Mimo

Yeni nesil kablosuz ağ teknolojisi MU-MIMO hakkında bilmeniz gerekenleri bu yazıda topladık.

MU-MIMO veya uzun adıyla “Multi-User, Multi-Input, Multi-Output” teknolojisi, yakın gelecekte yeni kablosuz bağlantı standardı olma yolunda ilerliyor. Peki bu yeni standarda neden ihtiyacımız var? Bunu anlamak için öncelikle çoğumuzun sahip olduğu kablosuz bağlantı standardı olan SU-MIMO’yu anlamamız gerekir.

“Single User, Multi-Input, Multi-Output” veya kısaca SU-MIMO modemlerde, ağ akışına bağlı olan her cihaz, veri gönderip almak için kendi sırasını beklemek zorundadır. Bu sebeple ağa ne kadar çok cihaz bağlanırsa, ağ hızı o kadar yavaşlayacaktır. Zira SU-MIMO teknolojisine sahip modemler, ağ akışını her cihaz için ayrı akımlara ayırma yeteneğine sahip değildir.

Yine de SU-MIMO teknolojisi, aynı ağa birden fazla cihazın bağlanmasına olanak sunar. Her ne kadar SU-MIMO, tek seferde yalnızca bir cihaz ile veri alış verişi yapabiliyor olsa da, ağ akışının küçük parçalara bölünüp çok seri bir şekilde kuyruğa alınıp kuyruktan dağıtılması sayesinde çoğu zaman gözle görülür bir gecikme yaşanmaz. Ancak düzenli veri akışının gerekli olduğu Netflix gibi servisler veya online oyunlar söz konusu olduğunda, ağa bağlı cihazların sayısı ağ performansını ciddi bir şekilde etkileyebilir.

İşte bu noktada imdadımıza MU-MIMO (diğer adıyla Next-Gen AC veya AC Wave 2) yetişiyor. MU-MIMO, kablosuz yönlendiricinin birden fazla cihazla aynı anda iletişim kurmasını ve veri alış verişi yapmasına olanak sunuyor. Bunu da ağ akışını her cihaz için ayrı akımlara bölerek sağlıyor. Yani hem telefonunuz, hem de bilgisayarınız aynı anda bağlantı talebi yolladığında, yönlendiriciniz sahip olduğu bant genişliğini ikiye bölerek her iki cihazın da sıra beklemeden talep edilen bağlantıya ulaşmasını sağlıyor.

Hangi modemler MU-MIMO destekliyor?

MU-MIMO teknolojisinin faydalarından yararlanmak için öncelikle bu teknolojiyi destekleyen bir kablosuz yönlendiriciye ihtiyacınız olacaktır. Nispeten eskimiş Wireless-A, B, G ve N standartlarını kullanan kablosuz yönlendiriciler, MU-MIMO teknolojisini desteklemez.

MU-MIMO teknolojisini destekleyen bir modem satın almak niyetindeyseniz, satın alacağınız modelin açık bir şekilde MU-MIMO, Next-Gen AC veya AC Wave 2 desteklediğinden emin olun.

Hangi cihazlar MU-MIMO ile çalışır?

Kablosuz ağlara bağlanabilen bütün cihazlar, MU-MIMO teknolojisi ile çalışmaya devam edebiliyor. Ancak MU-MIMO teknolojisini tam anlamıyla kullanabilmek için kullandığınız cihazın da gerekli teknolojiye sahip olması gerekiyor. 2017 itibariyle üretilen çoğu dizüstü bilgisayar, telefon ve tabletin varsayılan olarak MU-MIMO standardını desteklemesi bekleniyor.

Peki ihtiyacınız var mı?

MU-MIMO önemli bir kısıtlamayı ortadan kaldırsa da, kendine özgü bazı sınırları var. Örneğin MU-MIMO teknolojisinin sunduğu her cihaz için ayrı veri akışı özelliği, aynı anda en fazla 4 MU-MIMO destekli cihaz bağlandığında işe yarıyor. Yani ağınıza dörtten fazla cihaz bağlıysa, cihazlar aynı akışları paylaşmaya devam ediyor.

Sonuç olarak eğer ağınıza dört veya daha az cihaz bağlıysa ve güçlü ağ bağlantısı gerektiren aktivitelerde bulunuyorsanız, yeni bir modem satın almaya karar verdiğinizde MU-MIMO destekli modellere öncelik vermeniz sizin için faydalı olacaktır.

О чем вообще идет речь?

Начнем с того, что в природе существуют, так называемые, мультипликативные помехи, влияющие на принимаемую мощность сигнала — замирания (fading).

Замирания бывают быстрыми и медленными (fast and slow fading).

Рис. 1. Колебания мощности сигнала в беспроводных каналах в зависимости от расстояния. Средний уровень потерь распространения монотонно увеличивается с увеличением дальности. Локальные отклонения могут возникать из-за макроскопических (медленных) и микроскопических (быстрых) замираний .

Сознаюсь сразу, сегодня с медленными замираниями мы работать не будем, а вот про быстрые поговорим достаточно подробно.

Быстрые замирания

Быстрые замирания возникают, как правило, по двум основным причинам:

• из-за уже упомянутого нами многолучевого распространения (multipath propagation) и/или
• из-за Допплеровских сдвигов частоты.

Но и это ещё далеко не всё.

Selective fading vs. Flat fading

Выше мы разделили наши помехи по характеру возникновения. Однако, помехи можно разделить ещё и по характеру воздействия на передаваемый сигнал. И здесь нам понадобится понятие избирательности канала.

Приведем небольшую классификацию по . Итак, быстрые замирания могут быть:

1. Избирательными (selective)
   а. Частотно избирательными (frequency selective)
   б. Избирательными во временной области (time selective)
   в. Пространственно избирательными (это относится к вопросу об углах прихода и отправки ЭМ волн — сегодня мы этот вопрос разбирать не будем)
2. Плоскими (flat) — тяготеющими больше к характеру медленных замираний (да, вот такой вот парадокс)

Что подразумевает последний термин, объясним от обратного.

Обратите внимание на переменную Delay spread — разброс задержек. Именно этот разброс в задержках между приходом разных копий одного сигнала и измеряют, когда определяют характеристики того или иного реального канала

Рис. 5. Типичный профиль задержки (мощности) — средняя мощность как функция задержки .

Рис. 7. Иллюстрация времени когерентности

Обратите внимание, здесь максимальная допплеровская частота отражает движение самого мобильного терминала

Ну, и соответственно, если нам удастся каким-то чудом избежать вышеперечисленного, то мы придем к самомому простому и удобному случаю — к плоским замираниям .

Примечания

1. Флаксман А. Г. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах. Дис. д-ра физ.-мат. наук . — М., 2005. — С. 5.
2. ↑
   Слюсар, Вадим . Электроника: наука, технология, бизнес. – 2005. — № 8. С. 52—58. (2005).
3. ↑ Флаксман А. Г. Адаптивная пространственная обработка в многоканальных информационных системах/ Флаксман А. Г.//Дис. Д-ра физ.-мат. наук . — М.: РГБ 2005 (Из фондов Российской Государственной библиотеки), стр. 29-30
4. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации/В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. — М.: Техносфера, 2005—592 с.
5. Настройка wi-fi роутера tenda ac10u

   Слюсар, Вадим . В книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. – М.: Техносфера. – 2005. C. 498–569 (2005).

6. Li Q., Lin X. E. Closed Loop Feedback in MIMO Systems // Patent No US 7,236,748 B2 Assignee — Intel Corporation, Date of patent — June 26, 2007.
7. ↑
8. Степанец И., Фокин Г. Особенности реализации Massive MIMO в сетях 5G.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — № 1. — 2018. — C. 46—52.

Часть 2 — Что ещё не так с клиентскими устройствами

• Многообразие;
• Непредсказуeмость;
• Уязвимость.

Непредсказуемость

Раз.Два.три.

1. Устройство пытается подключиться к сети. Скорее всего, это будем именно 2,4 ГГц: драйверу устройства кажется, что так будет лучше — смотри, какой сильный сигнал!
2. AP проверяет, поддерживает ли устройство 5 ГГц. Умная система постоянно ведёт учёт всех MAC-адресов, с которых рассылались запросы или производилось подключение к «пятёрке» ранее;
3. DualBand-клиенты (поддерживающие оба диапазона) просто не получают ответа на свой запрос в диапазоне 2,4 ГГц;
4. Так происходит несколько раз подряд, и в итоге разочарованный драйвер решает искать лучшей доли в другом диапазоне;
5. Вуаля!

• Неожиданный и очень крепкий сон (особенности реализации PowerSave);
• Работа на модуляциях, явно не соответствующих условиям эфира;
• Самовольная раскраска трафика (QoS);
• Специфическая отработка сценариев на порталах авторизации (были проблемы при подключении к Wi-Fi в общественных местах?).

Уязвимость

• Отсутствуют либо ограничены ресурсы для контроля и противодействия подозрительной активности;
• Обновления политик безопасности недоступны, либо появляются с опозданием;
• Производители выполняют требования стандарта избирательно, отсутствует универсальность;
• Legacy-устройства не соответствуют современным требованиям безопасности;
• У администраторов нет контроля за клиентскими устройствами;
• Люди — пользователи устройств — уязвимы для социальной инженерии.

• Запрет BYOD. Сотрудникам выдаются устройства с предустановленным ПО, политиками безопасности управляет администратор;
• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) и прочие решения, позволяющие, с разной степенью эффективности, контролировать устройства клиентов. Можно, например, удалённо запретить использование камеры на смартфоне.

Что представляет собой технология MIMO?

Если дать как можно более простое определение, то MIMO — это многопотоковая передача данных
. Аббревиатуру можно перевести с английского как «несколько входов, несколько выходов» В отличие от предшественника (SingleInput/SingleOutput), в устройствах с поддержкой MIMO сигнал транслируется на одном радиоканале с помощью не одного, а нескольких приемников и передатчиков. При обозначении технических характеристик устройств WiFi рядом с аббревиатурой указывают их количество. Например, 3х2 — это 3 передатчика сигнала и 2 принимающих антенны.

Кроме того, в MIMO используется пространственное мультиплексирование
. За устрашающим названием кроется технология одновременной передачи нескольких пакетов данных по одному каналу. Благодаря такому «уплотнению» канала его пропускную способность можно увеличить в два раза и более.

Что это такое

Любой канал связи, и эфир не исключение, не «резиновый», поэтому имеет определенные ограничения по параметрам. Одно из таких ограничений, в которое в свое время уперлись инженеры, создающие беспроводные устройства — пропускная способность.

Сегодня 300 Мбит/с и даже больше — нормальные скорости для маршрутизаторов. Лет пять назад все было иначе: оптоволоконные сети могли обеспечить интернет на любой скорости, но маршрутизаторы попросту захлебывались под такими потоками данных.

На выручку пришла технология Multiple Input Multiple Output – метод кодирования сигнала, благодаря которому пропускную способность канала можно увеличить в несколько раз.

Если говорить простыми словами, то достигается все почти всегда системой из нескольких антенн. Их разносят так, чтобы они не коррелировали сигналы друг друга.

Так, в современном wi-fi маршрутизаторе, рассчитанном на высокую скорость, редко увидишь одну антенну: их как минимум две.

Последние — самые дорогие и навороченные «комбайны», MU которых достигает гипертрофированных величин.

Самый простой канал с замираниями

Возможно, вы где-то уже встречали подобный способ моделирования плоского канала с замираниями:

Что подразумевается:

• отсутствие прямой видимости (вполне оправданный для наземной связи случай)
• узкополосный канал (narrowband channel) — вписались в когерентную полосу
• частотной селективности тоже нет — вписались в когерентное время
• отсутствие затенений и Допплеровских сдвигов частоты

То есть вот он собственной персоной: плоский канал с замираниями. Для случая без прямой видимости канал ещё называют к тому же рэлеевским.

Лорд Рэлей

Из чего проистекает такая модель?

11 будет соответствовать координата равная примерно 0,7+0,7i.

где и — это нормально распределенные случайные величины.

Чаще всего используется модель с нормированной средней мощностью:

А значит .

Если мы предполагаем независимые искажения составляющих огибающей сигнала: как синфазной (I — In-phase), так и квадратурной (Q — Quadrature), — то положение числа, на которое будет перемножен изначальный символ (отсюда мультипликативность помехи), в полярных координатах может быть вычислено буквально по теореме Пифагора:

где и — это тоже нормально распределенные случайные величины. Для нормированной мощности , .

Рис. 10. Гауссовские генераторы в квадратуре для моделирования замираний Рэлея и Райса . О райсовском канале мы поговорим чуть позже.

Если мы рассматриваем самый простой случай без какой-либо пространственной корреляции между каналами (допустим, что у нас есть несколько пространственных каналов — MIMO), то говорят, что канал пространственно белый — spatially white. А так как все каналы независимы, то, следовательно, и «генерить» можно не только случайные величины, распределенные по Рэлею, но и вектора, и матрицы, и тензоры :

где и — это матрицы, состоящие из нормально распределенных значений.

Подытожим:
Помеховая компонента при отсутствии прямой видимости может быть описана как n-мерный вектор (в зависимости от размерности канала) независимых идентично распределенных (IID — independent identically distributed) по комплексному гауссовскому закону с круговой симметрией и нулевым мат. ожиданием (ZMCSCG — zero-mean circularly symmetric complex Gaussian) чисел.

Целая скороговорка!

IoT дружит с MU-MIMO?

Да. Роутер с беспроводным Wi-Fi с внедренной технологией позволит подключать и взаимодействовать с множеством IoT-устройствами одновременно. В свою очередь, это помогает избежать задержек, когда устройствам нужно быстро «пообщаться» между собой. Такими устройствами могут выступать:

1. Компьютеризированная техника (ноутбуки, смартфоны, планшеты).
2. Бытовая техника (кондиционеры, мультиварки, холодильники).
3. Системы автоматизации.

Поддержка последних достижений в технологии MIMO есть не во всех устройствах прошлых лет. Но это не значит, что новые роутеры не смогут с ними взаимодействовать. Смогут, но только с использованием стандартных вариаций подключения Wi-Fi в другой частотном диапазоне.

Многолучевое распространение – проблема или преимущество?

Для борьбы с многолучевым распространением сигналов применяется несколько различных решений. Одной из наиболее распространенных технологий является Receive Diversity – разнесенный прием. Суть его заключается в том, что для приема сигнала используется не одна, а сразу несколько антенн (обычно две, реже четыре), расположенные на расстоянии друг от друга. Таким образом, получатель имеет не одну, а сразу две копии переданного сигнала, пришедшего различными путями. Это дает возможность собрать больше энергии исходного сигнала, т.к. волны, принятые одной антенной, могут не быть принятыми другой и наоборот. Также сигналы, приходящие в противофазе к одной антенне, могут приходить к другой синфазно. Эту схему организации радио интерфейса можно назвать Single Input Multiple Output (SIMO), в противовес стандартной схеме Single Input Single Output (SISO). Также может быть применен обратный подход: когда используется несколько антенн на передачу и одна на прием. Благодаря этому также увеличивается общая энергия исходного сигнала, полученная приемником. Эта схема называется Multiple Input Single Output (MISO). В обеих схемах (SIMO и MISO) несколько антенн устанавливаются на стороне базовой станции, т.к. реализовать разнесение антенн в мобильном устройстве на достаточно большое расстояние сложно без увеличения габаритов самого оконечного оборудования.

В результате дальнейших рассуждений мы приходим к схеме Multiple Input Multiple Output (MIMO). В этом случае устанавливаются несколько антенн на передачу и прием. Однако в отличие от указанных выше схем эта схема разнесения позволяет не только бороться с многолучевым распространением сигнала, но и получить некоторые дополнительные преимущества. За счет использования нескольких антенн на передаче и приеме каждой паре передающей/приемной антенне можно сопоставить отдельный тракт для передачи информации. При этом разнесенный прием будет выполняться оставшимися антеннами, а данная антенна также будет выполнять функции дополнительной антенны для других трактов передачи. В результате, теоретически, можно увеличить скорость передачи данных во столько раз, сколько дополнительных антенн будет использоваться. Однако существенное ограничение накладывается качеством каждого радио тракта.

Два предельных случая

А теперь давайте немного отвлечемся и порешаем задачки на понимание.

Найдём, к примеру, чему будут равны коэффициенты при SNR стремящемся к и (в логарифмическом, конечно же, масштабе, ибо отрицательных мощностей не бывает).

Вспоминаем формулу соответствия между децибелами и разами:

где — мощность передаваемого сигнала (для наших задач она эквивалентна энергии символа ), а — мощность шума (в нашей задаче равна спектральной плотности шума ).

Значит в линейном масштабе будет:

Смотрим на основные формулы алгоритма:

где — это итератор, начинающийся с 1, — ранг канальной матрицы, — i-ое собственное значение «квадрата» канальной матрицы. Гаммы считаем по следующей формуле:

Начинаем рассуждать:

Если , то и . Следовательно, . Для первой итерации остаётся:

Подставляем к гаммам:

Резюмируем:

При бесконечно большой энергии передачи или бесконечно малых шумах ничего особого выдумывать, скажем так, не нужно — равномерно распределяем мощность между передающими антеннами (с оглядкой на ранг канальной матрицы).

Рассуждаем дальше:

А чему соответствует случай SNR стремящийся к ? Здесь даже не будем лезть в математику, рассудим логически: случай этот соответствует либо бесконечно большим шумам, либо нулевой мощности передачи. Значит, так и так, система наша, считайте, не функционирует. Поэтому и вопрос с гаммами отпадает автоматически…

Вот такие иногда вопросы попадаются на экзамене у профессора.