MU-MIMO

Друга хвиля відомого бездротового стандарту 802.11ac wave2 представляє розраховану на багато користувачів технологію з кількома входами (MU-MIMO - multi-user, multi-in multi-out) для підтримки зростаючого числа пристроїв WiFi, що споживають все більше пропускної здатності. Чим більше клієнтських пристроїв підключається до Wi-Fi точки, тим повільніше вона працює. Це пов'язано з тим, що більшість маршрутизаторів і точок доступу можуть спілкуватися лише з одним пристроєм за один раз. За допомогою цих однокористувальних точок доступу/маршрутизаторів (SU-MIMO) кожен пристрій чекає своєї черги для відправки та прийому даних, тому при підключенні нового пристрою лінія та очікування стають трохи довшими.

Розрахована на багато користувачів технологія з кількома входами і кількома виходами, більш відома як MU-MIMO (aka Next-Gen AC або AC Wave 2), дозволяє Wi-Fi пристрою взаємодіяти з кількома пристроями одночасно. Це зменшує час, протягом якого кожен пристрій повинен чекати на сигнал і значно прискорює роботу мережі.

Основи MIMO та MU-MIMO

802.11n представив техніку мульти-висновку (MIMO) для підвищення пропускної спроможності WiFi між точками доступу та клієнтськими пристроями. Для роботи MIMO дві бездротові станції, які перебувають у спілкуванні (тобто як точка доступу, так і клієнтський пристрій), повинні мати в кожному випадку кілька радіо/антенних ланцюгів, які ідентичні та фізично відокремлені один від одного фіксованою відстанню, щоб навмисно не збігатися з фазою на довжині робочої хвилі.

У 802.11ac Wave 1 пропускна здатність не тільки покращується за допомогою MIMO, але й використовує інші покращення, у тому числі використання ще більш широких каналів та складнішу схему модуляції та кодування 256-QAM. Однак ці інші механізми мають обмеження. Загальний розмір лінії 5 ГГц «кінцевий»; в результаті, ширші канали призводять до меншої кількості незалежних каналів і схильні до великих перешкод.

Незважаючи на спроби відкрити більше неліцензованого спектру 5 ГГц для Wi-Fi, канали з частотою 80 МГц, ймовірно, будуть жорсткою практичною межею розміру каналу в майбутньому. Крім того, для нових швидкостей модуляції та кодування 256-QAM (MCS) потрібно мінімальне SNR 37 дБ, що означає, що між пристроями WiFi потрібен дійсно хороший сигнал, який практично можливий тільки на дуже близьких відстанях у дуже чистих радіочастотних середовищах.

Відповідно, ще один спосіб підвищення пропускної спроможності полягає в тому, щоб фактично передавати дані точки доступу на кілька клієнтських пристроїв одночасно, і це те, що стосується розрахованого на багато користувачів MIMO (MU-MIMO).

Однак, щоб зрозуміти, як працює MU-MIMO, важливо спочатку дізнатися про іншу технологію, впроваджену, але не широко реалізовану в 802.11n: формування променя передачі (TxBF). На відміну від MIMO, який посилає інший просторовий потік на кожну антену, передавальна діаграма спрямованості посилає один і той же потік на кількох антена з навмисними зсувами часу збільшення діапазону. Таким чином, для формування променя потрібно використання фазованих антенних грат, в яких є кілька ідентичних антен на фіксованих відстанях поділу (щоб бути поза фазою).

Фаза кожного потоку даних передається всіма антенами в різний час (тобто з різними фазовими зміщеннями), які розраховуються так, щоб ці різні сигнали конструктивно втручалися в певну точку в просторі (тобто розташування приймача), тим самим покращуючи рівень сигналу в цьому місці. Сигнал може бути посилено 2x (т. Е. 3 дБ) для кожної фазованої антени.

Основне застереження щодо використання формування променя передачі WiFi у тому, що передавач (тобто точка доступу) повинен знати відносне становище приймача (тобто клієнтський пристрій). Точка доступу робить це, відправляючи звукові кадри, по суті, незалежні сигнали від кожної зі своїх антен, а потім клієнтський пристрій відповідає матрицею, що вказує, наскільки добре він чув сигнал від кожної антени. Ґрунтуючись на цих матричних даних, AP може обчислити відносне положення клієнтського пристрою та фазові зрушення на кожній зі своїх антен, необхідні для максимізації конструктивних перешкод клієнтського пристрою.

MU-MIMO робить цей процес ефективнішим. Додаючи ще більше радіоланцюгів / антен, він може контролювати фазовану діаграму спрямованості антени для управління областями максимальної конструктивної перешкоди: де сигнал є найбільш сильною та максимальною деструктивною перешкодою, де найслабшою. За наявності достатньої кількості антен та знань про відносні позиції всіх пов'язаних клієнтських пристроїв він може фактично створити поетапний шаблон для спілкування з кількома клієнтами як незалежно, так і одночасно.

Загальний процес для MU-MIMO виглядає так:

1. AP транслює звуковий кадр

2. Кожен клієнтський пристрій, сумісний із MU-MIMO, передає дані зворотної матриці в точку доступу

3. AP обчислює відносне положення кожного пов'язаного з ним MU-MIMO-сумісного клієнтського пристрою

4. AP вибирає групу клієнтських пристроїв для одночасного зв'язку

5. AP обчислює необхідні фазові зрушення для кожного потоку даних кожному клієнту у групі та передає всі потоки даних у групі клієнтів

6. AP відправляє BlockAckRequest кожному клієнтському пристрою в групі окремо, щоб отримати підтвердження щодо того, чи отримав клієнтський пристрій дані

7. AP отримує BlockAck з кожного клієнтського пристрою у групі, яка успішно отримала дані

Максимальна кількість одночасних клієнтів менша, ніж загальна кількість доступних потоків AP. Це математичне обмеження, оскільки AP необхідно контролювати як області максимальних конструктивних перешкод, так і спрямовувати найсильніший сигнал на бажаний клієнтський пристрій, а також області максимальних руйнівних перешкод, щоб мінімізувати сигнал на інших клієнтських пристроях у групі.

Математично кількість змінних перевищує кількість невідомих, тому потік не можна контролювати незалежно. Проте цей останній потік можна налаштувати для вирівнювання з іншим потоком, який може використовуватися для багатопоточних MIMO-клієнтів. Таким чином, для поточного покоління точок доступу 4x4: 4 MU-MIMO, що підтримують 802.11ac Wave 2, діє наступна комбінація груп:

1. Один клієнтський пристрій 3x3: 3 та один клієнтський пристрій потоку 1x1: 1

2. Два клієнтські пристрої 2x2: 2

3. Один клієнтський пристрій 2x2: 2 та до двох клієнтських пристроїв 1x1: 1

4. До трьох клієнтських пристроїв 1x1: 1

Звичайно, така точка доступу може використовувати звичайний MIMO для одного клієнта, аж до чотирипотокового клієнтського пристрою.

Обмеження MU-MIMO

MU-MIMO не підтримує зворотну сумісність. Клієнтські пристрої в групі передачі повинні підтримувати механізми зворотного зв'язку 802.11 TxBF, щоб точка доступу могла знати розташування кожного клієнтського пристрою. Хоча TxBF був представлений у 802.11n, більшість клієнтських пристроїв 802.11n та 802.11ac Wave 1 не підтримували механізм зворотного зв'язку. Тільки у нових клієнтських пристроїв 802.11ac є апаратне забезпечення і драйвери, які фактично підтримують цей зворотний зв'язок TxBF. У той час як частка клієнтських пристроїв, що підтримують TxBF, з часом збільшуватиметься в міру оновлення користувачами своїх пристроїв, переваги MU-MIMO можуть бути досягнуті лише в тому випадку, якщо точка доступу та клієнтський пристрій підтримують її.

Час передачі кожного потоку MU-MIMO має бути «однаковим». Це скоріше прагматичне вимога, ніж технічне. Кожен просторовий потік для кожного клієнта може бути переданий за власною швидкістю передачі даних, і кожен потік може мати різні обсяги даних. Оптимальне використання ефірного часу для максимізації пропускної спроможності точки доступу означає, що час передачі просторових потоків для кожного паралельного клієнта має бути однаковим або майже таким. Це вимагатиме необхідності в аналогічних обсягах даних, що передаються з однаковою швидкістю передачі даних. Перевага MU-MIMO полягає в тому, що AP може говорити одразу з кількома клієнтами, але це, звичайно, означає, що AP хоче одночасно запускати та закінчувати передачі декільком клієнтам для максимальної ефективності. Якщо передача даних одному клієнту займає значно більше часу, ніж інші клієнти групи, більшість переваг ефективності використання часу в ефірі MU-MIMO втрачається.

Відповідно, де MU-MIMO, мабуть, буде найбільш корисним, це середовище з дуже високою пропускною здатністю, наприклад, конференц-центри та стадіони/арени. У цих середовищах пристрої мережі досить однорідні і, отже, їх можливості схожі. Крім того, кількість можливих комбінацій груп передачі є високою, а типи та обсяги даних, що передаються на кожен клієнтський пристрій, також є однорідними (тобто кілька користувачів використовують свої пристрої аналогічним чином).