MIMO технологии в Mesh сетях
Mesh-сети - это тип беспроводных сетей, где каждое устройство (узел) подключается к нескольким другим узлам, образуя ячеистую структуру. Это позволяет обойти проблемы с покрытием и устойчивостью сети. Если один узел выходит из строя, данные могут быть перенаправлены через другие узлы. Mesh-сети часто используют в домах и офисах для расширения зоны действия Wi-Fi без значительной потери скорости.
Между модулями есть выделенный канал связи. Это значит, что ваш трафик - видео, файлы, звонки, идут отдельно по внутреннему каналу между узлами. Благодаря этому интернет остаётся стабильным, даже если в доме десятки устройств.
Пока вы двигаетесь по помещению, система автоматически выбирает лучший модуль для подключения, без задержек и разрывов. Это называется бесшовный роуминг, и он работает на базе стандартов 802.11k/v/r:
Расширение границ возможностей радиотехнологии MIMO
Введение в технологию MIMO
Использование нескольких антенн как на передающей, так и на приемной стороне существенно повышает эффективность связи.
Многие современные стандарты телекоммуникаций, особенно в сфере потребительских устройств, внедрили технологию использования нескольких антенн (MIMO) благодаря значительным преимуществам, которые она обеспечивает по сравнению с аналогичными системами, использующими приемопередатчики с одной антенной (SISO).
Аббревиатура MIMO расшифровывается как Multiple-In Multiple-Out («много входов — много выходов»); это означает, что при передаче пакета в канал связи задействуется более одной антенны, а при приеме сигнала из канала используются несколько антенн. Это отличает данную технологию от систем типа SISO (Single-In Single-Out — «один вход — один выход»), где на обоих концах линии связи установлена лишь одна антенна, а также от систем SIMO (Single-In Multiple-Out — «один вход — много выходов»), к которым относятся некоторые виды радиооборудования, использующие методы разнесенного приема (diversity combining) на стороне получателя, но осуществляющие передачу сигнала только через одну антенну.
Некоторым такая терминология может показаться несколько странной, поскольку изначально эти названия были предложены в лабораториях Bell Labs с точки зрения канала, а не радиооборудования, причем приставка «in» (вход) относилась к функции передачи.
Что такое технология использования нескольких антенн?
Использование нескольких антенн на передающей и приемной сторонах создает дополнительные степени свободы при передаче сигналов, отсутствовавшие в системах SISO (один вход — один выход). Эти степени свободы называют пространственными. Их можно использовать для обеспечения разнесения (diversity), мультиплексирования или их комбинации. Проще говоря, разнесение означает избыточность.
Простой пример разнесения - использование нескольких антенн для приема одного и того же сигнала. Сигналы, принимаемые двумя антеннами, искажаются шумом, который не коррелирует между ними; следовательно, путем объединения этих сигналов можно восстановить сигнал более высокого качества. Здесь уместна аналогия с наблюдением за одним и тем же объектом с двух разных точек: это позволяет получить более полную информацию о нем. Разнесение также может быть реализовано на передающей стороне с помощью методов пространственно-временного кодирования (STC).
Второй важный метод MIMO - пространственное мультиплексирование. Оно позволяет паре передатчик-приемник MIMO увеличить пропускную способность без расширения полосы частот или увеличения мощности передачи. Пропускная способность при мультиплексировании растет линейно в зависимости от количества передающих или приемных антенн (выбирается меньшее из этих двух значений). Передатчик отправляет сигналы, несущие различные потоки битов, с каждой из своих антенн. Каждая приемная антенна получает линейную комбинацию переданных сигналов. Беспроводной канал представляет собой матрицу, зависящую от геометрии антенных решеток (передающей и приемной) и наличия в окружающей среде объектов, вызывающих рассеяние или отражение сигнала.
Когда пара передатчик-приемник MIMO работает в условиях сильного рассеяния, матрица канала становится обратимой. Это позволяет приемнику декодировать все различные сигналы, переданные с разных антенн, что обеспечивает выигрыш за счет мультиплексирования. Между степенью разнесения и выигрышем от мультиплексирования, которые может обеспечить система MIMO, существует компромисс. Типичная пара передатчик-приемник MIMO автоматически выбирает рабочую точку на кривой компромисса «разнесение - мультиплексирование», исходя из текущих условий в беспроводном канале.
Методы MIMO:
Собственное формирование луча (Eigen-Beamforming)
Метод собственного формирования луча (Eigen-Beamforming) может применяться как на передающей, так и на приемной стороне канала связи. Классическое формирование луча (beamforming) напоминает использование антенны с высоким коэффициентом усиления, которой, однако, не требуется механическое перенаправление; метод Eigen-Beamforming обеспечивает аналогичное усиление, но при этом не зависит от ориентации антенны или наличия рассеивающих объектов вблизи нее. При упоминании формирования луча многие сразу вспоминают радары с фазированной антенной решеткой (ФАР); действительно, ФАР — это технология использования множества антенных элементов для управления направленностью антенной группы, позволяющая формировать «луч» передачи или приема.
Хотя технология ФАР кажется весьма сложной и передовой из-за ее применения в дорогостоящих военных системах, на самом деле это более простой метод формирования луча по сравнению с возможностями современных систем MIMO. В системах с ФАР формирование луча осуществляется за счет фазового сдвига и сложения сигналов в аналоговой области, что имеет существенные недостатки: эффективность метода снижается при увеличении полосы пропускания канала, а сама технология, как правило, работает только в условиях прямой видимости (LOS) и при отсутствии рассеивающих объектов или многолучевого распространения, вызывающих значительное ухудшение качества сигнала.
В отличие от этого, метод Eigen-Beamforming в системах MIMO преобразует сигналы со всех антенн в цифровую форму, что позволяет применять сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов (DSP). Благодаря этому формирование луча может выполняться независимо для каждой узкополосной поднесущей в системах с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). В частности, системы MIMO могут использовать разновидность формирования луча, известную как Eigen-Beamforming. Этот метод не ограничивается формированием простого луча в трехмерном пространстве и не подвержен негативному влиянию рассеивающих объектов или многолучевых отражений. При приеме сигнала в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS) и наличии множественных отражений система Eigen-Beamforming способна сформировать эффективную диаграмму направленности, обеспечивающую усиление сразу в нескольких направлениях, соответствующих отдельным отраженным сигналам. Использование цифровой обработки сигналов позволяет системам MIMO адаптировать эти диаграммы направленности для каждого отдельного пакета данных.
Пространственно-временное кодирование
Пространственно-временное кодирование - это метод передачи данных с использованием нескольких антенн, позволяющий получить выигрыш, сопоставимый с тем, что достигается при разнесенном приеме. Суть этого метода заключается в преобразовании данных (которые в обычных условиях передавались бы через одну антенну) с помощью специальных алгоритмов кодирования и последующей передаче математически измененных версий этой информации через дополнительные антенны; такой подход облегчает приемнику задачу выделения полезного сигнала на фоне шума. Пространственно-временное кодирование хорошо сочетается с такими технологиями, как формирование диаграммы направленности (beamforming) или разнесенный прием.
Рассмотрим пример: бортовая радиостанция транспортного средства может быть легко оснащена четырьмя антеннами, тогда как возможности компактного портативного устройства часто ограничены одной или двумя антеннами. Если портативное устройство ведет передачу через одну антенну, бортовая станция может улучшить качество приема, используя методы разнесенного приема или формирования диаграммы направленности. Пространственно-временное кодирование позволяет бортовой станции вести передачу сразу через четыре антенны и обеспечивать аналогичный выигрыш в качестве связи даже в том случае, когда портативное устройство ограничено одной приемной антенной; это делает канал связи симметричным и значительно более эффективным для двустороннего обмена данными.
Пространственное мультиплексирование
Пространственное мультиплексирование - это технология, в которую зачастую трудно поверить, не говоря уже о том, чтобы сразу понять принцип ее работы. В рамках этой технологии MIMO с разных антенн, работающих на одной и той же центральной частоте, передаются несколько уникальных информационных потоков. Приемник, оснащенный количеством антенн, не меньшим, чем число передаваемых потоков, способен декодировать их по отдельности, тем самым увеличивая объем данных, передаваемых в пределах фиксированной полосы пропускания канала. Система MIMO конфигурации 4×4 в оптимальных условиях позволяет передавать четыре потока, обеспечивая вчетверо большую скорость передачи данных по сравнению с системой SISO при той же ширине полосы канала.
Предположим, передатчик отправляет четыре потока (A, B, C и D). В эфире эти потоки смешиваются, и на каждую из четырех приемных антенн поступает искаженная комбинация вида wA+xB+yC+zD, где коэффициенты w, x, y и z отражают искажения, вносимые многолучевым каналом (причем для каждой антенны эти искажения различаются). Благодаря сложным алгоритмам цифровой обработки сигналов (DSP) приемник оценивает все эти канальные эффекты (w, x, y, z) и восстанавливает исходные потоки A, B, C и D. По сути, этот процесс сводится к решению системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными — задаче, знакомой многим еще со школьных или студенческих уроков линейной алгебры.
Преимущество пространственного мультиплексирования MIMO заключается в возможности повысить спектральную эффективность (количество бит в секунду на герц полосы канала) без столь существенного снижения надежности соединения, которое неизбежно при переходе к методам модуляции более высокого порядка. Например, при использовании двух потоков и модуляции 16-QAM с достаточно надежным кодированием FEC (прямой коррекции ошибок) можно достичь показателя, близкого к 4 бит/с/Гц. Системе без поддержки MIMO для достижения аналогичной пропускной способности в той же полосе частот потребовалось бы использовать модуляцию 64-QAM и менее надежное кодирование FEC, что значительно ограничило бы дальность связи или потребовало бы существенного увеличения мощности передатчика.
Введение в MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking)
Передача голоса, данных и видео в сети, не требующей стационарной инфраструктуры
Самоорганизующиеся сети MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking) обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:
• возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;
• устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;
• возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;
• простота и высокая скорость развертывания.
В системах, опирающихся на инфраструктуру (например, сотовую связь или Wi-Fi), для обеспечения высокоскоростного соединения и высокого качества обслуживания (QoS) используется центральный узел-концентратор. Отказ от такой инфраструктуры в сочетании с обеспечением мобильности и переменным характером соединения - при условии сохранения высокого качества обслуживания для пользователя - представляет собой сложнейшую задачу для разработчиков систем беспроводных ячеистых сетей (Wireless Mesh Networks), также известных как MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking - мобильные самоорганизующиеся сети).
Система MANET (WANET Hytera) представляет собой группу мобильных (или временно стационарных) устройств, обеспечивающих передачу голоса, данных и видео между произвольными парами устройств; при этом для обмена информацией используются другие устройства сети в качестве ретрансляторов, что позволяет обойтись без использования стационарной инфраструктуры.
Для обеспечения надежного функционирования сетей MANET (WANET)применяется множество методов и технологий, в том числе:
Самоорганизация и самовосстановление
Самоорганизация и самовосстановление - важнейшие характеристики систем MANET (WANET). В полноценной ячеистой сети (mesh-сети) радиоустройства могут подключаться к сети или покидать ее в любой момент, а топология сети непрерывно адаптируется по мере взаимного перемещения узлов. Это подразумевает децентрализованную архитектуру: для управления сетью не требуются центральные «ведущие» узлы, а связь сохраняется даже при выходе из строя одного или нескольких узлов.
Адаптация параметров канала (Link Adaptation)
Адаптация параметров канала - это способность радиоустройства оптимально настраивать параметры передачи (тип модуляции/созвездие, кодирование с исправлением ошибок (FEC) и методы MIMO) для максимизации скорости передачи данных и надежности соединения с каждым из других радиоустройств, с которыми ведется обмен информацией. Одно и то же устройство может обмениваться данными с расположенным поблизости узлом на скорости более 50 Мбит/с, в то время как для обеспечения надежной связи с удаленным узлом будет использоваться скорость всего 2 Мбит/с. Речь идет о скорости передачи в рамках пакета (пакетных всплесков): использование режима 50 Мбит/с выгодно даже для потока данных с низкой средней скоростью, поскольку это высвобождает эфирное время для использования другими узлами сети. Высокая потенциальная скорость передачи пакетов важна, так как сокращение времени занятия эфира при передаче данных на короткие расстояния оставляет больше ресурсов для использования более медленных, но гораздо более помехоустойчивых методов модуляции и кодирования при связи с удаленными узлами.
Адаптивная маршрутизация
Адаптивная маршрутизация - это механизм выбора путей передачи (с использованием промежуточных узлов) для пересылки потока данных между конкретной парой радиостанций. Данный механизм должен обеспечивать функции самоорганизации и самовосстановления сети, динамически задействовать все доступные радиостанции в качестве потенциальных ретрансляторов и сохраняя работоспособность при выходе отдельных узлов-ретрансляторов из строя. Кроме того, система должна функционировать в тесном взаимодействии с механизмом адаптации параметров канала связи, поскольку выбор оптимального маршрута для потока данных требует учета как других потоков, циркулирующих в сети, так и динамически изменяющейся пропускной способности каждого отдельного канала. Решение этой сложной задачи предполагает обмен информацией между радиостанциями о проходящем через них трафике и о пропускной способности каналов связи с соседними узлами. Такой обмен данными должен осуществляться рационально, чтобы не расходовать чрезмерную часть ценного ресурса сетевой пропускной способности.
Прозрачная IP-сеть
Технология прозрачной IP-сети означает, что к каждой из мобильных радиостанций можно подключить любое количество стандартных компьютеров, IP-видеокамер или других устройств и обеспечить их взаимодействие через ячеистую сеть (mesh-сеть) так, словно все они находятся в одном офисе и соединены проводной сетью Ethernet. В рамках сети MANET(WANET) это можно реализовать различными способами. Для обеспечения максимальной гибкости и простоты использования оптимальным решением является такая организация сети MANET (WANET), при которой она воспринимается как единый сетевой коммутатор уровня 2 (L2). Это означает, что группа IP-устройств, совместно работающих через обычный коммутатор Ethernet, может быть подключена к радиостанциям MANET (WANET)и продолжить функционирование без изменения IP-адресов или иных настроек, но уже с преимуществами беспроводной мобильности.
Мультикаст-трафик
Передача мультикаст-трафика (групповой рассылки) создает ряд специфических проблем для систем MANET (WANET). Механизм поддержки мультикаста, реализованный в стандартных проводных коммутаторах второго уровня (L2), заключается в дублировании пакетов, поступивших на один порт, и их рассылке на все остальные порты. Например, если к одному из портов подключена IP-видеокамера, она может передавать видеопоток, используя пакеты с меткой мультикаста; в этом случае компьютеры, подключенные к другим портам коммутатора, смогут получить доступ к данному видеопотоку. Однако такой упрощенный подход оказывается малоэффективным в беспроводной сети, выполняющей функции коммутатора второго уровня: многим устройствам в сети конкретный мультикаст-поток может быть не нужен, а слепая рассылка пакетов всем устройствам без необходимости перегружает ограниченную полосу пропускания беспроводной сети. Более совершенные системы MANET (WANET) допускают ручную и/или автоматическую оптимизацию, ограничивая передачу мультикаст-трафика только теми устройствами, которым необходим данный конкретный поток.
Многоканальные сети
Многоканальные сети - это передовая функция некоторых систем MANET (WANET), позволяющая использовать в рамках одной сети несколько радиоканалов или даже несколько частотных диапазонов, сохраняя при этом простоту подключения и настройки (по принципу plug-and-play), характерную для обычного коммутатора второго уровня (L2). Простым примером практической пользы такого решения может служить ситуация, когда у бойцов имеются радиостанции, работающие на одной частоте, а у транспортных средств — радиостанции, работающие не только на этой же частоте, но и в другом диапазоне. Этот дополнительный диапазон может задействовать повышенную мощность передачи или антенны с высоким коэффициентом усиления для создания высокоскоростного «магистрального» канала связи между транспортными средствами. Радиостанция любого бойца может связываться с радиостанцией любого другого бойца напрямую по радиоканалу, однако наличие дополнительного уровня связи на другой частоте позволяет снизить нагрузку на основной канал и увеличить зону покрытия сети.
Совокупность этих сетевых возможностей MANET (WANET) обеспечивает надежную высокоскоростную связь, сопоставимую по характеристикам с современными сетями 3G/4G, но при этом пригодную для использования в критически важных оперативных сценариях, где отсутствует стационарная беспроводная инфраструктура.
Между модулями есть выделенный канал связи. Это значит, что ваш трафик - видео, файлы, звонки, идут отдельно по внутреннему каналу между узлами. Благодаря этому интернет остаётся стабильным, даже если в доме десятки устройств.
Пока вы двигаетесь по помещению, система автоматически выбирает лучший модуль для подключения, без задержек и разрывов. Это называется бесшовный роуминг, и он работает на базе стандартов 802.11k/v/r:
- k помогает быстро находить ближайшие модули,
- v передаёт информацию о нагрузке, чтобы не загружать один узел,
- r ускоряет переключение между модулями.
Расширение границ возможностей радиотехнологии MIMO
Введение в технологию MIMO
Использование нескольких антенн как на передающей, так и на приемной стороне существенно повышает эффективность связи.
Многие современные стандарты телекоммуникаций, особенно в сфере потребительских устройств, внедрили технологию использования нескольких антенн (MIMO) благодаря значительным преимуществам, которые она обеспечивает по сравнению с аналогичными системами, использующими приемопередатчики с одной антенной (SISO).
Аббревиатура MIMO расшифровывается как Multiple-In Multiple-Out («много входов — много выходов»); это означает, что при передаче пакета в канал связи задействуется более одной антенны, а при приеме сигнала из канала используются несколько антенн. Это отличает данную технологию от систем типа SISO (Single-In Single-Out — «один вход — один выход»), где на обоих концах линии связи установлена лишь одна антенна, а также от систем SIMO (Single-In Multiple-Out — «один вход — много выходов»), к которым относятся некоторые виды радиооборудования, использующие методы разнесенного приема (diversity combining) на стороне получателя, но осуществляющие передачу сигнала только через одну антенну.
Некоторым такая терминология может показаться несколько странной, поскольку изначально эти названия были предложены в лабораториях Bell Labs с точки зрения канала, а не радиооборудования, причем приставка «in» (вход) относилась к функции передачи.
Что такое технология использования нескольких антенн?
Использование нескольких антенн на передающей и приемной сторонах создает дополнительные степени свободы при передаче сигналов, отсутствовавшие в системах SISO (один вход — один выход). Эти степени свободы называют пространственными. Их можно использовать для обеспечения разнесения (diversity), мультиплексирования или их комбинации. Проще говоря, разнесение означает избыточность.
Простой пример разнесения - использование нескольких антенн для приема одного и того же сигнала. Сигналы, принимаемые двумя антеннами, искажаются шумом, который не коррелирует между ними; следовательно, путем объединения этих сигналов можно восстановить сигнал более высокого качества. Здесь уместна аналогия с наблюдением за одним и тем же объектом с двух разных точек: это позволяет получить более полную информацию о нем. Разнесение также может быть реализовано на передающей стороне с помощью методов пространственно-временного кодирования (STC).
Второй важный метод MIMO - пространственное мультиплексирование. Оно позволяет паре передатчик-приемник MIMO увеличить пропускную способность без расширения полосы частот или увеличения мощности передачи. Пропускная способность при мультиплексировании растет линейно в зависимости от количества передающих или приемных антенн (выбирается меньшее из этих двух значений). Передатчик отправляет сигналы, несущие различные потоки битов, с каждой из своих антенн. Каждая приемная антенна получает линейную комбинацию переданных сигналов. Беспроводной канал представляет собой матрицу, зависящую от геометрии антенных решеток (передающей и приемной) и наличия в окружающей среде объектов, вызывающих рассеяние или отражение сигнала.
Когда пара передатчик-приемник MIMO работает в условиях сильного рассеяния, матрица канала становится обратимой. Это позволяет приемнику декодировать все различные сигналы, переданные с разных антенн, что обеспечивает выигрыш за счет мультиплексирования. Между степенью разнесения и выигрышем от мультиплексирования, которые может обеспечить система MIMO, существует компромисс. Типичная пара передатчик-приемник MIMO автоматически выбирает рабочую точку на кривой компромисса «разнесение - мультиплексирование», исходя из текущих условий в беспроводном канале.
Методы MIMO:
Собственное формирование луча (Eigen-Beamforming)
Метод собственного формирования луча (Eigen-Beamforming) может применяться как на передающей, так и на приемной стороне канала связи. Классическое формирование луча (beamforming) напоминает использование антенны с высоким коэффициентом усиления, которой, однако, не требуется механическое перенаправление; метод Eigen-Beamforming обеспечивает аналогичное усиление, но при этом не зависит от ориентации антенны или наличия рассеивающих объектов вблизи нее. При упоминании формирования луча многие сразу вспоминают радары с фазированной антенной решеткой (ФАР); действительно, ФАР — это технология использования множества антенных элементов для управления направленностью антенной группы, позволяющая формировать «луч» передачи или приема.
Хотя технология ФАР кажется весьма сложной и передовой из-за ее применения в дорогостоящих военных системах, на самом деле это более простой метод формирования луча по сравнению с возможностями современных систем MIMO. В системах с ФАР формирование луча осуществляется за счет фазового сдвига и сложения сигналов в аналоговой области, что имеет существенные недостатки: эффективность метода снижается при увеличении полосы пропускания канала, а сама технология, как правило, работает только в условиях прямой видимости (LOS) и при отсутствии рассеивающих объектов или многолучевого распространения, вызывающих значительное ухудшение качества сигнала.
В отличие от этого, метод Eigen-Beamforming в системах MIMO преобразует сигналы со всех антенн в цифровую форму, что позволяет применять сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов (DSP). Благодаря этому формирование луча может выполняться независимо для каждой узкополосной поднесущей в системах с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). В частности, системы MIMO могут использовать разновидность формирования луча, известную как Eigen-Beamforming. Этот метод не ограничивается формированием простого луча в трехмерном пространстве и не подвержен негативному влиянию рассеивающих объектов или многолучевых отражений. При приеме сигнала в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS) и наличии множественных отражений система Eigen-Beamforming способна сформировать эффективную диаграмму направленности, обеспечивающую усиление сразу в нескольких направлениях, соответствующих отдельным отраженным сигналам. Использование цифровой обработки сигналов позволяет системам MIMO адаптировать эти диаграммы направленности для каждого отдельного пакета данных.
Пространственно-временное кодирование
Пространственно-временное кодирование - это метод передачи данных с использованием нескольких антенн, позволяющий получить выигрыш, сопоставимый с тем, что достигается при разнесенном приеме. Суть этого метода заключается в преобразовании данных (которые в обычных условиях передавались бы через одну антенну) с помощью специальных алгоритмов кодирования и последующей передаче математически измененных версий этой информации через дополнительные антенны; такой подход облегчает приемнику задачу выделения полезного сигнала на фоне шума. Пространственно-временное кодирование хорошо сочетается с такими технологиями, как формирование диаграммы направленности (beamforming) или разнесенный прием.
Рассмотрим пример: бортовая радиостанция транспортного средства может быть легко оснащена четырьмя антеннами, тогда как возможности компактного портативного устройства часто ограничены одной или двумя антеннами. Если портативное устройство ведет передачу через одну антенну, бортовая станция может улучшить качество приема, используя методы разнесенного приема или формирования диаграммы направленности. Пространственно-временное кодирование позволяет бортовой станции вести передачу сразу через четыре антенны и обеспечивать аналогичный выигрыш в качестве связи даже в том случае, когда портативное устройство ограничено одной приемной антенной; это делает канал связи симметричным и значительно более эффективным для двустороннего обмена данными.
Пространственное мультиплексирование
Пространственное мультиплексирование - это технология, в которую зачастую трудно поверить, не говоря уже о том, чтобы сразу понять принцип ее работы. В рамках этой технологии MIMO с разных антенн, работающих на одной и той же центральной частоте, передаются несколько уникальных информационных потоков. Приемник, оснащенный количеством антенн, не меньшим, чем число передаваемых потоков, способен декодировать их по отдельности, тем самым увеличивая объем данных, передаваемых в пределах фиксированной полосы пропускания канала. Система MIMO конфигурации 4×4 в оптимальных условиях позволяет передавать четыре потока, обеспечивая вчетверо большую скорость передачи данных по сравнению с системой SISO при той же ширине полосы канала.
Предположим, передатчик отправляет четыре потока (A, B, C и D). В эфире эти потоки смешиваются, и на каждую из четырех приемных антенн поступает искаженная комбинация вида wA+xB+yC+zD, где коэффициенты w, x, y и z отражают искажения, вносимые многолучевым каналом (причем для каждой антенны эти искажения различаются). Благодаря сложным алгоритмам цифровой обработки сигналов (DSP) приемник оценивает все эти канальные эффекты (w, x, y, z) и восстанавливает исходные потоки A, B, C и D. По сути, этот процесс сводится к решению системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными — задаче, знакомой многим еще со школьных или студенческих уроков линейной алгебры.
Преимущество пространственного мультиплексирования MIMO заключается в возможности повысить спектральную эффективность (количество бит в секунду на герц полосы канала) без столь существенного снижения надежности соединения, которое неизбежно при переходе к методам модуляции более высокого порядка. Например, при использовании двух потоков и модуляции 16-QAM с достаточно надежным кодированием FEC (прямой коррекции ошибок) можно достичь показателя, близкого к 4 бит/с/Гц. Системе без поддержки MIMO для достижения аналогичной пропускной способности в той же полосе частот потребовалось бы использовать модуляцию 64-QAM и менее надежное кодирование FEC, что значительно ограничило бы дальность связи или потребовало бы существенного увеличения мощности передатчика.
Введение в MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking)
Передача голоса, данных и видео в сети, не требующей стационарной инфраструктуры
Самоорганизующиеся сети MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking) обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:
• возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;
• устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;
• возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;
• простота и высокая скорость развертывания.
В системах, опирающихся на инфраструктуру (например, сотовую связь или Wi-Fi), для обеспечения высокоскоростного соединения и высокого качества обслуживания (QoS) используется центральный узел-концентратор. Отказ от такой инфраструктуры в сочетании с обеспечением мобильности и переменным характером соединения - при условии сохранения высокого качества обслуживания для пользователя - представляет собой сложнейшую задачу для разработчиков систем беспроводных ячеистых сетей (Wireless Mesh Networks), также известных как MANET (WANET Hytera) (Mobile Ad hoc Networking - мобильные самоорганизующиеся сети).
Система MANET (WANET Hytera) представляет собой группу мобильных (или временно стационарных) устройств, обеспечивающих передачу голоса, данных и видео между произвольными парами устройств; при этом для обмена информацией используются другие устройства сети в качестве ретрансляторов, что позволяет обойтись без использования стационарной инфраструктуры.
Для обеспечения надежного функционирования сетей MANET (WANET)применяется множество методов и технологий, в том числе:
Самоорганизация и самовосстановление
Самоорганизация и самовосстановление - важнейшие характеристики систем MANET (WANET). В полноценной ячеистой сети (mesh-сети) радиоустройства могут подключаться к сети или покидать ее в любой момент, а топология сети непрерывно адаптируется по мере взаимного перемещения узлов. Это подразумевает децентрализованную архитектуру: для управления сетью не требуются центральные «ведущие» узлы, а связь сохраняется даже при выходе из строя одного или нескольких узлов.
Адаптация параметров канала (Link Adaptation)
Адаптация параметров канала - это способность радиоустройства оптимально настраивать параметры передачи (тип модуляции/созвездие, кодирование с исправлением ошибок (FEC) и методы MIMO) для максимизации скорости передачи данных и надежности соединения с каждым из других радиоустройств, с которыми ведется обмен информацией. Одно и то же устройство может обмениваться данными с расположенным поблизости узлом на скорости более 50 Мбит/с, в то время как для обеспечения надежной связи с удаленным узлом будет использоваться скорость всего 2 Мбит/с. Речь идет о скорости передачи в рамках пакета (пакетных всплесков): использование режима 50 Мбит/с выгодно даже для потока данных с низкой средней скоростью, поскольку это высвобождает эфирное время для использования другими узлами сети. Высокая потенциальная скорость передачи пакетов важна, так как сокращение времени занятия эфира при передаче данных на короткие расстояния оставляет больше ресурсов для использования более медленных, но гораздо более помехоустойчивых методов модуляции и кодирования при связи с удаленными узлами.
Адаптивная маршрутизация
Адаптивная маршрутизация - это механизм выбора путей передачи (с использованием промежуточных узлов) для пересылки потока данных между конкретной парой радиостанций. Данный механизм должен обеспечивать функции самоорганизации и самовосстановления сети, динамически задействовать все доступные радиостанции в качестве потенциальных ретрансляторов и сохраняя работоспособность при выходе отдельных узлов-ретрансляторов из строя. Кроме того, система должна функционировать в тесном взаимодействии с механизмом адаптации параметров канала связи, поскольку выбор оптимального маршрута для потока данных требует учета как других потоков, циркулирующих в сети, так и динамически изменяющейся пропускной способности каждого отдельного канала. Решение этой сложной задачи предполагает обмен информацией между радиостанциями о проходящем через них трафике и о пропускной способности каналов связи с соседними узлами. Такой обмен данными должен осуществляться рационально, чтобы не расходовать чрезмерную часть ценного ресурса сетевой пропускной способности.
Прозрачная IP-сеть
Технология прозрачной IP-сети означает, что к каждой из мобильных радиостанций можно подключить любое количество стандартных компьютеров, IP-видеокамер или других устройств и обеспечить их взаимодействие через ячеистую сеть (mesh-сеть) так, словно все они находятся в одном офисе и соединены проводной сетью Ethernet. В рамках сети MANET(WANET) это можно реализовать различными способами. Для обеспечения максимальной гибкости и простоты использования оптимальным решением является такая организация сети MANET (WANET), при которой она воспринимается как единый сетевой коммутатор уровня 2 (L2). Это означает, что группа IP-устройств, совместно работающих через обычный коммутатор Ethernet, может быть подключена к радиостанциям MANET (WANET)и продолжить функционирование без изменения IP-адресов или иных настроек, но уже с преимуществами беспроводной мобильности.
Мультикаст-трафик
Передача мультикаст-трафика (групповой рассылки) создает ряд специфических проблем для систем MANET (WANET). Механизм поддержки мультикаста, реализованный в стандартных проводных коммутаторах второго уровня (L2), заключается в дублировании пакетов, поступивших на один порт, и их рассылке на все остальные порты. Например, если к одному из портов подключена IP-видеокамера, она может передавать видеопоток, используя пакеты с меткой мультикаста; в этом случае компьютеры, подключенные к другим портам коммутатора, смогут получить доступ к данному видеопотоку. Однако такой упрощенный подход оказывается малоэффективным в беспроводной сети, выполняющей функции коммутатора второго уровня: многим устройствам в сети конкретный мультикаст-поток может быть не нужен, а слепая рассылка пакетов всем устройствам без необходимости перегружает ограниченную полосу пропускания беспроводной сети. Более совершенные системы MANET (WANET) допускают ручную и/или автоматическую оптимизацию, ограничивая передачу мультикаст-трафика только теми устройствами, которым необходим данный конкретный поток.
Многоканальные сети
Многоканальные сети - это передовая функция некоторых систем MANET (WANET), позволяющая использовать в рамках одной сети несколько радиоканалов или даже несколько частотных диапазонов, сохраняя при этом простоту подключения и настройки (по принципу plug-and-play), характерную для обычного коммутатора второго уровня (L2). Простым примером практической пользы такого решения может служить ситуация, когда у бойцов имеются радиостанции, работающие на одной частоте, а у транспортных средств — радиостанции, работающие не только на этой же частоте, но и в другом диапазоне. Этот дополнительный диапазон может задействовать повышенную мощность передачи или антенны с высоким коэффициентом усиления для создания высокоскоростного «магистрального» канала связи между транспортными средствами. Радиостанция любого бойца может связываться с радиостанцией любого другого бойца напрямую по радиоканалу, однако наличие дополнительного уровня связи на другой частоте позволяет снизить нагрузку на основной канал и увеличить зону покрытия сети.
Совокупность этих сетевых возможностей MANET (WANET) обеспечивает надежную высокоскоростную связь, сопоставимую по характеристикам с современными сетями 3G/4G, но при этом пригодную для использования в критически важных оперативных сценариях, где отсутствует стационарная беспроводная инфраструктура.