1.8.5. Технология mimo

MIMO – это любая технология, которая основывается на использовании многоканальных антенных систем в устройствах по обеим сторонам радиолинии. Соответственно, сочетание разнообразных способов передачи и приема, в которых задействуются несколько передающих и приемных антенн, может быть определено как MIMO-метод.

Под «Smart Antenna» (с англ. – интеллектуальная антенная система) понимают комбинацию из множества базовых антенных элементов в совокупности со средствами обработки сигналов, способными автоматически менять свои характеристики с целью оптимизации излучения и/или приема полезного сигнала.

С некоторыми оговорками к MIMO можно относить не только те сети, где взаимодействует несколько однотипных (по пространственному или канальному принципу) устройств, но и те, где пространственная обработка возлагается на одну из сторон, причем в интересах нескольких пользователей, что повышает в ней суммарную производительность системы обмена в целом: одновременно в том же частотном диапазоне происходит обмен в N раз бóльшим объемом информации. Однако, рассматривая каждую из взаимодействующих пар по отдельности, в отношении составляющих ее устройств все же корректнее будет говорить о проявлениях топологий SIMO (Single Input Multiple Output) и MISO (Multiple Input Single Output). Последнее замечание имеет скорее методологический, чем прикладной характер и родилось в результате анализа ряда научных работ, посвященных решению проблем повышения скорости в смежных с рассматриваемой отраслях, например в оптике и «медных» сверхширокополосных LAN- и DSL-решениях.

В качестве пограничного примера можно привести принцип работы телевизора с режимом картинка-в-картинке (PIP, Picture-in-Picture). Даже если в таком телевизоре есть несколько приемных трактов, позволяющих одновременно выводить на экран сигнал от нескольких каналов, то зритель (рассматриваемый в данном случае как конечный получатель информации) вряд ли сможет воспринимать одновременно оба канала с одинаковым вниманием. Таким образом, подобная система не может быть отнесена к многоканальной.

Коммуникационные технологии, базирующиеся на архитектуре множественных входов/множественных выходов и определяемые как MIMO, несомненно, на сегодня одно из самых важных направлений в области высокоскоростных беспроводных коммуникаций. Внешним признаком их практической реализации является использование нескольких передающих и приемных антенн, внутренним (заметим, гораздо более дорогостоящим) – наличие нескольких практически автономных приемников и передатчиков, а также существенно более сложной «математики» для цифровой обработки сигнала, т. е. процессора устройства, требования к вычислительной мощности которого увеличиваются практически экспоненциально в зависимости от роста числа каналов.

Возможная область применения простирается от радиолокационных, сотовых и масштабных наружных беспроводных систем до внутриофисных комплектов.

Надо заметить, что практические условия радиообмена во WLAN существенно отличаются от тех, что наблюдаются в двухточечной схеме обмена. Никто не собирается размещать устройства на высоких мачтах (подобных радиорелейной паре) для обеспечения наиболее благоприятных условий, а условия прямой видимости, не осложненные множественными отражениями (особенно внутри помещения), – большая редкость. В конце концов, и само местоположение каждого из клиентов может быть известно только апостериори, т. е. только после того, как он «изъявит желание» стать новым элементом сети. Кроме того, никакой элемент беспроводной сети не способен (да и не должен) предупреждать остальных, что выделенные ему канальные сетевые ресурсы не понадобятся и могут быть перераспределены между другими ее членами. Значит, во WLAN не обойтись лишь интеллектуальными антенными системами с высоким коэффициентом направленного действия – необходимо реализовать ряд дополнительных алгоритмов, позволяющих всем взаимодействующим радиосредствам одновременно с работой в персонализированном канале обмена «слушать» вокруг себя во всех направлениях и периодически достаточно громко «предупреждать чужаков», что частотный, пространственный и временной ресурсы ими заняты.

К ограничениям следует также отнести экспоненциальный характер роста вычислительной производительности, требуемой для обработки сигналов в антенной решетке в зависимости от числа элементов и количества одновременно обрабатываемых каналов.

Таким образом, в зависимости от того, какой набор параметров беспроводной связи требуется улучшить, может быть несколько сценариев действий:

А пока некоторые производители оборудования (D-Link, Linksys, Netgear, Buffalo и много других) выпускают или анонсировали продукты, в которых реализованы те или иные принципы пространственной обработки. Но ни в одном из них из-за дороговизны полной реализации не поддерживаются и не могут поддерживаться все известные разновидности технологии MIMO одновременно. Поэтому крайне важным практическим аспектом функционирования MIMO-систем является возможность их взаимодействия с многомиллионными устройствами и сетями 802.11b/g, имеющими всего по одному приемнику и передатчику (т. е. фактически в условиях SIMO/MISO). Увы, наиболее заманчивый, третий, вариант приведенного выше сценария в данном случае неприменим. А вот повысить качественные показатели сети в первых двух моделях вполне реально

Несомненно то, что цифровые коммуникации с использованием технологии MIMO (Multiple Input, Multiple Output) являются одной из наиболее перспективных исследовательских областей. Как ожидается, устройства с несколькими приемо-передающими радиоканалами (антеннами и RF-модулями) в совокупности со специализированными процессорами цифровой обработки сигналов станут неотъемлемой частью будущего стандарта IEEE 802.11n. Визуально такие устройства можно идентифицировать по суммарному количеству (внутри и снаружи) антенн – их должно быть не менее двух (как правило, от четырех).

Места на жестком диске, равно как и полосы пропускания сети, много не бывает. Это утверждение обрело новое звучание благодаря продолжающемуся лавинообразному росту количества решаемых в рамках беспроводных технологий мультимедийных задач. Но разве могли предположить разработчики базового стандарта 802.11, что через каких-то семь лет всерьез возникнет потребность, допустим, «перегнать» через эфир с сетевого мультимедийного плеера DVD-поток? Да и пример для подражания из мира LAN-решений уже имелся – все чаще даже материнской плате вместо привычного Fast Ethernet предлагался порт GbE.

Какие же технологические подходы для ускорения WLAN положены в основу этого стандарта? Прежде всего, они, по мнению созданной для дальнейшего согласования стандарта группы TgnSync, включают в себя пути увеличения количества единовременно работающих в одном устройстве на прием и передачу радиоканалов и способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра, определяемых, как технология MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO предполагает реализацию в устройстве нескольких автономных трактов «антенна-приемопередатчик» и наличие специального многоканального устройства для последующей цифровой обработки сигнала.

Вторым отправным пунктом стало предложение расширить занимаемую одним каналом полосу с 20 до 40 MHz. Причем оно должно происходить не посредством группирования каналов (как рекомендуют уже сейчас некоторые производители чипов в соответствии с их оригинальными, но не стандартизированными IEEE-решениями), а закладываться уже на начальных уровнях каналообразования. Неминуемо увеличивающаяся при этом нагрузка на процессор, как заявлено, не столь велика и не приведет к ощутимому росту требований вычислительной мощности, однако позволит существенно повысить SNR и пропускную способность системы. Предусматриваются также механизмы управления скоростью передачи со стороны радиоприемника.

Не обошлось и без других изменений на MAC/PHY-уровнях. Так, для увеличения эффективности предлагается изменить структуру пакетного обмена, используя принцип агрегатирования («склеивания») традиционных для радиосвязи коротких пакетов данных и заголовков в длинные последовательности, и уменьшить интенсивность квитирования в среде передачи. В стадии рассмотрения находится еще одно предложение – о замене классического для систем 802.11 сверточного кодирования на LDPC для прямой коррекции ошибок.

Все это позволит увеличить полосу пропускания до 145 Mbps, при реализации опциональных предложений – до 600 Mbps.

Ситуация с выпуском устройств на данный момент внешне похожа на ту, что складывалась перед введением стандарта 802.11g, – определенная часть компаний-пионеров на свой страх и риск, невзирая на предупреждения со стороны Wi-Fi-альянса об имеющихся расхождениях в мнениях, приступила к производству устройств Pre-n, сделав ставку на первую в массовой индустрии попытку реализации технологии интеллектуального радиообмена MIMO.

Итак, будущее несколько затуманено отсутствием окончательного варианта стандарта 802.11n. Называются различные сроки публикации, а пока даже максимальная скорость, на которой, надеемся, уже в недалеком будущем будут работать устройства, до конца не определена. Но при любом раскладе, повторимся, им должны быть по зубам трансляция HDTV, передача слабосжатых мультимедийных потоков в режиме реального времени или одновременная совместная работа вдвое-втрое большего числа оконечных пользователей с комфортными «офисными» скоростями.