Top.Mail.Ru
Последняя информация о COVID-19
14 марта 2016 в 19:55

Что ожидает Wi-Fi?

В свое время как то тихо и незаметно ушло ИК-соединение, потом перестали пользоваться Bluetooth для обмена данными. И теперь вот настала очередь Wi-Fi

Что ожидает  Wi-Fi?

Разработана многопользовательская система с множеством входов и выходов, позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно. Создатели утверждают, что при использовании того же самого диапазона радиоволн, отведённого под Wi-Fi, скорость обмена может быть утроена.

Компания Qualcomm Atheros разработала многопользовательскую систему с множеством входов и выходов (протокол MU-MIMO), позволяющая сети обмениваться данными с более чем одним компьютером одновременно.
Однако, для того, чтобы получить эту высокую скорость обмена, пользователям придётся обновить и свои компьютеры и сетевые маршрутизаторы.

По протоколу Wi-Fi, клиенты обслуживаются последовательно — в течение определённого интервала времени задействуется только одно устройство передачи и приема информации — так что используется только небольшая часть пропускной способности сети.

Накопление этих последовательных событий создаёт падение скорости обмена, поскольку всё большее количество устройств подключаются к сети.

Протокол MU-MIMO (multi-user, multiple input, multiple output) обеспечивает одновременную передачу информации группе клиентов, что даёт более эффективное использование имеющейся пропускной способности сети Wi-Fi и тем самым ускоряет передачу.

Qualcomm полагает, что такие возможности будут особенно полезны конференц-центрам и интернет-кафе, когда несколько пользователей подключаются к одной и той же сети.

В компании также считают, что речь идёт не только об увеличении абсолютной скорости, но и о более эффективном использовании сети и эфирного времени для поддержки растущего числа подключённых устройств, услуг и приложений.
Чипы MU-Mimo Qualcomm продавает производителям маршрутизаторов, точек доступа, смартфонов, планшетов и прочих устройств с поддержкой Wi-Fi.

Первые чипы работают одновременно с четырьмя потоками данных- поддержка технологии включена в чипы Atheros 802.11ac и мобильные процессоры Snapdragon 805 и 801.

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход) – это технология, используемая в беспроводных системах связи (WIFI,WI-MAX, сотовые сети связи), позволяющая значительно улучшить спектральную эффективность системы, максимальную скорость передачи данных и емкость сети. Главным способом достижения указанных выше преимуществ является передача данных от источника к получателю через несколько радио соединений, откуда данная технология и получила свое название.
Вот основные причины, послужившие широкому распространению технологии MIMO.

Необходимость в высокоскоростных соединениях, предоставляющих высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью растет от года в год. Этому в значительной мере способствует появление таких сервисов как VoIP (Voice over Internet Protocol),видеоконференции, VoD (Video on Demand) и др.

Однако большинство беспроводных технологий не позволяют предоставить абонентам высокое качество обслуживания на краю зоны покрытия. В сотовых и других беспроводных системах связи качество соединения, также как и доступная скорость передачи данных стремительно падает с удалением от базовой станции (BTS). Вместе с этим падает и качество услуг, что в итоге приводит к невозможности предоставления услуг реального времени с высоким качеством на всей территории радио покрытия сети.

Для решения данной проблемы можно попробовать максимально плотно установить базовые станции и организовать внутреннее покрытие во всех местах с низким уровнем сигнала.

Однако это потребует значительных финансовых затрат что в конечном счете приведет к росту стоимости услуги и снижению конкурентоспособности. Таким образом, для решения данной проблемы требуется оригинальное нововведение, использующее, по возможности, текущий частотный диапазон и не требующее строительства новых объектов сети.

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся – отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Что ожидает  Wi-Fi?

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.

Что ожидает  Wi-Fi?

Пример многолучевого распространения сигнала

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала – одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием. Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот.

Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

Что ожидает  Wi-Fi?

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Принцип работы MIMO

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных. Чтобы показать число антенн на приеме и передаче вместе с названием технологии «MIMO» обычно упоминается обозначение «AxB», где A – число антенн на входе системы, а B – на выходе. Под системой в данном случае понимается радио соединение.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. Рассмотрим лишь один из возможных, наиболее простых, способов организации технологии MIMO. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Например, для MIMO 4×4 и скорости поступления входных данных 200 Мбит/сек делитель будет создавать 4 потока по 50 Мбит/сек каждый. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну. Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями).

На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием, обсуждавшийся ранее. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. В зависимости от принципа работы системы (Bell Laboratories Layered Space-Time —- BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) и т.д.), передаваемый сигнал может повторяться через определенное время, либо передаваться с небольшой задержкой через другие антенны.

Что ожидает  Wi-Fi?

В системе с технологией MIMO может возникнуть необычное явление, которое заключается в том, что скорость передачи данных в системе MIMO может снизиться в случае появления прямой видимости между источником и приемником сигнала. Это обусловлено в первую очередь уменьшением выраженности искажений окружающего пространства, который маркирует каждый из сигналов. В результате на приемной стороне становится проблематичным разделить сигналы, и они начинают оказывать влияние друг на друга. Таким образом, чем выше качество радио соединения, тем меньше преимуществ можно получить от MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Рассмотренный выше принцип организации радиосвязи относится к так называемой Single user MIMO (SU-MIMO), где существует лишь один передатчик и приемник информации. В этом случае и передатчик и приемник могут четко согласовать свои действия, и в то же время нет фактора неожиданности, когда в эфире могут появиться новые пользователи. Такая схема вполне подходит для небольших систем, например для организации связи в доме офисе между двумя устройствами. В свою очередь большинство систем, такие как WI-FI, WIMAX, сотовые системы связи являются многопользовательскими, т.е. в них существует единый центр и несколько удаленных объектов, с каждым из которых необходимо организовать радиосоединение. Таким образом, возникают две проблемы: с одной стороны базовая станция должна передать сигнал ко многим абонентам через одну и ту же антенную система (MIMO broadcast), и в то же время принять сигнал через те же антенны от нескольких абонентов (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

В направлении uplink – от MS к BTS, пользователи передает свою информацию одновременно на одной и той же частоте. В данном случае для базовой станции возникает сложность: необходимо разделить сигналы от различных абонентов. Одним из возможных способов борьбы с этой проблемой также является способ линейной обработки (linear processing), который предусматривает предварительную кодировку передаваемого сигнала.

Исходный сигнал, согласно этому способу, перемножается с матрицей, которая составляется из коэффициентов отражающих интерференционное воздействие от других абонентов. Матрица составляется исходя из текущей обстановки в радиоэфире: числа абонентов, скоростей передачи и т.п. Таким образом, перед передачей сигнал подвергается искажению обратному с тем, которое он встретит во время передачи в радиоэфире.

В downlink – направление от BTS к MS, базовая станция передает сигналы одновременно на одном и том же канале сразу к нескольким абонентам. Это приводит к тому, что сигнал, передаваемый для одного абонента, оказывает влияние на прием всех других сигналов, т.е. возникает интерференция.

Возможными вариантами борьбы с этой проблемой является использование Smart Antena, либо применение технологии кодирования dirty paper («грязная бумага»). Рассмотрим технологию dirty paper подробнее. Принцип ее действия основан на анализе текущего состояния радиоэфира и числа активных абонентов. Единственный (первый) абонент передает свои данные к базовой станции без кодирования, изменения своих данных, т.к. интерференции от других абонентов нет. Второй абонент будет кодировать, т.е. изменять энергию своего сигнала так чтобы не помешать первому и не подвергнуть свой сигнал влиянию от первого. Последующие абоненты, добавляемые в систему, также будут следовать этому принципу, и опираться на число активных абонентов и эффект, оказываемый передаваемыми ими сигналами.

Применение MIMO

Технология MIMO в последнее десятилетие является одним из самых актуальных способов увеличения пропускной способности и емкости беспроводных систем связи.

Рассмотрим некоторые примеры использования MIMO в различных системах связи.

Стандарт WiFi 802.11n – один из наиболее ярких примеров использования технологии MIMO. Согласно ему он позволяет поддерживать скорость до 300 Мбит/сек.
Причем предыдущий стандарт 802.11g позволял предоставлять лишь 50 Мбит/сек.
Кроме увеличения скорости передачи данных, новый стандарт благодаря MIMO также позволяет обеспечить лучшие характеристики качества обслуживания в местах с низким уровнем сигнала. 802.11n используется не только в системах точка/многоточка (Point/Multipoint) – наиболее привычной нише использования технологии WiFi для организации LAN (Local Area Network), но и для организации соединений типа точка/точка которые используются для организации магистральных каналов связи со скоростью несколько сотен Мбит/сек и позволяющих передавать данные на десятки километров (до 50 км).

Стандарт WiMAX также имеет два релиза, которые раскрывают новые возможности перед пользователями с помощью технологии MIMO.
Первый – 802.16e – предоставляет услуги мобильного широкополосного доступа. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 40 Мбит/сек в направлении от базовой станции к абонентскому оборудованию. Однако MIMO в 802.16e рассматривается как опция и используется в простейшей конфигурации – 2×2.

В следующем релизе 802.16m MIMO рассматривается как обязательная технология, с возможной конфигурацией 4×4. В данном случае WiMAX уже можно отнести к сотовым системам связи, а именно четвертому их поколению (за счет высокой скорости передачи данных), т.к. обладает рядом присущих сотовым сетям признаков: роуминг, хэндовер, голосовые соединения. В случае мобильного использования, теоретически, может быть достигнута скорость 100 Мбит/сек. В фиксированном исполнении скорость может достигать 1 Гбит/сек.

Наибольший интерес представляет использование технологии MIMO в системах сотовой связи. Данная технология находит свое применение, начиная с третьего поколения систем сотовой связи. Например, в стандартеUMTS, в Rel. 6 она используется совместно с технологией HSPA с поддержкой скоростей до 20 Мбит/сек, а в Rel. 7 – с HSPA+, где скорости передачи данных достигают 40 Мбит/сек. Однако в системах 3G MIMO так и не нашла широкого применения.

Системы 4G, а именно LTE, также предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8×8. Это в теории может дать возможность передавать данные от базовой станции к абоненту свыше 300 Мбит/сек. Также важным положительным моментом является устойчивое качество соединения даже на краю соты. При этом даже на значительном удалении от базовой станции, или при нахождении в глухом помещении будет наблюдаться лишь незначительное снижение скорости передачи данных.

Таким образом, технология MIMO находит применение практически во всех системах беспроводной передачи данных. Причем потенциал ее не исчерпан.

Уже сейчас разрабатываются новые варианты конфигурации антенн, вплоть до 64×64 MIMO. Это в будущем позволит добиться еще больших скоростей передачи данных, емкости сети и спектральной эффективности.

517
Комментарии (9)
  • 15 марта 2016 в 17:42 • #
    Владимир Пашков

    Игорь, странное дело. по моим опытным наблюдениям за распространением сигнала WiFi всё обстоит совершенно иначе. Да и разрабатывался он в 80-х совершенно по другому принцыпу. Способ построения, передачи ,приёма и усиления сигнала был слизан физиками у дельфинов. 1. Строили то нечто вроде воздушного сонара, где отраженная волна играет приоритетную роль.2. Чем больше дельфинов в "семье(а дельфины живут семьями с самкой во главе[роль самки выполняет точка доступа, переводящая полевой или проводной сигнал на нужные частотки])" тем сильнее их подчеркну общий сигнал. Дельфины сонастраиваются на высоких частотах и своими мегомозгами усиливают силу радара семьи, легко определяя скопление рыбы, изменение волн и погоды, приближение хищников и прочих бытовых проблем жителей морей. Вплоть до того дело доходит, что при получении обратки с маркером danger акулы~ дельфины молниеносно перестраиваются в защитное облако, с лидером самкой и малышами в центре, и так плотно плывут, что акулы часто улепётывают, думая своими частными и не сонастроенными сонарами, что это кит. Я к чему: последовательное соединение с персональным ключём к радиоточке в прошлом веке называлось Блютуфс{голубые зубы} и являлось приоритетом для военных, закодированных и секретных сигналов. А открытое соединение ,гдле каждый прибор не только получал свою часть инфы, но и усиливал дошедший до него общий поток ,транслируя его дальше другим в древности окрестили Вай Фай. Простите, мне видется, что падение сигнала и невозможнолсть передавать планируемый гигв секунду по всему облаку зарегеных приборов произошелименно из-за того, что коммерсы и военный начали юзать дельфинячью сеть как акулы. Волки в овечьей шкуре путают всех смешивая изначально разведённые стандарты и "глушат|кодируя,раскодируя,перекодируя|" вместо синхронного резонирования, весь поток. Не пора ли дельфинам собраться в кучу и решить доколе на их территории будут процветать эти мутанты и прочие нововведённые в оборот твари?

  • 15 марта 2016 в 18:36 • #
    Владимир Пашков

    еще несколько важных правил ,которые с точки зрения изначального распространения стандартов блютуфс и вайфай нарушают разрабы подобного:
    1:дельфины(читай вайфай) никогда не нападают на себе подобных (от чего согласуются тоько семьи)2: раненого дельфина другие члены группы поддерживают на плаву, помогая дышать. Не возможна какая либо закрытость или обособленность внутри семьи(сигнал распространяется от самого слабого устройства в приоритете)
    3: невозможно воайпи на частотке и по стандарту вай-фай. Это акулий стандарт ,его место в блютуфс.
    4. Лидером семьи является самая быстрая самка и она легко сменяема обычной гонкой самок(устройства вайфай получают свою долю радиосигнала от наимощнейшего источника, выбирая его авто пингом)
    5. дельфины легко мигрируют между семьями, очень доброжелательны, игривы, любят получать удовольствия и дарят друг другу ,ухаживая, подарки(выводы делайте сами).

  • 15 марта 2016 в 18:18 • #
    Владимир Пашков

    еще из непоняток по статье. Откройте любой планшет или ноут с радиомодулем вай-фай и вы убедитесь сами что оконечником, антенной служит "О" образная обмотка по перриметру сенсорного манитора.и Такой прицып шлюзования уже 12 лет во всех приборах. Чем больше "О" и чем оно сонаправленней с вектором семьи или его обраткой тем точнее и быстрее сеть.

  • 15 марта 2016 в 18:20 • #
    Владимир Пашков

    Игорь, вы понимаете, что даже в маленьком "О" приемопередатчике тысяча антен-точек создающих поток. Простите, похоже вам за нау-хау подкинули бородатую и пахнущую желтизной статью из середины прошлого века.

  • 15 марта 2016 в 18:34 • #
    Игорь Олегович Цесельский

    Даже комментировать не буду, только замечу - посмотрите - какие чипы выпускает упомянутая мной компания)

    Которой в середине прошлого века как-то не было)

  • 15 марта 2016 в 18:42 • #
    Владимир Пашков

    главное несоответствие принцыпу WiFi в следующем: чем больше наземных устройств-тем устойчивей разнонаправленные и ретранслируемые векторы радиосигналов стандарта. Никакого последовательного подключения в этом стандарте не было и нету. От чего и страшно мне. Вдруг основополагающий принцип заложенный в основу стандарта в 1986 году изменили потихому и "открытого" сигнала больше не будет никогда?

  • 15 марта 2016 в 19:07 • #
    Игорь Олегович Цесельский

    Владимир, первая информация от Qualcomm Atheros прошла в 2014 году, сейчас это уже реализовано.

    Пропустили? Ничего - вот эта статья - наводка, тем более, что чипы уже в продаже.

  • 17 марта 2016 в 18:31 • #
    Владимир Пашков

    вот, блин-оладушек , корейцы посторались. Придётся дебажить этот масенький трехуровневый микрочип и дравину. Наверное долго такой загибон рисовали. Это надо ж было догадаться 16значную систему идента клиента в пластик залить? Хоть мне и новую микровольтовую машинку привезли, теперь можем , не сжигая и не меняя путей частицыа внутри проца, снимать показания с 0,01 нанометра движения сигнала со частотой9+-0,0001 МГц\с, на любом уровне планки хоть 100 уровневой, хоть кремниевой, хоть кобальтовой, хоть какой архитектуры. Словно в супер-микроскоп вижу и пишу видео с прохождения и прерываний. Отличная машинка. Ни один поворот сигнала мимо нас не пройдёт незамеченным. Самое ценное в МО РФ появился на вооружении дебагер машинного кода, распознающий способ интеграции ядра Х-микросхемы автоматически, с 64 значным ходом и переводом в двоичный код. Рутины стало меньше спасибо инженерам из "не могу назвать какого" НИИ, главное=ребяты- вы гении, рутины стало меньше на год в месяц.

  • 15 марта 2016 в 18:24 • #
    Владимир Пашков

    и простите господа офицеры, если залез своими комментами на территорию "о неразглашении". По моим подсчётам 25 лет с подписки минуло, как и само государство которому я присягал и секреты которого хранил.


Выберите из списка
2020
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008