Что такое MU-MIMO и что это дает конечному пользователю?

Рейтинг: 4.1/5 - 52 голосов

Обновлено: 14.05.2021

MU-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.

Многопользовательский MIMO и формирование луча

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).

Конструктивная и деструктивная интерференция

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.

Схема работы MU-MIMO и матрица с параметрами сигнала

Механизм передачи информации в MU-MIMO

AP передает сигнальный зондирующий кадр;
Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
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 4x4: 4 допустима следующая комбинация групп:

Одно потоковое клиентское устройство 3x3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1x1: 1;
Два потоковых клиентских устройства 2x2: 2;
Одно потоковое клиентское устройство 2x2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1x1: 1;
До трех потоковых клиентских устройств 1x1: 1.

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

повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
повысить скорость передачи информации в системе;
увеличить зону покрытия;
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

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.
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.
Скорость передачи всегда будет выравниваться по самому медленному клиенту! ВСЕГДА!