Pour résoudre les problèmes liés au niveau de réception du signal Internet et communications mobiles Vous pouvez créer votre propre antenne MIMO 4g LTE. La technologie MIMO vous permet d'augmenter le débit et de transmettre plus de données, augmentant ainsi la vitesse. Cet effet est obtenu en utilisant plusieurs appareils pour recevoir le signal. Ce n’est pas pour rien que le nom MIMO, ou Multiple Input Multiple Output, se traduit par plusieurs entrées, plusieurs sorties. Grâce à cette technologie, il est possible d'augmenter considérablement la vitesse de transfert de données pour l'utilisateur final.

En parallélisant le flux en plusieurs canaux en entrée, vous pouvez envoyer le signal dans plusieurs directions et également recevoir toutes ces données en sortie. Un grossissement 2x, 3x et même 8x est obtenu en utilisant des configurations et un nombre spécifiques d'antennes MIMO 3G ou 4G. De plus, il est possible de transmettre des informations codées avec un délai et de restaurer les données dès réception. Pour comprendre le fonctionnement de ces appareils, considérons diagramme schématique transmission de signaux radio.

Réception et envoi d'informations sur des lignes de communication sans fil

Les ondes radio, lorsqu'elles se déplacent dans l'espace, rencontrent divers obstacles sous forme de maisons, d'arbres et d'autres structures. Les obstacles sur le chemin peuvent réfléchir ou absorber la vague, ou le faire partiellement. Parfois, le signal est divisé en plusieurs Composants. La nature des interactions entre la vague et les obstacles sur le chemin est influencée par le matériau de la surface, la fréquence du signal et de nombreux autres facteurs. La réflexion pendant la transmission entraîne des retards. De plus, du fait de toutes ces interactions, seule une partie des ondes envoyées depuis le récepteur parvient à l’utilisateur final. Par conséquent, l’un des principaux problèmes des réseaux sans fil est la propagation des signaux par trajets multiples.

Pour résoudre ce problème, les technologies suivantes sont utilisées :

• La diversité de réception vous permet de recevoir un signal par plusieurs appareils à la fois, plutôt que par un seul. Ainsi, les ondes non reçues par une antenne le sont par l’autre. Le principe d'une sortie et de plusieurs entrées, ou SIMO (Single Input Multiple Output) est utilisé ;
• La transmission en diversité (Tx Diversity) est basée sur le fait que le signal est envoyé depuis plusieurs antennes et reçu par une seule, c'est-à-dire plusieurs sorties et une seule entrée, ou MISO (Multiple Input Single Output), comme une antenne panneau 3G ;
• Multiplexage spatial – diviser le flux de sortie en plusieurs composants et le recevoir via plusieurs appareils, ou MIMO. L'antenne reçoit également un signal destiné à d'autres appareils de réception. Grâce à la matrice de transmission et à toutes les informations reçues, le signal est restitué autant que possible.

Pour déterminer le débit maximum - C, la formule est utilisée :

С= M B log2(1 + S/N), où :

• C – capacité du canal ;
• M – nombre de flux de données indépendants ;
• B – largeur du canal ;
• S/N – rapport signal/bruit.

Pour communications cellulaires La 4G, à savoir LTE MIMO, il est possible d'utiliser le 8X8, ce qui permet d'atteindre des débits allant jusqu'à 300 Mbit/s. Même à une distance considérable de la station, le signal sera stable. Aujourd'hui, MIMO 2X2 est plus courant. Toujours pour la 4G le nombre de chaînes doit être pair.

Les antennes peuvent être situées sur la même surface ou être espacées verticalement. Dans le second cas, il est important de maintenir avec précision les différences de degrés indiquées sur le schéma.

Antenne MIMO

Quelle est la façon la plus simple de fabriquer une antenne ? Considérons l'équipement de réception d'un signal 4G LTE 800, basé sur l'antenne Kharchenko - un réseau de diamants en phase. Cette conception a été inventée par K.P. Kharchenko dans les années soixante de l'année dernière. Le principal avantage de cet équipement est qu'il est facile d'assembler l'antenne et que tous les paramètres peuvent être calculés à l'aide de nombreux calculateurs en ligne sur le réseau. En raison du circuit inhabituel, l'appareil doit rarement être configuré. Si vous devez fabriquer vous-même du matériel pour améliorer le signal 3G, vous pouvez utiliser une antenne Kharchenko.

La technologie MIMO utilise un nombre pair d'antennes, nous aurons 2 antennes DIY MIMO : Downlink - du satellite à l'appareil de réception, et pour l'envoi - Uplink. Si vous regardez les indicateurs moyens, vous pouvez utiliser 2 antennes à 802 et 843 MHz, la connexion se fera avec un câble coaxial de 50 ohms.

Pour 802 MHz la longueur en millimètres est :

• L1 – 93,5,
• L2 – 90,
• L3 – 250,
• L4 – 136,5,
• L5-4.8,
• H-373,
• B-373,
• D45.5.

Pour 843 MHz la longueur en millimètres est :

• L1-90,
• L2-96,
• L3-238,
• L4 – 129,5,
• L5-4.6,
• H-373,
• B-355,
• D 43.

Important! Le nombre de flux est égal ou inférieur au nombre minimum d'antennes en réception ou en sortie. Lorsque vous utilisez MIMO 4×4, vous pouvez travailler dans la plage de 1 à 4 flux, mais si nous parlons de MIMO 4×2, il ne peut y avoir que 1 ou 2 flux.

Pour travailler, vous aurez besoin de :

• un treillis ou un morceau de contreplaqué recouvert de papier d'aluminium ou de ruban adhésif, ou d'acier galvanisé (nous utilisons cette dernière option) :
• fil d'une section de 4 mm2;
• câble;
• planche de bois d'au moins 1,90 m de long ;
• tuyaux en polypropylène;
• pinces en nylon;
• une boîte d'émail automatique ;
• Connecteur F – 2 pièces ;
• câble pigtail F-CRC9 – 2 pièces ;
• Colle Poxipol;
• percer;
• pinces;
• ruban à mesurer et règle.

Séquençage :

1. Nous réalisons le cadre en forme de lettre P. Pour ce faire, nous découpons la planche en trois parties. La planche la plus longue (la partie supérieure de la lettre) doit mesurer 1 m 20 cm et les côtés doivent mesurer 35 cm chacun. Vous pouvez découper toutes les parties du cadre dans différentes planches ;
2. Nous découpons 2 pièces dans une tôle d'acier galvanisé mesurant 375x375 cm.Nous fixons les bases avec des chevilles sur le cadre strictement à un angle de 45 degrés ;
3. Au centre de chaque base, nous perçons des trous pour le câble qui ira au modem. Le diamètre des trous est de 7 mm. Nous effectuons des marquages ​​pour la fixation de l'antenne ;
4. Nous coupons le tuyau en polypropylène en plusieurs parties : 3 parties - 44,5 mm et 3 - 42 mm. Ces dimensions sont directement liées au centre du fil ;

Note! Pour une démarche durable et accueil de qualité Il est important que la technologie de multiplexage spatial soit prise en charge au niveau de la station émettrice et que l'antenne soit utilisée pour le modem 4G.

1. Commençons par assembler l'antenne 802 MHz ;
2. Selon le dessin, nous plaçons les tuyaux sur des morceaux de tôles galvanisées et les collons avec du Poxypol. Les tubes en polypropylène et la colle sont des diélectriques, donc lorsque l'antenne et ces pièces entrent en contact, le signal ne sera pas déformé ;
3. Nous fabriquons maintenant l'antenne elle-même à partir de fil selon les dimensions indiquées sur le dessin. Nous réalisons des virages à l'aide de pinces. Dans les paramètres obtenus, il faut soustraire 4 mm, dont 1 mm va à l'erreur au centre, et 3 mm lors du pliage avec une pince ;
4. Ensuite, nous dénudons le câble et l'âme centrale, le soudons aux extrémités du fil et soudons la tresse au coude ;
5. Nous tirons le câble à travers le tuyau en polypropylène dans le trou que nous avons percé à l'avance ;
6. Maintenant, nous vérifions toutes les dimensions et, si nécessaire, alignons l'antenne ;
7. Nous fixons les coins des diamants sur des supports en polypropylène à l'aide de Poxypol. Pour que le fil soit fixé, une sorte de poids doit être placé dessus ;

1. Nous mesurons la distance entre les extrémités de l'antenne et le coude du fil au milieu de la structure, elle doit être de 4,8 à 5 mm. 4,5 mm est l'écart entre le fil et le coude, il est difficile à régler, mais cela peut être fait avec des ciseaux à ongles, en les plaçant au milieu. Maintenant, nous fixons le milieu de l'antenne avec de la colle ;
2. La séquence d'assemblage d'une antenne DIY MIMO à 843 MHz est exactement la même. Il est important de noter que les antennes doivent être situées à un angle de 90 degrés les unes par rapport aux autres. La polarisation X a un effet plus important que la polarisation verticale. La disposition des antennes de cette manière crée des conditions de concurrence équitables pour elles ;
3. Pour éviter que les câbles ne passent dans les trous, on les serre par l'arrière avec des pinces en nylon et on les colle ;
4. Nous effectuons maintenant des mesures de contrôle selon le schéma et, si nécessaire, effectuons des ajustements ;
5. Pour éviter l'oxydation, nous enduisons le fil et les tôles galvanisées d'émail ;
6. Nous connectons les câbles via des connecteurs F à la queue de cochon et ensuite seulement au modem ;
7. Nous testons le système. La création de l'antenne MIMO 4G de vos propres mains est terminée.

Afin de déboguer le fonctionnement de l'appareil, la structure doit être positionnée correctement. Règles générales ils disent qu'il vaut mieux sortir l'antenne et l'élever le plus haut possible. De plus, l'antenne doit être dirigée strictement vers le poste de distribution. Cependant, ces conseils ne fonctionnent pas toujours. Plus l'antenne MIMO est élevée, plus vous devrez poser de câble avant de connecter vous-même le modem, mais dans ce cas, une partie du signal sera annulée par les interférences provoquées par ce même câble. L'installation en extérieur n'est pas toujours favorable à l'appareil. Si l’oxydation peut être éliminée par peinture, alors on ne peut ignorer que la géométrie de la structure peut être perturbée par les rafales de vent. De plus, en direction de la gare, il peut y avoir divers obstacles qui atténuent le signal.

Pour déboguer l'antenne, il faut parfois essayer plusieurs options d'installation, mais cet équipement fonctionnera alors en 3G 4G LTE.

Vidéo

L'une des innovations les plus significatives et les plus importantes Wi-Fi au cours des 20 dernières années - Multi-utilisateurs - Technologie à entrées multiples et sorties multiples (MU-MIMO). MU-MIMO étend les fonctionnalités d'une mise à jour récente norme sans fil 802.11ac « Vague 2 ». Bien entendu, il s’agit d’une avancée majeure pour Communication sans fil. Cette technologie permet d'augmenter la vitesse sans fil théorique maximale de 3,47 Gbit/s dans la spécification 802.11ac d'origine à 6,93 Gbit/s dans la mise à jour 802.11ac Wave 2. Il s'agit de l'une des fonctionnalités Wi-Fi les plus sophistiquées disponibles aujourd'hui.

Voyons comment cela fonctionne !

La technologie MU-MIMO place la barre plus haut en permettant à plusieurs appareils de recevoir plusieurs flux de données. Il repose sur la technologie MIMO mono-utilisateur (SU-MIMO), introduite il y a près de 10 ans avec la norme 802.11n.

SU-MIMO augmente la vitesse d'une connexion Wi-Fi en permettant à une paire d'appareils sans fil de recevoir ou d'envoyer simultanément plusieurs flux de données.

Figure 1. La technologie SU-MIMO fournit simultanément plusieurs flux d'entrée et de sortie à un seul appareil. La technologie MU-MIMO permet une communication simultanée avec plusieurs appareils.

Essentiellement, deux technologies révolutionnent le Wi-Fi. La première de ces technologies, appelée formation de faisceaux, permet aux routeurs et points d'accès Wi-Fi d'utiliser les canaux radio plus efficacement. Avant cette technologie, les routeurs et points d’accès Wi-Fi fonctionnaient comme des ampoules, envoyant des signaux dans toutes les directions. Le problème était que Un signal flou et de puissance limitée a du mal à atteindre les appareils Wi-Fi clients.

Grâce à la technologie de formation de faisceaux, un routeur ou un point d'accès Wi-Fi échange des informations sur son emplacement avec l'appareil client. Le routeur change alors de phase et de puissance pour former meilleur signal. Résultat : les signaux radio sont utilisés plus efficacement, le transfert de données est plus rapide et la distance de connexion maximale est éventuellement augmentée.

Les capacités de formation de faisceaux se développent. Jusqu'à présent, les routeurs ou points d'accès Wi-Fi effectuaient par nature une seule tâche, envoyant ou recevant des données d'un seul appareil client à la fois. Dans les versions antérieures de la famille de normes transmission sans fil Avec les données 802.11, y compris la norme 802.11n et la première version de la norme 802.11ac, il était possible de recevoir ou de transmettre plusieurs flux de données simultanément, mais jusqu'à présent, il n'existait aucune méthode permettant à un routeur ou un point d'accès Wi-Fi de « parler » » en même temps avec plusieurs clients à la fois. Désormais, avec l'aide de MU-MIMO, une telle opportunité est apparue.

Il s'agit véritablement d'une avancée majeure, car la possibilité de transmettre simultanément des données à plusieurs appareils clients à la fois augmente considérablement la bande passante disponible pour clients sans fil. La technologie MU-MIMO fait progresser les réseaux sans fil par rapport à l'ancienne méthode CSMA-SD, lorsqu'un seul appareil était servi à la fois, vers un système où plusieurs appareils peuvent « parler » en même temps. Pour rendre l'exemple plus clair, imaginez passer d'une route de campagne à voie unique à une autoroute large.

Aujourd'hui, les routeurs sans fil de deuxième génération et les points d'accès standard 802.11ac Wave 2 conquièrent activement le marché. Tous ceux qui déploient le Wi-Fi comprennent les spécificités du fonctionnement de la technologie MU-MIMO. Nous attirons votre attention sur 13 faits qui accéléreront votre apprentissage dans ce sens.

1. MU-MIMO utilise uniquement Flux « Downstream » (du point d'accès vers l'appareil mobile).

Contrairement à SU-MIMO, la technologie MU-MIMO ne fonctionne actuellement que pour transférer des données du point d'accès vers l'appareil mobile. Seuls les routeurs ou points d'accès sans fil peuvent transmettre des données à plusieurs utilisateurs simultanément, soit un ou plusieurs flux pour chacun d'eux. Les appareils sans fil eux-mêmes (tels que les smartphones, les tablettes ou les ordinateurs portables) doivent toujours envoyer des données à tour de rôle au routeur ou au point d'accès sans fil, bien qu'ils puissent utiliser individuellement SU-MIMO pour transmettre plusieurs flux lorsque c'est leur tour.

La technologie MU-MIMO sera particulièrement utile dans les réseaux où les utilisateurs téléchargent plus de données qu'ils n'en téléchargent.

Peut-être qu'à l'avenir une version de la technologie Wi-Fi sera implémentée : 802.11ax, où la méthode MU-MIMO sera également applicable pour le trafic « Upstream ».

2. MU-MIMO ne fonctionne que dans la gamme de fréquences Wi-Fi 5 GHz

La technologie SU-MIMO fonctionne dans les bandes de fréquences 2,4 GHz et 5 GHz. Les routeurs et points d'accès sans fil 802.11ac Wave 2 de deuxième génération peuvent servir plusieurs utilisateurs simultanément en utilisant uniquement la même bande de fréquences. 5 GHz. D'une part, il est évidemment dommage que nous ne puissions pas utiliser la bande de fréquences plus étroite et plus encombrée des 2,4 GHz. nouvelle technologie. Mais, d'un autre côté, de plus en plus d'appareils sans fil bi-bande prenant en charge la technologie MU-MIMO apparaissent sur le marché, que nous pouvons utiliser pour déployer des réseaux Wi-Fi d'entreprise hautes performances.

3. La technologie de formation de faisceaux aide à guider les signaux

Dans la littérature de l'URSS, vous pouvez trouver le concept Phased Réseau d'antennes, développé pour les radars militaires à la fin des années 80. Une technologie similaire a été utilisée dans le Wi-Fi moderne. MU-MIMO utilise la technologie de formation de faisceaux (connue dans la littérature technique anglaise sous le nom de « beamforming »). Le Beamfiorming permet aux signaux d'être dirigés dans la direction de l'emplacement prévu du ou des appareils sans fil, plutôt que de les envoyer de manière aléatoire dans toutes les directions. De cette façon, il est possible de concentrer le signal et d'augmenter considérablement la portée et la vitesse de la connexion Wi-Fi.

Même si la technologie de formation de faisceaux est devenue disponible en option avec la norme 802.11n, la plupart des fabricants ont néanmoins mis en œuvre leurs versions propriétaires de cette technologie. Ces fournisseurs proposent toujours des implémentations propriétaires de la technologie dans leurs appareils, mais ils devront désormais inclure au moins une version simplifiée et standardisée de la technologie de formation de faisceau s'ils souhaitent prendre en charge la technologie MU-MIMO dans leur gamme de produits 802.11ac.

4. MU-MIMO prend en charge un nombre limité de flux et d'appareils simultanés

Malheureusement, les routeurs ou points d'accès dotés de la technologie MU-MIMO ne peuvent pas servir simultanément plusieurs Quantité limitée flux et appareils. Un routeur ou un point d'accès a sa propre limite quant au nombre de flux qu'il peut desservir (souvent 2, 3 ou 4 flux), et ce nombre de flux spatiaux limite également le nombre d'appareils que le point d'accès peut desservir simultanément. Ainsi, un point d'accès prenant en charge quatre flux peut desservir simultanément quatre appareils différents ou, par exemple, diriger un flux vers un appareil et regrouper les trois autres flux vers un autre appareil (augmentant la vitesse de combinaison des canaux).​

5. Les appareils utilisateur ne sont pas obligés d'avoir plusieurs antennes

Comme pour la technologie SU-MIMO, seuls les appareils sans fil dotés de la prise en charge MU-MIMO intégrée peuvent regrouper les flux (taux). Mais contrairement à la technologie SU-MIMO, les appareils sans fil n'ont pas nécessairement besoin de plusieurs antennes pour recevoir les flux MU-MIMO de routeurs sans fil et points d'accès. Si votre appareil sans fil ne possède qu'une seule antenne, il peut recevoir un seul flux de données MU-MIMO provenant du point d'accès, utilisant la formation de faisceaux pour améliorer la réception.

Un plus grand nombre d'antennes permettra à un appareil utilisateur sans fil de recevoir simultanément plus de flux de données (généralement un flux par antenne), ce qui améliorera certainement les performances de cet appareil. Cependant, la présence de plusieurs antennes sur un appareil utilisateur affecte négativement la consommation électrique et la taille de ce produit, ce qui est essentiel pour les smartphones.

Cependant, la technologie MU-MIMO impose moins d'exigences matérielles aux appareils clients que la technologie SU-MIMO, techniquement lourde, on peut donc supposer que les fabricants seront beaucoup plus disposés à équiper leurs appareils clients. les ordinateurs portables et les tablettes prennent en charge la technologie MU-MIMO.​

6. Les points d’accès font le gros du travail

S'efforcer de simplifier les exigences relatives aux appareils les utilisateurs finaux, les développeurs de la technologie MU-MIMO ont tenté de déplacer l'essentiel du travail de traitement du signal vers les points d'accès. Il s'agit d'un autre pas en avant par rapport à la technologie SU-MIMO, où la charge du traitement du signal incombait en grande partie aux appareils des utilisateurs. Encore une fois, cela aidera les fabricants d'appareils clients à économiser sur l'énergie, la taille et d'autres coûts lors de la production de leurs solutions de produits compatibles MU-MIMO, ce qui devrait avoir un impact très positif sur la vulgarisation de cette technologie.

7. Même les appareils à faible coût bénéficient grandement de la transmission simultanée via plusieurs flux spatiaux

Similaire à l'agrégation de liens dans Réseaux Ethernet(802.3ad et LACP), l'agrégation de flux 802.1ac n'augmente pas la vitesse d'une connexion point à point. Ceux. si vous êtes le seul utilisateur et que vous n’avez qu’une seule application en cours d’exécution, vous n’utiliserez qu’un seul thread spatial.

Il est cependant possible d'augmenter débit global du réseau en offrant la possibilité de desservir plusieurs appareils utilisateur simultanément avec un point d'accès.

Mais si tous les appareils utilisateur de votre réseau ne prennent en charge qu'un seul flux, alors MU-MIMO permettra à votre point d'accès de desservir jusqu'à trois appareils simultanément, au lieu d'un à la fois, tandis que les autres Les appareils des utilisateurs (plus avancés) devront attendre leur tour.

Figure 2​.

8. Certains appareils utilisateur ont une prise en charge cachée de la technologie MU-MIMO

Même s'il n'existe actuellement pas beaucoup de routeurs, de points d'accès ou d'appareils mobiles prenant en charge MU-MIMO, le fabricant de puces Wi-Fi affirme que certains fabricants dans leur processus de production a pris en compte il y a plusieurs années la configuration matérielle requise pour prendre en charge les nouvelles technologies sur certains de ses appareils destinés aux utilisateurs finaux. Pour de tels appareils, il s'agit d'une mise à jour relativement simple logiciel ajoutera la prise en charge de la technologie MU-MIMO, ce qui devrait également accélérer la vulgarisation et la diffusion de la technologie, et encourager les entreprises et les organisations à mettre à niveau leurs réseaux sans fil d'entreprise avec des équipements prenant en charge la norme 802.11ac.

9. Les appareils sans prise en charge MU-MIMO en bénéficient également

Bien que les appareils Wi-Fi doivent prendre en charge MU-MIMO pour pouvoir utiliser cette technologie, même les appareils clients qui ne disposent pas d'une telle prise en charge peuvent indirectement bénéficier du travail sur un réseau sans fil où le routeur ou les points d'accès prennent en charge la technologie MU-MIMO. Il ne faut pas oublier que la vitesse de transfert des données sur le réseau dépend directement de la durée totale pendant laquelle les appareils des abonnés sont connectés au canal radio. Et si la technologie MU-MIMO permet de desservir certains appareils plus rapidement, cela signifie que les points d'accès d'un tel réseau auront plus de temps pour desservir d'autres appareils clients.

10. MU-MIMO contribue à augmenter le débit sans fil

Lorsque vous augmentez la vitesse de votre connexion Wi-Fi, vous augmentez également la capacité de votre réseau sans fil. Étant donné que les appareils sont servis plus rapidement, le réseau dispose de plus de temps d'antenne pour desservir davantage d'appareils clients. Ainsi, la technologie MU-MIMO peut optimiser considérablement les performances des réseaux sans fil à fort trafic ou gros montant appareils connectés tels que les réseaux Wi-Fi publics. C’est une excellente nouvelle car le nombre de smartphones et autres appareils mobiles dotés d’une connectivité Wi-Fi continuera probablement d’augmenter.

11. Toute largeur de canal prise en charge

Une façon d'étendre la capacité d'un canal Wi-Fi est le regroupement de canaux, qui combine deux canaux adjacents en un seul canal deux fois plus large, ce qui double effectivement la vitesse de la connexion Wi-Fi entre l'appareil et le point d'accès. La norme 802.11n prenait en charge des canaux jusqu'à 40 MHz ; dans la spécification 802.11ac d'origine, la largeur de canal prise en charge a été augmentée à 80 MHz. La norme 802.11ac Wave 2 mise à jour prend en charge les canaux 160 MHz.

Figure 3. 802.11ac prend actuellement en charge des canaux jusqu'à 160 MHz de large dans la plage de fréquences de 5 GHz

Cependant, il ne faut pas oublier que l’utilisation de canaux plus larges dans un réseau sans fil augmente le risque d’interférences dans les mêmes canaux. Cette approche ne sera donc pas toujours le bon choix pour déployer tous les réseaux Wi-Fi sans exception. Cependant, comme nous pouvons le constater, la technologie MU-MIMO peut être utilisée pour des canaux de n'importe quelle largeur.

Cependant, même si votre réseau sans fil utilise des canaux plus étroits de 20 MHz ou 40 MHz, la technologie MU-MIMO peut toujours l'aider à fonctionner plus rapidement. Mais la rapidité dépendra du nombre de périphériques clients qui devront être servis et du nombre de threads pris en charge par chacun de ces périphériques. Ainsi, l’utilisation de la technologie MU-MIMO, même sans canaux associés larges, peut plus que doubler le débit sans fil de sortie pour chaque appareil.

12. Le traitement du signal améliore la sécurité

Un effet secondaire intéressant de la technologie MU-MIMO est que le routeur ou le point d’accès crypte les données avant de les envoyer par voie hertzienne. Il est assez difficile de décoder les données transmises à l'aide de la technologie MU-MIMO, car il n'est pas clair quelle partie du code se trouve dans quel flux spatial. Bien que des outils spéciaux puissent être développés ultérieurement pour permettre à d'autres appareils d'intercepter le trafic transmis, la technologie MU-MIMO masque aujourd'hui efficacement les données des appareils d'écoute à proximité. Ainsi, la nouvelle technologie contribue à améliorer la sécurité Wi-Fi, ce qui est particulièrement important pour les réseaux sans fil ouverts tels que les réseaux Wi-Fi publics, ainsi que pour les points d'accès fonctionnant dans mode personnel ou en utilisant un mode d'authentification utilisateur simplifié (Pre-Shared Key, PSK) basé sur les technologies de sécurité réseau Wi-Fi WPA ou WPA2.

13. MU-MIMO est idéal pour les appareils Wi-Fi fixes

Il y a aussi une mise en garde concernant MU-MIMO : il ne fonctionne pas bien avec les appareils à évolution rapide car le processus de formation de faisceaux devient plus complexe et moins efficace. Par conséquent, MU-MIMO peut ne pas apporter d’avantages significatifs aux appareils qui se déplacent fréquemment dans votre région. réseau d'entreprise. Il faut cependant comprendre que ces appareils « à problèmes » ne devraient en aucun cas affecter le transfert de données MU-MIMO vers d’autres appareils clients moins mobiles, ni leurs performances.

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Nous vivons à l’ère de la révolution numérique, chers anonymes. Avant que nous ayons le temps de nous habituer à une nouvelle technologie, on nous en propose déjà de toutes parts une encore plus récente et plus avancée. Et pendant que nous nous demandons si cette technologie va vraiment nous aider à obtenir plus Internet rapide ou nous sommes simplement à nouveau trompés d'argent, les concepteurs développent actuellement une technologie encore plus récente qui nous sera proposée pour remplacer l'actuelle dans littéralement 2 ans. Cela s'applique également à la technologie d'antenne MIMO.

Quel type de technologie est MIMO ? Entrées multiples sorties multiples - entrées multiples sorties multiples. Tout d’abord, la technologie MIMO est une solution globale et ne concerne pas que les antennes. Pour mieux comprendre ce fait, il convient de faire une petite excursion dans l'histoire du développement des communications mobiles. Les développeurs sont confrontés à la tâche de transmettre une plus grande quantité d'informations par unité de temps, c'est-à-dire augmenter une vitesse. Par analogie avec une alimentation en eau, fournir à l'utilisateur un plus grand volume d'eau par unité de temps. Nous pouvons le faire en augmentant le « diamètre du tuyau » ou, par analogie, en élargissant la bande de fréquences de communication. Initialement, la norme GSM était adaptée au trafic vocal et avait une largeur de canal de 0,2 MHz. C'était largement suffisant. À cela s’ajoute le problème de l’accès multi-utilisateurs. Ce problème peut être résolu en divisant les abonnés par fréquence (FDMA) ou par temps (TDMA). Le GSM utilise les deux méthodes simultanément. En conséquence, nous avons un équilibre entre le nombre maximum possible d'abonnés dans le réseau et le nombre minimum bande possible pour le trafic vocal. Avec développement Internet mobile cette bande minimale est devenue un parcours d'obstacles pour augmenter la vitesse. Deux technologies basées sur la plateforme GSM - GPRS et EDGE - ont atteint un débit maximum de 384 kBit/s. Pour augmenter encore la vitesse, il était nécessaire d'étendre la bande passante pour le trafic Internet tout en utilisant si possible l'infrastructure GSM. C’est ainsi qu’a été développée la norme UMTS. La principale différence ici est l'extension immédiate de la bande à 5 MHz et pour assurer un accès multi-utilisateurs - l'utilisation de la technologie d'accès par code CDMA, dans laquelle plusieurs abonnés travaillent simultanément en un seul. canal de fréquence. Cette technologie a été baptisée W-CDMA, soulignant qu’elle fonctionne sur une large bande. Ce système s'appelle le système de troisième génération - 3G, mais il s'agit en même temps d'un complément au GSM. Nous avons donc obtenu un large « tuyau » de 5 MHz, ce qui nous a permis dans un premier temps d'augmenter la vitesse à 2 Mbit/s.

Sinon, comment pouvons-nous augmenter la vitesse si nous n'avons pas la possibilité d'augmenter davantage le « diamètre du tuyau » ? Nous pouvons paralléliser le flux en plusieurs parties, envoyer chaque partie dans un petit tuyau séparé, puis combiner ces flux séparés à l'extrémité réceptrice en un seul flux large. De plus, la vitesse dépend de la probabilité d'erreurs dans le canal. En réduisant cette probabilité grâce à un codage redondant, à une correction d’erreur directe et à l’utilisation de méthodes plus avancées de modulation du signal radio, nous pouvons également augmenter la vitesse. Tous ces développements (ainsi que l'expansion du « tuyau » en augmentant le nombre de porteuses par canal) ont été systématiquement utilisés dans l'amélioration de la norme UMTS et ont été appelés HSPA. Il ne s'agit pas d'un remplacement du W-CDMA, mais d'une mise à niveau logicielle et matérielle de cette plate-forme principale.

Le consortium international 3GPP développe des normes pour la 3G. Le tableau résume certaines fonctionnalités des différentes versions de cette norme :

Vitesse 3G HSPA et fonctionnalités technologiques clés
Version 3GPP	Les technologies	Vitesse de liaison descendante (MBPS)	Vitesse de liaison montante (MBPS)
Version 6	HSPA	14.4	5.7
Version 7	HSPA+ Liaison descendante 5 MHz, 2x2 MIMO	28	11
Version 8	DC-HSPA+ Liaison descendante 2x5 MHz, 2x2 MIMO	42	11
Version 9	DC-HSPA+ 2x5 MHz, liaison descendante 2x2 MIMO, Liaison montante 2x5 MHz	84	23
Version 10	MC-HSPA+ 4x5 MHz, liaison descendante 2x2 MIMO, Liaison montante 2x5 MHz	168	23
Version 11	MC-HSPA+ Liaison descendante MIMO 8x5 MHz 2x2/4x4, Liaison montante MIMO 2x5 MHz 2x2	336 - 672	70

La technologie 4G LTE, en plus d'être rétrocompatible avec les réseaux 3G, ce qui lui a permis de prévaloir sur le WiMAX, est capable de se développer encore davantage dans le futur vitesses élevées, jusqu'à 1 Gbit/s et plus. Ici, des technologies encore plus avancées sont utilisées pour transférer le flux numérique vers l'interface aérienne, par exemple la modulation OFDM, qui s'intègre très bien à la technologie MIMO.

Alors, qu’est-ce que MIMO ? En parallélisant le flux sur plusieurs canaux, vous pouvez les envoyer de différentes manières à travers plusieurs antennes « over the air », et les recevoir avec les mêmes antennes indépendantes côté réception. De cette façon, nous obtenons plusieurs « tuyaux » indépendants sur l’interface aérienne. sans élargir les voies. C'est l'idée principale MIMO. Lorsque des ondes radio se propagent dans un canal radio, un évanouissement sélectif est observé. Ceci est particulièrement visible dans les zones urbaines denses, si l'abonné est en déplacement ou en bordure de la zone de desserte de la cellule. La décoloration dans chaque « tuyau » spatial ne se produit pas simultanément. Par conséquent, si nous transmettons la même information sur deux canaux MIMO avec un léger retard, en y superposant au préalable un code spécial (méthode Alamuoti, superposition de code carré magique), nous pouvons récupérer les symboles perdus côté réception, ce qui équivaut à amélioration du rapport signal/signal bruit jusqu'à 10-12 dB. En conséquence, cette technologie entraîne à nouveau une augmentation de la vitesse. En fait, il s'agit d'une réception de diversité connue de longue date (Rx Diversity) organiquement intégrée à la technologie MIMO.

En fin de compte, il faut comprendre que MIMO doit être supporté aussi bien sur la base que sur notre modem. Habituellement en 4G, le nombre de canaux MIMO est un multiple de deux - 2, 4, 8 (dans les systèmes Wi-Fi, le système à trois canaux 3x3 s'est répandu) et il est recommandé que leur nombre coïncide à la fois sur la base et sur le modem . Par conséquent, pour résoudre ce fait, MIMO est déterminé avec des canaux de réception∗transmission - 2x2 MIMO, 4x4 MIMO, etc. Jusqu’à présent, nous avons principalement affaire à du MIMO 2x2.

Quelles antennes sont utilisées dans la technologie MIMO ? Ce antennes régulières, il suffit qu'il y en ait deux (pour 2x2 MIMO). Pour séparer les canaux, on utilise une polarisation orthogonale dite X. Dans ce cas, la polarisation de chaque antenne par rapport à la verticale est décalée de 45° et l'une par rapport à l'autre de 90°. Cet angle de polarisation met les deux canaux sur un pied d'égalité, car avec une orientation horizontale/verticale des antennes, l'un des canaux recevrait inévitablement une plus grande atténuation en raison de l'influence de la surface terrestre. Dans le même temps, un décalage de polarisation de 90° entre les antennes permet de découpler les canaux les uns des autres d'au moins 18 à 20 dB.

Pour MIMO, vous et moi aurons besoin d'un modem avec deux entrées d'antenne et deux antennes sur le toit. Cependant, la question reste de savoir si cette technologie est prise en charge au niveau de la station de base. Dans les normes 4G LTE et WiMAX, une telle prise en charge est disponible à la fois du côté des appareils des abonnés et de la base. Dans un réseau 3G, tout n'est pas si simple. Il existe déjà des milliers d'appareils fonctionnant sur le réseau qui ne prennent pas en charge MIMO, pour lesquels l'introduction de cette technologie a l'effet inverse : le débit du réseau est réduit. Les opérateurs ne sont donc pas encore pressés de mettre en œuvre universellement le MIMO dans les réseaux 3G. Pour que la base puisse offrir le haut débit aux abonnés, elle doit elle-même disposer de bons transports, c'est-à-dire il faut y raccorder un « tuyau épais », de préférence de la fibre optique, ce qui n'est pas toujours le cas non plus. Ainsi, dans les réseaux 3G, la technologie MIMO en est actuellement à ses balbutiements et à son développement ; elle est testée tant par les opérateurs que par les utilisateurs, et ces derniers ne réussissent pas toujours. Par conséquent, placez vos espoirs sur Antennes MIMO coûte uniquement dans les réseaux 4G. En bordure de la zone de service de la cellule, des antennes à gain élevé peuvent être utilisées, telles que des antennes miroir, pour lesquelles des alimentations MIMO sont déjà disponibles dans le commerce.

DANS Réseaux Wi-Fi La technologie MIMO est fixée dans les normes IEEE 802.11n et IEEE 802.11ac et est déjà prise en charge par de nombreux appareils. Alors que l’on assiste à l’arrivée de la technologie 2x2 MIMO dans les réseaux 3G-4G, les développeurs ne restent pas les bras croisés. Les technologies MIMO 64x64 avec des antennes intelligentes à diagramme de rayonnement adaptatif sont déjà en cours de développement. Ceux. si nous passons du canapé au fauteuil ou si nous allons à la cuisine, notre tablette le remarquera et orientera le diagramme de rayonnement de l'antenne intégrée dans la direction souhaitée. Quelqu'un aura-t-il besoin de ce site à ce moment-là ?

Le MIMO multi-utilisateur fait partie intégrante de la norme 802.11ac. Mais jusqu'à présent, aucun appareil ne prend en charge le nouveau genre technologie multi-antennes. Les routeurs WLAN 802.11ac de la génération précédente étaient désignés comme équipements de la vague 1. Ce n'est qu'avec la vague 2 que la technologie Multi-User MIMO (MU-MIMO) est introduite, et à la tête de cette deuxième vague. appareils à venir.

Norme Wi-Fi	802.11b	802.11g/a	802.11n	802.11ac	802.11ax*
Taux de transfert de données par flux, Mbit/s	11	54	150	866	pas moins de 3500
Gamme de fréquences, GHz	2,4	2,4/5	2,4 et 5	5	entre 1 et 6
Largeur de canal, MHz	20	20/20	20 et 40	20,40,80 ou 160	pas encore déterminé
Technologie d'antenne		Entrée unique Sortie unique (une entrée - une sortie)	MIMO : entrées multiples, sorties multiples		MIMO/MU-MIMO (MIMO multi-utilisateurs)
Nombre maximum spatial	1	1	4	8	pas encore déterminé
Prise en charge de la technologie de formation de faisceaux	□	□	■	■	■

■ oui □ non

Étant donné que le MIMO multi-utilisateurs transmet simultanément un signal à plusieurs appareils, le protocole de transmission est étendu en conséquence en termes d'en-têtes de blocs de données : au lieu de transmettre plusieurs flux spatialement séparés pour un seul client, le MIMO multi-utilisateurs distribue la transmission à chaque utilisateur séparément, comme ainsi que l'encodage. L'attribution des bandes de fréquences et le codage restent les mêmes.

Utilisateur unique Si quatre appareils partagent le même WLAN, un routeur avec une configuration MIMO 4x4:4 transmet quatre flux de données spatiales, mais toujours uniquement au même appareil. Les appareils et les gadgets sont entretenus en alternance. Multi-utilisateur Grâce à la prise en charge de Multi User MIMO, les files d'attente d'appareils en attente d'accès aux ressources du routeur WLAN ne sont pas formées. Un ordinateur portable, une tablette, un téléphone et un téléviseur reçoivent simultanément des données.

Un réseau WLAN est comme une autoroute très fréquentée : selon l'heure de la journée, outre les PC et les ordinateurs portables, des tablettes, des smartphones, des téléviseurs et des consoles de jeux sont connectés à ce trafic. Un foyer moyen possède plus de cinq appareils connectés à Internet via WLAN, et ce nombre ne cesse de croître. Avec des vitesses de 11 Mbps, fournies par la norme de base IEEE 802.11b, surfer sur le Web et télécharger des données nécessitent beaucoup de patience, car le routeur ne peut être connecté qu'à un seul appareil à la fois. Si la communication radio est utilisée par trois appareils à la fois, chaque client ne reçoit qu'un tiers de la durée de la session de communication et les deux tiers du temps sont passés à attendre. Bien que les réseaux WLAN dernière norme IEEE 802.11ac permet la transmission de données à des vitesses allant jusqu'à 1 Gbit/s ; ils rencontrent également le problème des baisses de vitesse dues aux files d'attente. Mais la prochaine génération d'appareils (802.11ac Wave 2) promet des performances supérieures pour les réseaux radio comportant plusieurs appareils actifs.

Pour mieux comprendre l'essence des innovations, vous devez d'abord vous rappeler les changements survenus dans les réseaux WLAN dans un passé récent. Un des plus techniques efficaces l'augmentation du taux de transfert de données, à commencer par la norme IEEE 802.1In, est la technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output : entrée multicanal - sortie multicanal). Cela implique l'utilisation de plusieurs antennes radio pour la transmission parallèle de flux de données. Si, par exemple, un seul fichier vidéo est transmis via un WLAN et qu'un routeur MIMO à trois antennes est utilisé, chaque appareil de transmission enverra idéalement (avec trois antennes au niveau du récepteur) un tiers du fichier.

Les coûts augmentent avec chaque antenne

En norme IEEE 802.11n vitesse maximum le transfert de données pour chaque flux individuel, ainsi que les informations de service, atteint 150 Mbit/s. Les appareils dotés de quatre antennes sont ainsi capables de transmettre des données à des vitesses allant jusqu'à 600 Mbit/s. La norme IEEE 802.11ac actuelle atteint théoriquement environ 6900 Mbps. En plus de canaux radio larges et d'une modulation améliorée, la nouvelle norme prévoit l'utilisation de jusqu'à huit flux MIMO.

Mais le simple fait d’augmenter le nombre d’antennes ne garantit pas une accélération multiple de la transmission des données. Au contraire, avec quatre antennes, la quantité de données de service augmente considérablement et le processus de détection des collisions de signaux radio devient également plus coûteux. Pour rentabiliser l’utilisation d’un plus grand nombre d’antennes, la technologie MIMO continue de s’améliorer. Par souci de distinction, il est plus correct d'appeler l'ancien MIMO mono-utilisateur MIMO (Single User MIMO). Bien qu'il assure la transmission simultanée de plusieurs flux spatiaux, comme mentionné précédemment, mais toujours à une seule adresse. Cet inconvénient est désormais éliminé grâce au MIMO multi-utilisateurs. Grâce à cette technologie, les routeurs WLAN peuvent transmettre simultanément un signal à quatre clients. Un appareil doté de huit antennes pourrait, par exemple, en utiliser quatre pour alimenter un ordinateur portable et en utiliser deux autres en parallèle, une tablette et un smartphone.

MIMO – signal directionnel précis

Pour permettre au routeur de transférer simultanément des paquets WLAN divers clients, il a besoin d'informations sur l'emplacement des clients. Pour ce faire, des paquets de test sont tout d’abord envoyés dans toutes les directions. Les clients répondent à ces paquets et la station de base stocke les données sur la force du signal. La technologie de formation de faisceaux est l'une des aides les plus importantes de MU MIMO. Bien qu'il soit déjà pris en charge par la norme IEEE 802.11n, il a été amélioré dans la norme IEEE 802.11ac. Son essence consiste à établir la direction optimale pour envoyer un signal radio aux clients. Station de base définit spécifiquement la directivité optimale de l'antenne émettrice pour chaque signal radio. En mode multi-utilisateurs, il est particulièrement important de trouver le chemin de signal optimal, car la modification de l'emplacement d'un seul client peut modifier tous les chemins de transmission et perturber le débit de l'ensemble du réseau WLAN. Le canal est donc analysé toutes les 10 ms.

En comparaison, le MIMO mono-utilisateur n’analyse que toutes les 100 ms. Le MIMO multi-utilisateurs peut servir quatre clients simultanément, chaque client recevant jusqu'à quatre flux de données en parallèle, pour un total de 16 flux. Ce MIMO multi-utilisateurs nécessite de nouveaux routeurs WLAN à mesure que le besoin en puissance de calcul augmente.

Un des plus Problèmes sérieux Le MIMO multi-utilisateurs est une interférence entre clients. Même si la congestion des canaux est souvent mesurée, elle ne suffit pas. Si nécessaire, certains cadres sont prioritaires, tandis que d'autres, au contraire, sont respectés. Pour ce faire, le 802.11ac utilise différentes files d'attente qui traitent à des vitesses différentes selon le type de paquet de données, privilégiant par exemple les paquets vidéo.

Une approche pour augmenter le taux de transfert de données pour la norme WiFi 802.11 et pour la norme WiMAX 802.16 consiste à utiliser systèmes sans fil en utilisant plusieurs antennes pour l'émetteur et le récepteur. Cette approche est appelée MIMO (traduction littérale - « entrées multiples sorties multiples ») ou « systèmes d'antennes intelligentes ». La technologie MIMO joue un rôle important dans la mise en œuvre de la norme WiFi 802.11n.

La technologie MIMO utilise plusieurs antennes de différents types réglées sur le même canal. Chaque antenne transmet un signal avec des caractéristiques spatiales différentes. Ainsi, la technologie MIMO utilise le spectre des ondes radio de manière plus efficace et sans compromettre la fiabilité. Chaque récepteur wifi« écoute » tous les signaux de chaque émetteur wifi, ce qui vous permet de diversifier les chemins de transmission de données. De cette façon, plusieurs chemins peuvent être recombinés, ce qui entraîne une amplification des signaux requis dans réseaux sans fil.

Un autre avantage de la technologie MIMO est qu'elle permet le multiplexage par répartition spatiale (SDM). SDM multiplexe spatialement plusieurs flux de données indépendants simultanément (principalement des canaux virtuels) au sein d'une bande passante spectrale unique. Essentiellement, plusieurs antennes transmettent différents flux de données avec un codage de signal individuel (flux spatiaux). Ces flux, se déplaçant en parallèle dans l’air, « poussent » davantage de données le long d’un canal donné. Au niveau du récepteur, chaque antenne voit une combinaison différente de flux de signaux et le récepteur « démultiplexe » ces flux pour les utiliser. MIMO SDM peut augmenter considérablement le débit de données si le nombre de flux de données spatiales augmente. Chaque flux spatial nécessite ses propres paires d'antennes d'émission/réception (TX/RX) à chaque extrémité de transmission. Le fonctionnement du système est illustré à la Fig. 1

Il faut également comprendre que la technologie MIMO nécessite un circuit RF et un convertisseur analogique-numérique (CAN) distincts pour chaque antenne. Les implémentations nécessitant plus de deux antennes dans une chaîne doivent être soigneusement conçues pour éviter une augmentation des coûts tout en maintenant un niveau d'efficacité approprié.

Un outil important pour augmenter la vitesse physique de transmission des données dans les réseaux sans fil consiste à étendre la bande passante des canaux spectraux. En utilisant une bande passante de canal plus large avec le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM), la transmission des données est effectuée avec des performances maximales. L'OFDM est une modulation numérique qui a fait ses preuves comme outil de mise en œuvre de la transmission de données sans fil bidirectionnelle à haut débit dans les réseaux WiMAX/WiFi. La méthode d'expansion de la capacité des canaux est rentable et assez facile à mettre en œuvre avec une croissance modérée traitement numérique(DSP). À utilisation correcte, il est possible de doubler la bande passante de la norme Wi-Fi 802.11 d'un canal de 20 MHz à un canal de 40 MHz, et il est également possible de fournir plus du double de la bande passante des canaux actuellement utilisés. En combinant l'architecture MIMO avec une bande passante de canal plus élevée, le résultat est une approche très puissante et rentable pour augmenter les débits de transmission physiques.

La technologie MIMO avec des canaux de 20 MHz est coûteuse pour répondre aux exigences WiFi IEEE 802.11n (débit de 100 Mbps sur MAC SAP). De plus, pour répondre à ces exigences lors de l'utilisation d'un canal 20 MHz, vous aurez besoin d'au moins trois antennes, à la fois sur l'émetteur et sur le récepteur. Mais en même temps, le fonctionnement sur un canal de 20 MHz permet fonctionnement fiable avec des applications qui nécessitent un débit élevé dans des environnements utilisateur réels.

L'utilisation combinée des technologies MIMO et d'extension de canal répond à toutes les exigences des utilisateurs et constitue un tandem assez fiable. Cela est également vrai lors de l'utilisation simultanée de plusieurs applications réseau gourmandes en ressources. La combinaison du MIMO et de l'extension du canal 40 MHz lui permettra de répondre à des exigences plus complexes, telles que la loi de Moore et la mise en œuvre CMOS de la technologie DSP avancée.

Lors de l'utilisation d'un canal étendu de 40 MHz dans la bande 2,4 GHz, des difficultés sont apparues au départ avec la compatibilité avec les équipements basés sur les normes WiFi 802.11a/b/g, ainsi qu'avec les équipements utilisant Technologie Bluetooth pour le transfert de données.

Pour résoudre ce problème dans Norme Wi-Fi Le 802.11n offre une gamme de solutions. L'un de ces mécanismes, spécialement conçu pour protéger les réseaux, est le mode redondant dit à faible débit (non-HT). Avant d'utiliser le protocole de transfert Données Wi-Fi Dans la norme 802.11n, ce mécanisme envoie un paquet à chaque moitié d'un canal de 40 MHz pour annoncer un vecteur de distribution réseau (NAV). Suite au message NAV en mode redondant non HT, le protocole de transfert de données 802.11n peut être utilisé pendant la durée indiquée dans le message, sans violer l'héritage (l'intégrité) du réseau.

Un autre mécanisme est un type de signalisation qui empêche les réseaux sans fil d'étendre le canal au-delà de 40 MHz. Par exemple, un ordinateur portable est équipé de modules 802.11n et Bluetooth ; ce mécanisme connaît la possibilité d'interférences potentielles lorsque ces deux modules fonctionnent simultanément et désactive la transmission sur le canal 40 MHz de l'un des modules.

Ces mécanismes garantissent que le WiFi 802.11n fonctionnera avec les anciens réseaux 802.11 sans qu'il soit nécessaire de migrer l'ensemble du réseau vers l'équipement 802.11n.

Vous pouvez voir un exemple d'utilisation du système MIMO sur la figure 2.

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