Что такое антенны MIMO? Для чего они нужны? В чем преимущества и недостатки анетнн MIMO по сравнению с другими антеннами?

Что такое MIMO

MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами. В случае WiMAX модемов технически это выглядит как использование антенны, которая подключается к модему сразу двумя кабелями.

Определение MIMO систем

В современных системах связи существует необходимость повышения пропускной способности, например, в сотовых системах связи, высокоскоростных локально-вычислительных сетях и др. Пропускная способность может быть увеличена с помощью расширения полосы частот или повышения излучаемой мощности. Тем не менее, применимость этих методов имеет недостатки, так как из-за требований биологической защиты и электромагнитной совместимости повышение мощности и расширение полосы частот ограничено. Поэтому если в системах связи возможные повышение излучаемой мощности и расширение полосы частот не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то одним из самых эффективных способов решений этой проблемы может быть применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами. Системы связи, которые используют такие антенны, получили название MIMO систем (Multiple Input Multiple Output).

MIMO канал

В общем случае, в канале наблюдаются межсимвольная интерференция и частотная селективность. Тем не менее, во многих случаях длительность импульсов в беспроводных системах связи намного больше задержек сигналов, поступаемых на приёмную антенну. Это даёт возможность пренебрегать межсимвольной интерференцией в канале. Частотную селективность также необходимо учитывать. Так например, в системах связи стандарта IEEE 802.11, где используется технология OFDM, частотной селективностью пренебрегать нельзя. Однако, в некоторых ситуациях, можно моделировать канал как канал без частотной селективности.

Где применяется технология MIMO?

MIMO применяется в стандартах 802.11n, мобильном WiMAX, LTE

Преимущества MIMO

Чтобы понять преимущества MIMO, можно сравнить передачу радиосигнала в радиоканале с поездкой на автомобиле по дороге. Чем мощнее двигатель, лучше шины, подвеска, меньше сопротивление воздуха, тем быстрее можно передвигаться. Но неровности дороги и встречный ветер мешают развивать высокую скорость движения. В радиоканале уровень сигнала – это возможности автомобиля, а неотъемлемый шум и помехи – это качество дороги. Не знаю про автомобильную технику, но в радиотехнике есть вполне определенная характеристика превосходства качества сигнала над уровнем шума в канале. Это отношение «сигнал – шум», аббревиатура SNR (Signal-to-Noise Ratio). Чем больше превышение уровня сигнала над уровнем шума – тем лучше возможности для «движения» битов в радиоканале.

Более мощный двигатель и подвеска позволяют поддерживать хорошую скорость движения даже на плохих дорогах. Также более высокое отношение «сигнал-шум» позволит поддерживать заданную скорость передачи данных, несмотря на плохие условия распространения в радиоканале. После того, как в канале достигнуто минимально необходимое отношение «сигнал-шум», любой выигрыш, превышение над минимально необходимым пороговым значением, может принести дополнительные преимущества. Если достигнуто превышение отношения SNR над пороговым, то дополнительные децибелы превышения могут быть израсходованы на:

- повышение скорости передачи данных;
- увеличение дистанции между приемником и передатчиком (дальности связи);
- и на увеличение скорости, и на увеличение дальности одновременно. Однако каждый «лишний» децибел может быть потрачен либо на скорость, либо на дальность.

Как MIMO помогает движению битов в радиоканале?

Наличие нескольких приемников и нескольких передатчиков позволяет одновременно передавать и принимать в одном радиоканале несколько сигналов. Сигналы могут нести одну и ту же информацию для увеличения надежности передачи или разную для увеличения скорости передачи, либо комбинировать эти методы.

Каждый сигнал передается со своего передатчика со своей антенной, при этом передающие антенны разнесены в пространстве. В применяемых диапазонах 2,4 и 5 ГГц даже несколько сантиметров составляют доли длины волны, и передаваемый сигнал испытывает относительно уникальные характеристики канала при распространении до приемной антенны. Каждая из нескольких разнесенных приемных антенн одновременно принимает свою относительно уникальную копию передаваемого сигнала.

При помощи достаточно сложных математических алгоритмов из ситуации «несколько передатчиков – несколько приемников» (а коротко – MIMO) можно извлечь следующие выгоды:

- использовать несколько передатчиков для повышения отношения сигнал-шум на приеме;
- использовать несколько приемников для повышения отношения сигнал-шум на приеме (MIMO-эквалайзер);
- возможность передавать больше информации в одном и том же радиоканале – (пространственное мультиплексирование). Несмотря на устрашающее название, это всего лишь техника одновременной передачи разных потоков информации данных по одному радиоканалу.

А теперь аналогии из повседневной жизни, чтобы упростить восприятие сложных терминов. В случае SISO (один передатчик, один приемник) мы используем однополосную дорогу для передвижения битов в радиоканале. MIMO превращает один радиоканал в несколько полос для движения битов. Нужно отметить, что эти полосы не совсем четко расчерчены, как в случае с использованием нескольких радиоканалов, поскольку используется один и тот же участок спектра.

В общем, использование техники MIMO позволяет в разы поднять надежность и увеличить скорость передачи данных в радиоканале с той же шириной полосы частот.

Практические тестирование

Теория - это хорошо. Но какие результаты мы получаем на практике? Для этого нашими специалистами был проведен ряд тестирований в которых сравнивались использование обычных - SIMO - и MIMO антенн. Что же у нас получилось?

Тест 1. Скорость на антенне DS-2600-18. Вертикальная поляризация.

Было проведено 3-и замера скорости исходящего и входящего потоков. В результате получилось следующее:

Эксперимент 1: Входящий поток - 3411 Mbps. Исходящий поток - 744 Kbps
Эксперимент 2: Входящий поток - 2242 Mbps. Исходящий поток - 1035 Kbps
Эксперимент 3: Входящий поток - 3301 Mbps. Исходящий поток - 1001 Kbps
Качество сигнала: 25 dB / Уровень сигнала: -64 dB

Тест 2. Скорость на антенне DS-2600-18. Горизонтальная поляризация.

Было проведено 3-и замера скорости исходящего и входящего потоков. В результате получилось следующее:

Эксперимент 1: Входящий поток - 2438 Mbps. Исходящий поток - 540 Kbps
Эксперимент 2: Входящий поток - 1695 Mbps. Исходящий поток - 492 Kbps
Эксперимент 3: Входящий поток - 2659 Mbps. Исходящий поток - 627 Kbps
Качество сигнала: 21 dB / Уровень сигнала: -72 dB

Тест 3. Скорость на антенне DS-2600-18MIMO. Основная антенна поляризована вертикально.

Было проведено 3-и замера скорости исходящего и входящего потоков. В результате получилось следующее:

Эксперимент 1: Входящий поток - 6904 Mbps. Исходящий поток - 728 Kbps
Эксперимент 2: Входящий поток - 5287 Mbps. Исходящий поток - 879 Kbps
Эксперимент 3: Входящий поток - 7021 Mbps. Исходящий поток - 940 Kbps
Качество сигнала: 27 dB / Уровень сигнала: -64 dB

Тест 4. Скорость на антенне DS-2600-18MIMO. Основная антенна поляризована горизонтально.

Было проведено 3-и замера скорости исходящего и входящего потоков. В результате получилось следующее:

Эксперимент 1: Входящий поток - 1863 Mbps. Исходящий поток - 314 Kbps
Эксперимент 2: Входящий поток - 5236 Mbps. Исходящий поток - 619 Kbps
Эксперимент 3: Входящий поток - 2584 Mbps. Исходящий поток - 278 Kbps
Качество сигнала: 27 dB / Уровень сигнала: -72 dB

Некоторые выводы

Итак, как следует из наших экспериментов, для работы лучше использовать MIMO антенны. Благо стандарт WiMAX изначально использует эту технологию для передачи данных. И наши эксперименты показали почти двухкратное увеличение скорости входящего потока. Однако стоит учесть, что инсталляция MIMO антенн, впрочем как и любых других направленных антенн, требует довольно точной работы и поэтому лучше ее доверять профессионалам.

Благодарим компанию WiMAXStore за предоставленное для тестирование оборудование.

Источники: Wikipedia
Клуб ИТ профессионалов