N jak nadzieja

Podstawowym założeniem MIMO jest jednoczesne wykorzystanie kilku odbiorników i nadajników (pracujących na jednym zakresie częstotliwości) dla podniesienia jakości odbieranego sygnału. Stosuje się w tym celu kilka technik.

Pierwszą z nich jest formowanie wiązki (transmit beamforming), realizowane przez nadajnik. Technika ta wykorzystuje zjawisko interferencji między sygnałami radiowymi - łatwo sobie wyobrazić, że nakładające się na siebie fale radiowe o tej samej częstotliwości mogą się wzmacniać ("interferencja konstruktywna", jeżeli są zgodne w fazie) lub wzajemnie tłumić ("interferencja destruktywna", gdy ich faza jest przesunięta).

Przy odpowiedniej synchronizacji sygnału nadawanego z dwóch anten można zatem uzyskać "złożenie" sygnałów w konkretnym miejscu w przestrzeni. Jeżeli tym miejscem jest antena odbiornika - jakość sygnału może się istotnie poprawić. Technika ta - ze względu na złożoność procesu synchronizacji wiązek - jest w praktyce stosowana głównie dla klientów z pojedynczą anteną odbiorczą i w środowiskach z niewielką liczbą przeszkód, utrudniających "składanie" sygnałów. Nie jest też oczywiście łatwa bez informacji "z drugiej strony" - nadajnik musi dysponować informacją zwrotną, umożliwiającą synchronizację sygnałów (a taką informację mogą przesłać tylko odbiorniki zgodne z 802.11n). Uwzględniając niewielką długość fali radiowej (120 mm dla zakresu 2,4 GHz i 55 mm dla 5 GHz), jasne jest także, że czas ważności tej informacji jest niewielki, a wszelkie zmiany w środowisku (np. przemieszczanie się klienta) powodują konieczność rewalidacji parametrów. Poza tym technika ta nie może być wykorzystana do transmisji ruchu rozgłoszeniowego czy multicast (bowiem skupia się na optymalizacji transmisji do konkretnego odbiornika). Formowanie wiązki pozwala w określonych warunkach istotnie zwiększyć odległość między punktem dostępowym a klientem z zachowaniem wyższej prędkości transmisji (jednak nie pozwala na zwiększenie zasięgu tegoż punktu).

Druga z technik wchodzących w skład MIMO wykorzystuje zjawisko wielotorowości sygnałów radiowych i nosi nazwę multipleksacji przestrzennej (spatial multiplexing). W typowych środowiskach, w jakich wdrażane są sieci WLAN, sygnał radiowy bardzo rzadko obiera najkrótszą drogę pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Głównym powodem tego są różne przeszkody (ściany, meble, drzwi, elementy konstrukcyjne), często przesłaniające linię widoczności pomiędzy nimi. Jednocześnie wszystkie te elementy zawierają liczne fragmenty odbijające sygnał radiowy. Wracając do analogii z lampką - nawet jeżeli okno sąsiada nie znajduje się w zasięgu naszego wzroku, ale za to wszystkie rzeczy w naszym otoczeniu zawierają lusterka, to światło generowane przez żarówkę będzie do naszych oczu docierało, odbijając się w tychże zwierciadłach. Ba - będziemy je widzieć w niejednym z nich (często wielokrotnie odbite). To zjawisko nazywamy właśnie wielotorowością sygnału.

Kiedy wiązka radiowa biegnie do odbiornika różnymi drogami, czas jej przybycia (a w efekcie przesunięcie fazowe sygnału) zależy od drogi, jaką przebyła. Na początku "zjawi się" wiązka bezpośrednia, za nią kolejne kopie (echo) sygnału. Różnice w czasie będą oczywiście niewielkie (sygnał ma prędkość zbliżoną do prędkości światła, co daje różnice na poziomie pojedynczych nanosekund), ale wystarczające do zaistnienia interferencji i istotnej degradacji jakości odbieranego sygnału. Zjawisko wielotorowości było dotąd (dla 802.11a/b/g) dużym problemem - MIMO przekształca je w zaletę. Wykorzystując kilka równolegle działających nadajników i anten, transmitowanych jest wiele sygnałów - każdy z nich nosi nazwę strumienia przestrzennego (spatial stream). Ponieważ każda antena ma nieco inne położenie, każdy sygnał biegnie trochę inną drogą (zjawisko dywersyfikacji przestrzennej - spatial diversity). Stacja docelowa jest również wyposażona w kilka równolegle działających anten i odbiorników. Każdy z nich, niezależnie od pozostałych, przetwarza odebrane sygnały, a wyniki są między sobą korelowane (z wykorzystaniem bardzo złożonych algorytmów matematycznych). W rezultacie uzyskiwany jest sygnał o znacznie wyższej jakości (SNR) w porównaniu z odbiornikiem z pojedynczą anteną czy nawet z formowaniem wiązki.

Dodatkowym mechanizmem wykorzystywanym przez MIMO jest możliwość jednoczesnej transmisji poszczególnych części wiadomości w różnych strumieniach przestrzennych. Każdy system wykorzystujący MIMO jest oznaczany dwoma tajemniczymi cyferkami z "x" w środku - np. 1x2 czy 3x3. Oznaczają one liczbę nadajników (pierwsza cyfra) i odbiorników (druga). 802.11n definiuje pewną ilość kombinacji, począwszy od 2x1 (realizującym formowanie wiązki), a kończąc na 4x4. Wzrost SNR jest oczywiście zależny od liczby użytych nadajników i odbiorników, aczkolwiek nie liniowo - różnice są bardzo duże przy przejściu z 2x1 na 2x2 i potem na 2x3. Kolejne elementy oczywiście poprawiają wydajność, ale już znacznie mniej spektakularnie.

Łączenie kanałów i nowe schematy modulacyjne

Poza wykorzystaniem MIMO, 802.11n wprowadza kilka modyfikacji sposobu wykorzystania pasma radiowego - głównie umożliwiając nieco inny podział zakresów częstotliwości na kanały oraz nowe techniki modulacyjne.

Sieci Wi-Fi wykorzystują dwa zakresy częstotliwości radiowych:

• 2,4 GHz (a dokładniej od 2,4 do 2,4835 GHz), z trzema niepokrywającymi się kanałami, każdy o szerokości 20 MHz,
• 5 GHz (a dokładniej trzy zakresy: 5,150 - 5,250; 5,250 - 5,350 oraz 5,470 - 5,725 GHz), udostępniające już kilkanaście nienakładających się kanałów o szerokości 20 MHz każdy.

Podane zakresy dotyczą rynku polskiego, zgodnie z "Rozporządzeniem Ministra Transportu z dnia 3 lipca 2007 w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego". Zakresy dostępne w innych krajach mogą być odmienne.

Każda używana w sieciach radiowych technika modulacji i kodowania odznacza się określoną tzw. efektywnością spektralną (spectral efficiency), określającą w skrócie ilość danych, jaką da się przesłać, mając do dyspozycji określony zakres częstotliwości. Efektywność protokołów 802.11a i 802.11g pozwala na uzyskanie prędkości wynoszącej 54 Mb/s z użyciem pojedynczego kanału 20 MHz. Od dłuższego czasu na rynku dostępne są (niestandardowe) rozwiązania radiowe, umożliwiające uzyskanie prędkości 108 Mb/s. Używają one tych samych technik modulacyjnych co 802.11a/g, a wzrost wydajności uzyskują poprzez połączenie dwóch kanałów. Podobny pomysł został zaadaptowany na potrzeby standardu 802.11n - możliwe jest zastosowanie kanału o szerokości 40 MHz, powstałego w wyniku połączenia dwóch sąsiadujących kanałów 20 MHz (channel bonding).