Методи оптимізації прийому/передачі в мережах Wi-Fi



Однією з ключових технологій для розвитку бездротових мереж (наприклад, Wi-Fi) в останні роки є технологія MIMO. MIMO — це множинна передача інформації з декількох передавачів та її отримання, а також обробка на декількох приймачах. Основні завдання MIMO – підвищити пропускну здатність бездротового каналу і якість зв'язку.

Головним методом збільшення пропускної здатності в системах MIMO є мультиплексування, тобто паралельна передача декількох потоків інформації з різних антен (про нього нижче). Приватними випадками MIMO є системи передачі, де на приймачі або передавачі використовується одна антена. Називаються такі системи Multiple-input single-output (MISO) і Single-input multiple-output (SIMO). В них не можна організувати паралельну передачу декількох потоків інформації, проте можна використовувати додаткові антени для підвищення якості прийому або передачі сигналу. В описі точок доступу різних вендорів ми можемо дізнатися скільки передавальних і приймальних антен є на пристрої, скільки просторових потоків MIMO воно підтримує. Наприклад, це може бути значення 3x4:3, що означає 3 передавача, 4 приймача і 3 просторових потоку. Крім цих параметрів можна зустріти такі абревіатури або позначення, як MRC, STBC, CSD, 802.11 ac Tx BF та ін Всі ці технології також спрямовані на покращення якості сигналу. Отже, давайте спробуємо розібратися які варіанти хитрощів використовують сучасні точки доступу, щоб ваш девайс отримав хороший сигнал. Варто відзначити, що на Хабре вже є статті з досить докладним описом роботи зазначених технологій — MIMO, OFDM, STBC і MRC. В даному матеріалі хотіли б зробити загальний огляд технологій підвищення якості зв'язку, наочно показати, як працює та чи інша функція і який приріст вона дає. Розглянута робота з точки зору 802.11 Wi-Fi, хоча, зрозуміло, зазначені методи використовуються і в інших бездротових стандартах (LTE, WiMAX 802.16).

Просторове мультиплексування (MIMO SDM)


Ключовою перевагою MIMO є можливість передавати кілька незалежних інформаційних потоків з різних антен на одному каналі. Це дозволяє кардинально збільшити пропускну здатність бездротового каналу. Технологія називається просторове мультиплексування, або SDM (Spatial Division Multiplexing). Основною умовою для роботи MIMO SDM є багатопроменеве поширення сигналу. Якщо ми відправимо дані з двох антен, при прямій видимості сигнал прийде до одержувача одночасно, і ми отримаємо їх накладення (інтерференції). А значить зробимо тільки гірше. Але якщо при проходженні сигнал відбивається, заломлюється і т. п., одержувач може розпізнати (скорелювати) прийшов сигнал для різних потоків. Потім, одержувач обчислює поточний стан каналів передачі (потоків) для кожної з передавальних антен на основі попередньої калібрування (за службовим заголовкам). І далі з допомогою математичних перетворень, відновлює вихідні потоки. У разі MIMO відправник не знає про стан каналу, тобто він ніяк не оптимізує сигнал при передачі. Точка доступу і клієнт передають певну кількість потоків, підтримуваний двома сторонами. Наприклад, якщо клієнт підтримує тільки один потік, точка доступу теж буде передавати єдиний потік.

Варто відзначити, що при передачі кількох потоків (та й взагалі при одночасній передачі з декількох антен) загальна випромінювана потужність ділиться на кількість передавальних антен. Наприклад, якщо ми передаємо сигнал одночасно з двох антен, то потужність сигналу для кожної з них буде в два рази менше максимальної. Однак, в даному випадку ми передаємо інформацію щодо двох або більше каналах одночасно.Також, за рахунок спільного використання SDM і множинної передачі (про це нижче) можна збільшити значення SNR (відношення сигнал-шум) на приймачі.

Системи MIMO продовжують розвиватися і в стандарті 802.11 ac (wave2) реалізована множинна одночасна передача в режимі MIMO кількома клієнтами (Multiuser-MIMO). Тобто, якщо є два клієнта, підтримують один і два потоку, система MU-MIMO буде передавати їм сигнал одночасно. Як ми пам'ятаємо, до появи технології MU — MIMO в момент часу передачу даних могла здійснювати тільки одна система. Працює технологія тільки в напрямку від точки доступу до клієнта (DownLink). Поточні точки доступу дозволяють працювати з трьома клієнтами MU-MIMO і передавати до трьох потоків (сумарно). Технологія MU-MUMO вимагає підтримки і на точці доступу і на клієнтському пристрої. Також вона вимагає додаткових обчислень на точці доступу і накладає певні умови при використанні. Наприклад, її робота неможлива без попередньої калібрування і адаптивної передачі (Explicit Transmit Beamforming), про яку буде розказано нижче.


Розвиток механізмів множинної передачі\прийому зрозуміло призвело до збільшення кількості антен на 802.11 n-пристроях. Сьогодні для точок доступу корпоративного рівня (802.11 n/ac) вже стало стандартом наявність 3-4 антен. При цьому, кількість просторових потоків часто менше кількості антен. Насправді, чи багато клієнтів підтримують, наприклад, 3 потоку? Звичайно, не багато. Якщо це смартфон, то найчастіше підтримується тільки один просторовий потік. Це дає точці доступу використовувати різні техніки для оптимізації прийому та передачі сигналів, використовуючи вільні антени.

Оптимальне вагове додавання (MRC)


MRC дозволяє покращити значення SNR для вхідного сигналу (від клієнта до точки доступу). Якщо на точці доступу є додатковий вільний приймач(і), вона складає отриманий на цьому приймачі сигнал з іншими. Так як на приймачі вже є інформація про поточний стан каналу передачі (для кожної з передавальних антен), він може обчислити сигнали (на кожній з приймальних антен), провести їх вирівнювання та оптимальне складання, отримавши краще співвідношення сигнал-шум. Порівняння результатів для одного і декількох потоків з додатковими антенами і без показує, що MRC в деяких випадках дозволяє суттєво збільшити значення SNR, а значить і збільшити швидкість передачі, дальність дії ТД. MRC працює тільки на точці доступу для поліпшення вхідного сигналу від клієнта. Технологія може використовуватися спільно з іншими – CSD, SDM, STBC.

Рознесена передача (CSD/SE)


Технологія Cyclic Shift Diversity (CSD) дозволяє передати копії одного сигналу з додаткових вільних антен. Робиться це по черзі з невеликим інтервалом (200 нс). Якщо передати копії одного сигналу одночасно з декількох антен (потужність ділиться), отримати виграш на прийомі не вдасться. Якщо ж передати сигнал незалежно (на максимальній потужності) з невеликим інтервалом з кожної з антен, можна отримати рознесення сигналу на прийомі, а значить поліпшити сигнал. Приймач у свою чергу за певним критерієм вибирає кращий сигнал. Метод рознесеною передачі досить старий і не дуже зручний для розпізнавання на приймачі (вимагає обчислювальної потужності, погано масштабується). Однак, він підтримується на точках доступу і працює з клієнтами попередніх поколінь – 802.11 a/g. У сучасних стандартах (802.11 n і далі) використовується механізм STBC або адаптивна передача (Beamforming).

Просторово-тимчасове блокове кодування (STBC)


STBC дозволяє передавати різні сигнали одночасно з декількох антен за кілька тактових інтервалів. Для передачі використовується схема Аламоути. Для найпростішого випадку 2х1, ця схема дозволяє за два інтервали часу передати два сигналу два рази. На двох інтервалах з різних антен передається один із сигналів і комплексне спряження іншого сигналу. Таким чином, ми отримуємо рознесення сигналів за часом і простору (два сигнали проходять різними шляхами), збільшуючи результуючий сигнал на прийомі. З погляду приймання, метод STBC є досить зручним, оскільки не вимагає великої обчислювальної потужності. Як можна здогадатися, STBC не працює одночасно з CSD. На противагу MRC, який ми розглянули раніше, STBC дозволяє покращити якість сигналу від точки доступу до клієнта. Підтримується робота в режимах більш високих порядків або для кількох потоків (наприклад, в режимі 2х1 для двох потоків з чотирма передавальними антенами). STBC може використовуватися одночасно з MIMO SDM.

Вплив на продуктивність

Отже, ми розглянули різні методи рознесеною (множинної) передачі/прийому на точках доступу. У чому ж перевага їх використання, який реальний приріст вони дають? Подивимося графіки*. На першому графіку для MCS7 (один потік) ми бачимо, що SE (CSD) не дає істотних поліпшень в порівнянні з режимом SISO (1x1). STBC ж веде себе набагато краще: для коефіцієнта помилок 1% (PER – Packet Error Rate) він на ~4 dB краще SE. MRC** дає найбільший приріст: майже 10 dB порівняно з режимом 1х1! Однак, на більш низьких швидкостях результати менш захоплюючі. Для MCS0 (другий графік) показники SNR для STBC і SE (CSD) взагалі порівнянні.

*взято з книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11 n and 802.11 ac

**Чому MRC кращенасправді, при порівнянні систем 2:1 і 1:2 для STBC і MRC відповідно при однаковій потужності з двох сторін STBC апріорі буде давати менший результат. Пов'язано це з тим, що при передачі сигналу з двох антен потужність ділитися на два (-3 dB). При прийомі ж точка доступу отримує сигнал, надісланий на повній потужності. Тобто різниця між STBC і MRC в режимі 2 приймача або передавача становить не менше 3 dB.





Адаптивна передача (802.11 ac Explicit Beamforming)


Всі методи, які ми розглядали до цього ґрунтувалися на обробці сигналу на приймальній стороні. Тобто при передачі інформації саме приймач становив матрицю каналу зв'язку для вхідного сигналу з кожного з передавачів. Передавальна сторона не подстраивала сигнал на антенах між собою, тобто відправляла сигнал «наосліп». При адаптивної передачі основний акцент робиться на визначенні стану каналу на передавачі, щоб відправити сигнал з оптимальними фазово-амплітудними характеристиками. Іншими словами, відправити сигнал з декількох антен таким чином, щоб на приймальній стороні отримати найкращу якість. Зробити це можна різними способами (без відповіді від одержувача, калібрування з одержувачем). У стандарті 802.11 ac був реалізований підхід з отриманням калібрувальної інформації від приймача. Тобто приймач повідомляє, як він чує сигнал з кожної антени точки доступу. Після цього, на основі припущення що канал в обидві сторони симетричний, формується матриця передачі з коефіцієнтами для конкретного приймача. Крім того, використання адаптивної передачі дозволяє розподіляти потужність між різними потоками (наприклад, збільшити потужність для потоків кращим SNR) На графіку видно, що в порівнянні з методами рознесеною передачі розглянутими раніше режим адаптивної передачі дозволяє одержати найбільший приріст у швидкості при передачі інформації клієнтові.

Ми розглянули різні методи множинної передачі сигналу в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексування, рознесення сигналу на прийомі і передачі, адаптивну передачу, а також показали який приріст вони можуть дати. В реальних умовах буде спостерігатися більш комплексна картина. Додаються додаткові фактори, що впливають на роботу бездротової мережі (відстань до клієнта, кількість клієнтів, навантаження на канал, підтримувані клієнтом методи передачі та ін). Точка доступу на основі вбудованих алгоритмів вирішує, які методи передачі використовувати в той чи інший момент часу.

Список використаної літератури
  • Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11 n and 802.11 ac, 2013
  • М. Бакулін, Ст. Крейнделин, Л. Варукина Технологія MIMO. Принципи та алгоритми, 2014



Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.