MIMO - м ногоантенні технології в LTE

Опції MIMO (M ultiple Input – Multiple Output)

Застосування технологій MIMO (multiple input – multiple output) вирішує два завдання:

Збільшення якості зв'язку за рахунок просторового тимчасового/частотного кодування та (або) формування променів (beamforming),

Підвищення швидкості передачі під час застосування просторового мультиплексування.

Структура MIMO

У різних реалізаціях MIMO маю на увазі одночасна передача в одному фізичному каналі декількох незалежних повідомлень. З метою реалізації дії MIMO застосовують багатоантенні системи: на передавальній стороні є N tпередаючих антен, а на приймальній стороні N rприймальних. Ця структура наведена на рис. 1.

Рис. 1. MIMO структура

Що таке MIMO?

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) -метод просторового кодування сигналу, що дозволяє збільшити смугу пропускання каналу, при якому передача даних здійснюється за допомогою Nантен та їх прийому Мантенами. Передавальні та приймальні антени рознесені настільки, щоб досягти слабкої кореляції між сусідніми антенами.

Історія MIMO

Історія систем MIMO як об'єкта бездротового зв'язку поки що дуже тривала. Перший патент на використання MIMO-принципу в радіозв'язку був зареєстрований в 1984 від імені співробітника Bell Laboratories Джека Вінтерса (Jack Winters). Грунтуючись на його дослідженнях, Джек Селз (Jack Salz) з тієї ж компанії опублікував у 1985 році першу статтю з MIMO-рішень. Розвиток цього напряму продовжувався спеціалістами Bell Laboratories та іншими дослідниками аж до 1995 року. У 1996 році Грег Ралей (Greg Raleigh) та Джеральд Дж. Фошіні (Gerald J. Foschini) запропонували новий варіант реалізації MIMO-системи, збільшивши цим її ефективність. Згодом Грег Ралей, якому надають авторство OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing- Мультиплексування за допомогою ортогональних несучих) для MIMO, заснував компанію Airgo Networks, яка розробила перший MIMO-чіпсет під назвою True MIMO.

Однак, незважаючи на досить короткий проміжок часу з моменту своєї появи, MIMO-напрямок розвивається дуже багатопланово і включає різнорідне сімейство методів, які можна класифікувати за принципом поділу сигналів у приймальному пристрої. При цьому в MIMO-системах використовуються як підходи до поділу сигналів, що вже увійшли в практику, так і нові. До них відносяться, наприклад, просторово-часове, просторово-частотне, просторово-поляризаційне кодування, а також наддозвіл у напрямку приходу сигналу приймач. Завдяки великій кількості підходів до поділу сигналів вдалося забезпечити таку тривалу розробку стандартів на використання систем MIMO у засобах зв'язку. Проте всі різновиди MIMO спрямовані на досягнення однієї мети - збільшення пікової швидкості передачі даних в мережах зв'язку за рахунок покращення стійкості до перешкод.

Найпростіша антена MIMO – це система із двох несиметричних вібраторів (монополів), орієнтованих під кутом ±45° щодо вертикальної осі (рис.2).

Рис. 2 Найпростіша антена MIMO

Такий кут поляризації дозволяє каналам перебувати в рівних умовах, оскільки при горизонтально-вертикальній орієнтації випромінювачів одна з поляризаційних складових неминуче отримала б більше загасання при поширенні вздовж земної поверхні. Сигнали, що випромінюються незалежно кожним монополем, поляризовані взаємно ортогонально з досить високою взаємною розв'язкою по крос-поляризаційній складовій (не менше 20 дБ). Аналогічна антена використовується і на приймальній стороні. Такий підхід дозволяє одночасно передавати сигнали з однаковими несучими, модульованими по-різному. Принцип поляризаційного поділу забезпечує подвоєння пропускної спроможності лінії радіозв'язку в порівнянні з випадком одиночного монополя (в ідеальних умовах прямої видимості при ідентичній орієнтації приймальних та передаючих антен). Таким чином, насправді будь-яку систему з подвійною поляризацією можна вважати системою MIMO.

Подальша еволюція MIMO

До того моменту, коли технологія MIMO була специфікована в релізі 7, йшло активне поширення у світі стандарту. Були спроби поєднати мережі третього покоління з технологією MIMO, але широкого поширення не набули. За даними Глобальної Асоціації Постачальників Мобільного Обладнання ( Global mobile Suppliers Association, GSA) від 04.11.2010 на той момент із 2776 типів пристроїв з підтримкою HSPA, представлених на ринку, лише 28 моделей підтримують MIMO. До того ж використання MIMO мережі з низьким проникненням MIMO-терміналів призводить до зниження пропускної спроможності мережі. Компанія Nokia розробила технологію для мінімізації втрат пропускної спроможності, але вона показала б свою ефективність тільки в тому випадку, коли проникнення MIMO-терміналів становило б щонайменше 40% абонентських пристроїв. Додаючи до вище сказаного, варто нагадати, що 14 грудня 2009 року відбувся запуск першої у світі мобільної мережі на базі технології LTE, яка дозволяла досягти набагато більш високих швидкостей. Тому видно, що оператори були спрямовані на якнайшвидше розгортання мереж LTE, ніж на модернізацію мереж третього покоління.

На сьогоднішній день можна відзначити бурхливе зростання обсягу трафіку в мережах рухомого зв'язку 4 покоління, і щоб забезпечити необхідну швидкість усім своїм абонентам, операторам доводиться шукати різні методи підвищення швидкості передачі даних або підвищення ефективності використання частотного ресурсу. MIMO дозволяє в наявній смузі частот передавати майже в 2 рази більше даних за той же часовий проміжок при варіанті 2х2. Якщо використовувати антенну реалізацію 4х4, то, на жаль, максимальна швидкість завантаження інформації складе 326 Мбіт/с, а чи не 400 Мбіт/с, як передбачає теоретичний розрахунок. Це з особливістю передачі через 4 антени. Кожній антені виділено певні ресурсні елементи (РЕ) передачі опорних символів. Вони необхідні для організації когерентної демодуляції та оцінки каналів. Розташування цих РЕ зображено на рис. 3. Передавальним антенам надають номери логічних антенних портів. Символи, позначені R0, передає порт 0, символи R1 – порт 1 і т.д. У результаті 14,3% від усіх РЕ виділено на передачу опорних знаків, чим і зумовлено відмінність теоретичної та практичних швидкостей.

Одне з найважливіших і найважливіших нововведень Wi-Fi за минулі 20 років – технологія Multi User – Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). MU-MIMO розширює функціональність оновлення бездротового стандарту 802.11ac «Wave 2», що з'явилося недавно. Безперечно, це величезний прорив для бездротового зв'язку. Дана технологія допомагає збільшити максимальну теоретичну швидкість бездротового з'єднання від 3,47 Гбіт/с в оригінальній специфікації стандарту 802.11ac до 6,93 Гбіт/с в оновленні стандарту 802.11ac Wave 2. Це одна з найскладніших функцій Wi-Fi на сьогоднішній день.

Давайте розберемося як це працює!

Технологія MU-MIMO підвищує планку за рахунок дозволу кільком пристроям приймати кілька потоків даних.Вона базується на однокористувацькій технології MIMO (SU-MIMO), яка була представлена ​​майже 10 років тому зі стандартом 802.11n.

SU-MIMO збільшує швидкість Wi-Fi-з'єднання, дозволяючи парі бездротових пристроїв одночасно приймати або надсилати кілька потоків даних.

Рисунок 1. Технологія SU-MIMO надає багатоканальні вхідні та вихідні потоки одному пристрої одночасно. Технологія MU-MIMO забезпечує одночасний зв'язок із декількома пристроями.

Насправді, революційні зміни для Wi-Fi забезпечують дві технології. Перша з цих технологій, звана beamforming, дозволяє Wi-Fi-маршрутизаторам і точкам доступу ефективніше використовувати радіоканали. До появи цієї технології Wi-Fi-маршрутизатори та точки доступу працювали як електричні лампочки, надсилаючи сигнал у всіх напрямках. Проблема полягала в тому, щоНефокусований сигнал обмеженої потужності важко дістатися до клієнтських Wi-Fi-пристроїв.

За допомогою технології beamforming Wi-Fi-маршрутизатор або точка доступу обмінюється з клієнтським пристроєм інформацією про місцезнаходження. Потім маршрутизатор змінює свою фазу і потужність формування кращого сигналу. Як результат: більш ефективно використовуються радіосигнали, прискорюється передача даних та, можливо, збільшується максимальна дистанція з'єднання.

Можливості beamforming розширюються. Досі Wi-Fi-маршрутизатори або точки доступу були по своїй суті однозадачними, надсилаючи або приймаючи дані тільки від одного клієнтського пристрою одночасно. У попередніх версіях сімейства стандартів бездротової передачі даних 802.11, включаючи стандарт 802.11n і першу версію стандарту 802.11ac, існувала можливість одночасного прийому або передачі декількох потоків даних, але досі не існувало методу, що дозволяє Wi-Fi-маршрутизатору або точці доступу в один і той самий час «спілкуватися» відразу з кількома клієнтами. Відтепер за допомогою MU-MIMO така можливість з'явилася.

Це дійсно великий прорив, оскільки можливість одночасної передачі даних одразу кільком клієнтським пристроям значно розширює доступну смугу пропускання для бездротових клієнтів. Технологія MU-MIMO просуває бездротові мережі від старого способу CSMA-SD, коли в один і той же час обслуговувалося тільки один пристрій, до системи, де відразу кілька пристроїв можуть одночасно говорити. Для більшої наочності прикладу, уявіть собі перехід від односмугової путівки до широкої автомагістралі

Сьогодні бездротові маршрутизатори та точки доступу другого покоління стандарту 802.11ac Wave 2 активно завойовують ринок. Кожен, хто розгортає Wi-Fi, розуміти специфіку роботи технології MU-MIMO. Пропонуємо до вашої уваги 13 фактів, які прискорять ваше навчання у цьому напрямку.

1. MU-MIMO використовує лише"Downstream" потік (від точки доступу до мобільного пристрою).

На відміну від SU-MIMO, технологія MU-MIMO в даний час працює лише дляпередачі даних від точки доступу до мобільного пристрою. Тільки бездротові маршрутизатори або точки доступу можуть одночасно передавати дані декільком користувачам, будь то один або кілька потоків для кожного з них. Самі ж бездротові пристрої (такі, як смартфони, планшети або ноутбуки), як і раніше, повинні по черзі спрямовувати дані до бездротового маршрутизатора або точки доступу, хоча при цьому при настанні їх черги вони окремо можуть використовувати технологію SU-MIMO для передачі кількох потоків.

Технологія MU-MIMO буде особливо корисною у тих мережах, де користувачі більше завантажують дані, ніж завантажують.

Можливо, у майбутньому буде реалізовано версію технології Wi-Fi: 802.11ax, де метод MU-MIMO буде застосовано і для «Upstream» трафіку.

2. MU-MIMO працює лише у Wi-Fi-діапазоні частот 5 ГГц

Технологія SU-MIMO працює як у діапазоні частот 2,4 ГГц, і 5 ГГц. Бездротові роутери та точки доступу другого покоління стандарту 802.11ac Wave 2 можуть одночасно обслуговувати декілька користувачів лише на смузі частот 5 ГГц. З одного боку, звичайно, шкода, що на вужчій і перевантаженій смузі частот 2,4 ГГц ми не зможемо використовувати нову технологію. Але, з іншого боку, на ринку з'являється дедалі більше дводіапазонних бездротових пристроїв, що підтримують технологію MU-MIMO, які ми можемо використовувати для розгортання продуктивних корпоративних Wi-Fi-мереж.

3. Технологія Beamforming допомагає надсилати сигнали

У літературі СРСР можна зустріти поняття Фазована Антена Решітка, яка була розроблена для військових радарів наприкінці 80-х. Аналогічна технологія була застосована у сучасному Wi-Fi. MU-MIMO використовує технологію формування спрямованого сигналу (в англомовній технічній літературі відомої як beamforming). Beamfiorming дозволяє спрямовувати сигнали в напрямку передбачуваного розташування бездротового пристрою (або пристроїв), а не надсилати їх випадковим чином у всіх напрямках. Таким чином виходить сфокусувати сигнал і суттєво збільшити дальність дії та швидкість роботи Wi-Fi-з'єднання.

Хоча технологія beamforming стала опціонально доступною ще зі стандартом 802.11n, проте більшість виробників реалізовували свої пропрієтарні версії цієї технології. Ці вендори і зараз пропонують пропрієтарні реалізації технології у своїх пристроях, але тепер їм доведеться включити хоча б спрощену та стандартизовану версію технології формування направленого сигналу, якщо вони хочуть підтримувати технологію MU-MIMO у своїй продуктовій лінійці стандарту 802.11ac.

4. MU-MIMO підтримує обмежену кількість одночасних потоків та пристроїв

На превеликий жаль, маршрутизатори або точки доступу з реалізованою технологією MU-MIMO не можуть одночасно обслуговувати необмежену кількість потоків та пристроїв. Маршрутизатор або точка доступу мають власне обмеження на кількість потоків, які вони обслуговують (часто це 2, 3 або 4 потоки), і кількість просторових потоків також обмежує кількість пристроїв, які точка доступу може одночасно обслужити. Так, точка доступу з підтримкою чотирьох потоків може одночасно обслуговувати чотири різні пристрої, або, наприклад, один потік направити до одного пристрою, а три інших потоки агрегувати на інший пристрій (збільшивши швидкість від об'єднання каналів).

5. Від користувальницьких пристроїв не вимагається наявність кількох антен

Як і у випадку з SU-MIMO, лише бездротові пристрої з вбудованою підтримкою MU-MIMO можуть агрегувати потоки (швидкість). Але, на відміну від ситуації з технологією SU-MIMO, бездротовим пристроям не обов'язково потрібно мати кілька антен, щоб приймати MU-MIMO потоки від бездротових маршрутизаторів і точок доступу. Якщо бездротовий пристрій оснащений лише однією антеною, він може прийнятиТільки один MU-MIMO-потік даних від точки доступу, використовуючи beamforming для поліпшення прийому.

Більша кількість антен дозволить бездротовому власному пристрої приймати більшу кількість потоків даних одночасно (зазвичай з розрахунку один потік на одну антену), що, безумовно, позитивно позначиться на продуктивності цього пристрою. Однак, наявність кількох антен у користувача пристрою негативно позначається на споживаній потужності та розмірі цього виробу, що критично для смартфонів.

Однак технологія MU-MIMO пред'являє менші апаратні вимоги до клієнтських пристроїв, ніж обтяжлива в технічному плані технологія SU-MIMO, то можна з упевненістю припустити, що виробники набагато охочіше оснащуватимуть своїноутбуки та планшети підтримкою технології MU-MIMO.

6. Точки доступу виконують «важку» обробку

Прагнучи спрощення вимог до пристроїв кінцевих користувачів, розробники технології MU-MIMO постаралися перекласти на точки доступу більшу частину роботи з обробки сигналу. Це ще один крок уперед у порівнянні з технологією SU-MIMO, де тягар з обробки сигналу здебільшого лежав на пристроях. І знову ж таки, це допоможе виробникам клієнтських пристроїв економити на потужності, розмірі та інших витратах при виробництві своїх продуктових рішень з підтримкою MU-MIMO, що має дуже позитивно позначитися на популяризації цієї технології.

7. Навіть бюджетні пристрої отримують відчутну вигоду від одночасної передачі через кілька просторових потік

Подібно до агрегації каналів у мережі Ethernet (802.3ad і LACP), об'єднання потоків 802.1ac не збільшує швидкість з'єднання «точка-точка». Тобто. якщо ви єдиний користувач і у Вас запущена лише одна програма - ви задіяєте лише 1 просторовий потік.

Однак є можливість збільшитизагальну пропускну спроможність мережі за рахунок надання можливості з обслуговування точкою доступу декількох пристроїв одночасно.

Але якщо всі використовувані у вашій мережі пристрої підтримують роботу тільки з одним потоком, то MU-MIMO дозволить вашій точці доступу обслуговувати одночасно до трьох пристроїв, замість одного за раз, у той час як іншим(просунутішим) користувальницьким пристроям доведеться чекати своєї черги.

Малюнок 2.

8. Деякі пристрої користувача мають приховану підтримку технології MU-MIMO

Незважаючи на те, що в даний час все ще не так багато маршрутизаторів, точок доступу або мобільних пристроїв підтримують MU-MIMO, у компанії-виробнику Wi-Fi-чіпів стверджують, що частина виробників у своєму виробничому процесі врахувала апаратні вимоги для підтримки нової технології для деяких пристроїв для кінцевих користувачів ще кілька років тому. Для таких пристроїв відносно просте оновлення програмного забезпечення додасть підтримку технології MU-MIMO, що також має прискорити популяризацію та розповсюдження технології, а також стимулювати компанії та організації модернізувати свої корпоративні бездротові мережі за допомогою обладнання з підтримкою стандарту 802.11ac.

9. Пристрої без підтримки MU-MIMO також опиняються у виграші

Незважаючи на те, що Wi-Fi-пристрої обов'язково повинні мати підтримку MU-MIMO для того, щоб використовувати цю технологію, навіть ті клієнтські пристрої, які такою підтримкою не мають, можуть отримати непряму вигоду від роботи в бездротовій мережі, де маршрутизатор або Точки доступу підтримують технологію MU-MIMO. Слід пам'ятати, що швидкість передачі даних мережі безпосередньо залежить від загального часу, протягом якого абонентські пристрої підключені до радіоканалу. І якщо технологія MU-MIMO дозволить обслуговувати частину пристроїв швидше, це означає, що у точок доступу в такій мережі залишиться більше часу на обслуговування інших клієнтських пристроїв.

10. MU-MIMO допомагає збільшити пропускну спроможність бездротової мережі

Коли ви збільшуєте швидкість Wi-Fi-з'єднання, ви також збільшуєте пропускну здатність бездротової мережі. Так як пристрої обслуговуються швидше, то у мережі з'являється більше ефірного часу обслуговування більшої кількості клієнтських пристроїв. Таким чином, технологія MU-MIMO може значно оптимізувати роботу бездротових мереж з інтенсивним трафіком або великою кількістю підключених пристроїв, як-от громадські Wi-Fi-мережі. Це чудова новина, оскільки кількість смартфонів та інших мобільних пристроїв із можливістю підключення до Wi-Fi-мережі, швидше за все, продовжить збільшуватися.

11. Підтримується будь-яка ширина каналу

Одним із способів розширення пропускної здатності Wi-Fi-каналу є зв'язування каналів, коли об'єднуються два сусідні канали в один канал, який вдвічі ширший, що фактично подвоює швидкість Wi-Fi-з'єднання між пристроєм і точкою доступу. Стандарт 802.11n передбачав підтримку каналів шириною до 40 МГц, в оригінальній специфікації стандарту 802.11ac ширина каналу, що підтримується, була збільшена до 80 МГц. В оновленому стандарті 802.11ac Wave 2 підтримуються канали шириною 160 МГц.

Рисунок 3. На сьогоднішній день стандарт 802.11ac підтримує канали шириною до 160 МГц у діапазоні частот 5 ГГц

Однак, не слід забувати, що використання бездротової мережі каналів більшої ширини збільшує ймовірність виникнення перешкод у суміщених каналах. Тому такий підхід не завжди буде правильним вибором для розгортання всіх без винятку Wi-Fi-мереж. Тим не менш, технологія MU-MIMO, як ми можемо переконатися, може бути використана для каналів будь-якої ширини.

Проте навіть якщо ваша бездротова мережа використовує більш вузькі канали шириною 20 МГц або 40 МГц, технологія MU-MIMO все одно може допомогти їй працювати швидше. А ось наскільки швидше, залежатиме від того, скільки необхідно буде обслуговувати клієнтських пристроїв і скільки потоків кожен із цих пристроїв підтримує. Таким чином, використання технології MU-MIMO навіть без широких зв'язаних каналів може більш ніж удвічі збільшити пропускну здатність бездротового вихідного з'єднання для кожного пристрою.

12. Обробка сигналів підвищує безпеку

Цікавим побічним ефектом технології MU-MIMO є те, що маршрутизатор або точка доступу шифрує дані перед відправкою через радіоканали.Досить важко декодувати дані, що передаються з використанням технології MU-MIMO, тому що не зрозуміло, яка частина коду в якому просторовому потоці знаходиться. Хоча згодом можуть бути розроблені спеціальні інструменти, що дозволяють іншим пристроям перехоплювати трафік, що передається, на сьогоднішній день технологія MU-MIMO ефективно маскує дані від розташованих поблизу пристроїв прослуховування. Таким чином, нова технологія допомагає підвищити безпеку Wi-Fi, що особливо актуально для відкритих бездротових мереж, таких як громадські Wi-Fi-мережі, а також точок доступу, що працюють в персональному режимі або використовують спрощений режим аутентифікації користувачів (Pre-Shared Key , PSK) на базі технологій захисту Wi-Fi-мережі WPA або WPA2.

13. MU-MIMO найкраще підходить для нерухомих Wi-Fi-пристроїв

Також існує одна застереження про технологію MU-MIMO: вона не дуже добре працює з пристроями, що швидко рухаються, так як процес формування спрямованого сигналу за технологією beamforming стає більш складним і менш ефективним. Тому MU-MIMO не зможе забезпечити вам помітну користь для пристроїв, які часто використовують роумінг у вашій корпоративній мережі. Однак слід розуміти, що ці «проблемні» пристрої ніяк не повинні вплинути ні на MU-MIMO-передачу даних іншим клієнтським пристроям, які менш рухливі, ні на їхню продуктивність.

Підписка на новини

27.08.2015

Напевно, багато хто вже чув про технологію MIMO, Останніми роками її часто рясніють рекламні проспекти і плакати, особливо у комп'ютерних магазинах і журналах. Але що ж таке MIMO (МІМО) і з чим її їдять? Давайте розберемося докладніше.

Технологія MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output; множинні входи, множинні виходи) - метод просторового кодування сигналу, що дозволяє збільшити смугу пропускання каналу, при якому для передачі даних використовуються дві і більше антени і така кількість антен для прийому. Передавальні та приймальні антени рознесені настільки, щоб досягти мінімального взаємного впливу між собою на сусідні антени. Технологія MIMO використовується у бездротових зв'язках Wi-Fi, WiMAX, LTE для збільшення пропускної спроможності та більш ефективного використання частотної смуги. Фактично MIMO дозволяє одному частотному діапазоні і заданому частотному коридорі передавати більше даних, тобто. збільшити швидкість. Досягається це рахунок використання кількох передавальних і приймаючих антен.

Історія MIMO

Технологію MIMO можна віднести до досить молодих розробок. Її історія починається 1984 року, коли було зареєстровано перший патент використання цієї технології. Початкові розробки та дослідження проходили в компанії Bell Laboratories, а 1996 року компанія Airgo Networksбув випущений перший MIMO-чіпсет під назвою True MIMO. Найбільшого розвитку технологія MIMO отримала на початку XXI століття, коли бурхливими темпами почали розвиватися бездротові мережі Wi-Fi та стільникові мережі 3G. А зараз технологія MIMO використовується в мережах 4G LTE і Wi-Fi 802.11b/g/ac.

Що надає технологія MIMO?

Для кінцевого користувача MIMO дає значний приріст швидкості передачі даних. Залежно від конфігурації обладнання та кількості використовуваних антен можна отримати двократний, трикратний і до восьмикратного збільшення швидкості. Зазвичай у бездротових мережах використовується однакова кількість передавальних та приймаючих антен, і записується це як, наприклад, 2х2 або 3х3. Тобто. якщо бачимо запис MIMO 2x2, то дві антени передають сигнал і дві приймають. Наприклад, у стандарті Wi-Fi один канал шириною 20 МГц дає пропускну здатність 866 Мбіт/с, тоді як у конфігурації MIMO 8x8 поєднуються 8 каналів, що дає максимальну швидкість близько 7 Гбіт/с. Аналогічно і в LTE MIMO – потенційне зростання швидкості у кілька разів. Для повноцінного використання MIMO у мережах LTE необхідні , т.к. як правило, вбудовані антени недостатньо рознесені і дають малий ефект. І звичайно, має бути підтримка MIMO з боку базової станції.

LTE-антена з підтримкою MIMO передає та приймає сигнал у горизонтальній та вертикальній площинах. Це називається поляризація. Відмінною особливістю MIMO-антен є наявність двох антених роз'ємів, і відповідно використання двох проводів для підключення до модему/роутеру.

Незважаючи на те, що багато хто говорить, і не безпідставно, що MIMO-антена для мереж 4G LTE фактично є дві антени в одній, не варто думати, що при використанні такої антени буде двократне зростання швидкості. Таким він може бути тільки теоретично, а на практиці різниця між звичайною і MIMO-антеною в мережі 4G LTE не перевищує 20-25%. Однак, важливішим у цьому випадку буде стабільний сигнал, який може забезпечити MIMO-антена.

Розрахована на багато користувачів MIMO являє собою невід'ємну частину стандарту 802.11 ас. Але досі ще не було пристроїв, що підтримують новий вид багатоантеної технології. WLAN-роутери стандарту 802.11 ас колишнього покоління позначалися як обладнання Wave 1. Тільки з Wave 2 вводиться розрахована на багато користувачів технологія MIMO (MU-MIMO), і на чолі цієї другої хвилі пристроїв йде .

Стандарт WLAN	802.11b	802.11g/a	802.11n	802.11ас	802.11ах*
Швидкість передачі на потік, Мбіт/с	11	54	150	866	не менше 3500
Діапазон частот, ГГц	2,4	2,4/5	2,4 та 5	5	між 1 та 6
Ширина каналу, МГц	20	20/20	20 та 40	20,40,80 або 160	поки що не визначена
Технологія антени		Single Input Single Output (один вхід-один вихід)	MIMO: Multiple Input Multiple Output (багатоканальний вхід- багатоканальний вихід)		MIMO/MU-MIMO (розрахована на багато користувачів система MIMO)
Максимальне число просторових	1	1	4	8	поки що не визначено
Підтримка технології формування променя	□	□	■	■	■

■ так □ ні

Оскільки розрахована на багато користувачів MIMO передає сигнал одночасно на кілька пристроїв, відповідним чином розширюється протокол передачі в частині формування заголовків блоків даних: замість того щоб передавати кілька просторово розділених потоків для одного клієнта, розрахована на багато користувачів MIMO розподіляє передачу для кожного користувача окремо, так само як і кодування . Одинаковим залишається розподіл смуги частот та кодування.

Single User (однокористувацька) Якщо чотири пристрої ділять між собою одну мережу WLAN, то роутер із конфігурацією 4×4:4 MIMO передає чотири просторові потоки даних, але завжди тільки на той самий пристрій. Пристрої та гаджети обслуговуються поперемінно. Multi User (розрахована на багато користувачів) За допомогою багатокористувацьких MIMO (Multi User MIMO) черг з пристроїв, що очікують доступу до ресурсів WLAN-роутера, не утворюється. Ноутбук, планшет, телефон та телевізор забезпечуються даними одночасно.

Мережа WLAN схожа на жваву автотрасу: залежно від часу доби, крім ПК та ноутбуків, до цього руху підключаються планшети, смартфони, телевізор та ігрові консолі. У середньому домогосподарстві є більше п'яти пристроїв, що приєднуються до Інтернету по мережі WLAN, і їх кількість постійно зростає. Зі швидкістю 11 Мбіт/с, що передбачається в рамках основного стандарту IEEE 802.11b, веб-серфінг та завантаження даних вимагають великого терпіння, адже роутер у кожний конкретний момент часу може бути з'єднаний лише з одним пристроєм. Якщо радіозв'язок використовується відразу трьома пристроями, кожен клієнт отримує лише третину тривалості сеансу зв'язку, а дві третини часу витрачається очікування. Хоча мережі WLAN найновішого стандарту IEEE 802.11ac забезпечують передачу даних на швидкостях до 1 Гбіт/с, у них також існує проблема падіння швидкості через черги. Але вже наступне покоління пристроїв (802.11ac Wave 2) обіцяє більш високу продуктивність для радіомереж із кількома активними пристроями.

Для кращого розуміння суті нововведень слід спочатку згадати, які зміни відбувалися з мережами WLAN у минулому. Одним із найефективніших прийомів збільшення швидкості передачі даних, починаючи зі стандарту IEEE 802.1In, є технологія MIMO (Multiple Input Multiple Output: багатоканальний вхід – багатоканальний вихід). Вона передбачає використання декількох радіоантен для паралельної передачі потоків даних. Якщо, наприклад, через мережу WLAN передається один відеофайл і використовується MIMO-роутер з трьома антенами, кожен передавальний пристрій в ідеальному випадку (за наявності трьох антен у приймача) відправить третину файлу.

Зростання витрат з кожною антеною

У стандарті IEEE 802.11n максимальна швидкість передачі для кожного окремого потоку разом зі службовою інформацією досягає 150 Мбіт/с. Пристрої з чотирма антена, таким чином, здатні передавати дані зі швидкістю до 600 Мбіт/с. Актуальний стандарт IEEE 802.11ac теоретично виходить приблизно 6900 Мбіт/с. Крім широких радіоканалів та покращеної модуляції новим стандартом передбачено використання до восьми потоків MIMO.

Але тільки збільшення кількості антен не гарантує багаторазового прискорення передачі даних. Навпаки, з чотирма антенами дуже сильно зростає обсяг службових даних, а також стає більш витратним процес виявлення колізій радіосигналів. Щоб використання більшої кількості антен себе виправдало, технологія MIMO продовжує вдосконалюватися. Колишню MIMO для розрізнення правильніше називати однопользовательской MIMO (Single User MIMO). Хоча вона забезпечує одночасну передачу кількох просторових потоків, як говорилося раніше, але завжди лише за однією адресою. Такий недолік тепер усувається за допомогою розрахованої на багато користувачів MIMO. З цією технологією роутери WLAN можуть одночасно передавати сигнал чотирьом клієнтам. Пристрій з вісьмома антенами може, наприклад, використовувати чотири, щоб забезпечити ноутбук і паралельно за допомогою двох інших – планшет та смартфон.

MIMO – точний спрямований сигнал

Щоб маршрутизатор міг одночасно спрямовувати пакети WLAN різним клієнтам, потрібна інформація про те, де розташовані клієнти. Для цього насамперед у всіх напрямках надсилаються тестові пакети. Клієнти відповідають ці пакети, і базова станція зберігає дані про силу сигналу. Технологія формування променів є одним із найважливіших помічників MU MIMO. Хоча її підтримка вже передбачена стандартом IEEE 802.11n, у IEEE 802.11ac вона була вдосконалена. Її суть зводиться до встановлення оптимального напряму для надсилання радіосигналу клієнтам. Базова станція спеціально задає для кожного радіосигналу оптимальну спрямованість антени, що передає. Для розрахованого на багато користувачів режиму пошук оптимального шляху сигналу особливо важливий, адже зміна місця тільки одного клієнта може змінити всі шляхи передачі і порушити пропускну здатність всієї мережі WLAN. Тому кожні 10 мс проводиться аналіз каналу.

Для порівняння, однокористувацька MIMO проводить аналіз тільки кожні 100 мс. Розрахована на багато користувачів MIMO може одночасно обслуговувати чотирьох клієнтів, при цьому кожен клієнт може паралельно приймати до чотирьох потоків даних, що в сумі дає 16 потоків. Для цього розрахованої на багато користувачів MIMO потрібні нові WLAN-роутери, оскільки зростає потреба в обчислювальній потужності.

Однією з найсерйозніших проблем розрахованої на багато користувачів MIMO є інтерференції між клієнтами. Хоча завантаженість каналу часто вимірюється, цього недостатньо. При необхідності одним кадрам віддається пріоритет, інші, навпаки, дотримуються. Для цього 802.11ac використовує різні черги, які з різною швидкістю роблять обробку в залежності від типу пакета даних, віддаючи перевагу, наприклад, відеопакетам.

Існуючі мережі мобільного зв'язку використовуються не тільки для здійснення дзвінків та передачі повідомлень. Завдяки цифровому методу передачі за допомогою існуючих мереж можлива також передача даних. Дані технології, залежно від рівня розвитку, позначаються 3G та 4G. Технологія 4G підтримує стандарт LTE. Швидкість передачі даних залежить від деяких особливостей мережі (визначається оператором), досягаючи теоретично до 2 Мб/с для мережі 3G та до 1 Гб/с для мережі 4G. Всі зазначені технології працюють ефективніше за наявності сильного та стабільного сигналу. Для цього більшість модемів передбачає підключення зовнішніх антен.

Панельна антена

У продажу можна зустріти різні варіанти антен для покращення якості прийому. Великою популярністю користується панельна антена 3G. Коефіцієнт посилення подібної антени становить близько 12 дБ у діапазоні частот 1900-2200 МГц. Подібний тип пристроїв здатний також покращити якість сигналу 2G – GPRS та EDGE.

Як і переважна більшість інших пасивних пристроїв, вона має односторонню спрямованість, що разом зі збільшенням сигналу, що приймається, дозволяє знизити рівень перешкод з бічних напрямків і ззаду. Таким чином, навіть в умовах нестійкого прийому можна підняти рівень сигналу до прийнятних значень, тим самим збільшуючи швидкість і передачі інформації.

Застосування панельних антен для роботи в мережах 4G

Оскільки робочий діапазон мереж 4G практично збігається з діапазоном попереднього покоління, не виникає жодних складнощів у використанні даних антен у мережах 3G 4G LTE. Для будь-якої технології застосування антен дозволяє більш наблизити швидкості передачі даних до максимальних значень.

Ще більше збільшити швидкості прийому та передачі даних дозволила нова технологія, що використовує роздільні приймачі та передавачі в одній смузі частот. Конструкція існуючого модему 4G передбачає використання технології MIMO.

Безперечна перевага панельних антен - їх низька ціна і виняткова надійність. У конструкції практично немає нічого, що може поламатися навіть при падінні з великої висоти. Єдине слабке місце – високочастотний кабель, який може зламатися в місці введення в корпус. Щоб продовжити термін служби пристрою, кабель повинен бути надійно закріплений.

Технологія MIMO

Для збільшення пропускної спроможності каналу зв'язку між приймачем і передавачем даних розроблено метод обробки сигналу, коли прийом та передача ведуться різні антени.

Зверніть увагу!Застосовуючи антени LTE MIMO, можна збільшити пропускну здатність на 20-30% щодо роботи з простою антеною.

Основний принцип полягає у усуненні взаємозв'язку між антенами.

Електромагнітні хвилі можуть мати різний напрямок щодо площини землі. Це називається поляризації. В основному використовуються вертикально та горизонтально поляризовані антени. Для виключення взаємного впливу між собою антени відрізняються поляризацією на кут 90 гр. Щоб вплив земної поверхні був однаковим для обох антен, площини поляризації кожної зміщують на 45 гр. щодо землі. Таким чином, якщо одна з антен має кут поляризації 45 гр., Інша, відповідно, 45 гр. Щодо один одного зсув складає необхідні 90 гр.

На малюнку наочно видно, як розгорнуті антени щодо один одного та щодо землі.

Важливо!Поляризація антен має бути такою самою, як і на базовій станції.

Якщо для технологій 4G LTE підтримка за замовчуванням MIMO є на базовій станції, то для 3G у зв'язку з великою кількістю пристроїв без MIMO, оператори не поспішають впроваджувати нові технології. Справа в тому, що в мережі MIMO 3G пристрої працюватимуть набагато повільніше.

Установка антен для модему своїми руками

Правила установки антен не відрізняються від звичайних. Головна умова – відсутність перешкод між клієнтською та базовою станціями. Дерево, що росте, дах сусідньої будівлі або, що ще гірше, лінія електропередач, служать надійними екранами для електромагнітних хвиль. І чим вище частота сигналу, тим більше загасання будуть вносити розташовані на шляху поширення радіохвиль перешкоди.

Залежно від типу кріплення антени можна встановлювати на стіні будівлі або закріплювати на щоглі. Є два види антенMIMO:

• моноблочні;
• рознесені.

Моноблочні вже містять усередині дві конструкції, встановлені з необхідною поляризацією, а рознесені складаються з двох антен, які потрібно кріпити окремо, кожна з них повинна бути спрямована точно на базову станцію.

Всі нюанси установки антени MIMO своїми руками чітко та докладно описані в супровідній документації, але краще попередньо проконсультуватися з провайдером або запросити представника для встановлення, заплативши невелику суму, але отримавши певну гарантію на виконані роботи.

Як зробити антену самостійно

Принципових складнощів при самостійному виготовленні немає. Потрібні навички роботи з металом, уміння тримати в руках паяльник, бажання та акуратність.

Неодмінна умова – суворе дотримання геометричних обсягів всіх, без винятку, складових елементів. Геометричні розміри високочастотних пристроїв повинні бути дотримані з точністю до міліметра та точніше. Будь-яке відхилення веде до погіршення показників. Впаде коефіцієнт посилення, збільшиться взаємозв'язок між антенами MIMO. Зрештою замість посилення сигналу буде спостерігатися його ослаблення.

На жаль, у широкому доступі відсутні точні геометричні розміри. Як виняток, наявні в мережі матеріали засновані на повторенні деяких заводських конструкцій, які не завжди скопійовані із заданою точністю. Тому не варто покладати великі надії на схеми, описи та методики, що публікуються в інтернеті.

З іншого боку, якщо не потрібно понад сильне посилення, то виконана самостійно, з дотриманням зазначених розмірів антена MIMO, все одно дасть, хоч і не великий, але позитивний ефект.

Вартість матеріалів невисока, витрати часу за наявності навичок також не надто великі. До того ж, ніхто не заважає випробувати кілька варіантів і вибрати прийнятний за результатами тестування.

Для того щоб зробити MIMO антену 4G LTE своїми руками, потрібні два абсолютно рівні листи оцинкованої сталі товщиною 0.2-0.5 мм, а краще одностороннього фольгованого склотекстоліту. Один з листів піде виготовлення рефлектора (відбивача), а інший – виготовлення активних елементів. Кабель для підключення до модему повинен мати опір 50 Ом (такий стандарт для модемного обладнання).

Телевізійний кабель не можна використовувати з двох причин:

• опір 75 Ом викличе неузгодженість із входами модему;
• велика товщина.

Також необхідно підібрати рознімання, які повинні точно відповідати розніманням на модемі.

Важливо!Вказана відстань між активними елементами та рефлектором повинна відраховуватись від шару фольги у разі використання фольгованого матеріалу.

Крім того знадобиться невеликий відрізок мідного дроту завтовшки 1-1.2 мм.

Виготовлена ​​конструкція має бути поміщена у пластиковий корпус. Метал використовувати не можна, оскільки таким чином антена буде поміщено в електромагнітний екран і не працюватиме.

Зверніть увагу!Більшість креслень відноситься не до MIMO антен, а до панельних. Зовні вони відрізняються тим, що до простої панельної антени підводиться один кабель, а до MIMO потрібно два.

Виготовивши дві панельні антени, можна отримати рознесений варіант, виконаний своїми руками антени МИМО 4G.

Підбиваючи підсумки, можна сказати, виготовлення антени мімо своїми руками - не дуже важка справа. При належній ретельності цілком можливо отримати працездатний пристрій, заощадивши кілька фінансів. Дещо простіше виконати антену 3G своїми руками. У віддаленій місцевості, де ще немає покриття ЛТІ, це може бути єдиним варіантом підвищити швидкість з'єднання.

Відео