Technologie Mu mimo. MIMO anténa - co to je a jaké jsou její výhody

Jedna z nejvýznamnějších a nejdůležitějších inovací Wi-Fi za posledních 20 let – více uživatelů – technologie MU-MIMO (Multiple Input Multiple Output). MU-MIMO rozšiřuje funkčnost nedávno vydané aktualizace na bezdrátový standard 802.11ac „Wave 2“. Samozřejmě se jedná o obrovský průlom pro bezdrátovou komunikaci. Tato technologie pomáhá zvýšit maximální teoretickou rychlost bezdrátového připojení z 3,47 Gbps v původní specifikaci 802.11ac na 6,93 Gbps v aktualizaci 802.11ac Wave 2 Jedná se o jednu z nejsofistikovanějších Wi-Fi funkcí, které jsou dnes k dispozici.

Pojďme zjistit, jak to funguje!

Technologie MU-MIMO zvyšuje laťku tím, že umožňuje více zařízením přijímat více datových toků. Je založen na technologii MIMO pro jednoho uživatele (SU-MIMO), která byla představena téměř před 10 lety se standardem 802.11n.

SU-MIMO zvyšuje rychlost připojení Wi-Fi tím, že umožňuje dvojici bezdrátových zařízení současně přijímat nebo odesílat více datových toků.

Obrázek 1. Technologie SU-MIMO poskytuje více vstupních a výstupních toků do jednoho zařízení současně. Technologie MU-MIMO umožňuje současnou komunikaci s více zařízeními.

Revoluci Wi-Fi znamenají v podstatě dvě technologie. První z těchto technologií, nazývaná beamforming, umožňuje Wi-Fi routerům a přístupovým bodům efektivněji využívat rádiové kanály. Před touto technologií fungovaly Wi-Fi routery a přístupové body jako žárovky a posílaly signály do všech směrů. Problém byl v tom Nezaostřený signál s omezeným výkonem má potíže s přístupem ke klientským zařízením Wi-Fi.

Pomocí technologie beamforming si Wi-Fi router nebo přístupový bod vyměňuje informace o své poloze s klientským zařízením. Router poté změní svou fázi a výkon, aby generoval lepší signál. Výsledek: rádiové signály jsou využívány efektivněji, přenos dat je rychlejší a maximální vzdálenost připojení se může zvýšit.

Možnosti tvarování paprsků se rozšiřují. Až dosud byly Wi-Fi routery nebo přístupové body ze své podstaty jednoúlohové, odesílaly nebo přijímaly data pouze z jednoho klientského zařízení najednou. Dřívější verze rodiny bezdrátových datových standardů 802.11, včetně standardu 802.11n a první verze standardu 802.11ac, měly schopnost současně přijímat nebo vysílat více datových toků, ale až dosud neexistovala žádná metoda, která by umožňovala Wi- Fi router nebo přístupový bod pro „komunikaci“ s několika klienty současně. Od této chvíle se s pomocí MU-MIMO taková příležitost objevila.

To je skutečně velký průlom, protože možnost současného přenosu dat na více klientských zařízení výrazně rozšiřuje dostupnou šířku pásma pro bezdrátové klienty. Technologie MU-MIMO vylepšuje bezdrátové sítě ze starých kolejí CSMA-SD, kdy bylo obsluhováno pouze jedno zařízení současně, do systému, kde může „mluvit“ několik zařízení současně. Aby byl příklad jasnější, představte si, že přejdete z jednoproudé venkovské silnice na širokou dálnici.

Dnes bezdrátové směrovače a přístupové body druhé generace standardu 802.11ac Wave 2 aktivně dobývají trh. Každý, kdo nasazuje Wi-Fi, rozumí specifikům fungování technologie MU-MIMO. Dáváme vám do pozornosti 13 faktů, které vám v tomto směru urychlí učení.

1. Používá pouze MU-MIMO"Downstream" stream (z přístupového bodu do mobilního zařízení).

Na rozdíl od SU-MIMO technologie MU-MIMO v současnosti funguje pouze pro přenos dat z přístupového bodu do mobilního zařízení. Pouze bezdrátové směrovače nebo přístupové body mohou přenášet data více uživatelům současně, a to buď jeden nebo více streamů pro každého z nich. Samotná bezdrátová zařízení (jako jsou chytré telefony, tablety nebo notebooky) se stále musí střídat v odesílání dat do bezdrátového směrovače nebo přístupového bodu, i když mohou jednotlivě používat SU-MIMO k přenosu více streamů, když na ně přijde řada.

Technologie MU-MIMO se bude hodit především v sítích, kde uživatelé stahují více dat než nahrávají.

Možná v budoucnu bude implementována verze technologie Wi-Fi: 802.11ax, kde bude metoda MU-MIMO použitelná i pro provoz „Upstream“.

2. MU-MIMO funguje pouze ve frekvenčním rozsahu 5 GHz Wi-Fi

Technologie SU-MIMO pracuje ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz i 5 GHz. Bezdrátové směrovače a přístupové body 802.11ac Wave 2 druhé generace mohou obsluhovat více uživatelů současně pomocí pouze stejného frekvenčního pásma 5 GHz. Na jednu stranu je samozřejmě škoda, že novou technologii nebudeme moci využít na užším a přetíženějším frekvenčním pásmu 2,4 GHz. Ale na druhou stranu se na trhu objevuje stále více dvoupásmových bezdrátových zařízení s podporou technologie MU-MIMO, které můžeme využít k nasazení výkonných firemních Wi-Fi sítí.

3. Technologie Beamforming pomáhá vést signály

V literatuře SSSR se můžete setkat s konceptem Phased Array Antenna, který byl vyvinut pro vojenské radary koncem 80. let. Podobná technologie byla použita v moderní Wi-Fi. MU-MIMO využívá technologii beamforming (známou v anglické technické literatuře jako „beamforming“). Beamfiorming umožňuje, aby signály byly směrovány ve směru zamýšleného umístění bezdrátového zařízení (nebo zařízení), spíše než aby je posílaly náhodně všemi směry. Tímto způsobem můžete zaměřit signál a výrazně zvýšit dosah a rychlost vašeho Wi-Fi připojení.

Ačkoli se technologie beamforming stala volitelně dostupnou se standardem 802.11n, většina výrobců přesto implementovala své vlastní verze této technologie. Tito prodejci stále nabízejí proprietární implementace této technologie ve svých zařízeních, ale nyní budou muset zahrnout alespoň zjednodušenou a standardizovanou verzi technologie beamforming, pokud chtějí ve své produktové řadě 802.11ac podporovat technologii MU-MIMO.

4. MU-MIMO podporuje omezený počet simultánních toků a zařízení

Směrovače nebo přístupové body s technologií MU-MIMO bohužel nemohou současně obsluhovat neomezený počet streamů a zařízení. Směrovač nebo přístupový bod má svůj vlastní limit na počet toků, které může obsluhovat (často 2, 3 nebo 4 toky), a tento počet prostorových toků také omezuje počet zařízení, která může přístupový bod obsluhovat současně. Přístupový bod s podporou čtyř toků tak může současně obsluhovat čtyři různá zařízení, nebo například nasměrovat jeden tok do jednoho zařízení a agregovat další tři toky do jiného zařízení (zvýšení rychlosti díky kombinování kanálů).​

5. Uživatelská zařízení nemusí mít více antén

Stejně jako u technologie SU-MIMO mohou agregovat streamy (rychlost) pouze bezdrátová zařízení s vestavěnou podporou MU-MIMO. Na rozdíl od SU-MIMO však bezdrátová zařízení nutně nepotřebují více antén pro příjem toků MU-MIMO z bezdrátových směrovačů a přístupových bodů. Pokud má vaše bezdrátové zařízení pouze jednu anténu, může přijímat pouze jeden datový tok MU-MIMO z přístupového bodu pomocí tvarování paprsku ke zlepšení příjmu.

Více antén umožní bezdrátovému uživatelskému zařízení přijímat více datových toků současně (obvykle jeden tok na anténu), což jistě zlepší výkon daného zařízení. Přítomnost více antén na uživatelském zařízení však negativně ovlivňuje spotřebu energie a velikost tohoto produktu, což je pro chytré telefony zásadní.

Technologie MU-MIMO však klade na klientská zařízení menší hardwarové požadavky než technicky zatěžující technologie SU-MIMO, takže lze s jistotou předpokládat, že výrobci budou mnohem ochotnější vybavovat své notebooky a tablety podporují technologii MU-MIMO.​

6. Přístupové body vykonávají těžkou práci

Ve snaze zjednodušit požadavky na koncová zařízení se vývojáři technologie MU-MIMO pokusili přesunout většinu práce se zpracováním signálu na přístupové body. Jedná se o další krok vpřed oproti technologii SU-MIMO, kde zátěž zpracování signálu z velké části dopadla na uživatelská zařízení. Opět to pomůže výrobcům klientských zařízení ušetřit na energii, velikosti a dalších nákladech při výrobě jejich produktových řešení s podporou MU-MIMO, což by mělo mít velmi pozitivní dopad na popularizaci této technologie.

7. I rozpočtová zařízení velmi těží ze současného přenosu prostřednictvím více prostorových toků

Stejně jako agregace linek v Ethernetu (802.3ad a LACP), ani agregace toku 802.1ac nezlepšuje rychlosti propojení point-to-point. Tito. pokud jste jediným uživatelem a máte spuštěnou pouze jednu aplikaci, použijete pouze 1 prostorové vlákno.

Je však možné zvýšit celkovou propustnost sítě tím, že poskytuje možnost obsluhovat několik uživatelských zařízení současně s přístupovým bodem.

Pokud však všechna uživatelská zařízení ve vaší síti podporují pouze jeden stream, pak MU-MIMO umožní vašemu přístupovému bodu obsluhovat až tři zařízení současně, namísto jednoho najednou, zatímco ostatní(pokročilejší) uživatelská zařízení budou muset počkat, až na ně přijde řada.

8. Některá uživatelská zařízení mají skrytou podporu technologie MU-MIMO

Přestože stále není mnoho směrovačů, přístupových bodů nebo mobilních zařízení, která podporují MU-MIMO, společnost zabývající se čipy Wi-Fi uvádí, že někteří výrobci vzali v úvahu hardwarové požadavky ve svém výrobním procesu, aby podpořili novou technologii pro některé její konce. -uživatelská zařízení před několika lety. Pro taková zařízení přidá relativně jednoduchá aktualizace softwaru podporu pro technologii MU-MIMO, což by mělo také urychlit popularizaci a přijetí této technologie, stejně jako povzbudit společnosti a organizace, aby upgradovaly své podnikové bezdrátové sítě zařízením, které podporuje standard 802.11ac. norma.

9. Výhodou jsou i zařízení bez podpory MU-MIMO

Ačkoli zařízení Wi-Fi musí mít podporu MU-MIMO, aby mohla používat tuto technologii, i ta klientská zařízení, která takovou podporu nemají, mohou nepřímo těžit z práce v bezdrátové síti, kde router nebo přístupové body podporují technologii MU-MIMO. Je třeba si uvědomit, že rychlost přenosu dat po síti přímo závisí na celkové době, během které jsou účastnická zařízení připojena k rádiovému kanálu. A pokud technologie MU-MIMO umožňuje obsluhovat některá zařízení rychleji, znamená to, že přístupové body v takové síti budou mít více času na obsluhu ostatních klientských zařízení.

10. MU-MIMO pomáhá zvýšit bezdrátovou propustnost

Když zvýšíte rychlost připojení Wi-Fi, zvýšíte také kapacitu bezdrátové sítě. Protože jsou zařízení obsluhována rychleji, má síť více vysílacího času pro obsluhu více klientských zařízení. Technologie MU-MIMO tak dokáže výrazně optimalizovat výkon bezdrátových sítí s velkým provozem nebo velkým počtem připojených zařízení, jako jsou veřejné Wi-Fi sítě. To je skvělá zpráva, protože počet chytrých telefonů a dalších mobilních zařízení s Wi-Fi konektivitou bude pravděpodobně nadále narůstat.

11. Podporována jakákoli šířka kanálu

Jedním ze způsobů, jak rozšířit kapacitu kanálu Wi-Fi, je sdružování kanálů, kdy jsou dva sousední kanály spojeny do jednoho kanálu, který je dvakrát širší, což efektivně zdvojnásobuje rychlost připojení Wi-Fi mezi zařízením a přístupovým bodem. Standard 802.11n poskytoval podporu pro kanály do 40 MHz, v původní specifikaci 802.11ac byla šířka podporovaného kanálu zvýšena na 80 MHz. Aktualizovaný standard 802.11ac Wave 2 podporuje 160 MHz kanály.

Obrázek 3. 802.11ac aktuálně podporuje kanály o šířce až 160 MHz ve frekvenčním rozsahu 5 GHz

Neměli bychom však zapomínat, že použití širších kanálů v bezdrátové síti zvyšuje pravděpodobnost rušení ve společných kanálech. Tento přístup proto nebude vždy správnou volbou pro nasazení všech Wi-Fi sítí bez výjimky. Jak však vidíme, technologii MU-MIMO lze použít pro kanály libovolné šířky.

I když vaše bezdrátová síť používá užší kanály 20 MHz nebo 40 MHz, technologie MU-MIMO jí může pomoci fungovat rychleji. Ale o kolik rychleji bude záviset na tom, kolik klientských zařízení bude potřeba obsluhovat a kolik vláken každé z těchto zařízení podporuje. Použití technologie MU-MIMO tedy i bez širokých přidružených kanálů může více než zdvojnásobit výstupní bezdrátovou propustnost pro každé zařízení.

12. Zpracování signálu zvyšuje bezpečnost

Zajímavým vedlejším efektem technologie MU-MIMO je, že router nebo přístupový bod data před odesláním vzduchem zašifruje. Je poměrně obtížné dekódovat data přenášená pomocí technologie MU-MIMO, protože není jasné, která část kódu je v kterém prostorovém toku. Ačkoli mohou být později vyvinuty speciální nástroje, které umožní jiným zařízením zachytit přenášený provoz, dnes technologie MU-MIMO účinně maskuje data z blízkých odposlouchávacích zařízení. Nová technologie tak pomáhá zlepšit zabezpečení Wi-Fi, což je důležité zejména pro otevřené bezdrátové sítě, jako jsou veřejné sítě Wi-Fi, a také přístupové body pracující v osobním režimu nebo využívající režim zjednodušeného ověřování uživatele (Pre-Shared Key ), PSK) založené na technologiích zabezpečení sítě Wi-Fi WPA nebo WPA2.

13. MU-MIMO je nejlepší pro stacionární zařízení Wi-Fi

MU-MIMO má také jednu výhradu: nefunguje dobře s rychle se pohybujícími zařízeními, protože proces vytváření paprsku se stává složitějším a méně účinným. Proto vám MU-MIMO neposkytne významný přínos pro zařízení, která se často pohybují ve vaší podnikové síti. Je však třeba si uvědomit, že tato „problémová“ zařízení by neměla žádným způsobem ovlivnit přenos dat MU-MIMO do jiných klientských zařízení, která jsou méně mobilní, ani jejich výkon.

Přihlaste se k odběru novinek

Stávající mobilní sítě se používají k více než pouhému volání a odesílání zpráv. Díky metodě digitálního přenosu je přenos dat možný i pomocí stávajících sítí. Tyto technologie jsou v závislosti na úrovni vývoje označovány jako 3G a 4G. Technologie 4G je podporována standardem LTE. Rychlost přenosu dat závisí na některých vlastnostech sítě (určených operátorem), teoreticky dosahuje až 2 Mb/s u 3G sítě a až 1 Gb/s u 4G sítě. Všechny tyto technologie fungují efektivněji, pokud existuje silný a stabilní signál. Pro tyto účely většina modemů umožňuje připojení externích antén.

Panelová anténa

V prodeji najdete různé možnosti antény pro zlepšení kvality příjmu. 3G panelová anténa je velmi oblíbená. Zisk takové antény je asi 12 dB ve frekvenčním rozsahu 1900-2200 MHz. Tento typ zařízení také dokáže zlepšit kvalitu signálu 2G – GPRS a EDGE.

Stejně jako naprostá většina ostatních pasivních zařízení má jednosměrnou směrovost, která spolu s nárůstem přijímaného signálu snižuje míru rušení ze stran a zezadu. I v podmínkách nestabilního příjmu je tedy možné zvýšit úroveň signálu na přijatelné hodnoty, čímž se zvýší rychlost příjmu a přenosu informací.

Aplikace panelových antén pro provoz v sítích 4G

Vzhledem k tomu, že provozní dosah sítí 4G se prakticky shoduje s dosahem předchozí generace, není použití těchto antén v sítích 3G 4G LTE žádné potíže. U kterékoli z technologií umožňuje použití antén přiblížit rychlost přenosu dat maximálním hodnotám.

Nová technologie využívající samostatné přijímače a vysílače ve stejném frekvenčním pásmu umožnila dále zvýšit rychlost příjmu a vysílání dat. Návrh stávajícího 4G modemu zahrnuje použití technologie MIMO.

Nespornou výhodou panelových antén je jejich nízká cena a mimořádná spolehlivost. V designu není prakticky nic, co by se mohlo rozbít i při pádu z velké výšky. Jediným slabým místem je vysokofrekvenční kabel, který se může zlomit v místě vstupu do pouzdra. Aby se prodloužila životnost zařízení, musí být kabel bezpečně upevněn.

Technologie MIMO

Pro zvýšení kapacity komunikačního kanálu mezi přijímačem a vysílačem dat byl vyvinut způsob zpracování signálu, kdy se příjem a vysílání provádí na různých anténách.

Věnovat pozornost! Použitím LTE MIMO antén můžete zvýšit propustnost o 20-30% ve srovnání s prací s jednoduchou anténou.

Základním principem je odstranění vazby mezi anténami.

Elektromagnetické vlny mohou mít různé směry vzhledem k rovině Země. Tomu se říká polarizace. Používají se hlavně vertikálně a horizontálně polarizované antény. Pro vyloučení vzájemného ovlivňování se antény od sebe liší polarizací o úhel 90 stupňů. Aby byl vliv zemského povrchu u obou antén stejný, jsou polarizační roviny každé posunuty o 45 stupňů. vzhledem k zemi. Pokud má tedy jedna z antén polarizační úhel 45 stupňů, pak druhá má podle toho 45 stupňů. Vzájemně je posunutí požadovaných 90 stupňů.

Obrázek jasně ukazuje, jak jsou antény rozmístěny vůči sobě navzájem a vůči zemi.

Důležité! Polarizace antén musí být stejná jako u základní stanice.

Pokud je pro 4G LTE technologie standardně dostupná podpora MIMO na základnové stanici, tak u 3G vzhledem k velkému počtu zařízení bez MIMO operátoři se zaváděním nových technologií nikam nespěchají. Faktem je, že zařízení budou v MIMO 3G síti pracovat mnohem pomaleji.

Instalace antén pro modem svépomocí

Pravidla pro instalaci antén se neliší od obvyklých. Hlavní podmínkou je absence překážek mezi klientem a základnovými stanicemi. Rostoucí strom, střecha nedaleké budovy nebo v horším případě elektrické vedení slouží jako spolehlivé štíty pro elektromagnetické vlny. A čím vyšší je frekvence signálu, tím větší bude útlum způsobený překážkami umístěnými v dráze rádiových vln.

V závislosti na typu upevnění mohou být antény instalovány na stěnu budovy nebo namontovány na stožár. Existují dva typy anténMIMO:

• monoblok;
• rozmístěny.

Monoblokové již obsahují dvě konstrukce uvnitř, instalované s potřebnou polarizací, a distanční se skládají ze dvou antén, které je potřeba namontovat samostatně, každá musí mířit přesně na základnovou stanici.

Všechny nuance instalace antény MIMO vlastníma rukama jsou jasně a podrobně popsány v doprovodné dokumentaci, ale je lepší nejprve konzultovat s poskytovatelem nebo pozvat zástupce k instalaci, zaplatit ne příliš velkou částku, ale získat jistá záruka za provedenou práci.

Jak vyrobit anténu sami

Při vlastní výrobě nejsou žádné zásadní potíže. Potřebujete dovednosti v práci s kovem, schopnost držet páječku, touhu a přesnost.

Nezbytnou podmínkou je přesné dodržení geometrických rozměrů všech součástí bez výjimky. Geometrické rozměry vysokofrekvenčních zařízení musí být dodrženy s přesností na milimetr nebo přesněji. Jakákoli odchylka vede ke zhoršení výkonu. Zisk klesne a vazba mezi MIMO anténami se zvýší. V konečném důsledku místo posílení signálu dojde k jeho oslabení.

Bohužel přesné geometrické rozměry nejsou běžně dostupné. Materiály dostupné v síti jsou výjimečně založeny na opakování některých továrních návrhů, které nejsou vždy zkopírovány s požadovanou přesností. Proto byste neměli vkládat velké naděje do diagramů, popisů a metod zveřejněných na internetu.

Na druhou stranu, pokud není vyžadován extrémně silný zisk, pak MIMO anténa vyrobená nezávisle, v souladu se stanovenými rozměry, bude stále poskytovat, i když ne velký, pozitivní efekt.

Náklady na materiály jsou nízké a čas potřebný, pokud máte dovednosti, také není příliš vysoký. Navíc vás nikdo neobtěžuje vyzkoušet několik možností a vybrat si tu přijatelnou na základě výsledků testu.

Abyste si mohli vyrobit anténu 4G LTE MIMO vlastníma rukama, potřebujete dva absolutně ploché plechy z pozinkované oceli o tloušťce 0,2-0,5 mm, nebo ještě lépe, jednostrannou fólii ze sklolaminátu. Jeden z plechů bude použit pro výrobu reflektoru (reflektoru) a druhý pro výrobu aktivních prvků. Kabel pro připojení k modemu musí mít odpor 50 Ohmů (to je standard pro modemové vybavení).

TV kabel nelze použít ze dvou důvodů:

• Odpor 75 Ohmů způsobí nesoulad se vstupy modemu;
• velká tloušťka.

Je také nutné vybrat konektory, které musí přesně odpovídat konektorům na modemu.

Důležité! Specifikovaná vzdálenost mezi aktivními prvky a reflektorem musí být měřena od vrstvy fólie, pokud je použit fóliový materiál.

Kromě toho budete potřebovat malý kousek měděného drátu o tloušťce 1-1,2 mm.

Vyrobená konstrukce musí být umístěna v plastovém pouzdře. Kov nelze použít, protože tímto způsobem bude anténa uzavřena v elektromagnetickém stínění a nebude fungovat.

Věnovat pozornost! Většina výkresů neodkazuje na MIMO antény, ale na panelové antény. Externě se liší tím, že jeden kabel je dodáván k jednoduché panelové anténě a dva jsou potřeba pro MIMO. Ohodnoťte tento článek:

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.

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 další 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 dvě další – 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 WLAN routery, protože požadavky na výpočetní výkon rostou.

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, zatímco 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.

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 bylo obtížné kombinovat 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.

Jedním z přístupů ke zvýšení datových rychlostí pro 802.11 WiFi a 802.16 WiMAX je použití bezdrátových systémů, které používají více antén pro vysílač i přijímač. Tento přístup se nazývá MIMO (doslovný překlad - „multiple input multiple output“) nebo „inteligentní anténní systémy“. Technologie MIMO hraje důležitou roli při implementaci standardu WiFi 802.11n.

Technologie MIMO využívá více antén různých typů naladěných na stejný kanál. Každá anténa vysílá signál s různými prostorovými charakteristikami. Technologie MIMO tedy využívá spektrum rádiových vln efektivněji a bez kompromisů ve spolehlivosti. Každý přijímač Wi-Fi „naslouchá“ všem signálům z každého vysílače Wi-Fi, což umožňuje, aby byly cesty přenosu dat rozmanitější. Tímto způsobem lze rekombinovat více cest, což vede k zesílení požadovaných signálů v bezdrátových sítích.

Další výhodou technologie MIMO je, že tato technologie poskytuje multiplexování s prostorovým dělením (SDM). SDM prostorově multiplexuje více nezávislých datových toků současně (většinou virtuální kanály) v rámci spektrální šířky jednoho kanálu. V podstatě více antén přenáší různé datové toky s individuálním kódováním signálu (prostorové toky). Tyto proudy, pohybující se paralelně vzduchem, „tlačí“ více dat podél daného kanálu. Na přijímači každá anténa vidí jinou kombinaci toků signálu a přijímač tyto toky „demultiplexuje“, aby je mohl použít. MIMO SDM může výrazně zvýšit datovou propustnost, pokud se zvýší počet toků prostorových dat. Každý prostorový tok vyžaduje vlastní vysílací/přijímací (TX/RX) anténní páry na každém vysílacím konci. Činnost systému je znázorněna na obr. 1

Je také nutné pochopit, že technologie MIMO vyžaduje samostatný RF obvod a analogově-digitální převodník (ADC) pro každou anténu. Implementace vyžadující více než dvě antény v řetězci musí být pečlivě navrženy, aby se zabránilo zvyšování nákladů při zachování vhodné úrovně účinnosti.

Důležitým nástrojem pro zvýšení fyzické rychlosti přenosu dat v bezdrátových sítích je rozšiřování šířky pásma spektrálních kanálů. Použitím širší šířky pásma kanálu s ortogonálním frekvenčně děleným multiplexováním (OFDM) je přenos dat prováděn s maximálním výkonem. OFDM je digitální modulace, která se osvědčila jako nástroj pro implementaci obousměrného vysokorychlostního bezdrátového přenosu dat v sítích WiMAX / WiFi. Metoda rozšíření kapacity kanálu je nákladově efektivní a poměrně snadno implementovatelná s mírným zvýšením digitálního zpracování signálu (DSP). Při správné implementaci je možné zdvojnásobit šířku pásma Wi-Fi 802.11 z kanálu 20 MHz na kanál 40 MHz a může poskytnout více než dvojnásobnou šířku pásma oproti aktuálně používaným kanálům. Díky kombinaci architektury MIMO s vyšší šířkou pásma kanálu je výsledkem velmi výkonný a nákladově efektivní přístup ke zvýšení fyzických přenosových rychlostí.

Technologie MIMO s 20 MHz kanály je drahá pro splnění požadavků IEEE 802.11n WiFi (propustnost 100 Mbps na MAC SAP). Ke splnění těchto požadavků při použití kanálu 20 MHz budete také potřebovat alespoň tři antény, a to jak na vysílači, tak na přijímači. Ale zároveň provoz na 20 MHz kanálu zajišťuje spolehlivý provoz s aplikacemi, které vyžadují vysokou propustnost v reálném uživatelském prostředí.

Kombinované použití technologií MIMO a rozšiřování kanálů splňuje všechny požadavky uživatelů a je poměrně spolehlivým tandemem. To platí také při současném používání několika síťových aplikací náročných na zdroje. Kombinace MIMO a rozšíření kanálu 40 MHz mu umožní splnit složitější požadavky, jako je Mooreův zákon a implementace pokročilé DSP technologie CMOS.

Při použití rozšířeného 40 MHz kanálu v pásmu 2,4 GHz byly zpočátku potíže s kompatibilitou se zařízeními založenými na standardech WiFi 802.11a/b/g a také se zařízeními využívajícími technologii Bluetooth pro přenos dat.

K vyřešení tohoto problému nabízí standard Wi-Fi 802.11n řadu řešení. Jedním z takových mechanismů speciálně navržených pro ochranu sítí je takzvaný redundantní režim s nízkou propustností (non-HT). Před použitím datového protokolu WiFi 802.11n tento mechanismus odešle jeden paket do každé poloviny 40 MHz kanálu, aby propagoval síťový distribuční vektor (NAV). Po režimu non-HT redundantních zpráv NAV lze protokol přenosu dat 802.11n používat po dobu uvedenou ve zprávě, aniž by došlo k porušení dědictví (integrity) sítě.

Dalším mechanismem je druh signalizace, který brání bezdrátovým sítím rozšířit kanál nad 40 MHz. Například notebook má nainstalované moduly 802.11n a Bluetooth, tento mechanismus ví o možnosti potenciálního rušení, když tyto dva moduly pracují současně, a zakáže přenos přes 40 MHz kanál jednoho z modulů.

Tyto mechanismy zajišťují, že WiFi 802.11n bude fungovat se staršími sítěmi 802.11 bez nutnosti migrace celé sítě na zařízení 802.11n.

Příklad použití systému MIMO můžete vidět na obr. 2

Pokud budete mít po přečtení nějaké dotazy, můžete je položit prostřednictvím formuláře pro zasílání zpráv v sekci