Еще быстрее Wi-Fi, или Не проходите мимо MIMO!

Хотя на данный момент коммерческая ценность технологий пространственной обработки сигналов еще только изучается, а в самой трактовке принципов MIMO достаточно спорных моментов, тем не менее, выпуск серийных продуктов знаменует новую веху в развитии бытовых беспроводных устройств. А их появление в Украине означает, что предварительный анализ происходящего уже возможен, поэтому «...ускоряемся, господа, ускоряемся!»

Как показывает практика, на сегодняшний день все основные резервы для повышения качественных показателей WLAN-связи уже исчерпаны. И практически всем разработчикам и производителям оборудования для беспроводных сетей становится понятно: вместо использования традиционных стандартных принципов повышения эффективности обмена в сети (сравнимых разве что с эффективностью коврового бомбометания при охоте на мелкую дичь) следует направить свои усилия на реализацию новых принципов организации радиообмена (т. е. пора браться за снайперскую винтовку).

Как правило, в любом технологическом начинании этапу, когда все становится на свои места, предшествует период утряски, сопровождающийся рождением более-менее конкретных документов, стандартизирующих новшество или хотя бы описывающих основные моменты внедрения технологии в рекомендательной форме. В отношении технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), предполагающей использование двух и более антенн для обмена данными в беспроводных сетях, этот процесс затянулся. То и дело в Сети появляется очередное сообщение о выпуске нового чипсета или беспроводного MIMO-комплекта, однако для большинства потенциальных потребителей остается малопонятным то, какие в нем реализованы принципы. Но интерес к тому, насколько перспективным окажется избранный производителем подход, в чем выигрыш от применения подобных устройств в сравнении с обычными (стандарта 802.11a/b/g) и, наконец, насколько выгодна их покупка уже сегодня, очень большой.

Такая ситуация является отголоском длинного ряда событий и обстоятельств, среди которых одно из главных мест занимает продолжающаяся дискуссия между двумя рабочими группами, TGn Sync и WWiSE (World-Wide Spectrum Efficiency). Обе ратуют за принятие именно своей версии нового высокоскоростного стандарта 802.11n ( itc.ua/21245). Причем высказывания о несомненной необходимости использования предмета сегодняшнего разговора – технологии MIMO – звучат по обе стороны баррикад!

Способы повышения производительности обмена данными по радиолиниям

Расширение занимаемой полосы частот

Известно, что расширение полосы частот при сохранении всех остальных пара-метров системы позволяет практически линейно увеличить производительность радиолинии. В рассматриваемом нами диапазоне 2,5 GHz полоса частот, отведенных под Wi-Fi, допускает ее кооперативное использование одновременно несколькими (как минимум тремя) сетями, расположенными в непосредственной близости, и ее пересмотр в сторону дальнейшего расширения не предполагается. Внутри выделенной полосы попытки удвоить занимаемый частотный ресурс (в типовом варианте он немногим больше трети от выделенной полосы частот) предпринимаются множеством производителей чипов. Об одной из таких реализаций, фирменном режиме от Atheros, мы поговорим ниже. Кстати, вопрос о необходимости и целесообразности удвоения ширины каналов, занимаемых при радиообмене одной парой (сетью), стал, как известно, камнем преткновения в процессе принятия стандарта высокоскоростных сетей 802.11n.

Повышение спектральной эффективности

Данная характеристика определяется количеством битов в секунду, приходящихся на 1 GHz занимаемой каналом полосы частот, и зависит от выбора тех или иных методов модуляции, алгоритмов кодирования и коррекции ошибок, а также эффективности общих (служебных) алгоритмов более высокого уровня, обеспечивающих организацию взаимодействия устройств в рамках одной сети и возможность бесконфликтной работы с радиосредствами других сетей.

Здесь придется сделать небольшое отступление, посвященное помехоустойчивому кодированию. Важный практический вывод из работ Шеннона состоит в том, что если скорость передачи информации меньше пропускной способности канала, то с использованием кодов, исправляющих ошибки, теоретически можно создать систему связи со сколь угодно малой вероятностью ошибки на выходе декодера канала. При этом чем проще алгоритм корректирующего кодирования (при сохранении тех же пропускной способности и вероятности ошибки), тем более сложной, дорогой и энергоемкой будет система.

Отсюда выводы:

• система, не имеющая корректирующего кодирования, крайне неэффективна и работоспособна при условии отсутствия ошибок;
• эффективная система должна уметь функционировать в режиме с достаточ-но высокой частотой ошибок в потоке на входе декодера, а сам декодированный поток – иметь крайне малую вероятность ошибки на бит.

Положительным эффектом помехоустойчивого кодирования является либо снижение вероятности ошибки, либо уменьшение мощности передачи при той же вероятности ошибки, либо и то и другое. Таким образом, кодирование расширяет возможности компромисса между полосой и энергетикой канала, присущего любой системе связи. Вычислительная мощность процессоров постоянно растет, а цены на них падают. Но не будем забывать, что речь идет о бытовых устройствах, где к процессору, отвечающему за выполнение этих функций, кроме технических (производительность обра-ботки сигналов в реальном масштабе времени) выдвигаются еще и крайне жесткие экономические (рыночные) требования.

Энергетическая эффективность

В наиболее простом случае, говоря об энергетической эффективности, мы подразумеваем три фактора: увеличение мощности передатчика, повышение чувствительности приемника, меры по оптимизации трассы, в частности минимизацию ослабления сигнала на пути его распространения.

Понятно, проблема повышения SNR не решится простым увеличением мощности точек доступа. Лимит повышения чувствительности приемника объясняется достаточно высоким уровнем помех, источником которых являются не только биения между мощными передающими средствами, работающими в других диапазонах частот, но и удаленные сети своего же стандарта, «не подозревающие» о том, что они мешают другим, общаясь между собой «на повышенных тонах». В защиту последних заметим, что алгоритмы адаптивного снижения мощности (как это происходит, например, при взаимодействии клиента и базовой станции в сетях CDMA) в стандартах серии 802.11 не определены.

Из теории также следует, что можно увеличить количество неинтерферирующих между собой работающих средств, используя еще один прием – поляризационную развязку. Поляризация является характеристикой прохождения электромагнитных волн. Она бывает двух типов: линейной (типичной для применения в системах Wi-Fi) и круговой. Каждый из них имеет две возможные ориентации: правосторонняя или левосторонняя для круговой, вертикальная или горизонтальная для линейной поляризации. Известно, что для правильного функционирования линии связи антенны на двух ее концах должны использовать одинаковый тип и аналогичную ориентацию поляризации. Определить практически, в какой плоскости ведется радиообмен в конкретной системе, несложно: она совпадает с плоскостью, в которой находится вибратор внешней антенны.

В данном случае интерес представляет ситуация, когда одна пара устройств ра-ботает на антенны с горизонтальной поляризацией, а другая пара – с вертикальной и при этом они не мешают друг другу. Однако практика показывает, что данный способ в условиях множественных переотражений и отсутствия прямой видимости неэффективен: по мере продвижения от источника к получателю плоскость поляризации может изменяться, и излученная посылка с вертикальной поляризацией придет к получателю как волны с ориентацией, близкой к горизонтальной, и наоборот. Таким образом, данный прием сам по себе не обеспечивает повторного пространственного использования (не позволяет сформировать дополнительный неинтерферирующий канал на тех же частотах) и может быть применен только как вспомогательный.

Разбираемся: что есть что?

Утверждения о близости некоторого технологического тупика в развитии беспроводных сетей основаны на анализе потенциальных возможностей цифровых методов модуляции и схем канального кодирования, а также на оценке проблем, связанных с наращиванием мощности передачи и чувствительности приемников.

В общих чертах традиционные способы повышения производительности радиолинии обозначены во врезке. На сегодняшний день в большинстве беспроводных систем сигнал со стороны передатчика излучается одной антенной и одной антенной при-нимается в пункте своего назначения – аналогично тому, как телевизор или радиоприемник взаимодействуют со станцией вещания.

Здесь уместно вспомнить классическую трактовку основной формулы Шеннона:

С=B*log2(1+SNR),

где С – теоретический предел пропускной способности канала, B – занимаемая им полоса частот, а SNR – соотношение между сигналом и шумом.

При взгляде на нее ответ на вопрос: «Как быстрее передавать/принимать?» – уже не кажется столь очевидным. В особенности, когда специалисты все чаще предлагают трансформировать его в форму: «Куда направить энергию и каким образом обеспечить оптимальный прием?» Тем самым поясняется, что в некоторой двумерной плоскости анализа частотно-временных параметров добавляется еще одна «степень свободы», позволяющая по-новому взглянуть на возможности повышения качественных показателей WLAN, переведя разговор на пространственные свойства радиообмена.

Базовой предпосылкой для такого разговора является тот факт, что отдельные сигналы в определенный момент времени можно идентифицировать не только по частоте, но и по их направленности. Это заставляет нас упомянуть те чудеса, что уже несколько лет связывались с достижениями антенной техники и непосредственно с «интеллектуальными антеннами» и аббревиатурой MIMO. И хотя со времени очередного всплеска их популярности изменилось немногое, вспомним все же некоторые определения.

«Множественные антенны», фазированные и цифровые антенные решетки

Упоминающиеся по тексту принципы пространственной обработки и их техническое воплощение (различного рода интеллектуальные многоканальные антенные системы) не новы. Наиболее интеллектуальное воплощение связано с понятием цифровой антенной решетки (ЦАР) – антенной системы, представляющей собой совокупность аналого-цифровых каналов с общим фазовым центром, в которой диаграмма направленности формируется в цифровом виде, без фазовращателей.

Теоретические основы ЦАР были разработаны еще в конце 60-х – начале 70-х годов, но состояние технологий не позволяло в полном объеме просто и дешево реализовать их «в железе». Поэтому возможность достижения достаточно высокой эффективности антенных решеток была доказана в тех применениях, где огромные затраты отходят на второй план в сравнении с обеспечением безопасности государства – в технологическую гонку включились «оборонки» сразу нескольких стран, создавая исключительные по своим параметрам мелкосерийные радиоустройства. Некоторые из них разрабатывались как эффективное средство филигранной постановки узконаправленных помех с минимальными энергетическими затратами. Но первоочередной задачей было создание радиолокаторов, где кило- и мегаваттных мощностей, сконцентрированных в узкие, но неповоротливые лучи при чувствительности на прием порядка 10-10 Вт, не всегда хватало для того, чтобы обеспечить требуемую дальность действия, скорость обзора и, главное, – обзор и сопровождение в реальном времени одновременно нескольких целей, а также эффективное подавление помех с разных направлений без физического поворота элементов конструкции антенны.

Что такое MIMO и Smart Antenna Array

Пользуясь тем, что термин «MIMO» на данный момент еще не канонизирован (впрочем, как и не определена минимальная степень интеллектуальности для систем Smart Antenna), рискнем воспользоваться не маркетинговыми толкованиями, а теми, которые даются в научной литературе.

Под «Smart Antenna» (с англ. – интеллектуальная антенная система) понимают комбинацию из множества базовых антенных элементов в совокупности со средствами обработки сигналов, способными автоматически менять свои характеристики с целью оптимизации излучения и/или приема полезного сигнала.

MIMO – это любая технология, которая основывается на использовании многоканальных антенных систем в устройствах по обеим сторонам радиолинии. Соответственно, сочетание разнообразных способов передачи и приема, в которых задействуются несколько передающих и приемных антенн, может быть определено как MIMO-метод.

С некоторыми оговорками к MIMO можно относить не только те сети, где взаимодействует несколько однотипных (по пространственному или канальному принципу) устройств, но и те, где пространственная обработка возлагается на одну из сторон, причем в интересах нескольких пользователей, что повышает в ней суммарную производительность системы обмена в целом: одновременно в том же частотном диапазоне происходит обмен в N раз бoльшим объемом информации. Однако, рассматривая каждую из взаимодействующих пар по отдельности, в отношении составляющих ее устройств все же корректнее будет говорить о проявлениях топологий SIMO (Single Input Multiple Output) и MISO (Multiple Input Single Output) (itc.ua/15263). Последнее замечание имеет скорее методологический, чем прикладной характер и родилось в результате анализа ряда научных работ, посвященных решению проблем повышения скорости в смежных с рассматриваемой отраслях, например в оптике и «медных» сверхширокополосных LAN- и DSL-решениях.

В качестве пограничного примера можно привести принцип работы телевизора с режимом картинка-в-картинке (PIP, Picture-in-Picture). Даже если в таком телевизоре есть несколько приемных трактов, позволяющих одновременно выводить на экран сигнал от нескольких каналов, то зритель (рассматриваемый в данном случае как конечный получатель информации) вряд ли сможет воспринимать одновременно оба канала с одинаковым вниманием. Таким образом, подобная система не может быть отнесена к многоканальной.

Еще одно общее замечание: в данном материале не исключается некоторое остаточное влияние маркетинговой информации от разработчиков и производителей чипов для MIMO, еще более затрудняющей попытки классификации. Мы также не посчитали нужным подключаться к дебатам о том, какая из предлагаемых на рынок концепций является более «честной» реализацией принципов MIMO. Оправданием может служить тот факт, что в значительном количестве солидных публикаций, посвященных этой тематике, авторы становятся робкими и невнятными, как только речь заходит о том, к какой из разновидностей MIMO-технологии относить полученные ими результаты.

Коммуникационные технологии, базирующиеся на архитектуре множественных входов/множественных выходов и определяемые как MIMO, несомненно, на сегодня одно из самых важных направлений в области высокоскоростных беспроводных ком-муникаций. Внешним признаком их практической реализации является использование нескольких передающих и приемных антенн, внутренним (заметим, гораздо более дорогостоящим) – наличие нескольких практически автономных приемников и передатчи-ков, а также существенно более сложной «математики» для цифровой обработки сигнала, т. е. процессора устройства, требования к вычислительной мощности которого увеличиваются практически экспоненциально в зависимости от роста числа каналов.

Модели пространственного взаимодействия

Но вернемся к основным архитектурам систем беспроводного обмена. Первая заключается в пространственном разделении потоков по направлениям с целью персонализации канала обмена и предполагает использование принципов адаптивного цифрового диаграммообразования. Интеллект системы проявляется в динамической оптимизации обслуживаемой зоны покрытия с оперативным перенацеливанием приемопередающих лучей. Взаимодействие передающих и приемных устройств предполагает создание определенного количества независимых узконаправленных неинтерферирующих между собой радиолиний, под каждую из которых жестко отсекается очень малая часть окружающего пространства (рис. 1).

Основной выигрыш в данной модели достигается за счет возможности обеспечения радиообмена одновременно по нескольким направлениям без расширения занимаемой полосы частот, что повышает энергию радиообмена преимущественно вдоль линии, соединяющей приемник и передатчик. В существующих сотовых сетях этот прием давно позволяет увеличить эффективность использовании одной и той же полосы частот для организации нескольких каналов связи с мобильными терминалами. В ряде случаев достичь желаемых результатов можно с помощью новых технологических приемов, используя их в качестве надстройки над базовой архитектурой сети только с одной стороны радиолинии и практически ничего не меняя на канальном уровне.

Возможная область применения простирается от радиолокационных (см. врезку), сотовых и масштабных наружных беспроводных систем до внутриофисных комплектов. Мы вернемся к данной теме позже и уделим внимание более сложным радиотехнологиям, таким, например, как WiMAX и сотовые системы третьего и четвертого поколений.

Надо заметить, что практические условия радиообмена во WLAN существенно отличаются от тех, что наблюдаются в двухточечной схеме обмена. Никто не собирается размещать устройства на высоких мачтах (подобных радиорелейной паре) для обеспечения наиболее благоприятных условий, а условия прямой видимости, не осложненные множественными отражениями (особенно внутри помещения), – большая редкость. В конце концов и само местоположение каждого из клиентов может быть известно только апостериори, т. е. только после того, как он «изъявит желание» стать новым элементом сети. Кроме того, никакой элемент беспроводной сети не способен (да и не должен) предупреждать остальных, что выделенные ему канальные сетевые ресурсы не понадобятся и могут быть перераспределены между другими ее членами. Значит, во WLAN не обойтись лишь интеллектуальными антенными системами с высоким коэффициентом направленного действия – необходимо реализовать ряд дополнительных алгоритмов, позволяющих всем взаимодействующим радиосредствам одновременно с работой в персонализированном канале обмена «слушать» вокруг себя во всех направлениях и периодически достаточно громко «предупреждать чужаков», что частотный, пространственный и временной ресурсы ими заняты.

Все не так просто, не правда ли? К ограничениям следует также отнести экспоненциальный характер роста вычислительной производительности, требуемой для обработки сигналов в антенной решетке в зависимости от числа элементов и количества одновременно обрабатываемых каналов.

Другое направление, исследующее пути улучшения характеристик радиолинии, базируется на принципах пространственного мультиплексирования. Технология может быть реализована как в интересах увеличения пропускной способности взаимодействующих пар, так и для увеличения отношения сигнал/шум и снижения вероятности возникновения ошибок (BER) в тракте обмена. Оговоримся, что провести четкую границу между методами (равно как и разграничить, где в основном применяются «интеллектуальные антенны», а где выигрыш обусловливается другими приемами, определяемыми как MIMO-технология) невозможно, так как в отношении требований к числу и способу использования радиоканалов они фактически пересекаются между собой (рис. 2).

Итак, очевидно, что одними пространственными методами решить данную задачу невозможно. Поэтому из сундука была извлечена так называемая BLAST-архитектура (Bell Labs lAyered Space Time), являющаяся разновидностью методов пространственно-временной обработки. Приоритет в ее создании принадлежит одному из подразделений Lucent, исследовавшему увеличение скорости передачи в первую очередь в условиях отсутствия прямой видимости. По этой схеме различные символьные потоки одновременно пересылаются всеми передающими антеннами (т. е. с наложением по частоте и времени). Соответственно, суперпозиция таких сигналов принимается антеннами получателя и далее восстанавливается с помощью специальных алгоритмов цифровой обработки сигналов в параллельные исходные потоки данных. Но как это происходит, ведь на приемной стороне должна была бы образоваться «каша» из прямых и множества переотраженных сигналов?

Вообще, для реализации этого и других принципов пространственно-временного кодирования (Space-Time Coding, STC) необходимым условием является наличие дополнительного признака, позволяющего различить сигналы между собой. Кроме частотной и пространственной (по направлению прихода) формы, эта информация может быть закодирована в специальный заголовок в излучаемой последовательности пакетов, определяться исходя из уровня и величины задержки прихода лучей (при сравнении между собой из-за разницы пройденного пути), поляризационных характеристик сигнала и множеством других способов. К сожалению, даже поверхностное описание применяемых на практике приемов требует привлечения довольно громоздкого логико-математического аппарата.

Сами же концепции и принципы, положенные в основу различных моделей улучшения параметров радиообмена, достаточно близки. Например, если некоторый набор входных данных представить в виде суммы множества (по количеству каналов) излучаемых потоков, то при безошибочном декодировании сигналов на выходе приемника теоретически можно получить суммарную скорость (в перерасчете на пару взаимодействующих устройств) во столько раз большую, сколько каналов такой системы на обеих сторонах нам удалось задействовать. Привлекательным выглядит «использование вреда на пользу», а именно – множественных переотражений, в результате которых сигналы приходят с некоторым запаздыванием после начала приема сигнала прямой видимости (если таковой в данных условиях принципиально возможен).

Таким образом, в зависимости от того, какой набор параметров беспроводной связи требуется улучшить, может быть несколько сценариев действий:

• сформировать диаграммы направленности антенн передатчика и приемника таким образом, чтобы обеспечить максимальное усиление вдоль наиболее оптимального и стабильного пути распространения. В этом случае все слабые множественные сигналы вместе с посторонними излучениями воспринимаются как помехи, и в их направлении формируются «нули» диаграммы направленности. Результат – улучшение соотношения сигнал/шум и расширение зоны покрытия (максимальной дальности работы), особенно ощутимые, если одно из устройств находится в сложной помеховой обстановке;
• передать один и тот же набор данных по нескольким возможным путям в направлении приемника. В этом случае на другом конце радиолинии потребуется не просто принять их сумму, но и когерентно сложить сигналы с целью получения максимального выигрыша;
• маркировать разбитый на пакеты поток входных данных и направить каждый из них по своему пути на приемник для последующего восстановления. Антенной системе последнего потребуется приложить усилия, чтобы определить, откуда прием сигнала предпочтителен (т. е. синтезировать несколько требуемых диаграмм направленности на прием), декодировать каждую из частей входного набора данных и затем, ориентируясь на маркеры, «собрать» его (рис. 3). Средняя (в пересчете на все принимаемые потоки) величина SNR может быть ниже, чем в случае однопоточного приема, однако при достижении определенного запаса результирующая скорость передачи беспроводной сети существенно возрастет.

Очевидно, что эти три сценария (из огромного множества возможных) предполагают ту или иную степень обратной связи для реализации адаптивных алгоритмов обмена. В идеале хотелось бы, чтобы и сами методы пространственной (рис. 4) и временной обработки не столько конкурировали, сколько дополняли друг друга. Сейчас же можно только помечтать и о применении различных алгоритмов в одном устройстве, способном, например, в зависимости от стандартов принимаемых им сетей, доступных в данном месте, одновременно работать в сотовой и Wi-Fi-сетях, гибко подбирать алгоритмы исходя из особенностей условий распространения радиоволн и складывающейся помеховой обстановки.

А пока некоторые производители оборудования (D-Link, Linksys, Netgear, Buffalo и много других) выпускают или анонсировали продукты, в которых реализованы те или иные принципы пространственной обработки. Но ни в одном из них из-за дороговизны полной реализации не поддерживаются и не могут поддерживаться все известные разновидности технологии MIMO одновременно. Поэтому крайне важным практическим аспектом функционирования MIMO-систем является возможность их взаимодействия с многомиллионными устройствами и сетями 802.11b/g, имеющими всего по одному приемнику и передатчику (т. е. фактически в условиях SIMO/MISO). Увы, наиболее заманчивый, третий, вариант приведенного выше сценария в данном случае неприменим. А вот повысить качественные показатели сети в первых двух моделях вполне реально, в чем мы и решили убедиться на практике.

Юрий Кученко, itc.ua