MIMO szybsza sieć WiFi

Przed technologią WiFi trudne zadanie sprostania wyzwaniom stawianym przez coraz nowocześniejsze połączenia kablowe. Najnowsza sieć bezprzewodowa powinna umożliwiać nie tylko szybki dostęp do Internetu. Dziś użytkownik oczekuje obsługi aplikacji wrażliwych na opóźnienia, a jutro transmisji strumieni HDTV.

Przed technologią WiFi trudne zadanie sprostania wyzwaniom stawianym przez coraz nowocześniejsze połączenia kablowe. Najnowsza sieć bezprzewodowa powinna umożliwiać nie tylko szybki dostęp do Internetu. Dziś użytkownik oczekuje obsługi aplikacji wrażliwych na opóźnienia, a jutro transmisji strumieni .

Idealnym rozwiązaniem byłby wydajniejszy, odporniejszy na zakłócenia i interferencje sygnał, ale wykorzystujący zakres częstotliwości przynależny do obecnych technologii. Pomimo ograniczeń związanych z dostępnym pasmem częstotliwości gra jest warta świeczki. W jakim kierunku rozwijać się będzie WiFi? Odpowiedź na postawione pytanie brzmi - MIMO (Multiple Input Multiple Output). Rozwiązanie to jest kluczowym elementem standardu 802.11n, znacząco zwiększającym wydajność istniejących sieci 802.11a/b/g.

Historia MIMO

Efekt nakładania się fal

Efekt nakładania się fal

Pionier techniki bezprzewodowej Guglielmo Marconi zaprezentował przypadek rozchodzenia się fal radiowych wieloma drogami. Zjawisko takie występuje, gdy sygnał wysyłany z nadajnika odbija się od obiektów w środowisku i dociera z wielu różnych dróg do odbiornika. Sygnał docierał do odbiornika z różnym odstępem czasowym, przesunięty w fazie. Zadaniem odbiornika było określenie, który sygnał jest prawidłowy, a który stanowi szum. Wynikiem doświadczeń był także efekt nakładania się fal. Nakładanie się fal może być zjawiskiem szkodliwym. Jeżeli dwie fale o dowolnej amplitudzie zostaną przesunięte w fazie, może to spowodować tłumienie sygnału, do zaniku włącznie. W takim przypadku nawet urządzenia umieszczone blisko siebie mogą mieć trudności z komunikacją.

Jednym z pierwszych twórców bezprzewodowej komunikacji MIMO był Jack Winters z Bell Laboratories, który przedstawił podstawy techniki w 1984 r. Pionier MIMO opisał sposób wysyłania danych przez wielu użytkowników na tym samym kanale częstotliwościowym/czasowym, przy użyciu wielu anten nadawczych i odbiorczych.

W roku 1990 Greg Raleigh i VK Jones ponownie zaprezentowali zjawisko rozchodzenia się fal radiowych wieloma drogami (multipath). Zaskoczyli jednak wszystkich oryginalnym pomysłem. Naukowcy udowodnili, że sygnał multipath może zostać użyty do wielokrotnego zwiększenia wydajności systemu radiowego. Można osiągnąć ten cel, używając wielu nadajników i odbiorników oraz anten przyłączonych do każdego z nich.

Przy użyciu statystycznych algorytmów oraz dzięki inteligentnemu powiązaniu odbieranych danych udało się zwiększyć zasięg i przepustowość. Jednak nie przez łączenie kanałów, efekt ten uzyskano wykorzystując pojedynczy kanał 802.11.

W tej technice sygnał jest wysyłany jednocześnie przez kilka anten. W powietrzu zachowuje się on jak wirtualna wiązka przewodów. Ta wiązka przewodów, w którą zmienia się system bezprzewodowy, jest nieszczelna, co powoduje wzajemne nakładanie się sygnału. Odbiornik MIMO używa jednak matematycznych algorytmów do odebrania i odtworzenia transmitowanego sygnału.

Jak działa MIMO?

Zasada działania MIMO

Zasada działania MIMO

W technologii MIMO "wielokrotne wyjście" to urządzenie WiFi wysyłające dwa lub więcej sygnałów radiowych jednocześnie przy użyciu kilku anten. "Wielokrotne wejście" oznacza dwa lub więcej sygnałów radiowych odbieranych przez wiele anten. Zasada działania MIMO jest prosta: większa liczba anten potrafi odbierać oraz wysyłać większą ilość danych. W rzeczywistości MIMO jest trochę bardziej skomplikowane.

Każda z dróg sygnału może być traktowana jako odizolowany kanał tworzący wirtualny przewód, przez który wysyłamy sygnały. MIMO używa kilku przestrzennie rozmieszczonych anten w celu stworzenia zaawansowanych wirtualnych przewodów. W wyniku utworzenia wielu ścieżek sygnałów, mamy możliwość wysyłania większej ilości danych. W rezultacie zwielokrotniamy przepustowość. Przy użyciu MIMO maksymalny transfer danych rośnie liniowo, wraz z ilością strumieni danych, które wysyłane są na tej samej częstotliwości. Zwiększany jest także zasięg. Algorytm przesunięcia fazowego pozwala nadajnikowi sterować antenami w sposób, który kieruje większość mocy radia do docelowego odbiornika.

Istnieje więc możliwość zwiększenia efektywnie transmitowanej mocy poprzez zwiększenie liczby anten nadawczych. Ponieważ istnieje wiele sygnałów, a każdy jest wysyłany z innego układu radiowo-antenowego, sygnały MIMO są czasami nazywane wielowymiarowymi strumieniami. Konwencjonalne sygnały radiowe są określane jako jednowymiarowe, ponieważ wysyłają tylko jeden strumień danych przez kanał radiowy nawet, gdy używa się wielu anten.

Wybór lepszego sygnału

Wybór lepszego sygnału

Wielokrotne odbiorniki nie tylko zwiększają moc odbioru, ale także redukują problem wielu dróg docierającego sygnału. W środowisku propagacji sygnał przechodzi i odbija się od znanych obiektów, tak że w różny sposób dociera do anten odbiorczych. Niektóre częstotliwości są tłumione na danej antenie, ale nietłumione na innej. Poprzez kombinację sygnałów odbieranych z anten maksymalna odbierana moc sygnału zwiększa się.

Odbiornik z anteną różnicową wybiera jedną antenę, która dostarcza sygnał możliwie najlepszej wydajności i ignoruje pozostałe. Jest możliwe zaimplementowanie techniki wykorzystującej tablicę anten z kontrolnym algorytmem, który w danym momencie wybierze antenę, opierając się na obliczonych kryteriach wydajności. System może używać tej formy anteny różnicowej tak jak prostej anteny, w celu kombinacyjnego sterowania maksymalnym poziomem sygnału.

Proces formowania wiązki w nadajniku może dostosowywać się do charakterystyki częstotliwości kanału transmisyjnego. Jeżeli system formujący wiązkę odbierze jeden pakiet z docelowego urządzenia, poznaje możliwości kanału. System formujący wyrównuje fazę sygnałów wysyłanych z dwu anten, tak że tworzy idealną wiązkę dla anteny odbiorczej. Taka technika redukuje efekty odbić fal, nawet jeżeli odbiornikiem nie jest urządzenie MIMO.

Rynkowe odmiany MIMO

Obecnie rynek MIMO można podzielić na trzy obozy związane z producentami układów wspierających technologię. Są to Airgo, Atheros, Video54. Ostatnio do czołówki dołączył także Broadcom. Specyfikacja 802.11n będzie zakładała, że MIMO używa kilku anten i układów radiowych do transmisji danych na jednej częstotliwości. Airgo pozostaje przy założeniu, że MIMO to przede wszystkim specyficzny rodzaj multipleksacji. Atheros twierdzi, że multipleksacja jest tylko opcją.

Firma Airgo Networks została założona przez Grega Raleigha, twórcę podstaw naukowych MIMO. Chipset Airgo, określany handlową nazwą True-MIMO, używa kilku torów radiowych połączonych z antenami służącymi do nadawania oraz odbierania sygnału. Zwiększenie przepływności polega na użyciu specyficznej multipleksacji wysyłanego sygnału. Sygnał odbierany jest poddawany statystycznej obróbce przy użyciu specyficznych algorytmów. True-MIMO używa tylko jednego kanału radiowego.

Z produktu Airgo korzysta m.in. Linksys (technologia SRX) i Belkin. Efektywnie uzyskiwana prędkość może wynosić do 108 mb/s.

Zasada działania TrueMIMO

Zasada działania TrueMIMO

System TrueMIMO dzieli dane na wiele unikalnych strumieni. Każdy z nich jest modulowany, a następnie transmitowany przez kilka układów radiowych skojarzonych z antenami. Proces ten dla każdego strumienia jest dokonywany w tym samym czasie i na identycznym kanale częstotliwości. Fale rozchodzące się wieloma drogami oraz odbicia sygnału są odbierane jako linearna kombinacja wielu strumieni danych. Główne bloki przetwarzające w nadajniku TrueMIMO spełniają funkcje cyfrowe (multipleksacja sygnału) oraz analogowe.

Nadajnik ma dwie anteny transmisyjne z dwoma identycznymi konwerterami cyfrowo-analogowymi, modulatorami analogowymi, wzmacniaczami mocy. Strumienie danych są odseparowane na odbiorniku przy użyciu algorytmów statystycznych. W rzeczywistości proces ten opiera się na ściśle określonej współpracy pomiędzy każdym nadajnikiem oraz każdym odbiornikiem. Taki schemat nazywamy multipleksacją przestrzenną (spatial multiplexing), ponieważ jeden strumień danych jest multipleksowany pomiędzy wiele nadających anten i wysyłany przez odseparowane przestrzennie kanały. Odbiornik następnie demultipleksuje przestrzenne strumienie w celu odzyskania oryginalnego sygnału.