mimo-m flera antennteknologier i LTE

MIMO-funktioner (M flera ingångar – flera utgångar)

Användningen av MIMO-teknik (multiple input - multiple output) löser två problem:

Öka kvaliteten på kommunikationen på grund av rumslig tids-/frekvenskodning och (eller) strålformning (stråleformning),

Öka överföringshastigheten vid användning av rumslig multiplexering.

MIMO-struktur

Olika implementeringar av MIMO innebär samtidig överföring av flera oberoende meddelanden i en fysisk kanal. För att implementera MIMO-åtgärden används multi-antennsystem: på sändningssidan finns det N t sändarantenner och på mottagningssidan N r mottagningsrum. Denna struktur visas i fig. ett.

Ris. 1. MIMO-struktur

Vad är MIMO?

MIMO (engelska) Multiple Input Multiple Output) -en metod för rumslig signalkodning som låter dig öka kanalbandbredden, där data överförs med N antenner och deras mottagning M antenner. De sändande och mottagande antennerna är tillräckligt åtskilda för att uppnå en svag korrelation mellan intilliggande antenner.

Historien om MIMO

Historien om MIMO-system som ett objekt för trådlös kommunikation är ännu inte särskilt lång. Det första patentet för användning av MIMO-principen i radiokommunikation lämnades in 1984 på uppdrag av Bell Laboratories medarbetare Jack Winters. Baserat på sin forskning publicerade Jack Salz från samma företag den första artikeln om MIMO-lösningar 1985. Utvecklingen av denna riktning fortsatte av Bell Laboratories och andra forskare fram till 1995. 1996 föreslog Greg Raleigh och Gerald J. Foschini en ny implementering av MIMO-systemet, vilket ökade dess effektivitet. Därefter, Greg Raleigh, som krediteras med OFDM ( Ortogonal Frequency Division Multiplexing– multiplexering via ortogonala bärare) för MIMO, grundade Airgo Networks, som utvecklade den första MIMO-chipseten kallad True MIMO.

Men trots den ganska korta tidsperioden sedan starten har MIMO-riktningen utvecklats på ett mycket mångfacetterat sätt och inkluderar en heterogen familj av metoder som kan klassificeras enligt principen om signalseparation i mottagaren. Samtidigt använder MIMO-system både tillvägagångssätt för att signalera separation som redan har trätt i kraft, såväl som nya. Dessa inkluderar till exempel rum-tid, rymdfrekvens, rumslig polarisationskodning, samt superupplösning i signalens ankomstriktning till mottagaren. Tack vare överflöd av signalseparationsmetoder var det möjligt att säkerställa en så lång utveckling av standarder för användning av MIMO-system i kommunikation. Men alla varianter av MIMO syftar till att uppnå samma mål - att öka den maximala datahastigheten i kommunikationsnätverk genom att förbättra brusimmuniteten.

Den enklaste MIMO-antennen är ett system av två asymmetriska vibratorer (monopoler) orienterade i en vinkel på ±45° i förhållande till den vertikala axeln (Fig. 2).

Ris. 2 Den enklaste MIMO-antennen

En sådan polarisationsvinkel tillåter kanalerna att vara i lika förhållanden, eftersom med en horisontell-vertikal orientering av sändarna, en av polarisationskomponenterna oundvikligen skulle få större dämpning när den utbreder sig längs jordens yta. Signalerna som emitteras oberoende av varje monopol är ömsesidigt ortogonalt polariserade med en tillräckligt hög ömsesidig avkoppling i korspolarisationskomponenten (inte mindre än 20 dB). En liknande antenn används också på den mottagande sidan. Detta tillvägagångssätt tillåter samtidig överföring av signaler med samma bärvågor modulerade på olika sätt. Principen för polarisationsseparation ger en fördubbling av bandbredden för radiolänken jämfört med fallet med en enda monopol (i idealiska siktlinjeförhållanden med identisk orientering av mottagnings- och sändningsantennerna). Sålunda kan i stort sett alla system med dubbelpolarisering betraktas som ett MIMO-system.

Ytterligare utveckling av MIMO

När MIMO-tekniken specificerades i Release 7 spreds standarden aktivt över världen. Det har gjorts försök att kombinera tredje generationens nätverk med MIMO-teknik, men de har inte fått någon bred spridning. Enligt Global Association of Mobile Equipment Suppliers ( globala mobilleverantörsföreningen, GSA) daterad 11/04/2010 vid den tiden, av 2776 typer av enheter med HSPA-stöd på marknaden, stöder endast 28 modeller MIMO. Dessutom leder införandet av ett MIMO-nätverk med låg penetration av MIMO-terminaler till en minskning av nätverkets genomströmning. Nokia utvecklade tekniken för att minimera bandbreddsförluster, men den skulle bara vara effektiv om MIMO-terminalpenetrationen var minst 40 % av abonnentenheterna. Utöver ovanstående är det värt att komma ihåg att den 14 december 2009 lanserades världens första mobilnät baserat på LTE-teknik, vilket gjorde det möjligt att uppnå mycket högre hastigheter. Baserat på detta kan det ses att operatörerna var inriktade på en snabb utbyggnad av LTE-nätverk, snarare än på modernisering av tredje generationens nätverk.

Idag kan vi notera den snabba tillväxten i trafikvolymen i 4:e generationens mobilnät, och för att ge den nödvändiga hastigheten till alla sina abonnenter måste operatörerna leta efter olika metoder för att öka dataöverföringshastigheten eller för att öka effektiviteten att använda frekvensresursen. MIMO, å andra sidan, tillåter sändning av nästan 2 gånger mer data i det tillgängliga frekvensbandet under samma tidsperiod med 2x2-alternativet. Om vi använder 4x4-antennimplementeringen kommer den maximala nedladdningshastigheten tyvärr att vara 326 Mbps, och inte 400 Mbps, som den teoretiska beräkningen antyder. Detta beror på det speciella med överföring genom 4 antenner. Varje antenn tilldelas vissa resurselement (RE) för sändning av referenssymboler. De är nödvändiga för att organisera koherent demodulering och kanaluppskattning. Placeringen av dessa RE visas i fig. 3. Sändantennerna tilldelas logiska antennportnummer. Tecken markerade R0 finns på port 0, R1 på port 1, och så vidare. Som ett resultat av detta tilldelas 14,3 % av alla RE:er för överföring av referenssymboler, vilket är anledningen till skillnaden mellan teoretiska och praktiska hastigheter.

Vi lever i den digitala revolutionens era, kära anonyma. Innan vi hann vänja oss vid lite ny teknik erbjuds vi redan från alla håll ännu nyare och mer avancerade. Och medan vi smyger i tankarna om den här tekniken verkligen kommer att hjälpa oss att få ett snabbare internet eller om vi bara blir lurade på pengar igen, utvecklar designers för närvarande en ännu nyare teknik som kommer att erbjudas oss istället för den nuvarande. på bara 2 år. Detta gäller även MIMO-antennteknik.

Vad är denna teknik - MIMO? Multiple Input Multiple Output - flera ingångar med flera utgångar. För det första är MIMO-tekniken en komplex lösning och är inte begränsad till antenner. För en bättre förståelse av detta faktum är det värt att göra en kort avvikelse i historien om utvecklingen av mobil kommunikation. Utvecklare ställs inför uppgiften att överföra en större mängd information per tidsenhet, d.v.s. öka hastighet. I analogi med ett vattenförsörjningssystem - att leverera en större volym vatten till användaren per tidsenhet. Vi kan göra detta genom att öka "rörets diameter", eller, analogt, genom att utöka kommunikationsbandbredden. Till en början var GSM-standarden skräddarsydd för rösttrafik och hade en kanalbredd på 0,2 MHz. Det var nog. Dessutom finns problemet med att tillhandahålla åtkomst för flera användare. Det kan lösas genom att dela upp abonnenter efter frekvens (FDMA) eller efter tid (TDMA). I GSM används båda metoderna samtidigt. Som ett resultat har vi en balans mellan maximalt möjliga antal abonnenter i nätet och minsta möjliga bandbredd för rösttrafik. Med utvecklingen av mobilt internet har denna minimifil blivit ett hinderfält för att öka hastigheten. Två teknologier baserade på GSM-plattformen, GPRS och EDGE, har nått en hastighetsgräns på 384 kbps. För att ytterligare öka hastigheten var det nödvändigt att utöka bandbredden för internettrafik samtidigt, om möjligt, med hjälp av GSM-infrastrukturen. Som ett resultat utvecklades UMTS-standarden. Den största skillnaden här är utbyggnaden av bandbredden upp till 5 MHz på en gång, och för att ge åtkomst till flera användare - användningen av CDMA-kodaccessteknologi, där flera abonnenter samtidigt arbetar i samma frekvenskanal. Denna teknik kallades W-CDMA, vilket betonar att den fungerar i ett brett band. Detta system kallades tredje generationens system - 3G, men samtidigt är det en överbyggnad över GSM. Så vi fick ett brett "rör" på 5 MHz, vilket gjorde att vi initialt kunde öka hastigheten till 2 Mbps.

Hur kan vi annars öka hastigheten om vi inte har något sätt att ytterligare öka "rörets diameter"? Vi kan parallellisera flödet i flera delar, köra varje del genom ett separat litet rör och sedan kombinera dessa separata flöden på den mottagande sidan till ett brett flöde. Dessutom beror hastigheten på sannolikheten för fel i kanalen. Genom att minska denna sannolikhet genom överkodning, framåtriktad felkorrigering och bättre radiomodulationstekniker kan vi också öka hastigheten. Alla dessa utvecklingar (tillsammans med utbyggnaden av "röret" genom att öka antalet operatörer per kanal) användes konsekvent i den ytterligare förbättringen av UMTS-standarden och fick namnet HSPA. Detta är inte en ersättning för W-CDMA, utan en mjuk+hård uppgradering av denna kärnplattform.

Det internationella konsortiet 3GPP håller på att utveckla standarder för 3G. Tabellen sammanfattar några av funktionerna i olika versioner av denna standard:

3G HSPA-hastighet och viktiga tekniska funktioner
3GPP-släpp	Teknologier	Nedlänkshastighet (MBPS)	Upplänkshastighet (MBPS)
Rel 6	HSPA	14.4	5.7
Rel 7	HSPA+ 5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk	28	11
Rel 8	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk	42	11
Rel 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk, 2x5MHz upplänk	84	23
Rel 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk, 2x5MHz upplänk	168	23
Rel 11	MC-HSPA+ 8x5 MHz 2x2/4x4 MIMO nedlänk, 2x5 MHz 2x2 MIMO upplänk	336 - 672	70

4G LTE-teknik, förutom bakåtkompatibilitet med 3G-nätverk, som gjorde att den kunde råda över WiMAX, kan utveckla ännu högre hastigheter, upp till 1 Gbps och högre. Här används ännu mer avancerade teknologier för att överföra en digital ström till luftgränssnittet, såsom OFDM-modulering, som integrerar mycket väl med MIMO-teknik.

Så vad är MIMO? Genom att parallellisera flödet i flera kanaler kan man skicka dem på olika sätt genom flera antenner "over the air", och ta emot dem med samma oberoende antenner på mottagningssidan. Således får vi flera oberoende "rör" över luftgränssnittet utan expanderande band. Detta är huvudtanken MIMO. När radiovågor utbreder sig i radiokanalen observeras selektiv fädning. Detta är särskilt märkbart i täta stadsområden, om abonnenten är på resande fot eller i utkanten av celltjänstområdet. Fading i varje rumslig "pipe" sker inte samtidigt. Därför, om vi sänder samma information över två MIMO-kanaler med en liten fördröjning, efter att tidigare ha lagt en speciell kod på den (Alamuoti-metoden, som överlagrar koden i form av en magisk kvadrat), kan vi återställa de förlorade symbolerna på mottagande sida, vilket motsvarar att förbättra signalen/bruset upp till 10-12 dB. Som ett resultat leder denna teknik återigen till en ökning av hastigheten. Faktum är att detta är en välkänd mångfaldsmottagning (Rx Diversity) organiskt inbyggd i MIMO-tekniken.

I slutändan måste vi förstå att MIMO måste stödjas på både basen och vårt modem. Vanligtvis i 4G är antalet MIMO-kanaler en multipel av två - 2, 4, 8 (ett trekanaligt 3x3-system har blivit utbrett i Wi-Fi-system) och det rekommenderas att deras antal matchar både på basen och på modem. Därför, för att fixa detta faktum, definieras MIMO med mottagna∗sändningskanaler - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO, etc. Än så länge har vi främst att göra med 2x2 MIMO.

Vilka antenner används i MIMO-tekniken? Det här är vanliga antenner, de behöver bara vara två (för 2x2 MIMO). För att separera kanalerna används ortogonal, så kallad X-polarisering. I detta fall förskjuts polariseringen av varje antenn i förhållande till vertikalen med 45° och i förhållande till varandra - 90°. En sådan polariseringsvinkel sätter båda kanalerna på lika villkor, eftersom med en horisontell / vertikal orientering av antennerna skulle en av kanalerna oundvikligen få mer dämpning på grund av påverkan av jordytan. Samtidigt gör en 90° polarisationsförskjutning mellan antennerna att du kan koppla bort kanalerna från varandra med minst 18-20 dB.

För MIMO behöver du och jag ett modem med två antenningångar och två antenner på taket. Frågan kvarstår dock om denna teknik stöds på basstationen. I 4G LTE- och WiMAX-standarderna är sådant stöd tillgängligt både på sidan av abonnentenheter och på basen. I 3G-nätet är inte allt så enkelt. Tusentals icke-MIMO-enheter fungerar redan på nätverket, för vilka införandet av denna teknik har motsatt effekt - nätverkets bandbredd minskar. Därför har operatörerna ännu inte bråttom att implementera MIMO överallt i 3G-nätverk. För att basen ska kunna förse abonnenterna med hög hastighet måste den själv ha goda transporter, d.v.s. ett "tjockt rör" ska anslutas till den, helst en optisk fiber, vilket inte heller alltid är fallet. Därför, i 3G-nätverk, är MIMO-tekniken för närvarande i sin linda och utveckling, som testas av både operatörer och användare, och de senare är inte alltid framgångsrika. Därför är det värt att fästa förhoppningar på MIMO-antenner endast i 4G-nätverk. I kanten av celltäckningsområdet kan du använda antenner med hög förstärkning, såsom reflektorer, för vilka MIMO-flöden redan finns kommersiellt tillgängliga.

I Wi-Fi-nätverk är MIMO-tekniken fast i standarderna IEEE 802.11n och IEEE 802.11ac och stöds redan av många enheter. Medan vi bevittnar ankomsten av 2x2 MIMO-teknik i 3G-4G-nätverket, sitter utvecklarna inte stilla. Redan nu utvecklas 64x64 MIMO-teknologier med smarta antenner som har ett adaptivt strålningsmönster. De där. om vi flyttar från soffan till fåtöljen eller går till köket kommer vår surfplatta att märka detta och vända det inbyggda antennmönstret åt rätt håll. Kommer någon att behöva den här sidan vid den tiden?

WiFi är ett varumärke för trådlösa nätverk baserat på IEEE 802.11-standarden. I vardagen använder trådlösa nätverksanvändare termen "WiFi-teknik", vilket betyder inte ett varumärke, utan IEEE 802.11-standarden.

WiFi-teknik gör att du kan distribuera ett nätverk utan att lägga en kabel, vilket minskar kostnaden för nätverksinstallation. Tack vare, där det är omöjligt att dra en kabel, till exempel utomhus och i byggnader av historiskt värde, kan betjänas av trådlösa nätverk.
I motsats till vad många tror om WiFis "skadlighet" är strålningen från WiFi-enheter vid tidpunkten för dataöverföring två storleksordningar (100 gånger) mindre än från en mobiltelefon.

MIMO - (English Multiple Input Multiple Output) - en dataöverföringsteknologi baserad på användningen av rumslig multiplexering för att samtidigt överföra flera informationsströmmar över en kanal, såväl som flervägsreflektion, vilket säkerställer leverans av varje informationsbit till lämplig mottagare med liten sannolikhet för störningar och dataförlust.

Löser problemet med ökad genomströmning

Med den intensiva utvecklingen av vissa högteknologier ökar kraven på andra. Denna princip påverkar direkt kommunikationssystem. Ett av de mest akuta problemen i moderna kommunikationssystem är behovet av att öka bandbredden och dataöverföringshastigheten. Det finns två traditionella sätt att öka genomströmningen genom att öka bandbredden och öka den utstrålade effekten.
Men på grund av kraven på biologisk och elektromagnetisk kompatibilitet införs restriktioner för att öka den utstrålade effekten och utöka frekvensbandet. Med sådana begränsningar gör problemet med brist på bandbredd och dataöverföringshastighet det nödvändigt att leta efter nya effektiva metoder för att lösa det. En av de mest effektiva metoderna är användningen av adaptiva antennuppsättningar med svagt korrelerade antennelement. MIMO-tekniken bygger på denna princip. Kommunikationssystem som använder denna teknik kallas MIMO-system (Multiple Input Multiple Output).

WiFi 802.11n-standarden är ett av de mest framträdande exemplen på användningen av MIMO-teknik. Enligt honom kan du hålla hastigheter upp till 300 Mbps. Dessutom tillät den tidigare standarden 802.11g att ge endast 50 Mbps. Förutom att öka datahastigheten, möjliggör den nya standarden, tack vare MIMO, även bättre kvalitet på tjänstens prestanda på platser med låg signalstyrka. 802.11n används inte bara i punkt/multipunkt (Point/Multipoint) system, den vanligaste nischen för att använda WiFi-teknik för att organisera ett LAN (Local Area Network), utan också för att organisera punkt/punkt-anslutningar som används för att organisera trunkkommunikation kanaler med en hastighet av flera hundra Mbps och gör att data kan överföras över tiotals kilometer (upp till 50 km).

WiMAX-standarden har också två utgåvor som ger användarna nya möjligheter med hjälp av MIMO-teknik. Den första, 802.16e, tillhandahåller mobila bredbandstjänster. Den låter dig överföra information med en hastighet på upp till 40 Mbps i riktning från basstationen till abonnentutrustningen. Men MIMO i 802.16e anses vara ett alternativ och används i den enklaste konfigurationen - 2x2. I nästa utgåva anses 802.16m MIMO vara en obligatorisk teknik, med en möjlig 4x4-konfiguration. I det här fallet kan WiMAX redan tillskrivas cellulära kommunikationssystem, nämligen deras fjärde generation (på grund av den höga dataöverföringshastigheten), eftersom har ett antal funktioner som är inneboende i mobilnät: roaming, handover, röstanslutningar. Vid mobilanvändning kan teoretiskt 100 Mbps uppnås. I den fasta versionen kan hastigheten nå 1 Gbps.

Av största intresse är användningen av MIMO-teknologi i cellulära kommunikationssystem. Denna teknik har funnit sin tillämpning sedan den tredje generationen av cellulära kommunikationssystem. Till exempel, i UMTS-standarden, i Rel. 6 används den tillsammans med HSPA-teknik med stöd för hastigheter upp till 20 Mbps, och i Rel. 7 - med HSPA+, där dataöverföringshastigheter når 40 Mbps. MIMO har dock inte hittat någon bred tillämpning i 3G-system.

System, nämligen LTE, ger också möjlighet att använda MIMO i konfigurationer upp till 8x8. Detta kan i teorin göra det möjligt att överföra data från basstationen till abonnenten över 300 Mbps. En viktig positiv punkt är också den stabila kvaliteten på anslutningen även vid kanten av cellen. I det här fallet, även på ett avsevärt avstånd från basstationen, eller när du är i ett avlägset rum, kommer endast en liten minskning av dataöverföringshastigheten att observeras.

Vi lever i den digitala revolutionens era, kära anonyma. Innan vi hann vänja oss vid lite ny teknik erbjuds vi redan från alla håll ännu nyare och mer avancerade. Och medan vi tynar i tankarna om den här tekniken verkligen kommer att hjälpa oss att få ett snabbare internet eller om vi bara blir lurade på pengar igen, utvecklar designers för närvarande en ännu nyare teknik som kommer att erbjudas oss istället för den nuvarande en på bara 2 år. Detta gäller även MIMO-antennteknik.

Det internationella konsortiet 3GPP håller på att utveckla standarder för 3G. Tabellen sammanfattar några av funktionerna i olika versioner av denna standard:

3G HSPA-hastighet och viktiga tekniska funktioner
3GPP-släpp	Teknologier	Nedlänkshastighet (MBPS)	Upplänkshastighet (MBPS)
Rel 6	HSPA	14.4	5.7
Rel 7	HSPA+ 5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk	28	11
Rel 8	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk	42	11
Rel 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk, 2x5MHz upplänk	84	23
Rel 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, 2x2 MIMO nedlänk, 2x5MHz upplänk	168	23
Rel 11	MC-HSPA+ 8x5 MHz 2x2/4x4 MIMO nedlänk, 2x5 MHz 2x2 MIMO upplänk	336 - 672	70

För MIMO behöver du och jag ett modem med två antenningångar och två antenner på taket. Frågan kvarstår dock om denna teknik stöds på basstationen. I 4G LTE- och WiMAX-standarderna är sådant stöd tillgängligt både på sidan av abonnentenheter och på basen. I 3G-nätet är inte allt så enkelt. Tusentals icke-MIMO-enheter fungerar redan på nätverket, för vilka införandet av denna teknik har motsatt effekt - nätverkets bandbredd minskar. Därför har operatörerna ännu inte bråttom att implementera MIMO överallt i 3G-nätverk. För att basen ska kunna förse abonnenterna med hög hastighet måste den själv ha goda transporter, d.v.s. ett "tjockt rör" ska anslutas till den, helst en optisk fiber, vilket inte heller alltid är fallet. Därför, i 3G-nätverk, är MIMO-tekniken för närvarande i sin linda och utveckling, som testas av både operatörer och användare, och de senare är inte alltid framgångsrika. Därför är det värt att fästa förhoppningar på MIMO-antenner endast i 4G-nätverk. Högförstärkningsantenner, såsom reflektorer, för vilka MIMO-matningar redan finns kommersiellt tillgängliga, kan användas vid kanten av en cells täckningsområde.

MIMO(Multiple Input Multiple Output - multiple input multiple output) är en teknik som används i trådlösa kommunikationssystem (WIFI, cellulära nätverk), som avsevärt kan förbättra systemets spektrala effektivitet, maximal dataöverföringshastighet och nätverkskapacitet. Det främsta sättet att uppnå ovanstående fördelar är att överföra data från källan till destinationen via flera radiolänkar, vilket är där tekniken har fått sitt namn ifrån. Tänk på bakgrunden till detta problem och bestäm huvudorsakerna som fungerade som en utbredd användning av MIMO-teknik.

Behovet av höghastighetsanslutningar som ger hög servicekvalitet (QoS) med hög feltolerans växer år för år. Detta underlättas till stor del av uppkomsten av sådana tjänster som VoIP (), VoD (), etc. De flesta trådlösa tekniker tillåter dock inte att ge abonnenter hög kvalitet på tjänsterna i utkanten av täckningsområdet. I cellulära och andra trådlösa kommunikationssystem sjunker kvaliteten på anslutningen, såväl som den tillgängliga datahastigheten, snabbt med avståndet från (BTS). Samtidigt sjunker också kvaliteten på tjänsterna, vilket i slutändan leder till omöjligheten att tillhandahålla realtidstjänster med hög kvalitet i hela nätets radiotäckning. För att lösa detta problem kan du försöka installera basstationerna så tätt som möjligt och organisera intern täckning på alla platser med låg signalnivå. Detta kommer dock att kräva betydande finansiella kostnader, vilket i slutändan kommer att leda till en ökning av kostnaderna för tjänsten och en minskad konkurrenskraft. För att lösa detta problem krävs alltså en originell innovation, som om möjligt använder det nuvarande frekvensområdet och inte kräver konstruktion av nya nätverksanläggningar.

Funktioner för utbredning av radiovågor

För att förstå principerna för MIMO-teknikens funktion är det nödvändigt att överväga de allmänna i rymden. Vågor som sänds ut av olika trådlösa radiosystem i området över 100 MHz beter sig på många sätt som ljusstrålar. När radiovågor stöter på en yta under fortplantningen, då, beroende på hindrets material och storlek, absorberas en del av energin, en del passerar igenom och resten reflekteras. Förhållandet mellan andelarna av de absorberade, reflekterade och överförda delarna av energin påverkas av många yttre faktorer, inklusive signalens frekvens. Dessutom kan de reflekterade och passerade signalenergierna ändra riktningen för deras vidare utbredning, och själva signalen är uppdelad i flera vågor.

Signalen som fortplantar sig enligt ovanstående lagar från källan till mottagaren, efter att ha träffats med många hinder, är uppdelad i många vågor, av vilka endast en del kommer att nå mottagaren. Var och en av de vågor som når mottagaren bildar en så kallad signalutbredningsbana. Dessutom, på grund av det faktum att olika vågor reflekteras från ett annat antal hinder och reser olika avstånd, har olika vägar olika.

I en tät stadsmiljö, på grund av ett stort antal hinder såsom byggnader, träd, bilar etc., är det mycket vanligt att det inte finns någon siktlinje mellan (MS) och basstations (BTS) antenner. I detta fall är det enda sättet att nå mottagarens signal genom reflekterade vågor. Som noterats ovan har emellertid den upprepade reflekterade signalen inte längre den initiala energin och kan komma fram med en fördröjning. En särskild svårighet skapas också av det faktum att föremål inte alltid förblir stationära och situationen kan förändras avsevärt över tiden. I detta avseende uppstår ett problem - ett av de mest betydande problemen i trådlösa kommunikationssystem.

Multipath propagation - ett problem eller en fördel?

För att bekämpa flervägssignalutbredning används flera olika lösningar. En av de vanligaste teknikerna är Receive Diversity -. Dess kärna ligger i det faktum att inte en, utan flera antenner (vanligtvis två, mindre ofta fyra) används för att ta emot signalen, som ligger på avstånd från varandra. Mottagaren har alltså inte en utan två kopior av den sända signalen, som kom på olika sätt. Detta gör det möjligt att samla in mer energi från den ursprungliga signalen, eftersom vågor som tas emot av en antenn kanske inte tas emot av en annan och vice versa. Signaler som kommer ur fas vid en antenn kan också anlända till den andra i fas. Detta radiogränssnittsorganisationsschema kan kallas Single Input Multiple Output (SIMO), i motsats till standardschemat för Single Input Single Output (SISO). Det omvända tillvägagångssättet kan också tillämpas: när flera antenner används för att sända och en för att ta emot. Detta ökar också den totala energin för den ursprungliga signalen som tas emot av mottagaren. Detta schema kallas Multiple Input Single Output (MISO). I båda systemen (SIMO och MISO) är flera antenner installerade på sidan av basstationen, eftersom det är svårt att implementera antenndiversitet i en mobil enhet över ett tillräckligt stort avstånd utan att öka dimensionerna på själva terminalutrustningen.

Som ett resultat av ytterligare resonemang kommer vi fram till MIMO-schemat (Multiple Input Multiple Output). I det här fallet är flera antenner installerade för sändning och mottagning. Emellertid, till skillnad från ovanstående scheman, tillåter detta diversitetsschema inte bara att hantera flervägssignalutbredning, utan också att erhålla några ytterligare fördelar. Genom att använda flera sändnings- och mottagarantenner kan varje sändar-/mottagningsantennpar tilldelas en separat väg för sändning av information. I detta fall kommer diversitetsmottagning att utföras av de återstående antennerna, och denna antenn kommer också att fungera som en extra antenn för andra överföringsvägar. Som ett resultat är det teoretiskt möjligt att öka datahastigheten med så många gånger så många ytterligare antenner kommer att användas. En betydande begränsning påläggs emellertid av kvaliteten på varje radioväg.

Hur MIMO fungerar

Som nämnts ovan kräver organisationen av MIMO-teknik installation av flera antenner på sändnings- och mottagningssidorna. Vanligtvis är lika många antenner installerade vid ingången och utgången av systemet, eftersom i detta fall uppnås den maximala dataöverföringshastigheten. För att visa antalet antenner vid mottagning och sändning, tillsammans med namnet på MIMO-tekniken, brukar beteckningen "AxB" nämnas, där A är antalet antenner vid systemets ingång och B är vid utgången. . Systemet avser i detta fall radioanslutningen.

För att MIMO-tekniken ska fungera krävs vissa förändringar i sändarens struktur jämfört med konventionella system. Låt oss bara överväga ett av de möjliga, enklaste sätten att organisera MIMO-teknik. Först och främst behövs en strömdelare på sändningssidan, som delar upp data som är avsedda för överföring i flera låghastighetssubströmmar, vars antal beror på antalet antenner. Till exempel, för MIMO 4x4 och en indatahastighet på 200 Mbps, skapar delaren 4 strömmar på 50 Mbps vardera. Vidare måste var och en av dessa strömmar sändas genom sin egen antenn. Vanligtvis är sändningsantenner uppsatta med viss rumslig separation för att tillåta så många falska signaler som möjligt som härrör från flervägar. På ett av de möjliga sätten att organisera MIMO-tekniken sänds signalen från varje antenn med olika polarisering, vilket gör det möjligt att identifiera den vid mottagning. I det enklaste fallet markeras dock var och en av de sända signalerna av själva överföringsmediet (tidsfördröjning och andra förvrängningar).

På mottagningssidan tar flera antenner emot en signal från radion. Dessutom är antennerna på mottagningssidan också installerade med viss rumslig diversitet, på grund av vilken diversitetsmottagningen som diskuterats tidigare tillhandahålls. De mottagna signalerna matas till mottagare, vars antal motsvarar antalet antenner och överföringsvägar. Dessutom tar var och en av mottagarna emot signaler från alla antenner i systemet. Var och en av dessa adderare extraherar från det totala flödet signalenergin för endast den väg som den är ansvarig för. Han gör detta antingen enligt något förutbestämt tecken på att var och en av signalerna var utrustade med, eller på grund av analysen av fördröjning, dämpning, fasförskjutning, d.v.s. en uppsättning förvrängningar eller "fingeravtryck" av distributionsmediet. Beroende på hur systemet fungerar (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC), etc.) kan den sända signalen upprepas efter en viss tid, eller sändas med en liten fördröjning genom andra antenner.

I ett system med MIMO-teknik kan ett ovanligt fenomen uppstå genom att datahastigheten i MIMO-systemet kan minska om det finns en siktlinje mellan signalkällan och mottagaren. Detta beror främst på en minskning av svårighetsgraden av förvrängningar i det omgivande utrymmet, vilket markerar var och en av signalerna. Som ett resultat blir det problematiskt på den mottagande sidan att separera signalerna, och de börjar påverka varandra. Ju högre kvalitet radioanslutningen har, desto mindre nytta kan man få av MIMO.

MIMO för flera användare (MU-MIMO)

Ovanstående princip för att organisera radiokommunikation hänvisar till den så kallade Single User MIMO (SU-MIMO), där det bara finns en sändare och mottagare av information. I det här fallet kan både sändaren och mottagaren tydligt samordna sina handlingar, och samtidigt finns det ingen överraskningsfaktor när nya användare kan dyka upp i luften. Ett sådant schema är ganska lämpligt för små system, till exempel för att organisera kommunikation på ett hemmakontor mellan två enheter. I sin tur är de flesta system, såsom WI-FI, WIMAX, cellulära kommunikationssystem fleranvändare, dvs. de har ett enda centrum och flera avlägsna objekt, med var och en av dem är det nödvändigt att organisera en radioanslutning. Således uppstår två problem: å ena sidan måste basstationen sända en signal till många abonnenter genom samma antennsystem (MIMO broadcast), och samtidigt ta emot en signal genom samma antenner från flera abonnenter (MIMO MAC - Multiple Access-kanaler).

I upplänksriktningen - från MS till BTS, sänder användare sin information samtidigt på samma frekvens. I detta fall uppstår en svårighet för basstationen: det är nödvändigt att separera signalerna från olika abonnenter. Ett möjligt sätt att hantera detta problem är också den linjära bearbetningsmetoden, som tillhandahåller en preliminär sänd signal. Den ursprungliga signalen, enligt denna metod, multipliceras med en matris, som är sammansatt av koefficienter som reflekterar störningar från andra abonnenter. Matrisen sammanställs baserat på den aktuella situationen i luften: antalet abonnenter, överföringshastigheter, etc. Sålunda, före sändning, utsätts signalen för distorsion omvänt till den som den möter under radiosändning.

I nedlänk - riktningen från BTS till MS, sänder basstationen signaler samtidigt på samma kanal till flera abonnenter samtidigt. Detta leder till att signalen som sänds för en abonnent påverkar mottagningen av alla andra signaler, d.v.s. störningar uppstår. Möjliga alternativ för att hantera detta problem är användningen eller tillämpningen av kodningsteknik för smutsigt papper ("smutsigt papper"). Låt oss ta en närmare titt på tekniken för smutsigt papper. Principen för dess funktion är baserad på analysen av radions nuvarande tillstånd och antalet aktiva abonnenter. Den enda (första) abonnenten sänder sina data till basstationen utan kodning och ändrar sina data pga. det finns ingen störning från andra abonnenter. Den andra abonnenten kommer att koda, dvs. ändra energin i sin signal för att inte störa den första och inte utsätta sin signal för påverkan från den första. Efterföljande abonnenter som läggs till systemet kommer också att följa denna princip, baserat på antalet aktiva abonnenter och effekten av de signaler de sänder.

Tillämpning av MIMO

MIMO-tekniken under det senaste decenniet är ett av de mest relevanta sätten att öka genomströmningen och kapaciteten hos trådlösa kommunikationssystem. Låt oss överväga några exempel på användning av MIMO i olika kommunikationssystem.

WiMAX-standarden har också två utgåvor som ger användarna nya möjligheter med hjälp av MIMO-teknik. Den första, 802.16e, tillhandahåller mobila bredbandstjänster. Den låter dig överföra information med en hastighet på upp till 40 Mbps i riktning från basstationen till abonnentutrustningen. Men MIMO i 802.16e anses vara ett alternativ och används i den enklaste konfigurationen - 2x2. I nästa utgåva anses 802.16m MIMO vara en obligatorisk teknik, med en möjlig 4x4-konfiguration. I det här fallet kan WiMAX redan tillskrivas cellulära kommunikationssystem, nämligen deras fjärde generation (på grund av den höga dataöverföringshastigheten), eftersom har ett antal funktioner som är inneboende i mobilnät: röstanslutningar. Vid mobilanvändning kan teoretiskt 100 Mbps uppnås. I den fasta versionen kan hastigheten nå 1 Gbps.

Av största intresse är användningen av MIMO-teknologi i cellulära kommunikationssystem. Denna teknik har funnit sin tillämpning sedan den tredje generationen av cellulära kommunikationssystem. Till exempel, i standarden, i Rel. 6 används den tillsammans med HSPA-teknik med stöd för hastigheter upp till 20 Mbps, och i Rel. 7 - med HSPA+, där dataöverföringshastigheter når 40 Mbps. MIMO har dock inte hittat någon bred tillämpning i 3G-system.

System, nämligen LTE, ger också möjlighet att använda MIMO i konfigurationer upp till 8x8. Detta kan i teorin göra det möjligt att överföra data från basstationen till abonnenten över 300 Mbps. En viktig positiv punkt är också den stabila kvaliteten på anslutningen även vid kanten. I det här fallet, även på ett avsevärt avstånd från basstationen, eller när du är i ett avlägset rum, kommer endast en liten minskning av dataöverföringshastigheten att observeras.

Således finner MIMO-teknik tillämpning i nästan alla trådlösa dataöverföringssystem. Och dess potential har inte förbrukats. Nya antennkonfigurationsalternativ utvecklas redan, upp till 64x64 MIMO. Detta kommer att göra det möjligt att uppnå ännu högre datahastigheter, nätverkskapacitet och spektral effektivitet i framtiden.

WiFi är ett varumärke för trådlösa nätverk baserat på IEEE 802.11-standarden. I vardagen använder trådlösa nätverksanvändare termen "WiFi-teknik" för att betyda icke-kommersiell...

27.08.2015

Säkert har många redan hört talas om tekniken MIMO, på senare år har det ofta förekommit i flygblad och affischer, särskilt i datorbutiker och tidningar. Men vad är MIMO (MIMO) och vad äts det med? Låt oss ta en närmare titt.

MIMO-teknik

MIMO (Multiple Input Multiple Output; flera ingångar, flera utgångar) är en metod för rumslig signalkodning som gör att du kan öka kanalbandbredden, där två eller flera antenner används för dataöverföring och samma antal antenner för mottagning. Sändnings- och mottagningsantennerna är åtskilda för att uppnå ett minimalt ömsesidigt inflytande på varandra mellan intilliggande antenner. MIMO-teknik används i trådlös kommunikation med Wi-Fi, WiMAX, LTE för att öka bandbredden och effektivare använda frekvensbandet. Faktum är att MIMO tillåter att mer data överförs i ett frekvensområde och en given frekvenskorridor, d.v.s. öka hastighet. Detta uppnås genom användning av flera sändnings- och mottagningsantenner.

Historien om MIMO

MIMO-tekniken kan tillskrivas en ganska ung utveckling. Dess historia börjar 1984, när det första patentet för användningen av denna teknik registrerades. Initial utveckling och forskning skedde i företaget Bell Laboratories, och 1996 företaget Airgo Networks släppte den första MIMO-kretsuppsättningen som kallas Riktigt MIMO. MIMO-tekniken utvecklades mest i början av 2000-talet, då trådlösa Wi-Fi-nätverk och 3G-mobilnätverk började utvecklas i snabb takt. Och nu används MIMO-teknik med kraft och kraft i 4G LTE-nätverk och Wi-Fi 802.11b/g/ac.

Vad ger MIMO-tekniken?

För slutanvändaren ger MIMO en betydande ökning av dataöverföringshastigheten. Beroende på utrustningens konfiguration och antalet använda antenner kan du få en dubbel, trefaldig och upp till åtta gånger hastighetsökning. Vanligtvis använder trådlösa nätverk samma antal sändnings- och mottagningsantenner, och detta skrivs till exempel som 2x2 eller 3x3. De där. om vi ser en MIMO 2x2-post så sänder två antenner en signal och två tar emot. Till exempel i Wi-Fi-standarden en 20 MHz bred kanal ger en genomströmning på 866 Mbps, medan i en 8x8 MIMO-konfiguration kombineras 8 kanaler, vilket ger en maxhastighet på cirka 7 Gbps. På samma sätt, i LTE MIMO - en potentiell ökning av hastigheten med flera gånger. För full användning av MIMO i LTE-nätverk är det nödvändigt att , eftersom som regel är inbyggda antenner inte tillräckligt åtskilda och har liten effekt. Och naturligtvis måste det finnas MIMO-stöd från basstationen.

Den MIMO-aktiverade LTE-antennen sänder och tar emot en signal i horisontella och vertikala plan. Detta kallas polarisering. En utmärkande egenskap hos MIMO-antenner är närvaron av två antennkontakter, och följaktligen användningen av två ledningar för att ansluta till ett modem / router.

Trots att många säger, och inte utan anledning, att MIMO-antennen för 4G LTE-nätverk faktiskt är två antenner i en, bör du inte tro att när du använder en sådan antenn kommer det att bli en dubbel ökning av hastigheten. Det kan bara vara så i teorin, men i praktiken överstiger inte skillnaden mellan en konventionell och en MIMO-antenn i ett 4G LTE-nätverk 20-25%. Men viktigare i det här fallet kommer den stabila signalen som en MIMO-antenn kan ge.

MIMO för flera användare är en integrerad del av 802.11ac-standarden. Men än så länge har det ännu inte funnits enheter som stöder en ny typ av multi-antennteknik. Tidigare generation 802.11 ac WLAN-routrar kallades Wave 1-utrustning. Det är först med Wave 2 som multi-user MIMO (MU-MIMO)-teknik introduceras, och denna andra våg av enheter ligger i framkant.

WLAN-standard	802.11b	802,11 g/a	802.11n	802.11ac	802.11ax*
Dataöverföringshastighet per ström, Mbps	11	54	150	866	minst 3500
Frekvensområde, GHz	2,4	2,4/5	2.4 och 5	5	mellan 1 och 6
Kanalbredd, MHz	20	20/20	20 och 40	20,40,80 eller 160	inte definierat ännu
Antennteknik		Enkel ingång Enkel utgång (en ingång - en utgång)	MIMO: Multiple Input Multiple Output		MIMO/MU-MIMO (MIMO-system för flera användare)
Maximalt antal rumslig	1	1	4	8	inte definierat ännu
Stöd för strålformningsteknik	□	□	■	■	■

■ ja □ nej

Eftersom fleranvändar-MIMO sänder en signal samtidigt till flera enheter, utökas överföringsprotokollet i enlighet därmed vad gäller bildandet av datablockhuvuden: istället för att sända flera rumsligt separerade strömmar för en klient, distribuerar multianvändar-MIMO överföringen för varje användare separat, samt kodning . Bandbreddsallokeringen och kodningen förblir densamma.

Enanvändare Om fyra enheter delar samma WLAN, sänder en 4×4:4 MIMO-router fyra rumsliga dataströmmar, men alltid bara till samma enhet. Enheter och prylar servas växelvis. Multi User Med stöd för Multi User MIMO (Multi User MIMO) finns det ingen kö med enheter som väntar på att få tillgång till WLAN-routerns resurser. Bärbar dator, surfplatta, telefon och TV förses med data samtidigt.

WLAN-nätverket är som en trafikerad motorväg: beroende på tid på dygnet är surfplattor, smartphones, TV-apparater och spelkonsoler anslutna till denna rörelse förutom PC och bärbara datorer. Det genomsnittliga hushållet har mer än fem enheter anslutna till internet via WLAN, och antalet växer hela tiden. Med hastigheten på 11 Mbps, som tillhandahålls under huvudstandarden IEEE 802.11b, kräver surfning på webben och nedladdning av data mycket tålamod, eftersom routern bara kan anslutas till en enhet åt gången. Om radioanslutningen används av tre enheter samtidigt, får varje klient bara en tredjedel av kommunikationssessionens varaktighet och två tredjedelar av tiden går åt till att vänta. Medan de senaste IEEE 802.11ac WLAN ger datahastigheter upp till 1 Gbps, har de också problemet med hastighetssänkningar på grund av köbildning. Men redan nästa generations enheter (802.11ac Wave 2) lovar högre prestanda för radionätverk med flera aktiva enheter.

För att bättre förstå kärnan i innovation bör du först komma ihåg vilka förändringar som har skett med WLAN-nätverk under den senaste tiden. En av de mest effektiva metoderna för att öka datahastigheten, från och med IEEE 802.1In-standarden, är MIMO-teknologi (Multiple Input Multiple Output: multi-channel input - multi-channel output). Det innebär användning av flera radioantenner för parallell överföring av dataströmmar. Om till exempel en videofil sänds över ett WLAN och en MIMO-router med tre antenner används, kommer varje sändare helst (om mottagaren har tre antenner) att skicka en tredjedel av filen.

Stigande kostnader för varje antenn

I IEEE 802.11n-standarden når den maximala datahastigheten för varje enskild ström, tillsammans med overhead, 150 Mbps. Enheter med fyra antenner kan alltså överföra data med upp till 600 Mbps. Den nuvarande IEEE 802.11ac-standarden kommer teoretiskt ut på cirka 6900 Mbps. Förutom breda radiokanaler och förbättrad modulering ger den nya standarden användning av upp till åtta MIMO-strömmar.

Men att bara öka antalet antenner garanterar inte multipel acceleration av dataöverföringen. Omvänt, med fyra antenner, ökar mängden overhead kraftigt, och processen att upptäcka radiokollisioner blir också dyrare. För att motivera användningen av fler antenner fortsätter MIMO-tekniken att förbättras. För distinktionens skull är det mer korrekt att kalla det tidigare MIMO single-user MIMO (Single User MIMO). Även om det ger samtidig överföring av flera rumsliga strömmar, som nämnts tidigare, men alltid bara på en adress. En sådan nackdel elimineras nu med hjälp av MIMO för flera användare. Med denna teknik kan WLAN-routrar samtidigt sända en signal till fyra klienter. En enhet med åtta antenner kan till exempel använda fyra för att tillhandahålla en bärbar dator och parallellt med hjälp av två andra - en surfplatta och en smartphone.

MIMO - exakt riktningssignal

För att en router ska kunna skicka WLAN-paket till olika klienter samtidigt måste den veta var klienterna finns. För att göra detta skickas först och främst testpaket i alla riktningar. Klienter svarar på dessa paket och basstationen lagrar signalstyrkedata. Beamforming-teknologi är en av de viktigaste medhjälparna till MU MIMO. Även om det redan stöds av IEEE 802.11n-standarden, har det förbättrats i IEEE 802.11ac. Dess kärna handlar om att fastställa den optimala riktningen för att skicka en radiosignal till klienter. Basstationen ställer specifikt in för varje radiosignal den optimala riktningen för den sändande antennen. För fleranvändarläge är det särskilt viktigt att hitta den optimala signalvägen, eftersom att ändra platsen för endast en klient kan ändra alla överföringsvägar och störa genomströmningen av hela WLAN-nätverket. Därför utförs en kanalanalys var 10:e ms.

Som jämförelse analyserar enanvändar-MIMO endast var 100:e ms. MIMO för flera användare kan betjäna fyra klienter samtidigt, där varje klient tar emot upp till fyra dataströmmar parallellt, för totalt 16 strömmar. Denna MIMO för flera användare kräver nya WLAN-routrar när behovet av processorkraft växer.

Ett av de största problemen i MIMO för flera användare är klient-till-klient-interferens. Även om kanalstockningar ofta mäts, är detta inte tillräckligt. Vid behov prioriteras vissa ramar, medan andra tvärtom följs. För att göra detta använder 802.11ac olika köer som bearbetas i olika takt beroende på typen av datapaket, vilket ger företräde åt till exempel videopaket.