Mimo антенна что это такое

Для того, чтобы лучше понять принцип работы MIMO антенны давайте вообразим следующую ситуацию: базовая станция (БС) оператора мобильной сети и модем стали двумя географическими пунктами А и Б, между этими объектами проложен определенный путь, люди, передвигающиеся по этому пути олицетворяют информацию, А – это ваша приемная Антенна, Б – это БС сотового оператора. Люди передвигаются из одного пункта в другой с помощью поезда, вместимость которого- 100 человек. Но людей, которые хотят из пункта Б добраться в пункт А гораздо больше. Поэтому строится второй путь и запускается новый поезд, вместимость которого, тоже 100 человек. Таким образом, производительность и эффективность двух поездов в 2 раза выше.

Точно также же устроена и новейшая технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) , она позволяет принимать одновременно больше потоков. Для этого используются различные поляризации сигналов, например горизонтальная и вертикальная – 2х2. Раньше, чтобы принимать больше информации, то есть больше потоков, потребовалось бы приобретение двух простых антенн.

Сегодня же достаточно приобрести только одну антенну MIMO. Улучшенная антенна MIMO содержит в одном корпусе сразу два набора излучающих элементов, так называемых патчей, каждый из которых подключен к отдельному гнезду. Второй вариант устройства: имеется один набор патчей и запитка для двух портов, что позволяет патчу функционировать в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном. В этом случае к двум гнездам присоединяется единственный набор патчей. Именно второй вариант антенн MIMO (с двумя кабельными вводами) вы можете найти в ассортименте нашей компании.

А как же подключить 2 кабеля, выходящих из мимо-антенны к одному модему? Все очень просто. Сегодня не только антенны поддерживают эту функцию, но и модемы. Существуют модемы с 2 входами для подключения внешних антенн, например широко распространенный Huawei E3372 .

Преимущества технологии MIMO

К главным преимуществам относится возможность улучшения пропускной способности, не расширяя при этом полосу. Так устройство одновременно раздает несколько потоков информации по единственному каналу.

Качество передаваемого сигнала и скорость передачи данных становится лучше. Потому что технология сначала кодирует данные, а затем на приемной стороне восстанавливает их.

Более чем в два раза увеличивается скорость трансляции сигнала.

Увеличиваются и многие другие параметры скорости за счет использования двух независимых кабелей, через которые одновременно происходит раздача и получение информации в виде цифрового потока. Улучшаются качества спектра следующих систем : 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, благодаря использованию двух входов и двух выходов.

Сфера применения антенн MIMO

Чаще всего технология MIMO применяется для передачи данных такого протокола, как WiFi. Это объясняется увеличенными пропускной способностью и емкостью. Для примера возьмем протокол 802.11n, в нем при использовании описываемой технологии, можно достичь скорость до 350 Мегабит/сек. Также улучшилось качество передачи данных, даже на тех участках, где сигнал приема низкий. Примером уличной точки доступа с антенной MIMO может послужить всем известная Nanostanion M2.

Сеть WiMAX, при использовании MIMO, теперь может транслировать информацию со скоростью до 40 Мегабит/секунду.

В 4G антеннах применяется технология MIMO до 8×8. Благодаря этому достигается высокая скорость передачи – более 35 Мегабит/секунду. Помимо этого, обеспечивается надежное и высококачественное соединение отличного качества.

Постоянно ведутся работы по улучшению и усовершенствованию конфигураций технологии. В скором времени это позволит улучшить показатели спектра, усовершенствовать емкость сетей и ускорить скорость передачи данных.

Что такое MIMO?

MIMO – технология увеличения спектральной эффективности радиоканала (его пропускной способности и помехоустойчивости), достигается это методом пространственного кодирования сигнала, когда прием и передача данных ведется системами из нескольких антенн на одном канале. Реализовано как пространственное разнесение на приёме, так и пространственное разнесение на передаче. Чтобы МИМО работал нужно многолучевое распространение сигнала. Эта технология широко применяется в беспроводных сетях протокола 802.11ax, ac, n, а также в более старших – LTE и WiMAX.

SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?

MU-MIMO означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход и является беспроводной технологией, поддерживаемой маршрутизаторами и конечными устройствами. MU-MIMO – это следующая эволюция однопользовательского MIMO (SU-MIMO), когда роутер в один момент времени отправляет данные одному клиенту.

Работа многопользовательского МИМО начинается с 802.11ax, 802.11ac Wave2. Старшие стандарты, такие как 802.11b, g и n его не поддерживают. Когда в 2015 году вышел стандарт ac Wave 2, с этой технологией могли работать только маршрутизаторы и точки доступа.

Технология MU-MIMO изнутри

В 2008 году стандарт 802.11n представил технологию multi-in multi-out (MIMO), предназначенную для повышения пропускной способности Wi-Fi между точками доступа и клиентскими устройствами. Чтобы MIMO работал, две беспроводные станции (т.е. и точка доступа, и клиентское устройство) должны иметь несколько антенн, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы отсутствовала разность фаз на рабочей длине волны.

Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)

Пространственный поток представляет собой набор данных, посланный передающими антеннами, который может быть математически реконструирован на антеннах приемника. В MIMO каждый пространственный поток передается с разных антенн в том же частотном канале, на котором работает передатчик. Рисунок ниже иллюстрирует это для случая с двумя потоками.

Приемник принимает каждый поток на идентичную радио цепь. Поскольку он знает смещения фазы своих собственных антенн, он может использовать математические методы обработки сигналов для реконструкции исходных потоков. Чтобы повысить пропускную способность нужно увеличивать количество потоков. Каждый пространственный поток содержит набор уникальных данных, а количество независимых пространственных потоков ограничено тем, какое Wi-Fi устройство имеет наименьшее количество радиолиний.

В первой волне 802.11ac пропускная способность повышалась не только за счет использования MIMO, а применялись и другие механизмы:

• использование большей ширины канала;
• более сложная схема модуляции и кодирования 256-QAM.

Однако общая ширина полосы в любом частотном диапазоне является "конечной" и это накладывает свои ограничения. Чем шире канал, тем больше он подвержен помехам.

Федеральная комиссия связи ведет работу над открытием большего количества нелицензированного спектра в 5 ГГц для Wi-Fi. Но каналы шириной в 80 и 160 МГц на практике остаются редко достижимыми из-за наличия помех. Чем выше модуляция, тем чище должен быть сигнал. Это означает одно – между точкой доступа и клиентами должен быть действительно хороший сигнал, практически такое возможно только когда они находятся на близких расстояниях в отсутствии помех.

Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)

Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.

TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.

Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.

Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.

Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе).

За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.

Умея контролировать фазовую диаграмму направленности антенны, можно управлять зонами с максимальной конструктивной интерференцией – там, где сигнал является самым сильным, так и зонами с максимальной деструктивные интерференцией – там, где сигнал является самым слабым. А имея матрицу с параметрами сигналов от клиентов и зная их относительное положение, можно создавать шаблон для связи сразу с несколькими клиентами одновременно и независимо.

Механизм передачи информации в MU-MIMO

1. AP передает сигнальный зондирующий кадр;
2. Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
3. AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
4. Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
5. AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
6. AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
7. AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
8. Связь установлена и начинается передача данных.

Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.

Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:

• Одно потоковое клиентское устройство 3×3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1×1: 1;
• Два потоковых клиентских устройства 2×2: 2;
• Одно потоковое клиентское устройство 2×2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1×1: 1;
• До трех потоковых клиентских устройств 1×1: 1.

Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:

1. повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
2. повысить скорость передачи информации в системе;
3. увеличить зону покрытия;
4. уменьшить требуемую мощность передатчика.

IoT (Интернет вещей) и MU-MIMO

Стандарт 802.11ax может поддерживать одновременно восемь передач MU-MIMO, по сравнению с четырьмя в 802.11ac. Одновременная поддержка восьми выделенных каналов позволяет большему количеству IoT устройств установить связь с точкой доступа и избежать проблем с пропускной способностью, которые существовали в более ранних версиях Wi-Fi, включая 802.11ac. Это особенно актуально, если в помещении большое количество устройств, обладающих низкой скоростью передачи данных (а это как раз и есть IoT).

Практические ограничения MU-MIMO

1. Работа возможна только с клиентами поддерживающими 802.11ac и ax. Клиент должен принять информацию, предназначенную сразу нескольким клиентам, вычленить оттуда то, что предназначено только ему, обработать данные и отправить в матричном виде обратно роутеру. А для этого он должен уметь обрабатывать сигнальные кадры в дейтограммах, иначе он не сможет принять информацию.
2. Клиенты должны находиться на значительном друг от друга расстоянии, что бы роутер мог сформировать потоки с разнесением во времени и пространстве. Если на столе будет лежать ноутбук, планшет и телефон, роутер не сможет вычислить пространственное положение каждого устройства и сформировать для него пространственно-временной сдвиг фаз. В этом случае он переключится на обычный МИМО-режим.
3. Скорость передачи всегда будет выравниваться по самому медленному клиенту! ВСЕГДА!

Видео – увеличение емкости сети с помощью Massive MIMO и 3D Beamforming

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output ) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.

Содержание

Определение систем MIMO [ править | править код ]

В современных системах связи, например, в сотовых системах связи, высокоскоростных локальных вычислительных сетях и др., существует необходимость повышения пропускной способности. Пропускная способность может быть увеличена путём расширения полосы частот. Тем не менее, применимость этих методов ограничена из-за требований биологической защиты, ограниченной мощности источника питания (в мобильных устройствах) и электромагнитной совместимости. Поэтому если в системах связи эти подходы не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то эффективным может оказаться применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами. Системы связи с такими антеннами получили название систем MIMO. [1] [2]

Канал MIMO [ править | править код ]

В общем случае в канале наблюдаются межсимвольная интерференция и частотная селективность [3] , но во многих случаях длительность импульсов в беспроводных системах связи намного больше задержек сигналов, поступающих на приёмную антенну, что даёт возможность пренебрегать межсимвольной интерференцией в канале. Частотную селективность также приходится принимать во внимание [3] , например, в системах связи стандарта IEEE 802.11 [4] , где используется технология OFDM. Однако в некоторых ситуациях можно использовать модель канала без частотной селективности.

Математическая модель MIMO [ править | править код ]

Рассмотрим MIMO-систему с N передающими и M приемными антеннами (антенными элементами). Свойства MIMO-канала, соединяющего m-й передающий элемент с n-м приёмным элементом, описываются комплексными канальными коэффициентами h n m <displaystyle h_> , образующими канальную матрицу H <displaystyle mathbf > размера N × M. Их значения случайно изменяются со временем из-за наличия многолучевого распространения сигнала. Если

то сигнал на приёмной стороне записывается следующим образом:

x → = H ⋅ s → + z → . <displaystyle <vec >=mathbf cdot <vec >+<vec >.>

Матрица H <displaystyle mathbf > считается нормированной.

Обработка сигналов на приёмной стороне MIMO-системы [ править | править код ]

Среди алгоритмов обработки сигналов на приёмной стороне можно выделить:

• алгоритмы, основанные на методе максимального правдоподобия ( maximum likelihood , ML);
• алгоритмы, основанные на методе минимальных среднеквадратичных отклонений (МСКО);
• алгоритмы, основанные на методе форсирования нуля (обнуления, англ. zero forcing , ZF).

Также существует разделение на ортогональные и неортогональные методы кодирования/декодирования.

Основной задачей любого метода является поиск решений из числа всех возможных по наименьшему евклидовому расстоянию между переданным символом и одним из возможных ( 2 K ) <displaystyle (2^)> решений.

Метод МСКО предполагает декодирование принятого сигнала по формуле

Θ ^ = ( H H − 1 − 2 σ 2 ⋅ I ) ⋅ H ′ Y . <displaystyle <w >

Метод форсирования нуля предполагает декодирование по формуле

Θ ^ = ( H H − 1 ) ⋅ H ′ Y . <displaystyle <w >

Метод максимального правдоподобия основан на поиске минимального расстояния от принятого символа до одного из возможных значений сигнального созвездия. Поиск «слепым» перебором наиболее труден, поскольку число операций здесь пропорционально [ прояснить (не указан комментарий) ] , где K — кратность манипуляции.

Для снижения вычислительной сложности этой задачи декодирование разделяется на 2 этапа:

• «Мягкое» декодирование, то есть приведение принятого символа к одному из 2 G <displaystyle 2^>решений при том, что K>"> G > K <displaystyle G>K>K"/> .
• «Жёсткое декодирование», то есть определение окончательного решения путём нахождения наименьшего дискретного расстояния Хэмминга между «мягким» и «жёстким» решениями.

Методы пространственно-временного кодирования [ править | править код ]

Блочные методы пространственно-временного кодирования [ править | править код ]

Упрощённо, принцип блочного кодирования заключается в разбиении потока данных на блоки и ретрансляции блока в различные временны́е интервалы. Таким образом соблюдается принцип неоднократной посылки данных и улучшается помехоустойчивость схемы MIMO как таковой. Однако энергетического выигрыша кодирования по помехоустойчивости (ЭВК) блочные коды не дают. Наиболее простой и распространенной схемой является так называемая схема Аламоути, согласно которой данные в кодере распределяются в соответствии с матрицей

H = ( x 1 x 2 − x 2 ∗ x 1 ∗ ) . <displaystyle mathbf =<eginx_<1>&x_<2>\-x_<2>^<*>&x_<1>^<*>\end>.>

Таким образом, первая антенна передаёт подряд символы ( x 1 <displaystyle x_<1>> ) и ( − x 2 ∗ <displaystyle -x_<2>^<*>> ), вторая — ( x 2 <displaystyle x_<2>> ) и ( x 1 ∗ <displaystyle x_<1>^<*>> ). Иногда, в частности, в информационных технологиях и телекоммуникациях применяют транспонированную матрицу H. Кодовая скорость здесь равна 1, то есть данная схема не даёт выигрыша по скорости передачи данных, но может использоваться для предотвращения негативных воздействий замираний (здесь предполагается, что обе антенны не могут одновременно находиться в «плохих» с точки зрения помех положениях).

Декодирование происходит по схеме максимального правдоподобия.

Решётчатое пространственно-временное кодирование [ править | править код ]

Пропускная способность системы в целом и её частота битовых ошибок (BER) также в немалой степени определяются выбранными алгоритмами декодирования. Все основные алгоритмы декодирования строятся на следующих возможных принципах:

• принцип максимального правдоподобия;
• принцип минимальной среднеквадратичной ошибки;
• принцип обнуления (ZF — zero forcing);
• принцип решётчатого кодирования (выражается в присвоении каждому переходу от одного символа к другому уникальной последовательности битов, формируемой на основе заранее известного полинома).

Кодер STTC представляет собой совокупность модулятора M-PSK либо M-QAM и решётчатого кодера с заданным полиномом (в частноти, кодера Витерби).

Неортогональные методы пространственно-временного кодирования [ править | править код ]

BLAST [ править | править код ]

Технология BLAST (Bell Labs Space-Time Transformation) предназначена для:

• распределения потоков модулированных данных по нескольким антенно-фидерным трактам приёмопередающего устройства;
• распределения входящих модулированных сигналов по временны́м слотам.

Существует два вида алгоритма BLAST:

Алгоритм BLAST с диагональным распределением временных слотов (D-BLAST) [ править | править код ]

Достоинством этого метода является возможность «разброса» данных одного канала не только по пространственным и частотным каналам, но и по временным промежуткам. Подобный алгоритм используется в системах Wi-Max. Недостатками этого алгоритма являются:

• наличие временных потерь в начале и конце передачи,
• высокая сложность реализации,
• трудности кодирования.

Алгоритм BLAST с вертикальным распределением слотов (V-BLAST) [ править | править код ]

Достоинствами данного алгоритма являются:

• отсутствие временных потерь,
• меньшая сложность,
• простая структура кодеков.

Варианты пространственного мультиплексирования [ править | править код ]

Пространственное разделение подканалов в системах MIMO может быть реализовано следующими способами:

1. Способом разнесения потоков по задержке.
2. Способом разнесения посредством пространственно-временного кодирования (логическое развитие первого способа). [2]
3. Способом ортогонального блочного кодирования (в частности, методом ортогонального блочного кодирования Аламоути) [2] .
4. Способом ортогонального кодирования методом прямого расширения спектра DSSS[2] .
5. Способом введения диаграммообразующей схемы (ДОС) [2][5] .
6. Способом ортогонального расположения частот сигналов (несущих) по передающим трактам [2] .
7. Способом ортогонального поляризационного разделения сигналов [2] .
8. Сочетанием нескольких указанных способов.

Наличие обратной связи [ править | править код ]

MIMO-системы можно классифицировать по наличию или отсутствию обратной связи [6] :

1. MIMO с «открытой петлей» (англ. open-loop ). В данном случае оценки канала на приёмном конце используются для коррекции искажений, вносимых каналом.
2. MIMO с «замкнутой петлей» (англ. closed-loop ). Здесь, помимо оценки канала, на приёме и компенсации помех производится передача этих оценок на передающую сторону по т. н. обратному (англ. feedback ) каналу. Основываясь на принятой информации, передатчик производит перераспределение мощностей в своих передающих трактах с тем, чтобы увеличить мощность трактов, передающих по каналам с высокой интенсивностью замираний, а также внести коррекцию по амплитуде и фазе при формировании диаграммы направленности антенны.

Вопросы синхронизации [ править | править код ]

Наиболее распространённым методом синхронизации в OFDM-MIMO является метод пилотных сигналов (поднесущих).

Применение технологии MIMO [ править | править код ]

Технология MIMO нашла практическое применение в беспроводных локальных сетях стандарта IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, а также в беспроводных сетях мобильной связи WiMAX и LTE.

Моделирование MIMO-каналов [ править | править код ]

В простейшем случае (для релеевских замираний) моделирование канала связи MIMO может состоять в заполнении канальной матрицы H <displaystyle mathbf > случайными коэффициентами с нулевым средним и единичной дисперсией.

Massive MIMO [ править | править код ]

Мassive MIMO – это технология, в которой количество пользовательских терминалов намного меньше, чем количество антенн базовой станции (мобильной станции). [7]

Особенностью Massive MIMO является использование многоэлементных цифровых антенных решеток [8] , с количеством антенных элементов 128, 256 и более. [9] В целях упрощения аппаратной реализации и снижения стоимости таких многоканальных цифровых антенных решёток использование в них многомодовых оптоволоконных интерфейсов как разновидности радиофотоники является единственным разумным выбором не только при работе на прием сигналов, но и для передачи данных.

Снижению стоимости систем Massive MIMO в пересчете на один канал способствует применение комбинированных методов децимации отсчетов АЦП, сочетающих снижение темпа поступления данных с их предварительной (anti aliasing) фильтрацией, смещением по частоте и квадратурной (I/Q) демодуляцией. [9] Кроме того, упрощение обработки сигналов может достигаться адаптивным изменением количества каналов в системе Massive MIMO сообразно помеховой ситуации в эфире. Для этого следует использовать динамическую кластеризацию отдельных групп антенных элементов цифровой антенной решётки в подрешётки. [10]

Схемотехническая база систем Massive MIMO базируется на использовании модулей обработки сигналов стандартов CompactPCI, PCI Express, OpenVPX и др. [9] Технология Massive MIMO является одной из ключевых для реализации систем сотовой связи 5G [9] [11] и будет совершенствоваться по мере перехода к системам связи 6G. [12] [13]