum a několik vzdálených objektů, s každým z nich je nutné zorganizovat rádiové spojení. V tomto případě jsou vyřešeny dva problémy: na jedné straně základní stanice vysílá signál mnoha účastníkům prostřednictvím stejného anténního systému (MIMO vysílání) a současně přijímá signál přes stejné antény od několika účastníků (MIMO MAC – vícenásobné přístupové kanály).

Princip organizace technologie MIMO

Aplikace MIMO

V posledním desetiletí byla technologie MIMO jedním z nejdůležitějších způsobů, jak zvýšit propustnost a kapacitu bezdrátových komunikačních systémů. Podívejme se na některé příklady použití MIMO v různých komunikačních systémech.

Standard WiFi 802.11n je jedním z nejvýraznějších příkladů využití technologie MIMO. Podle ní umožňuje udržovat rychlost až 300 Mbit/s. Navíc předchozí standard 802.11g umožňoval pouze 50 Mbit/s. Kromě zvýšení rychlosti přenosu dat umožňuje nový standard díky MIMO také lepší kvalitu služeb v oblastech s nízkou silou signálu.

Standard WiMAX má také dvě verze, které uživatelům zavádějí nové možnosti využívající technologii MIMO. První - 802.16e - poskytuje služby mobilního širokopásmového přístupu. Umožňuje přenášet informace rychlostí až 40 Mbit/s ve směru od základnové stanice k účastnickému zařízení. MIMO v 802.16e se však považuje za možnost a používá se v nejjednodušší konfiguraci - 2x2. V příštím vydání je 802.16m MIMO považováno za povinnou technologii s možnou konfigurací 4x4. V tomto případě lze WiMAX již klasifikovat jako celulární komunikační systém, konkrétně jeho čtvrtou generaci (kvůli vysoké rychlosti přenosu dat). V případě mobilního použití lze teoreticky dosáhnout rychlosti 100 Mbit/s. V pevné verzi může rychlost dosáhnout 1 Gbit/s.

Největší zájem je o použití technologie MIMO v celulárních komunikačních systémech. Tato technologie se používá již od třetí generace mobilních komunikačních systémů. Například ve standardu UMTS v Rel. 6 se používá ve spojení s technologií HSPA podporující rychlosti až 20 Mbit/s a v Rel. 7 - s HSPA+, kde rychlosti přenosu dat dosahují 40 Mbit/s. MIMO však zatím nenašlo široké uplatnění v systémech 3G.

4G systémy, konkrétně LTE, také umožňují použití MIMO v konfiguracích až 8x8. To teoreticky umožňuje přenášet data ze základnové stanice k účastníkovi přes 300 Mbit/s. Dalším důležitým pozitivním bodem je stabilní kvalita spojení i na okraji buňky. V tomto případě bude i ve značné vzdálenosti od základnové stanice nebo při umístění ve vzdálené místnosti pozorován pouze mírný pokles rychlosti přenosu dat.

Technologie MIMO tak nachází uplatnění téměř ve všech systémech bezdrátového přenosu dat. Navíc jeho potenciál ještě není vyčerpán. Nové možnosti konfigurace antény jsou již vyvíjeny, až do 64x64 MIMO. To nám v budoucnu umožní dosáhnout ještě vyšších datových rychlostí, kapacity sítě a spektrální účinnosti.