Технология MU-MIMO: что это такое, и зачем нужен роутер с её поддержкой?

Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня мы с вами вместе будем разбираться с технологией MU-MIMO. Все мы понимаем, что каждый день число пользователей интернетом растет, а многие работают с мощными устройствами для выполнения ресурсоемких задач. В такой ситуации происходят задержки при подключении к Wi-Fi сети, долго открываются страницы, медленно скачиваются файлы.

А всему виной – технология однопользовательской передачи данных SU-MIMO. Давайте разбираться, чем же лучше MU-MIMO, что это такое вообще и как работает.

Постараюсь рассказать простым языком, но если вдруг будут вопросы, сразу пишите в комментарии!

Содержание

Определение

Начну, пожалуй, с определения – что представляет собой MIMO. Это метод пространственного кодирования сигнала, который увеличивает полосу пропускания канала, где передача и прием данных происходят системами из нескольких антенн. Антенны разносят таким образом, чтобы корреляционная зависимость между соседними была слабой.

Для повышения пропускной способности и получения необходимой скорости передачи данных эффективны именно такие антенны. А системы с ними получили название MIMO. Технология широко применяется в локальных беспроводных сетях протокола 802.11 n, ac, а также LTE и ViMAX.

В переводе с английского MIMO (Multiple Input Multiple Output) переводится как «множество входов, множество выходов». То есть сигнал на одном канале передается несколькими приемниками и передатчиками. Например, изучая характеристики Wi-Fi устройства, можно увидеть такие параметры – 3*2. Это значит – 3 передатчика и 2 принимающих антенны.

Если говорить о связи с Wi-Fi, то именно метод MIMO позволил увеличить максимальную теоретическую скорость до 300 Мбит/с. Это послужило возникновению стандарта 802.11 n, который повсеместно работает по сей день. Этот протокол работает при стандартной ширине канала 20 МГц, но также позволяет применять широкополосной – 40 МГц. Это дает высокую пропускную способность – мы без торможений можем играть в онлайн-игры, скачивать «тяжелые» файлы, общаться по видео в режиме реального времени.

Целый видео-урок об основах Wi-Fi, в том числе и про MIMO, можно посмотреть здесь:

Типы

В зависимости от числа пользователей, которым одновременно идет передача данных, есть два вида технологии:

1. SU-MIMO – однопользовательская система;
2. MU-MIMO – многопользовательская система.

Проще говоря, если применяется SU-MIMO, в определенный временной промежуток потоки данных идут одному пользователю. Технология предоставляет многоканальные входные и выходные потоки одному устройству. Пока Wi-Fi устройство адресата получает или принимает данные, другие клиенты находятся в ожидании.

MU-MIMO позволяет нескольким пользователям принимать несколько потоков данных. Она базируется на технологии SU-MIMO, но обеспечивает одновременную связь точки доступа с несколькими устройствами.

MU-MIMO создает до 4 одновременных подключений для нескольких пользователей, передавая по 4 потока данных одновременно. В результате клиенты не делят между собой соединение и улучшается производительность сети.

Особенности

А теперь несколько фактов, которые помогут нам до конца разобраться в технологии:

1. MU-MIMO работает только в диапазоне 5 ГГц. На рынке сетевого оборудования появляется все больше двухдиапазонных маршрутизаторов с поддержкой технологии. Например, TP-Link Archer C2600. Вообще отличить роутер, который работает с MU-MIMO можно по количеству антенн – их там не меньше 4-х.

1. MU-MIMO использует технологию Beamforming. Благодаря ей, сигналы направляются не бездумно, а в направлении беспроводного устройства. Эта направленность позволяет увеличить дальность сигнала и повысить скорость.
2. К сожалению, не может обслуживать неограниченное число клиентов и потоков данных. Например, роутер с поддержкой трех потоков может одновременно работать с тремя Wi-Fi устройствами без торможений.
3. Чтобы пользоваться преимуществами метода, принимающее устройство должно иметь поддержку MU-MIMO. Здесь достаточно одной антенны – пользовательское устройство примет поток данных от роутера.
4. Производители Wi-Fi модулей утверждают, что компании, выпускающие смартфоны, роутеры, точки доступа и другие сетевые устройства, заложили поддержку технологии в свои продукты. Я думаю, об этом должна быть информация в руководстве. Как обещают производители, достаточно обновить программное обеспечение на таком гаджете, и пользователь получит поддержку технологии.
5. Некоторая выгода будет у устройств, которые не поддерживают этот метод. Часть клиентов с поддержкой MU-MIMO будет обслуживаться быстрее, а до других гаджетов очередь будет доходить быстрее.
6. Технология поможет оптимизировать беспроводные сети с большим количеством клиентов – например, в общественном месте или на работе.
7. Трафик, передаваемый с помощью архитектуры MU-MIMO, сложно перехватить. Это повышает безопасность беспроводной сети.

Эти 8 пунктов рассказывают об особенностях технологии. Надеюсь, объяснила все понятно.

Обзор роутеров

Ну и в конце статьи хочу сделать краткий обзор нескольких моделей маршрутизаторов с поддержкой MU-MIMO.

ASUS RT-AC87U

Мощная машинка за 12000 рублей. Без проблем подойдет для видеоконференций и передачи потоков мультимедиа различного объема. Применение технологии 4*4 MU-MIMO дает ровный сигнал на площади в 465 кв. м. Пользователи отмечают, что даже при одновременном подключении нескольких устройств нет падения пропускной способности.

Краткие характеристики:

• Стандарт Wi-Fi – 802.11 a/b/g/n/ac;
• Диапазон частот – 2,4, 5 ГГц;
• Максимальная скорость передачи данных по Wi-Fi – 1734 Мбит/с;
• Скорость LAN – 1000 Мбит/с;
• Антенны – 4;
• Порт USB – 2 (2.0 и 3.0).

TP-LINK Archer C2600

Современное решение для подключения большого количества пользователей примерно за 15000 рублей. Используемый стандарт 802.11 ac суммарно дает максимальную скорость до 2600 Мбит/с – 800 Мбит в диапазоне 2,4, до 1733 Мбит/с на частоте 5 ГГц.

Применение архитектуры многопользовательского MIMO улучшает производительность и пропускную способность Wi-Fi сети. У роутера 4 внешние несъемные антенны с мощным усилением. Порты гигабитные, USB разъемы поколения 3.0.

Linksys EA8500

Примерная стоимость маршрутизатора – 19000 рублей. Что можно выделить:

1. Поддержка технологии 4*4 MU-MIMO, что позволяет без задержек работать с высокопроизводительными сетевыми сервисами.
2. 4 антенны обеспечивают устойчивый сигнал и хорошее покрытие, формируют 6 потоков для передачи сигнала.
3. Можно одновременно подключать Смарт-ТВ, игровые приставки, планшеты, не переживая за пропускную способность.
4. 4 гигабитных LAN порта предназначены для подключения до 4 сетевых устройств. Порты USB 2.0 и 3.0 дают возможность для соединения с периферийными устройствами.

Обзор роутера в формате видео предлагаю посмотреть тут:

Вот еще несколько моделей роутеров с поддержкой многопользовательского MIMO:

• Zyxel Keenetic Giga KN-1010;
• TP-LINK Archer C6 (кстати, вполне бюджетный – не дороже 3500 рублей);
• D-Link DIR-853 (тоже недорогой – примерно 4000 рублей);
• Xiaomi Mi Router Pro;
• Tenda AC5.

Напишите нам, про какую модель вы хотели бы узнать подробно. Обязательно сделаем обзор. А я прощаюсь, до встречи!

Обновлено: 05.09.2019MU-MIMO (что означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход) был создан для поддержки сред, в которых несколько пользователей одновременно пытаются получить доступ к беспроводной сети. С выходом 802.11ax возможности технологии MU-MIMO существенно расширяются.

Что такое MIMO?

MIMO – технология увеличения спектральной эффективности радиоканала (его пропускной способности и помехоустойчивости), достигается это методом пространственного кодирования сигнала, когда прием и передача данных ведется системами из нескольких антенн на одном канале. Реализовано как пространственное разнесение на приёме, так и пространственное разнесение на передаче. Чтобы МИМО работал нужно многолучевое распространение сигнала. Эта технология широко применяется в беспроводных сетях протокола 802.11ax, ac, n, а также в более старших — LTE и WiMAX.

SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?

MU-MIMO означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход и является беспроводной технологией, поддерживаемой маршрутизаторами и конечными устройствами. MU-MIMO — это следующая эволюция однопользовательского MIMO (SU-MIMO), когда роутер в один момент времени отправляет данные одному клиенту.

Технология MIMO была создана для того, чтобы помочь увеличить количество антенн на беспроводной точке доступа, которые используются как для приема, так и для передачи, и повысить пропускную способность беспроводных соединений.

Работа многопользовательского МИМО начинается с 802.11ax, 802.11ac Wave2. Старшие стандарты, такие как 802.11b, g и n его не поддерживают. Когда в 2015 году вышел стандарт ac Wave 2, с этой технологией могли работать только маршрутизаторы и точки доступа.

На 2019 год многие конечные устройства теперь поддерживают MU-MIMO. Начинаz с 802.11ax MU-MIMO двунаправленный, т.е. работает с входящим и исходящим потоками.

Технология MU-MIMO изнутри

В 2008 году стандарт 802.11n представил технологию multi-in multi-out (MIMO), предназначенную для повышения пропускной способности Wi-Fi между точками доступа и клиентскими устройствами. Чтобы MIMO работал, две беспроводные станции (т.е. и точка доступа, и клиентское устройство) должны иметь несколько антенн, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы отсутствовала разность фаз на рабочей длине волны.

Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)

Пространственный поток представляет собой набор данных, посланный передающими антеннами, который может быть математически реконструирован на антеннах приемника. В MIMO каждый пространственный поток передается с разных антенн в том же частотном канале, на котором работает передатчик. Рисунок ниже иллюстрирует это для случая с двумя потоками.

Приемник принимает каждый поток на идентичную радио цепь. Поскольку он знает смещения фазы своих собственных антенн, он может использовать математические методы обработки сигналов для реконструкции исходных потоков. Чтобы повысить пропускную способность нужно увеличивать количество потоков. Каждый пространственный поток содержит набор уникальных данных, а количество независимых пространственных потоков ограничено тем, какое Wi-Fi устройство имеет наименьшее количество радиолиний.

Как правило, этим ограничением является клиентское устройство: поскольку каждая радио цепь (антенна) потребляет энергию и требует место для размещения. Вот почему большинство мобильных смартфонов и планшетов способны поддерживать только однопотоковую или двухпотоковую связь, и даже высокопроизводительные ноутбуки и ПК обычно поддерживают только до трех потоков.

В первой волне 802.11ac пропускная способность повышалась не только за счет использования MIMO, а применялись и другие механизмы:

• использование большей ширины канала;
• более сложная схема модуляции и кодирования 256-QAM.

Однако общая ширина полосы в любом частотном диапазоне является «конечной» и это накладывает свои ограничения. Чем шире канал, тем больше он подвержен помехам.

Федеральная комиссия связи ведет работу над открытием большего количества нелицензированного спектра в 5 ГГц для Wi-Fi. Но каналы шириной в 80 и 160 МГц на практике остаются редко достижимыми из-за наличия помех. Чем выше модуляция, тем чище должен быть сигнал. Это означает одно — между точкой доступа и клиентами должен быть действительно хороший сигнал, практически такое возможно только когда они находятся на близких расстояниях в отсутствии помех.

Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)

Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.

TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.

Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.

Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.

Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе).

За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.

Умея контролировать фазовую диаграмму направленности антенны, можно управлять зонами с максимальной конструктивной интерференцией — там, где сигнал является самым сильным, так и зонами с максимальной деструктивные интерференцией — там, где сигнал является самым слабым. А имея матрицу с параметрами сигналов от клиентов и зная их относительное положение, можно создавать шаблон для связи сразу с несколькими клиентами одновременно и независимо.

Механизм передачи информации в MU-MIMO

1. AP передает сигнальный зондирующий кадр;
2. Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
3. AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
4. Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
5. AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
6. AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
7. AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
8. Связь установлена и начинается передача данных.

Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.

Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:

• Одно потоковое клиентское устройство 3×3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1×1: 1;
• Два потоковых клиентских устройства 2×2: 2;
• Одно потоковое клиентское устройство 2×2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1×1: 1;
• До трех потоковых клиентских устройств 1×1: 1.

Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:

1. повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
2. повысить скорость передачи информации в системе;
3. увеличить зону покрытия;
4. уменьшить требуемую мощность передатчика.

IoT (Интернет вещей) и MU-MIMO

Стандарт 802.11ax может поддерживать одновременно восемь передач MU-MIMO, по сравнению с четырьмя в 802.11ac. Одновременная поддержка восьми выделенных каналов позволяет большему количеству IoT устройств установить связь с точкой доступа и избежать проблем с пропускной способностью, которые существовали в более ранних версиях Wi-Fi, включая 802.11ac. Это особенно актуально, если в помещении большое количество устройств, обладающих низкой скоростью передачи данных (а это как раз и есть IoT).

Практические ограничения MU-MIMO

1. Работа возможна только с клиентами поддерживающими 802.11ac и ax. Клиент должен принять информацию, предназначенную сразу нескольким клиентам, вычленить оттуда то, что предназначено только ему, обработать данные и отправить в матричном виде обратно роутеру. А для этого он должен уметь обрабатывать сигнальные кадры в дейтограммах, иначе он не сможет принять информацию.
2. Клиенты должны находиться на значительном друг от друга расстоянии, что бы роутер мог сформировать потоки с разнесением во времени и пространстве. Если на столе будет лежать ноутбук, планшет и телефон, роутер не сможет вычислить пространственное положение каждого устройства и сформировать для него пространственно-временной сдвиг фаз. В этом случае он переключится на обычный МИМО-режим.
3. Скорость передачи всегда будет выравниваться по самому медленному клиенту! ВСЕГДА!

Видео — увеличение емкости сети с помощью Massive MIMO и 3D Beamforming

Комментарии

Задайте свой вопрос

Вместе с этой статьей сейчас смотрятЯчеистые одноранговые сетиТОП6 бесшовных точек доступа Wi-Fi5Какая мощность излучения у сотового телефонаОсновные характеристики фемтосотЗаказать обратный звонок

Используемые источники:

• https://4pda.ru/2016/09/09/322380/
• https://wifigid.ru/besprovodnye-tehnologii/mu-mimo
• https://www.sit-com.ru/what-is-mu-mimo.html