Підтримка mimo в роутері - що це за функція?

Трохи історії

Історію Wi-Fi має сенс відраховувати з 1971 року, коли в Університеті Гаваїв професор Норман Абрамсон з групою колег розробив, побудував і запустив бездротову мережу пакетної передачі даних ALOHAnet.

У 1980 році була затверджена група стандартів і протоколів IEEE 802, що описують організацію двох нижніх шарів семирівневої мережевої моделі OSI. До релізу першої версії 802.11 залишалося чекати довгих 17 років.

З прийняттям у 1997 році стандарту 802.11, за два роки до появи організації Wi-Fi Alliance, перше покоління найпопулярнішої сьогодні технології бездротової передачі даних зробило крок у великий світ.

Стандарт IEEE Покоління Wi-Fi

Першим стандартом, по-справжньому масово підтриманим виробниками обладнання, став 802.11b. Як бачите, частота нововведень з кінця XX століття була досить стабільною: для якісних змін потрібен час. В останні роки основна робота велася над поліпшенням фізичного середовища передачі сигналу. Для того щоб краще зрозуміти сучасну проблематику Wi-Fi, звернемося до його фізичних основ.

Згадаймо основи!

Радіохвилі є приватним випадком електромагнітних хвиль - що поширюються від джерела обурень електричного і магнітного поля. Вони характеризуються трьома основними параметрами: хвильовим вектором, а також векторами напруженості електричного і магнітного полів. Всі три взаємно перпендикулярні між собою. Частотою хвилі при цьому прийнято називати кількість повторюваних коливань, що укладаються в одиницю часу.

Все це загальновідомі факти. Однак щоб дійти до кінця, почати ми змушені з самого початку.

На умовній шкалі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання радіодіяць він займає найнижчу (низькочастотну) частину. До нього належать електромагнітні хвилі з частотою коливань від 3 Гц до 3000 ГГц. Всі інші діапазони, включаючи видиме світло, мають набагато вищу частоту.

Чим вище частота, тим більшу енергію можна повідомити радіохвилі, проте разом з тим вона гірше огинає перешкоди і швидше загасає. Вірно і зворотне. З урахуванням цих особливостей для роботи Wi-Fi були обрані два основних частотних діапазони - 2,4 ГГц (смуга частот від 2,4000 до 2,4835 ГГц) і 5 ГГц (смуги частот 5,170 - 5,330, 5,490 - 5,730 і 5,735 - 5,835 ГГц).

Радіохвилі поширюються в усі боки, і для того, щоб повідомлення не впливали один на одного через ефект інтерференції, частотну смугу прийнято розбивати на окремі вузькі відрізки - канали з тією чи іншою смугою пропускання. На схемі вище видно, що канали 1 і 2 зі смугою пропускання 20 МГц будуть заважати один одному, а 1 і 6 - не будуть.

Сигнал всередині каналу передається за допомогою радіохвилі на певній несучій частоті. Для передачі інформації параметри хвилі можуть модулюватися за частотою, амплітудою або фазою.

Розділення каналів у частотних діапазонах Wi-Fi

Частотний діапазон 2,4 ГГц поділено на 14 частково накладаються один на одного каналів оптимальної ширини - 20 МГц. Колись вважалося, що цього цілком достатньо для організації складної бездротової мережі. Незабаром з'ясувалося, що місткість діапазону стрімко вичерпується, так що до нього був доданий діапазон 5 ГГц, спектральна ємність якого набагато вище. У ньому, крім 20-мегагерцових, можливе виділення каналів шириною 40 і 80 МГц.

Для додаткового підвищення ефективності використання радіочастотного спектру в даний час широко застосовується технологія мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM).

Вона передбачає використання поряд з несучою частотою ще й декількох піднесених частот в тому ж каналі, що дає можливість здійснювати паралельну передачу даних. OFDM дозволяє розподіляти трафік досить зручним «гранулярним» способом, але в силу свого поважного віку зберігає ряд істотних мінусів. Серед них принципи роботи за мережевим протоколом CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), відповідно до яких у певні моменти часу на одній несучій і піднесучій може працювати тільки один користувач.

Просторові потоки

Важливий спосіб збільшити пропускну здатність бездротової мережі - використання просторових потоків.

Точка доступу несе на собі кілька радіомодулів (один, два або більше), які підключені до деякої кількості антен. Ці антени випромінюють за певною схемою і модуляцією, і ми з вами отримуємо інформацію, передану по бездротовому середовищу. Просторовий потік може формуватися між конкретною фізичною антенною (радіомодулем) точки доступу і користувальницьким пристроєм. Завдяки цьому загальний обсяг інформації, що передається від точки доступу, збільшується кратно кількості потоків (антен).

За поточними стандартами в діапазоні 2,4 ГГц можна реалізувати до чотирьох просторових потоків, в діапазоні 5 ГГц - до восьми.

Раніше при роботі в діапазонах 2,4 і 5 ГГц ми орієнтувалися тільки на кількість радіомодулів. Наявність другого радіомодуля давала додаткову гнучкість, оскільки дозволяла старим абонентським пристроям функціонувати на частоті 2,4 ГГц, а новим - на частоті 5 ГГц. З появою третього і наступних радіомодулів виникали деякі проблеми. Випромінюючі елементи схильні створювати наводки один на одного, що підвищує вартість пристрою у зв'язку з необхідністю більш якісного проектування та оснащення точки доступу компенсаційними фільтрами. Так що тільки недавно стало можливим одночасне підтримання 16 просторових потоків на одну точку доступу.

Що це за технологія і які її особливості?

Абревіатура передбачає собою наступне словосполучення - кілька входів/виходів (multiple input). Іншими словами, це передача даних, при якій бере участь безліч потоків. Так, сигнал здійснює трансляцію, використовуючи відразу неоднозначну кількість прийомників.

Для того щоб людина розуміла, скільки саме задіяно передавачів, поруч з позначенням у характеристиках виробники мають цифру. Вона ж повинна відповідати числу обладнань, які включені в роботу.

Увага! Крім цього, описуваний інструмент являє собою технологію для здійснення передачі відразу кілька пакетів по єдиному каналу. Причому за допомогою такого процесу допустимо збільшувати пропуск в рази більше.

Роутер з даною можливістю гарантує власнику розширення радіусу, в якому буде діяти мережа. Для любителів ігор технологія виявиться особливо значущою, оскільки з нею відтворення будь-якої гри або програми буде здійснюватися не тільки з відсутністю гальмування, але і з високою роздільною здатністю.

Важливо! Ще однією особливістю виступає факт, що до одного wi-fi можливе сполучення одночасно декількох пристроїв.

Поговоримо про антени

Як ви знаєте, у кожної антени є коефіцієнт посилення, залежно від значення якого формується просторовий патерн розповсюдження сигналу (beamforming) з певною площею покриття (ми не враховуємо перевідображення сигналів тощо). Саме на це завжди спиралися міркування проектувальників щодо того, де саме повинні бути розміщені точки доступу. Довгий час форма патерну залишалася незмінюваною і лише збільшувалася або зменшувалася пропорційно характеристикам антени.

Сучасні антенні елементи стають все більш керованими і дозволяють динамічно змінювати просторовий патерн поширення сигналу в реальному часі.

Ліворуч на малюнку вгорі показано принцип поширення радіохвиль при використанні стандартної всенаправленої антени. Збільшуючи потужність сигналу, ми могли змінювати тільки радіус покриття за відсутності можливості значно впливати на якість використання каналу - KQI (Key Quality Indicators). А цей показник надзвичайно важливий при організації зв'язку в умовах частого переміщення абонентського пристрою в бездротовому середовищі.

Вирішенням проблеми стало застосування великої кількості маленьких антен, навантаження на які можна регулювати в реальному часі, формуючи патерни поширення залежно від просторового положення користувача.

Таким чином вдалося впритул підійти до застосування технології MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). За її допомогою точка доступу в будь-який момент часу формує потоки випромінювання, спрямовані саме в бік абонентських пристроїв.

Від фізики до стандартів 802.11

У міру розвитку стандартів Wi-Fi змінювалися принципи роботи з фізичним шаром мережі. Використання інших механізмів модуляції дало можливість - починаючи з версій 802.11g/n - вміщати в тайм-слот набагато більшу кількість інформації і, відповідно, працювати з великим числом користувачів. Крім іншого, це досягалося і завдяки використанню просторових потоків. А нова гнучкість щодо ширини каналу дозволила формувати більшу кількість ресурсів для MIMO.

На наступний рік намічено затвердження стандарту Wi-Fi 7. Що ж зміниться з його приходом? Крім звичного приросту швидкості і додавання діапазону 6 ГГц з'явиться можливість працювати з широкими агрегованими каналами, такими як 320 МГц. Це особливо цікаво в розрізі індустріального застосування.

Теоретична пропускна здатність Wi-Fi 6

Теоретична формула розрахунку номінальної швидкості роботи Wi-Fi 6 досить складна і залежить від багатьох параметрів, починаючи з кількості просторових потоків і закінчуючи тією інформацією, які ми можемо вкласти в піднесену (або піднесуть, якщо їх кілька) в одиницю часу.

Як бачите, від просторових потоків залежить дуже багато. А адже перш збільшення їх кількості в поєднанні з використанням STC (Space-Time Coding) і MRC (Maximum Ratio Combining) погіршувало роботу бездротового рішення в цілому.

Нові ключові технології фізичного рівня

Перейдемо до ключових технологій фізичного рівня - і почнемо з першого рівня мережевої моделі OSI.

Нагадаємо, що в OFDM використовується певна кількість піднесених, які, не зачіпаючи один одного, здатні передавати якийсь обсяг інформації.

У прикладі ми використовуємо діапазон 5,220 ГГц, що вміщує в себе 48 підканалів. Агрегуючи цей канал, ми отримаємо більшу кількість піднесених, на кожній з яких застосовується своя схема модуляції.

У Wi-Fi 5 використовується квадратурна модуляція 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), яка дозволяє формувати в рамках несучої частоти в одному тайм-слоті поле 16 х 16 точок, що розрізняються за амплітудою і фазою. Незручність полягає в тому, що в кожен окремий момент здійснювати передачу на несучій частоті може тільки одна станція.

Мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDMA) прийшло зі світу операторів мобільного зв'язку, отримало поширення одночасно з LTE і застосовується для організації downlink (каналу зв'язку до абонента). Воно дозволяє працювати з каналом на рівні так званих ресурсних юнітів. Ці юніти допомагають розбити блок на певну кількість компонентів. У рамках блоку ми можемо в кожен момент не працювати строго з одним випромінюючим елементом (користувачем або точкою доступу), а комбінувати десятки елементів. Це дозволяє досягати примітних результатів.

Просте з'єднання каналів у Wi-Fi 6

З'єднання каналів (Channel Bonding) у Wi-Fi 6 дозволяє отримувати об'єднані канали шириною від 20 до 160 МГц. Причому з'єднання не обов'язково робити в прилеглих діапазонах. Наприклад, один блок можна взяти з діапазону 5,17 ГГц, а другий - з діапазону 5,135 ГГц. Це дозволяє гнучко будувати радіосреду навіть при наявності сильних інтерференційних факторів або при сусідстві з іншими постійно випромінюючими станціями.

Від SIMO до MIMO

Метод MIMO був з нами не завжди. Колись мобільного зв'язку доводилося обмежуватися режимом SIMO, який мав на увазі наявність у абонентської станції декількох антен, що одночасно працюють на отримання інформації.

MU-MIMO покликаний передавати інформацію користувачам, використовуючи весь поточний антенний фонд. Це знімає накладені раніше протоколом CSMA/CA обмеження, пов'язані з відправкою абонентським пристроям токенів на передачу. Тепер користувачі об'єднуються в групу і кожен учасник групи отримує свою частину ресурсу антенного фонду точки доступу, а не чекає своєї черги.

Формування радіолуча

Важливим правилом роботи MU-MIMO є підтримання такого режиму роботи антенного фонду, який не призводив би до взаємного перекриття радіохвиль і втрати інформації через складання фаз.

Це вимагає складних математичних розрахунків на боці точки доступу. Якщо термінал підтримує цю функцію, MU-MIMO дозволяє йому повідомляти точку доступу, з якою затримкою він отримує сигнал на кожну конкретну антену. А точка доступу, в свою чергу, підлаштовує свої антени для формування оптимально спрямованого променя.

Визначення

Почну, мабуть, з визначення - що являє собою MIMO. Це метод просторового кодування сигналу, який збільшує смугу пропускання каналу, де передача і прийом даних відбуваються системами з декількох антен. Антени розносять таким чином, щоб кореляційна залежність між сусідніми була слабкою.

Для підвищення пропускної здатності та отримання необхідної швидкості передачі даних ефективні саме такі антени. А системи з ними отримали назву MIMO. Технологія широко застосовується в локальних бездротових мережах протоколу 802.11 n, ac, а також LTE і ^ MAX.

У перекладі з англійської MIMO (Multiple Input Multiple Output) перекладається як «безліч входів, безліч виходів». Тобто сигнал на одному каналі передається кількома приймачами і передавачами. Наприклад, вивчаючи характеристики Wi-Fi пристрою, можна побачити такі параметри - 3 * 2. Це означає - 3 передавачі і 2 приймаючі антени.

Якщо говорити про зв'язок з Wi-Fi, то саме метод MIMO дозволив збільшити максимальну теоретичну швидкість до 300 Мбіт/с. Це послужило виникненню стандарту 802.11 n, який повсюдно працює донині. Цей протокол працює при стандартній ширині каналу 20 МГц, але також дозволяє застосовувати широкосмуговий - 40 МГц. Це дає високу пропускну здатність - ми без гальмувань можемо грати в онлайн-ігри, скачувати «важкі» файли, спілкуватися по відео в режимі реального часу.

Цілий відео-урок про основи Wi-Fi, в тому числі і про MIMO, можна подивитися тут:

І знову про фізичне середовище

Ну а тепер про те, за рахунок чого формується нове фізичне середовище. При використанні CSMA/CA і OFDM зростання кількості активних точок (Active STA) призводило до того, що пропускна здатність 20-мегагерцового каналу серйозно падала. Пов'язано це було з тим, про що вже згадувалося: з не найновішими технологіями STC (Space-Time Coding) і MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA за рахунок використання ресурсних юнітів може ефективно взаємодіяти з дальніми і малопотужними станціями. Ми отримуємо можливість роботи в одному несучому діапазоні з користувачами, які споживають різні обсяги ресурсів. Один користувач може займати один юніт, а інший - всі інші.