Technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) - metoda prostorového kódování signálu

MIMO (Multiple Input Multiple Output, multichannel input - multiple output) - metoda koordinované využití více rádiových antén v bezdrátových síťových komunikací, které jsou běžné v moderních domů širokopásmových routerů a LTE a WiMAX mobilních sítí.

Jak to funguje?

Wi-Fi směrovače s technologií MIMO používají stejné síťové protokoly jako běžné jednokanálové. Poskytují vyšší výkon zlepšením účinnosti přenosu a příjmu dat přes bezdrátové spojení. Zejména síťová komunikace mezi klienty a směrovačem je uspořádána do samostatných paralelně vysílaných proudů a jejich následné obnovení přijímacím zařízením.

Technologie MIMO může zvýšit šířku pásma, rozsah a spolehlivost přenosu s vysokým rizikem rušení od jiných bezdrátových zařízení.

Aplikace v sítích Wi-Fi

Technologie MIMO je součástí normy s verzí 802.11n. Jeho využití zvyšuje výkon a dostupnost síťových připojení ve srovnání s běžnými směrovači.

Počet antén se může lišit. Například MIMO 2x2 poskytuje dvě antény a dva vysílače schopné přijímat a vysílat na dvou kanálech.

Chcete-li tuto technologii využít a uvést její výhody, musí klientské zařízení a směrovač vytvořit spojení MIMO. V dokumentaci k použitému zařízení musí být uvedeno, zda tato funkce podporuje. Další jednoduchý způsob, jak zkontrolovat, zda je tato technologie použita pro síťové připojení, není.

SU-MIMO a MU-MIMO

První generace technologie, představená ve standardu 802.11n, podporuje metodu pro jednoho uživatele (SU). Ve srovnání s konvenčními řešeními, kdy se všechny antény routeru musí být koordinovány ke komunikaci s jedním klientským zařízením, SU-MIMO může distribuovat každý z nich mezi různými zařízeními.

Technologie Multiuser (MU) MIMO byla vytvořena pro použití v sítích Wi-Fi 802.11ac s frekvencí 5 GHz. Pokud předchozí norma požaduje, aby spravovat své routery, spoje klientů jsou střídavě (jeden po druhém), anténa MU-MIMO mohou poskytovat komunikaci s více klientů současně. Metoda pro více uživatelů zlepšuje výkon připojení. I když má směrovač 802.11ac potřebnou hardwarovou podporu pro technologii MIMO, existují i ​​další omezení:

• Podpora omezeného počtu souběžných klientských připojení (2-4) v závislosti na konfiguraci antény;
• Koordinaci antén je zajištěna pouze v jednom směru - od směrovače až po klienta.

MIMO a celulární

Tato technologie se používá v různých typech bezdrátových sítí. Používá se stále častěji v celulární komunikaci (4G a 5G) v několika formách:

• Síť MIMO - koordinovaný přenos signálu mezi základnovými stanicemi;
• Masivní MIMO - použití velkého počtu (stovek) antén;
• milimetrové vlny - použití ultra vysokých kmitočtových pásem, ve kterých je šířka pásma větší než v pásmech licencovaných pro 3G a 4G.

Technologie pro více uživatelů

Chcete-li pochopit, jak funguje MU-MIMO, měli byste zvážit, jak tradiční bezdrátový směrovač zpracovává datové pakety. Dobře pracuje na odesílání a přijímání dat, ale pouze v jednom směru. Jinými slovy, může komunikovat pouze s jedním zařízením najednou. Pokud je například video nahráno, nelze do konzoly současně vyslat online videohru.

Uživatel může v síti Wi-Fi provozovat více zařízení a směrovač rychle předává datové bity po sobě. Současně však může přistupovat pouze k jednomu zařízení, což je hlavní důvod pro snížení kvality připojení, pokud je šířka pásma Wi-Fi příliš nízká.

Protože to funguje, nevěnuje příliš pozornost sebe samému. Účinnost směrovače, která přenáší data do několika zařízení najednou, se však může zvýšit. Současně bude pracovat rychleji a poskytne zajímavější síťové konfigurace. Proto došlo k vývoji jako MU-MIMO, které byly nakonec zahrnuty do moderních bezdrátových standardů. Tento vývoj umožňuje pokročilým směrovačům komunikovat s více zařízeními najednou.

Stručná historie: SU vs. MU

MIMO s jedním a více uživateli jsou různé způsoby komunikace směrovačů s více zařízeními. První je starší. Standard SU umožnil odesílání a příjem dat na několika vláknech najednou, v závislosti na počtu dostupných antén, z nichž každý mohl pracovat s různými zařízeními. SU byl zařazen do aktualizace 802.11n v roce 2007 a začal se postupně zavádět do nových produktových řad.

SU-MIMO však měla vedle požadavků na anténu omezení. Přestože lze připojit více zařízení, stále se jedná o směrovač, který může pracovat pouze s jedním po druhém. Rychlost přenosu dat se zvýšila, rušení se stalo méně problémem, ale existuje mnoho příležitostí ke zlepšení.

MU-MIMO je standard, který se vyvinul ze SU-MIMO a SDMA (Spatial Multiple Access). Technologie umožňuje základní stanici komunikovat s více zařízeními pomocí samostatného proudu pro každý z nich, jako kdyby všichni měli svůj vlastní směrovač.

Podpora MU byla přidána do aktualizace 802.11ac v roce 2013. Po několika letech vývoje začali výrobci tuto funkci zahrnovat do svých produktů.

Výhody MU-MIMO

Jedná se o vzrušující technologii, protože má významný dopad na každodenní používání Wi-Fi bez nutnosti přímo měnit šířku pásma nebo jiné klíčové nastavení bezdrátového připojení. Sítě jsou mnohem efektivnější.

Pro zajištění stabilního připojení k notebooku, telefonu, tabletu nebo počítači standard nevyžaduje, aby router měl více antény. Každé takové zařízení nesmí sdílet svůj kanál MIMO s ostatními. To je zvláště patrné při streamingu videa nebo při provádění dalších složitých úkolů. Rychlost práce na internetu se subjektivně zvyšuje a připojení je spolehlivější, ačkoli ve skutečnosti je rozumnější uspořádat síť. Také se zvyšuje počet současně obsluhovaných zařízení.

Omezení MU-MIMO

Multiplexní přístupová technologie má řadu omezení, které stojí za zmínku. Stávající standardy podporují 4 zařízení, ale umožňují přidat další a budou muset sdílet tok, který se vrátí k problémům SU-MIMO. Technologie se používá hlavně v komunikačních kanálech navazujících na komunikaci a je omezena, pokud jde o odchozí komunikaci. Router MU-MIMO by navíc měl mít více informací o zařízeních a stavu kanálů, než je vyžadováno předchozími standardy. To komplikuje řízení a odstraňování problémů s bezdrátovými sítěmi.

MU-MIMO je také směrová technologie. To znamená, že dvě zařízení umístěná vedle sebe nemohou současně používat různé kanály. Například, pokud manžel sleduje on-line vysílání v televizi, a vedle své manželky pošle hru PS4 do svého Vita prostřednictvím dálkového přehrávání, musí stále sdílet šířku pásma. Směrovač může poskytovat diskrétní toky pouze pro zařízení, která jsou umístěna v různých směrech.

Masivní MIMO

Jak jsme se pohybovat směrem k bezdrátovým páté generace (5G) zvýšení počtu chytrých telefonů a nových aplikací vedlo ke zvýšení 100x v jejich nároky na šířku pásma ve srovnání s LTE. Nová masivní technologie MIMO, která v posledních letech získala velkou pozornost, je navržena tak, aby výrazně zvýšila výkonnost telekomunikačních sítí na nebývalou úroveň. Vzhledem k nedostatku a vysokým nákladům na dostupné zdroje přitahují operátoři příležitost zvýšit propustnost ve frekvenčních pásmech pod 6 GHz.

Navzdory významnému pokroku je Massive MIMO zdaleka dokonalé. Technologie je nadále aktivně zkoumána jak v akademické sféře, tak v průmyslu, kde inženýři usilují o dosažení teoretických výsledků prostřednictvím komerčně přijatelných řešení.

Masivní MIMO může pomoci při řešení dvou klíčových problémů - propustnosti a pokrytí. U mobilních operátorů zůstává frekvenční rozsah jen vzácným a relativně drahým zdrojem, ale je klíčovou podmínkou pro zvýšení rychlosti přenosu signálu. Ve městech je vzdálenost mezi základnovými stanicemi spíše vzhledem k šířce pásma, než k pokrytí, což vyžaduje nasazení velkého počtu a vede k dodatečným nákladům. Masivní MIMO vám umožňuje zvýšit kapacitu existující sítě. V oblastech, kde je rozmístění základnových stanic v důsledku pokrytí, technologie umožňuje zvýšit rozsah jejich pokrytí.

Koncepce

Masivní MIMO radikálně mění aktuální praxi pomocí velkého množství koherentně a adaptivně pracujících 4G servisních antén (stovky nebo tisíce). To pomáhá zaměřit se na vysílání a příjem energie signálu v menších oblastech místa, výrazně zlepšit výkon a účinnost, zejména v kombinaci se současným plánováním velkého počtu uživatelských terminálů (desítky nebo stovky). Metoda původně předpokládal pro duplexní s časovým dělením (TDD), ale potenciálně mohou být také použity v celém frekvenčním dělení duplexní režim (PDD).

Technologie MIMO: výhody a nevýhody

Výhodou této metody je široké využití nízkopříkonových komponentů, zkrácení latence, zjednodušení úrovně řízení přístupu (MAC), odolnost proti náhodnému a záměrnému rušení. Očekávaná šířka pásma závisí na rozšiřujícím médiu poskytujícím asymptoticky ortogonální kanály k terminálům a pokusy dosud odhalily žádné omezení v tomto ohledu.

Nicméně, spolu s odstraněním mnoha problémů jsou nové, což vyžaduje bezodkladné řešení. Například v MIMO systémech musí spolupracovat, aby zajistily účinné složky low-cost set nízkou přesnost, shromažďovat data stavu kanálu, a alokovat zdroje do nově připojených terminálů. To také vyžaduje použití dalších stupňů volnosti poskytované přebytkem antén služeb ke snížení domácí spotřeby energie, aby se dosáhlo celkové energetické účinnosti a najít nové scénáře nasazení.

Zvýšení počtu antén 4G, které se účastní implementace MIMO, obvykle vyžaduje návštěvu každé základní stanice pro rekonfiguraci a zapojení. Počáteční nasazení sítí LTE vyžadovalo instalaci nového zařízení. To umožnilo konfigurovat MIMO 2x2 původního standardu LTE. Další změny základnových stanic se provádějí pouze v extrémních případech a implementace vyššího řádu závisí na provozním prostředí. Dalším problémem je, že operace MIMO vede k úplně jinému chování v síti než předchozí systémy, což vytváří určitou nejistotu při plánování. Proto operátoři mají tendenci využívat nejprve jiný vývoj, zejména pokud mohou být nasazeny aktualizací softwaru.