MIMO-технологія (Multiple Input Multiple Output) — метод просторового кодування сигналу

MIMO (Multiple Input Multiple Output, багатоканальний вхід – багатоканальний вихід) – метод скоординованого використання кількох радіоантен в бездротових мережевих комунікаціях, поширений в сучасних домашніх широкосмугових маршрутизаторів і в мережах стільникового зв'язку LTE і WiMAX.

Як це працює?

Маршрутизатор Wi-Fi з MIMO-технологією використовують ті ж мережеві протоколи, що і звичайні одноканальні. Вони забезпечують більш високу продуктивність за рахунок підвищення ефективності передачі та прийому даних по лінії бездротового зв'язку. Зокрема, мережевий трафік між клієнтами і маршрутизатором організується в окремі потоки, які передаються паралельно, з подальшим їх відновленням пристроєм.


Технологія MIMO може збільшити пропускну здатність, діапазон і надійність передачі при високий ризик перешкод з боку іншого бездротового обладнання.

Застосування в мережах Wi-Fi

Технологія MIMO включена в стандарт з версії 80211 n. Її використання підвищує продуктивність і доступність мережевих з'єднань у порівнянні з звичайними маршрутизаторами. Кількість антен може змінюватись. Наприклад, MIMO 2x2 передбачає наявність двох антен і двох передавачів, здатних здійснювати прийом і передачу по двох каналах. Щоб скористатися цією технологією і реалізувати її переваги, клієнтський пристрій і маршрутизатор повинні встановити між собою MIMO-з'єднання. У документації до використовуваного устаткування повинно бути зазначено, чи підтримує вона таку можливість. Іншого простого способу перевірити, чи застосовується в мережевому з'єднанні дана технологія, немає.

SU-MIMO і MU-MIMO

Перше покоління технології, представлене в стандарті 80211 n, підтримувало однокористувацький (SU) метод. У порівнянні з традиційними рішеннями, коли всі антени маршрутизатора повинні координуватися для зв'язку з одним клієнтським пристроєм, SU-MIMO дозволяє розподіляти кожну з них між різним устаткуванням. Багатокористувацька (MU) технологія MIMO була створена для використання в мережах Wi-Fi 80211 ac на частоті 5 ГГц. Якщо попередній стандарт вимагав, щоб маршрутизатори управляли своїми клієнтськими з'єднаннями по черзі (по одному за раз), антени MU-MIMO можуть забезпечувати зв'язок з декількома клієнтами паралельно. Багатокористувацький метод покращує продуктивність сполук. Однак навіть якщо маршрутизатор 80211 ac має необхідну апаратну підтримку технології MIMO, є й інші обмеження: підтримується обмежена кількість одночасних клієнтських підключень (2-4) в залежності від конфігурації антени; координація антен забезпечується тільки в одному напрямку – від маршрутизатора до клієнта.

MIMO і стільниковий зв'язок

Технологія використовується в різних типи бездротових мереж. Вона все частіше знаходить застосування в стільникового зв'язку (4G і 5G) в кількох формах: Network MIMO – координована передача сигналу між базовими станціями; Massive MIMO – використання великої кількості (сотень) антен; міліметрові хвилі – задіяння надвисокочастотних смуг, у яких пропускна здатність більше, ніж у діапазонах, ліцензованих для 3G і 4G.

Мережева технологія

Щоб зрозуміти, як працює MU-MIMO, слід розглянути, як обробляє пакети даних традиційний бездротової маршрутизатор. Він добре справляється з відправкою і прийомом даних, але тільки в одному напрямку. Іншими словами, він може підтримувати комунікацію тільки з одним пристроєм одночасно. Наприклад, якщо відео завантажується, то не можна в той же час транслювати на консоль онлайн-відеогру.
Користувач може запустити декілька пристроїв в мережі Wi-Fi, і маршрутизатор дуже швидко по черзі переправляє до них біти даних. Однак в один і той же час він може звертатися тільки до одного пристрою, що є основною причиною зниження якості з'єднання, якщо пропускна спроможність Wi-Fi занадто низька. Оскільки це працює, то увагу на себе звертає мало. Тим не менш ефективність роботи маршрутизатора, який передає дані на кілька пристроїв одночасно, можна підвищити. При цьому він стане працювати швидше і забезпечить більш цікаві мережеві конфігурації. Ось чому з'явилися розробки, подібні MU-MIMO, які в кінцевому підсумку були включені в сучасні стандарти бездротового зв'язку. Ці розробки дозволяють передовим маршрутизаторам взаємодіяти відразу з декількома пристроями.

Коротка історія: SU проти MU

Одно - і багатокористувацькі MIMO являють собою різні способи комунікації маршрутизаторів з декількома пристроями. Перший з них старше. Стандарт SU дозволяв надсилання та отримання даних відразу по декількох потоків в залежності від наявної кількості антен, кожна з яких могла працювати з різними пристроями. SU був включений в оновлення 80211 n 2007 року і почав поступово впроваджуватися нові лінійки продуктів. Однак у SU-MIMO були обмеження на додаток до вимог до антени. Хоча може бути підключено кілька пристроїв, вони як і раніше мають справу з маршрутизатором, який може працювати тільки з одним за раз. Швидкість передачі даних збільшилася, перешкоди стали меншою проблемою, але можливостей для покращення залишилося багато.
MU-MIMO є стандартом, який розвинувся з SU-MIMO і SDMA (множинного доступу з просторовим розділенням каналів). Технологія дозволяє базової станції взаємодіяти з декількома пристроями, використовуючи окремий потік для кожного з них, як ніби всі вони мають свій власний маршрутизатор. В кінцевому підсумку підтримка MU була додана в оновлення стандарту 80211 ac в 2013 р. Після декількох років розробок виробники почали включати цю функцію в свої продукти.

Переваги MU-MIMO

Це захоплююча технологія, оскільки вона справляє помітний вплив на повсякденне використання Wi-Fi без прямого зміни пропускної здатності або інших ключових параметрів бездротового з'єднання. Мережі стають набагато ефективніше. Для забезпечення стабільного з'єднання з ноутбуком, телефоном, планшетом або комп'ютером стандарт не вимагає наявності у маршрутизатора декількох антен. Кожен такий пристрій може не ділитися своїм каналом MIMO з іншими. Це особливо помітно при потокової передачі відео або виконанні інших складних завдань. Швидкість роботи в Інтернеті суб'єктивно підвищується, і з'єднання встановлюється надійніше, хоча насправді стає більш розумною організація мережі. Також підвищується кількість одночасно обслуговуваних пристроїв.

Обмеження MU-MIMO

Мережева технологія множинного доступу має і ряд обмежень, про які варто згадати. Існуючі стандарти підтримують 4 пристрою, але дозволяють додати більше, і їм доведеться ділитися потоком, що повертає до проблем SU-MIMO. Технологія в основному використовується в низхідних каналах зв'язку і обмежена, коли справа доходить до вихідних. Крім того, маршрутизатор MU-MIMO повинен мати більше інформації про пристрої і стан каналів, ніж вимагали попередні стандарти. Це ускладнює управління і усунення неполадок в бездротових мережах. MU-MIMO також є спрямованої технологією. Це означає, що 2 пристрої, розташовані поруч, не можуть одночасно використовувати різні канали. Наприклад, якщо чоловік дивиться онлайн-трансляцію по телевізору, а поруч його дружина передає гру PS4 на свою Vita через Remote Play, їм все одно доведеться ділитися пропускною здатністю. Маршрутизатор може надавати дискретні потоки тільки для пристроїв, які розташовані в різних напрямках.

Massive MIMO

По мірі просування у бік бездротових мереж п'ятого покоління (5G) зростання кількості смартфонів і нових застосувань привів до 100-кратного збільшення їх необхідної пропускної здатності в порівнянні з LTE. Нова технологія Massive MIMO, якої в останні роки приділяється багато уваги, покликана значно збільшити показники ефективності телекомунікаційних мереж до безпрецедентних рівнів. При дефіциті й дорожнечі доступних ресурсів операторів приваблює можливість збільшити пропускну здатність у смугах частот нижче 6 ГГц. Незважаючи на значний прогрес, Massive MIMO далекий від досконалості. Технологія, як і раніше, активно досліджується як в академічних колах, так і в промисловості, де інженери прагнуть досягти теоретичних результатів за допомогою комерційно прийнятних рішень. Massive MIMO може допомогти у вирішенні двох ключових проблем – пропускної здатності і охоплення. Для операторів мобільного зв'язку частотний діапазон залишається дефіцитним і відносно дорогим ресурсом, але є ключовою умовою для підвищення швидкості передачі сигналу. У містах інтервал між базовими станціями обумовлений пропускною здатністю, а не охопленням, що вимагає розгортання великої їх кількості і призводить до додаткових витрат. Massive MIMO дозволяє збільшити ємність вже існуючої мережі. В областях, де розгортання базових станцій обумовлено охопленням, технологія дозволяє збільшити радіус їх дії.

Концепція

Massive MIMO кардинально змінює поточну практику, використовуючи дуже велика кількість когерентно і адаптивно працюючих сервісних антен 4G (сотні або тисячі). Це допомагає фокусувати передачу і прийом енергії сигналу в менших областях простору, значно покращуючи продуктивність і енергоефективність, особливо в поєднанні з одночасним плануванням великої кількості користувальницьких терміналів (десятків або сотень). Метод спочатку передбачався для дуплексної передачі з тимчасовим розділенням (TDD), але потенційно може застосовуватися також в режимі дуплексного (PDD) частотного розподілу.

Технологія MIMO: переваги і недоліки

Перевагами методу є широке використання недорогих малопотужних компонентів, зниження латентності, спрощення рівня управління доступом (MAC), стійкість до випадковим і навмисним перешкод. Очікувана пропускна здатність залежить від середовища розповсюдження, що забезпечує асимптотично ортогональні канали до терміналів, і експерименти досі не виявили ніяких обмежень в цьому відношенні. Однак разом з усуненням багатьох проблем з'являються нові, що вимагають невідкладного рішення. Наприклад, в системах MIMO необхідно забезпечити ефективну спільну роботу безлічі недорогих компонентів малої точності, збирати дані про стан каналу і розподіляти ресурси для знову підключених терміналів. Також потрібно використовувати додаткові ступені свободи, забезпечувані надлишком сервісних антен, знизити внутрішнє енергоспоживання для досягнення загальної енергоефективності та знайти нові сценарії розгортання. Зростання кількості 4G-антен, які беруть участь у реалізації MIMO, зазвичай вимагає відвідування кожної базової станції для зміни конфігурації і проводки. Початкове розгортання мереж LTE зажадало установки нового обладнання. Це дало можливість провести конфігурацію MIMO 2x2 вихідного стандарту LTE. Подальші зміни базових станцій виробляються тільки в крайніх випадках, а реалізації більш високого порядку залежать від операційного середовища. Ще одна проблема полягає в тому, що операція MIMO призводить до зовсім іншої поведінки в мережі, ніж попередні системи, що створює деяку невизначеність планування. Тому оператори схильні спочатку використовувати інші розробки, особливо якщо вони можуть бути повернуті шляхом оновлення програмного забезпечення.