MU-MIMO

Вторая волна известного беспроводного стандарта 802.11ac wave2 представляет многопользовательскую технологию с несколькими входами (MU-MIMO - multi-user, multi-in multi-out) для поддержки растущего числа устройств WiFi, потребляющих все больше пропускной способности. Чем больше клиентских устройств подключается к Wi-Fi точке, тем медленнее она работает. Это связано с тем, что большинство маршрутизаторов и точек доступа могут общаться только с одним устройством за раз. С помощью этих однопользовательских точек доступа/маршрутизаторов (SU-MIMO) каждое устройство ждет своей очереди для отправки и приема данных, поэтому при подключении нового устройства линия и ожидание становятся немного длиннее.

Многопользовательская технология с несколькими входами и несколькими выходами, более известная как MU-MIMO (a.k.a. Next-Gen AC или AC Wave 2), позволяет Wi-Fi устройству взаимодействовать с несколькими устройствами одновременно. Это уменьшает время, в течение которого каждое устройство должно ждать сигнала и значительно ускоряет работу сети.

Основы MIMO и MU-MIMO

802.11n представил технику мульти-вывода (MIMO) для повышения пропускной способности WiFi между точками доступа и клиентскими устройствами. Для работы MIMO две беспроводные станции, находящиеся в общении (то есть как точка доступа, так и клиентское устройство), должны иметь в каждом случае несколько радио / антенных цепей, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы преднамеренно не совпадать с фазой на рабочей длине волны.

В 802.11ac Wave 1 пропускная способность не только улучшается с помощью MIMO, но и использует другие улучшения, в том числе использование еще более широких каналов и более сложную схему модуляции и кодирования 256-QAM. Однако эти другие механизмы имеют ограничения. Общий размер полосы 5 ГГц «конечен»; в результате, более широкие каналы приводят к меньшему количеству независимых каналов и подвержены большим помехам.

Несмотря на попытки открыть больше нелицензированного спектра 5 ГГц для Wi-Fi, каналы с частотой 80 МГц, вероятно, будут жестким практическим пределом размера канала в будущем. Кроме того, для новых скоростей модуляции и кодирования 256-QAM (MCS) требуется минимальное SNR 37 дБ, что означает, что между устройствами WiFi требуется действительно хороший сигнал, который практически возможен только на очень близких расстояниях в очень чистых радиочастотных средах.

Соответственно, еще один способ повышения пропускной способности состоит в том, чтобы фактически передавать данные точки доступа на несколько клиентских устройств одновременно, и это то, что касается многопользовательского MIMO (MU-MIMO).

Однако, чтобы понять, как работает MU-MIMO, важно сначала узнать о другой технологии, внедренной, но не широко реализованой в 802.11n: формирование луча передачи (TxBF). В отличие от MIMO, который посылает другой пространственный поток на каждую антенну, передающая диаграмма направленности посылает один и тот же поток на нескольких антеннах с преднамеренными смещениями времени для увеличения диапазона. Таким образом, для формирования луча требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется несколько идентичных антенн на фиксированных расстояниях разделения (чтобы быть вне фазы).

Фаза каждого потока данных передается всеми антеннами в разное время (то есть с разными фазовыми смещениями), которые рассчитываются так, чтобы эти разные сигналы конструктивно вмешивались в определенную точку в пространстве (то есть местоположение приемника), тем самым улучшая уровень сигнала в этом месте. Сигнал может быть усилен 2x (т. Е. 3 дБ) для каждой фазированной антенны.

Основное предостережение в отношении использования формирования луча передачи в WiFi заключается в том, что передатчик (то есть точка доступа) должен знать относительное положение приемника (то есть клиентское устройство). Точка доступа делает это, отправляя звуковые кадры, по существу независимые сигналы от каждой из своих антенн, а затем клиентское устройство отвечает матрицей, указывающей, насколько хорошо он слышал сигнал от каждой антенны. Основываясь на этих матричных данных, AP может вычислить относительное положение клиентского устройства и фазовые сдвиги на каждой из своих антенн, необходимые для максимизации конструктивных помех на клиентском устройстве.

MU-MIMO делает этот процесс эффективней. Добавляя еще больше радиоцепей / антенн, он может контролировать фазированную диаграмму направленности антенны для управления областями максимальной конструктивной помехи: где сигнал является наиболее сильной и максимальной деструктивной помехой, где самой слабой. При наличии достаточного количества антенн и знаний об относительных позициях всех связанных клиентских устройств он может фактически создать поэтапный шаблон для общения с несколькими клиентами как независимо, так и одновременно.

Общий процесс для MU-MIMO выглядит следующим образом:

1. AP транслирует звуковой кадр

2. Каждое клиентское устройство, совместимое с MU-MIMO, передает данные обратной матрицы в точку доступа

3. AP вычисляет относительное положение каждого связанного с ним MU-MIMO-совместимого клиентского устройства

4. AP выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи

5. AP вычисляет необходимые фазовые сдвиги для каждого потока данных каждому клиенту в группе и передает все потоки данных в группе клиентов

6. AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение относительно того, получило ли клиентское устройство данные

7. AP получает BlockAck с каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные

Максимальное количество одновременных клиентов меньше, чем общее количество доступных потоков AP. Это математическое ограничение, поскольку AP необходимо контролировать как области максимальных конструктивных помех, так и направлять самый сильный сигнал на желаемое клиентское устройство, а также области с максимальными разрушительными помехами, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в группе.

Математически число переменных превышает количество неизвестных, поэтому один поток нельзя контролировать независимо. Тем не менее, этот последний поток можно настроить для выравнивания с другим потоком, который может использоваться для многопоточных MIMO-клиентов. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 4x4: 4 MU-MIMO, поддерживающих 802.11ac Wave 2, действует следующая комбинация групп:

1. Одно клиентское устройство 3x3: 3 и одно клиентское устройство потока 1x1: 1

2. Два клиентских устройства 2x2: 2

3. Одно клиентское устройство 2x2: 2 и до двух клиентских устройств 1x1: 1

4. До трех клиентских устройств 1x1: 1

Естественно, такая точка доступа может использовать обычный MIMO для одного клиента, вплоть до четырехпотокового клиентского устройства.

Ограничения MU-MIMO

MU-MIMO не поддерживает обратную совместимость. Клиентские устройства в группе передачи должны поддерживать механизмы обратной связи 802.11 TxBF, чтобы точка доступа могла знать местоположение каждого клиентского устройства. Хотя TxBF был представлен в 802.11n, большинство клиентских устройств 802.11n и 802.11ac Wave 1 не поддерживали механизм обратной связи. Только у очень новых клиентских устройств 802.11ac есть аппаратное обеспечение и драйверы, которые фактически поддерживают эту обратную связь TxBF. В то время как доля клиентских устройств, поддерживающих TxBF, со временем будет увеличиваться по мере обновления пользователями своих устройств, преимущества MU-MIMO могут быть достигнуты только в том случае, если и точка доступа и клиентское устройство поддерживают ее.

Время передачи для каждого потока MU-MIMO должно быть «одинаковым». Это скорее прагматическое требование, чем техническое. Каждый пространственный поток для каждого клиента может быть передан по собственной скорости передачи данных, и каждый поток может иметь разные объемы данных. Оптимальное использование эфирного времени для максимизации пропускной способности точки доступа означает, что время передачи пространственных потоков для каждого параллельного клиента должно быть одинаковым или почти таким. Это потребует необходимости в аналогичных объемах данных, передаваемых с одинаковой скоростью передачи данных. Преимущество MU-MIMO заключается в том, что AP может говорить сразу с несколькими клиентами, но это, естественно, означает, что AP хочет одновременно запускать и заканчивать передачи нескольким клиентам для максимальной эффективности. Если передача данных одному клиенту занимает значительно больше времени, чем другие клиенты в группе, большая часть преимуществ эффективности использования времени в эфире MU-MIMO теряется.

Соответственно, где MU-MIMO, по всей видимости, будет наиболее полезен, это среда с очень высокой пропускной способностью, например, конференц-центры и стадионы / арены. В этих средах устройства в сети довольно однородны и, следовательно, их возможности схожи. Кроме того, количество возможных комбинаций групп передачи является высоким, а типы и объемы данных, передаваемых на каждое клиентское устройство, также являются однородными (то есть, несколько пользователей используют свои устройства аналогичным образом).