Технология мимо в антеннах что это означает

Сегодня же достаточно приобрести только одну антенну MIMO. Улучшенная антенна MIMO содержит в одном корпусе сразу два набора излучающих элементов, так называемых патчей, каждый из которых подключен к отдельному гнезду. Второй вариант устройства: имеется один набор патчей и запитка для двух портов, что позволяет патчу функционировать в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном. В этом случае к двум гнездам присоединяется единственный набор патчей. Именно второй вариант антенн MIMO (с двумя кабельными вводами) вы можете найти в ассортименте нашей компании.

Преимущества технологии MIMO

К главным преимуществам относится возможность улучшения пропускной способности, не расширяя при этом полосу. Так устройство одновременно раздает несколько потоков информации по единственному каналу.

Качество передаваемого сигнала и скорость передачи данных становится лучше. Потому что технология сначала кодирует данные, а затем на приемной стороне восстанавливает их.

Более чем в два раза увеличивается скорость трансляции сигнала.

Увеличиваются и многие другие параметры скорости за счет использования двух независимых кабелей, через которые одновременно происходит раздача и получение информации в виде цифрового потока. Улучшаются качества спектра следующих систем : 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, благодаря использованию двух входов и двух выходов.

Сфера применения антенн MIMO

Чаще всего технология MIMO применяется для передачи данных такого протокола, как WiFi. Это объясняется увеличенными пропускной способностью и емкостью. Для примера возьмем протокол 802.11n, в нем при использовании описываемой технологии, можно достичь скорость до 350 Мегабит/сек. Также улучшилось качество передачи данных, даже на тех участках, где сигнал приема низкий. Примером уличной точки доступа с антенной MIMO может послужить всем известная Nanostanion M2.

Сеть WiMAX, при использовании MIMO, теперь может транслировать информацию со скоростью до 40 Мегабит/секунду.

Постоянно ведутся работы по улучшению и усовершенствованию конфигураций технологии. В скором времени это позволит улучшить показатели спектра, усовершенствовать емкость сетей и ускорить скорость передачи данных.

Источник

Для тех у кого MIMO прошло мимо…

Немножко истории

У большого числа технологий, которые имеют место в сегодняшней телекоммуникационной среде «ноги растут» из военных наработок. Технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), например, была предложена ещё в 80-х годах нашими американскими друзьями, но реализовать её удалось совсем недавно лишь потому, что она чрезвычайно требовательна к вычислительной мощности системы (всему виной пресловутое БПФ).

MIMO раньше представлялась только лишь как технология разнесенного приема (имеем одну передающую и N приемных антенн). Реализуя эту идею было выпущено несколько серий военных тропосферных станций (может кому и довелось послужить на таких) и в принципе на том этапе, расходы на разворачивание дополнительных антенн себя оправдывали.

Принцип обработки был прост как лопата: в двух приемных ветках сравнивалось отношение сигнал/шум и в соответствии с оценкой этого значения каждой ветке обработки назначались весовые коэффициенты, играющие роль при принятии решения, грубо говоря, что было передано: 0 или 1. Эта нехитрая система так и была названа критерием оптимального весового сложения (MRC).

Дальше-больше. В 1997 году ирано-американец Аламоути предлагает новинку основанную на уже известных тезисах, назвав её пространственно-временным блоковым кодом (STBC). После этого год от года увеличивается вал публикаций на тему MIMO и тема стает очень актуальной на фоне того, что частотно-энергетическую эффективность систем связи повышать стало все сложнее и сложнее (уже продуманы максимально эффективные сигнально-кодовые конструкции). А дальше пошло-поехало: пространственно-временное решетчатое кодирование, пространственное мультиплексирование, а также большое количество алгоритмов декодирования от простейшего «максимального правдоподобия (ML- max likehood)» до сферического турбодекодирования на GPU и т.д.

Как это работает

Радиоканалы

Вообще эта классификация огромна и её обзор достоен отдельной статьи, но мы остановимся лишь на нескольких моментах.

Проходя путь от передатчика (T) к приемника ( R) наша радиоволна затухает (теряет в энергетике), причем то насколько она потеряет зависит то, есть ли между нашими T и R прямая видимость. Если она есть, то основная вина за потери ложится на потери среды распространения (path loss), если прямой видимости нет, то начинается самое интересное. Сталкиваясь с различными препятствиями волна идет к пункту назначения несколькими путями (многолучевое распространение) и соответственно каждый луч проходит разное расстояние. На приеме все эти лучи могут складывать с противофазе, что дополнительно снижает интенсивность сигнала, что заставляет уровень сигнала постоянно «плавать». Поэтому в зоне неуверенного приема ваши мобильники никак не могут определиться сколько «палочек сигнала» показывать.

Все это безобразие назвали замираниями. Бывают они разными и могут описывать разными законами. При наличии постоянной компоненты (наличии прямой видимости) подойдет распределение Райса, а при её отсутствии — Релеевское (частный вариант). Формул не буду приводить умышленно, они большие и страшные.

MIMO вот ОНО

Разбор того, как ЭТО работает проведем на самом простом примере. У нас есть 2 антенны на передаче и одна на приеме.

k — так называемая комплексная передаточная функция канала (определяющая его ФЧХ и АЧХ), причем различная для каждого момента времени для каждого из принятых сигналов. Главная изюминка как раз и заключается в том, что сигналы для каждой из приемных антенн проходят разные пути.

В соответствии с методом ПВБК, входной поток данных разбивается на пары [с1, с2], причем, на первом полутактовом интервале символ c1 передается через антенну Т1 и символ c2 передается через антенну Т2. На втором полутактовом интервале порядок передачи изменяется: через антенну Т1 передается инверсия символа c2 (на рисунке обозначен как (–c*2), а символ c1 передается через антенну Т2 (на рисунке обозначен как (c*1). Данный алгоритм удобно представить в виде матрицы, где номер строки будет соответствовать номеру передатчика, а номер столбца – номер полутакта (в общем случае – шаг такта) передачи. Символ «*» как уже многие догадались-комплексное сопряжение.

В итоге на входе мы получаем 2 сигнала (мультипликативные отклики за первый и второй такт), проведя ряд занимательных математических преобразований мы получаем исходный сигнал, а точнее пару этих сигналов. Собственно вся фишка и заключается в том, что каждый из этих сигналов передавался 2 раза.

Почему это возможно? Потому что k разный для каждого луча, а матрица Аламоути (рисунок выше) является ортогональной.

Практика

А теперь проведем моделирование и посмотрим выигрыш MIMO перед SISO(single in single out).

Все свои расчеты и моделирование я провожу в Matlab‘e потому, что это самая лучшая в мире очень удобная для таких экспериментов среда.

Вот собственно кусок для расчета кривой Аламоути:

Эта часть для классической схемы:

Из графика видно что выигрыш для вероятности ошибки Pош=10^(-3) примерно 12 [дБ]. И это просто огромная величина.

Источник

Что такое MIMO и зачем оно нужно?

Итак, вы только что купили или только собираетесь новый беспроводной модем, и у него есть два порта для подключения вашей антенны, и вы, вероятно, задаетесь вопросом, какой использовать, и зачем вам два?

Как это было

Все мы привыкли, что мобильная связь и радиопередачи используют одну антенну. Одна антенна побольше, на огромной вышке передает сигнал и одна антенна поменьше уже у вас в руках или на крыше автомобиля, например, принимает это сигнал, они точно так же работают и в обратную сторону. Антенна, которая на вышке, в свою очередь, ретранслирует сигнал в пункт назначения, адресату которому вы звонили в случае с телефоном, или же принимает сигнал с радиостанции в случае с радио.

Эта технология проста и эффективна для передачи телефонного звонка.

Однако спрос на быстрый интернет растет, пропорционально росту людей, обучившихся использованию интернета и гаджетов, соответственно пропускную способность нужно тоже улучшать, иначе это приведет к неизбежному ухудшению связи. (По аналогии с пробкой в часы пик на трассах в городе) Это не касается радио, потому что каждый клиент только принимает сигнал, соответственно увеличение числа реципиентов никак не влияет на качество, но напрямую зависит на телефонную связь и интернет.

Если вы пользовались 3G-интернетом в течение нескольких лет, вы, вероятно, заметили, что заявленные максимальные скорости быстро растут. Начиная примерно с 3,6 Мбит/с для первой серии «широкополосных» широкополосных мобильных устройств, до 7,2 Мбит/с в 2007 г., до 21 Мбит/с в 2008 г., до 42 Мбит/с вскоре после этого, и теперь до 100 Мбит/с с введением 4G в конце 2011 г. С 5G стучится в нашу дверь, есть Некоторые считают, что новое поколение может увеличить скорость до 4 раз с 4G.

Так как же увеличить скорость?

Каждой телефонной башне присваивается общая ширина частот, на которых она может передаваться, и каждому подключенному человеку выделяется небольшой канал определенной ширины. Это означает, что каждая башня имеет ограниченное число клиентов, которые она может обслуживать, прежде чем она станет перегруженной.

Можно попробовать увеличить скорость – увеличив канал для каждого клиента – это значительно уменьшит количество людей, которое эта вышка сможет обслуживать в одну единицу времени. Увеличит скорость, но уменьшит пропускную способность, соответственно по такому плану надо значительно увеличивать количество вышек. Это работает в городской среде, но не выгодно загородом. Слишком дорого.

Скорость также ограничена отношением сигнал/шум (SNR), для улучшения этого мы можем увеличить мощность (или громкость) передачи, чтобы телефонная вышка могла «лучше слышать» нас, но это приводит к уменьшение дальности действия.

После того, как мы снизили все характеристики, которые мы можем получить от передачи от антенны к антенне, мы должны подойти к проблеме по-другому.

MIMO – это акроним Multiple-In, Multiple-Out, что переводится как «множественный вход, множественный выход».

Нам нужно больше антенн!

Используя несколько антенн, мы можем забыть о трудностях передачи по воздуху и вместо этого возложить нагрузку на оборудование обработки сигналов в вашем модеме.

Поскольку все антенны передают на одинаковых частотах, от телефонной вышки не требуется дополнительная полоса пропускания для каждого пользователя.

Данные сначала разделяют на несколько потоков, а потом собираются в точке приема. Приемник спроектирован так, чтобы учитывать небольшую разницу во времени между приемами каждого сигнала, а также дополнительные шумы или помехи и даже потерянные сигналы.

Важно знать, что MIMO включается и выключается модемом.

Решение о том, использовать ли MIMO, согласовывается с вышкой сотовой связи, в результате чего оценивается качество принятых и передаваемых сигналов (показатель, известный как CQI).

Когда уровень или качество сигнала низкое, модему сложно различить два потока данных, поэтому, когда уровни сигнала падают ниже определенного порогового уровня, MIMO выключается, и модем работает только с одной антенной.

Выводы

Из всего выше сказанного можно сделать вывод что MIMO – это технология улучшения передачи и приема сигнала, путем использования нескольких антенн. Это не означает, что нужно покупать две одинаковых антенны таким образом имитировать MIMO, это так не работает. Есть специальные антенны, которые уже «заточены» под данную технологию. Список антенн с MIMO в наших магазинах. Но тут важно понимать, что хоть потенциально MIMO может дать быстрее скорость, оно несет и большие расходы, т.к. обычно такие антенны чуть дороже обычных аналогов, а также необходимо покупать не одну кабельную сборку, а две (исключение антенны в которых модем находится в самой антенне). А также сам MIMO может по итогу не работать по причине упомянутой в тексте выше.

Статья имеет ознакомительный характер и не претендует на истину в научном плане, некоторые понятия могли быть упрощены или искажены для упрощения понимания читателем.

Источник

Технология передачи данных MIMO 2×2

Технология MIMO считается молодой разработкой. Первый патент на ее применение зарегистрирован в 1984 году. Первый разработчик – компания Bell Laboratories. Спустя 12 лет, в 1996 году, концерн Airgo Networks выпускает блок микросхем для материнской платы с использованием MIMO. Разработка получила актуальность именно с развитием беспроводных технологий Wi-Fi и распространением сети 3G. На сегодняшний день она внедрена также в устройства для передачи данных в формате 4G LTE.

Преимущества использования технологии MIMO

MIMO раздает несколько потоков данных посредством одного канала. Далее сигнал проходит через две или более антенны (при этом происходит доставка разных потоков данных только по единственному каналу) до приемных устройств. Данная технология решает проблему низкой пропускной способности, причем для достижения цели не нужно расширять полосу пропускания.

При излучении радиоволны поток данных в радиоканале как бы замирает. Данное явление можно заметить в городе среди многоэтажных домов, когда пользователь двигается на значительной скорости либо удаляется от зоны излучения радиосигнала. MIMO антенны транслируют кодированный сигнал с небольшой задержкой и восстанавливают его принимающей стороной. В результате возрастает скорость передачи данных и улучшается качество сигнала.

Стандартные системы излучения сигнала для передачи данных в формате LTE имеют показатели скорости порядка 50 Мб в секунду. Системы на основе двух устройств, которые принимают и передают сигнал (технология MIMO ), позволяют увеличить скорость более чем в два раза.

Технология MIMO успешно применяется в беспроводных системах WiFi, WiMAX и в сотовой сети, т.к. она улучшает спектральные показатели качества сигнала, скорость и емкость потока информации. Все это возможно благодаря передаче данных от 4G антенны MIMO с помощью нескольких беспроводных соединений, что и отражает суть технологии. Аббревиатура MIMO исходит из выражения Multiple Input Multiple Output, что переводится как «множественный вход и множественный выход».

Область применения MIMO

область применения мимо

Разработка активно применяется для улучшения качества связи и увеличения скорости в различных стандартах беспроводной связи:

Таким образом, устройства, произведенные на основе технологии MIMO, будут передавать данные без потери качества, с высокой скоростью независимо от того, насколько удалена базовая станция оператора от места работы пользователя сети, из какого материала стены помещения, какой они толщины. Система – с безграничным потенциалом, по сути, ее возможности еще предстоит открыть.

Еще несколько лет назад словосочетание MIMO 3 G ассоциировалось с пиком скорости передачи данных. Сегодня уже начали устанавливаться 4 G антенны. Не останавливается ни на день поиск и разработка новых конфигураций MIMO антенн. Производители планируют создать версию 64х64. Если их задумка воплотится в жизнь, то совсем скоро можно будет воспользоваться оборудованием с еще более эффективными спектральными данными, с супер скоростью передачи данных, с повышенной емкостью сетей.

MIMO в загородном доме

Система будет играть важную роль и при внедрении сетей сотовой связи по стандартам 5G, где также будут практиковаться LTE и WI-FI передача данных. Подобное телекоммуникационное оборудование планируется к внедрению операторами уже к 2020 году.

Как установить антенну MIMO

Подобное оборудование – отличный вариант для установки системы связи «точка приема – точка отдачи», «точка приема – много точек отдачи». 3G, 4G антенна с поддержкой технологии MIMO обычно оснащена пластиковым корпусом, предохраняющим его от осадков и УФ-лучей. Ее можно закрепить на вертикальной поверхности, регулировать угол наклона, что особенно важно, когда нужно «ловить» сигнал на даче.

Обращайтесь в «Лан Центр»! Мы взяли на вооружение новейшие технологии, чтобы связь за городом, на даче была вам в радость.

Источник

MIMO spatial diversity: Аламоути, DET и прочее пространственное разнесение

Чтобы передать сообщение от базовой станции мобильному устройству (и наоборот), электромагнитной волне приходится преодолевать значительное количество препон: отражения, преломления, рассеивания, затенения, доплеровские смещения частот и так далее. Во-первых, все эти воздействия принято называть мультипликативными (от англ. multiplication — умножение) — по математической модели таких воздействий. А, во-вторых, можно собрать под общим термином замирания (fading).

От стандарта к стандарту, от поколения к поколению, от технологии к технологии ученые и инженеры бились и бьются над проблемой нивелирования этих замираний (fading mitigation).

И некоторые решения нашли широкое распространение. Скажем больше: почти все из них, так или иначе, связаны с понятием разнесения (diversity).

Источник иллюстрации (нет, это не реклама, просто удачное сочетание нужного термина и кота).

Пример таких решений:

Последнюю из упомянутых техник мы рассмотрим сегодня в рамках ещё одной темы по MIMO.

Space diversity order и array gain

Есть такое понятие — порядок пространственного разнесения (space diversity order): если одна и та же информация может быть собрана с разных направлений, то надежда восстановить её правильно увеличится. В качестве примера из жизни, можно представить сбор информации об одном и том же событии от независимых друг от друга источников-информаторов. В радиосвязи этот порядок мы можем увеличить, в том числе, применяя MISO, SIMO или MIMO.

Теоретический предел такого разнесения , где — количество передающих антенн, а — количество приёмных антенн. Запомним это.

Рис.1. Стабильность канала, вызванная увеличением порядка пространственного разнесения. При значениях канал полностью стабилизируется и превратится в канал без замираний (AWGN) [1, p.101].

Используя SIMO, MIMO и даже MISO (в случае известного канала), можно получить, так называемое, усиление массива (array gain). Это означает, что применение нескольких приемных антенн и/или правильное распределение энергии на передающей стороне позволяет увеличить отношение сигнал/шум (SNR) — а значит снизит количество ошибок.

Порядки разнесения и усиления массива для различных конфигураций можно вывести аналитически [1, c. 86 — 100] и свести в одну таблицу [1, c. 101] и для случая, когда канал неизвестен (CU — Channel Unknown), и для случая, когда канал известен (CK — Channel Known) на стороне передатчика.

Конфигурация	Diversity order	Array gain
SIMO (CU, Rx-MRC)
SIMO (CK, Rx-MRC)
MISO (CU, OSTBC)		1
MISO (CK, Tx-MRC)
MIMO (CU, OSTBC)
MIMO (CK, DET)

Окей, пусть широкими мазками, но теперь у нас есть хоть какое-то понимание теоретических аспектов подавления замираний. Следующий вопрос — как достичь этих теоретических пределов? Какие существуют техники активации рассмотренных выигрышей?

Решение №1. Пространственно-временные коды

Одним из самых популярных классов решений по пространственному разнесению является, пожалуй, класс пространственно-временных кодов (space-time codes). Например, знакомый, я думаю, многим метод Аламоути (пример блочного кода) [2, c. 40-46]:

где при — это некоторые входные символы, при — это временные отсчеты (time slots), а — это, собственно, матрица кодирования.

Схема Аламоути ортогональна [1, с.93-95, 97-98] и, что самое важное, не требует информации о состоянии канала (Channel State Information).

Математическое описание передачи кодированного по схеме Аламоути сигнала, а также несколько примеров моделирования этой техники в MatLab можно найти в моём репозитории. Интересующимся добро пожаловать!

Однако, как вы можете заметить, схема Аламоути — это случай, когда у нас есть только две передающие антенны ().
Но не стоит падать духом раньше времени: доступны, конечно, и другие варианты, просто называются они немного иначе. Например, согласно [3] можно применить такие схемы кодирования:

Рис. 2. Схемы передачи для случаев и [2].

И ещё много других вариантов: лишь бы отвечали условиям ортогональности.

Для таких кодов требуются, собственно, те же процедуры для кодирования и декодирования, что и для кода Аламоути. Поэтому объединяются они обычно под общим термином ортогональные пространственно-временные блочные коды (OSTBC — Ortogonal Space-Time Block Codes).

Достаточно большое внимание этому классу кодов уделено в материалах «Introduction to MIMO Systems» от компании MathWorks. Всем заинтересованным настоятельно советую ознакомиться!

Как это видно из схемы передачи, мы хоть и передаём символы параллельно, но тратим на это несколько временных слотов. Следовательно, мы жертвуем пропускной способностью (как минимум, недополучаем её). Для схемы Аламоути такой компромисс симметричен: задействуем 2 антенны и 2 временных слота (будто бы используем SISO с точки зрения пропускной способности). Другие схемы могут влиять на скорость передачи ещё сильнее.

Решение №2. DET: Dominant Eigenmode Transmission

Хорошо, для предыдущего класса техник знания о канале нам важны не были. А что если эти знания у нас всё-таки есть? Нет ли в таком случае более подходящих техник?

В одной из предыдущих моих статей мы обсуждали, что, имея на руках знания о состоянии канала, мы можем применять различные методы обработки сигналов, чтобы увеличить пропускную способность. Этот же принцип работает и для повышения помехоустойчивости.

Наверное, многие слышали про метод MRC и многие знают, что метод этот как нельзя кстати подходит для случая SIMO, когда на передаче антенна хоть и одна, но на приёме их все-таки много, а значит есть из чего комбинировать.

Но, наверное, уже меньшее количество читателей сталкивалось с MRC на передающей стороне (Tx-MRC) [1, c. 95,96], и ещё меньше с технологией DET (Dominant Eigenmode Transmission) [1, c. 98-100]. Исправим!

Для начала рассмотрим общий случай MIMO канала и последний из названных методов — DET.

Введём некоторый пре-кодирующий вектор:

где — это первый (доминирующий, так сказать) вектор матрицы .

Более того, мы можем записать и вектор пост-обработки (post-processing):

где — это первый вектор матрицы .

Переопределим модель принятого сигнала (см. тему пропускной способности):

Вуаля! Магия линейной алгебры выделила среди всех путей распространения самый выгодный и всю энергию направила туда. Фактически, перед нами линейный алгоритм диаграммообразования (beamforming).

Ценой рассмотренного подхода всё также, как и в случае OSTBC, является ограничение пропускной способности. Правда, происходит это теперь сугубо в пространственной области.

Потому что собственные числа (мощности путей распространения — замираний) могут быть напрямую выведены из сингулярных чисел (амплитуды замираний):

Хорошо, с DET более или менее понятно — что с Tx-MRC?

С ним всё ещё проще — это частный случай DET, и сейчас мы это докажем.

Для Tx-MRC в литературе предложен следующий вектор пре-кодирования:

Держим в голове, что квадрат нормы Фробениуса равен собственному числу и, соответственно, квадрату сингулярного числа (в случае SIMO и MISO).

Тогда снова переопределим модель принятого сигнала, только уже для MISO случая:

Что и требовалось доказать.

Заметьте, теперь мы говорим не просто о разнесении сигналов на передающей стороне и комбинировании их на стороне приёмной, как это было в случае с OSTBC. Теперь речь идет об оптимальном распределении энергии. А значит и значения array gain в данном случае выше, чем у OSTBC.

Теперь, когда все слова сказаны, попробуем промоделировать наши техники.

Моделирование

Сегодня я немного считерил: для моделирования OSTBC использованы готовые объекты из Communication Toolbox (MatLab R2014a — уж какой был):

Для модуляции и демодуляции (и подсчета битовой ошибки — BER) были использованы уже не объекты, а функции. Их аналоги есть в пакете communications Octave.

Получиться должно что-то такое:

Рис. 3. Кривые битовых / символьных ошибок для разных техник передачи (BPSK, Рэлеевский канал с плоскими замираниями). Сравните с [1, c. 96, 100].

А теперь вопрос: а где же кривая теоретической границы разнесения второго порядка?

Всё согласно таблице: эта кривая полностью совпадает с Аламоути 2×1. В случае MIMO в игру вступает ещё и array gain, и поэтому кривые разделены.

Так или иначе, а DET (или Tx-MRC) ожидаемо опережают Аламоути по качеству.

Вот так: знание — сила!

Литература

Paulraj, Arogyaswami, Rohit Nabar, and Dhananjay Gore. Introduction to space-time wireless communications. Cambridge university press, 2003.

Бакулин М. Г., Варукина Л. А., Крейнделин В. Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы //М.: Горячая линия–Телеком. – 2014. – Т. 244.

Tarokh, V., Jafarkhani, H., & Calderbank, A. R. (1999). Space-time block codes from orthogonal designs. IEEE Transactions on Information theory, 45(5), 1456-1467.

Преподавательскому составу и студенческой братии родной специальности передаю привет!

Источник