Нетобзор - форум про интернет

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.


Расширенный поиск  

Автор Тема: Мифы о MIMO  (Прочитано 500 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

GarryАвтор темы

  • Новичок
  • *
  • Благодарность: +3/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 19
  • Город: X
  • Модем: w801
  • Провайдер: PeopleNET
  • Тариф: PeopleCLUB
Мифы о MIMO
« : 07 Июль 2021, 16:40:42 »

    Периодически возникают споры о поддержке технологии MIMO разными устройствами, продавцы модемов почти на всё оборудование, которое имеет два антенных разъёма, вешают ярлык MIMO, например на Huawei e3372. Попробуем разобраться что же такое MIMO и как продавцы врут.

Начнём с истоков, что такое MIMO
Цитировать
MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.

Обратите внимание передача данных, а не только прием данных, что имеем на практике, кому-то известно LTE устройство с двумя передающими антеннами? А таких похоже и нет. Из бытовых устройств с MIMO может быть только WIFI роутер с двумя антеннами, в нём как раз и есть два приёмо-передающих канала, если к роутеру подключается устройство с одной антенной, тогда скорость 150 Мб/с, если с двумя - 300 Мб/с.

С антеннами всё просто, две антенны с разной поляризацией и это уже  MIMO, но может ли наше LTE устройство правильно обработать сигнал с двух антенн, и как это проверить на практике, не опираясь на показатели скорости загрузки?
Как скорость загрузки будет меняться если у нас две антенны с вертикальной поляризацией подключены к модему или одна из антенн перевёрнута на 90 градусов, разницу вы не заметите, это проверено на практике, удалённость от БС 8км, модем 3372, две антенны, одна из которых переворачивалась на 90 грд и разницы в скорости никакой, плюс-минус 1-2 Мб/с не в счёт. Плавно переходим к классике приёма, разнесённый приём (Antenna Diversity). Две разнесённые антенны уже улучшают соотношение с/ш, но это же не MIMO, или всё таки MIMO?

Подведём промежуточный итог:
две антенны в одной плоскости - Пространственно-разнесённый приём.
две антенны развёрнутые в плоскости на 90 грд - Поляризационно-разнесённый приём
Остаётся главный вопрос - какое оборудование поддерживает MIMO и как это проверить на практике, как понять что модем в режиме MIMO, а не в режиме Antenna Diversity ?

В радиолюбительстве технология фазового подавления шумов известна давно, даже фирма MFJ выпускает прибор MFJ-1026, который используя две антенны разнесенных в пространстве суммирует или вычитает противофазные сигналы и позволяет избавиться от помехи на 30-40дБ.

Главная задача - улучшить соотношение сигнал/шум, какими методами мы это сделаем не важно, так есть в наших модемах MIMO, или это маркетинг?

plyrvt

  • Частенько тут
  • ***
  • Благодарность: +40/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 187
  • Город: Kiev
Re: Мифы о MIMO
« Ответ #1 : 08 Июль 2021, 14:33:15 »

Обратите внимание передача данных, а не только прием данных
Метод кодирования МИМО не запрещает проектировать системы МИМО в которых кодирование МИМО реализовано как в аплинке так и в даунлинке. Проектанты 3GPP2 не воспользовались этим правом.

может ли наше LTE устройство правильно обработать сигнал с двух антенн, и как это проверить на практике, не опираясь на показатели скорости загрузки?
необходимо устройство, которое отображает расширенную служебную информацию.
WiFi роутеры, LTE модемы и Android смартфоны с таким функционалом на рынке существуют. Любой смартфон на чипсете Qualcomm можно рутовать и поставить Network Signal Guru, который отображает расширенную информацию, и не только по MIMO 2x2 но и по MIMO 4x4 (если телефон умеет)

Вслепую угадать какой был режим сложно.

Как скорость загрузки будет меняться если у нас две антенны с вертикальной поляризацией подключены к модему или одна из антенн перевёрнута на 90 градусов, разницу вы не заметите, это проверено на практике, удалённость от БС 8км, модем 3372, две антенны, одна из которых переворачивалась на 90 грд и разницы в скорости никакой, плюс-минус 1-2 Мб/с не в счёт.
Во-первых, вслепую угадать какой был режим соединения невозможно. И надо не просто переворачивать, а сравнивать одну антенну против двух.
А) сравнили дает ли прирост втыкание второго кабеля от второй антенны при вертикальной установке обоих
Б) сравнили дает ли прирост втыкание второго кабеля от второй антенны при ортогональной установке обоих

Когда у базовой активны несколько сотен абонентов, каждый получает какую-то частичку скорости согласно алгоритмов деления трафика. Удвоение скорости физического канального носителя не значит что по алгоритмах деления трафика достанется больше.

Условный пример. Есть проводной свич на 16 портов в который входит магистральный канал 100 Мбит.
В 16 портов вставлены 16 абонентов и скорость порта установлена 10 Мбит на аппаратном уровне.
Никакой абонент ни при каких обстоятельствах не получит более 10 Мбит. Теперь все 16 начинают что-то качать.
Получилось в среднем 6 Мбит каждому.
Теперь внезапно берём одному из абонентов поднимаем скорость канального уровня до 100 Мбит, т.е. в 10 раз.
Значит ли что вместо 6 Мбит он получит 60 Мбит? Вовсе нет. Значит ли что на всех остальных останется 40/15 = 2.66 Мбит (вместо прежних 6)? Вовсе нет.

Опять же, косвенно, методика слепой оценки эффективности МИМО в ЛТЕ есть только одна: глубокой ночью, когда загруженность БС минимальная (возможно получение предельных канальных скоростей) сравнить модем с 1 кабелем и с 2 кабелями. Какой прирост даёт втыкание второго кабеля.

Во-вторых, обеспечение изоляции между каналами передачи за счёт ортогонального размещения антенн - не единственный способ получения пользы от МИМО.

Если антенны разнесены в пространстве, то изоляция между каналами получается за счёт разницы хода. Вычитанием и сложением сигналов с двух антенн, DSP процессор может вычленить отдельно взятый исходный канал А и Б, если на двух антеннах сигналы А и Б складывались в разных фазах.
Простейший пример. Допустим разность хода лучей составила 180 градусов.
На первой антенне результирующее поле А+Б. На второй А-Б.
Сложением двух сигналов с двух приёмников получаем (А+Б) + А-Б) = 2 * А
Вычитанием двух сигналов с двух приёмников получаем (А+Б) - (А-Б) = 2 * Б

Мешающая сигнальная компонента взаимно уничтожилась.

Стереозвук мы в мозгу обрабатываем так же. Все сигналы со всех направлений доходят с одинаковой силой до правого и до левого уха, но с задержкой фаз.
Например, можно вдали поставить два динамика, каждый из которых излучает чистую синусоиду 1000 Гц с равной силой. Сделать, чтобы они включались рандомно, но никогда не одновременно.
Если приёмный микрофон был один, мы никогда не узнаем какой из двух динамиков был включен в данный момент. Мы просто услышим сплошную непрерывную синусоиду 1000 Гц.
Если же микрофонов поставить 2, чтобы разность хода волны составляла 180 градусов, то сложением и вычитанием мы можем включать реле на лампочку "Динамик №1" и "Динамик №2" и они будут светиться синхронно с включениями соответствующих динамиков. В то же время одноухий микрофон ничего не различит, только монотонный гул.

В цифровых сетях используется более сложная реализация, с кодом Аламаути, но общая суть процесса если отбросить математические сложности такая же.

Т.к. ЭМ волны не сферические а плоские, то в одном участке пространства могут существовать две ортогональыне волны которые не взаимодействую между собой. В таком случае задача упрощается. На одном входе получаем только А, на втором только Б, независимо от задержки длины хода. Но для DSP процессора обработки алгоритм не менялся никак. Он работает в общем случае (для space diversity), а если сигнал Б на входе А вовсе пропал - ну и фиг с ним. Это всё равно что проложить от каждого динамика отдельный воздуховод до каждого микрофона, или построить стену-перегородку. Если математический алгоритм обработки микрофонов смог работать без перегородки, то и с перегородкой он отработает ещё лучше.


В сетях WiFi предполагается изначально ТОЛЬКО МИМО за счёт пространственного разноса (space diversity). Две вертикальных антенны роутера и 2 вертикальных антенны ноутбука.

В сетях LTE используют оба вида разноса. Для МИМО 2х2 достаточно только ортогонального разноса. Огромное преимущество что антенна нужна только одна, т.к. оба канала имеют общий фазовый центр излучения и такая антенна имеет такие же геометрические размеры, как и SISO антенна. Экономия места и материала двойная.
Но чтобы получить MIMO 4x4 уже приходится ставить две таких МИМО 2х2 антенны с горизонтальным разносом (если нужна разность хода лучей по азимуту).

Многие операторы не только в мире, но и даже в Украине массово используют 4T4R MIMO 4x4 базовые станции.

MIMO 2x2 2T2R антенна базовой станции теоретически может удвоить скорость даунлинка даже если у абонента пространственный разнос. Разности прямого (по линии оптического визирования) хода лучей нет, развязки нет. Но в условиях сложного распространения могут быть сигналы не по LOS, а разного типа отраженные и разность хода может давать задержку фаз необходимую для различения сигналов.
Ну и естественно база MIMO 4x4 обслужит такого абонента нативно, потому что у оператора антенны тоже разнесены по горизонтали.

Дальнейшим развитием технологии MIMO являются активные антенны Massive MIMO, которые у нас Киевстар уже массово монтирует.

Главный недостаток ортогонального разноса каналов (X-pol), из-за чего он не используется в WiFi - невозможность создания X-pol антенн с шириной сектора более чем 65 градусов. Для WiFi требуются Omni антенны (360 градусов сектор обслуживания), а такие антенны могут существовать только с V-pol.
Для частных случаев когда необходимы секторы (лицензируемые линки точка-точка или лицензируемая секторная раздача), даже в WiFi отдают предпочтение ортогональному разносу, который экономит и габариты устройства (X-pol антенна имеет такие же размеры как SISO антенна) и даёт прирост при любой задержке хода сигнала.

Остаётся главный вопрос - какое оборудование поддерживает MIMO
Cat4 или выше безальтернативно поддерживает МИМО 2х2, и скорость до 150 Мбит в даунлинке при полосе 20 МГц (при 100 ресурсных блоках).
Какой установился режим передачи данных (сколько ресурсных блоков удалось задействовать, сколько пространственных каналов, какая схема модуляции QAM) можно увидеть только в устройствах, которые показывают расширенные данные отладки.

Главная задача - улучшить соотношение сигнал/шум,
главная задача MIMO 2x2:
1) в WiFi - увеличить скорость передачи данных в 2 раза с 72 до 150 Мбит на один частотный канал
2) в LTE - увеличить скорость передачи данных в 2 раза с 75 до 150 Мбит на каждые 20 МГц полосы

MIMO 4x4 4T4R позиционируется для операторов как более дешевая альтернатива увеличение скорости сектора с 150 до 300 Мбит, по сравнению с другими альтернативами:
1) покупка еще одной полосы 20 МГц у государства или выкуп другого оператора с поглощением его частот
2) дальнейшее уплотнение количества БС на 1 км2 площади  путём строительства новых БС
« Последнее редактирование: 08 Июль 2021, 15:19:19 от plyrvt »

GarryАвтор темы

  • Новичок
  • *
  • Благодарность: +3/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 19
  • Город: X
  • Модем: w801
  • Провайдер: PeopleNET
  • Тариф: PeopleCLUB
Re: Мифы о MIMO
« Ответ #2 : 08 Июль 2021, 15:23:08 »

спасибо за такой полный ответ

Вслепую угадать какой был режим сложно
надежда только на производителя оборудования, ну и категорию устройства.

все эти рассуждения натолкнули на интересную мысль, можно вывести из модема квадратурный сигнал(I и Q) и пустить его на внешнюю обработку, нужно только устройство где эти линии с трансивера на проц идут по поверхности платы, получим чистый не обработанный сигнал для исследования.
Записан

plyrvt

  • Частенько тут
  • ***
  • Благодарность: +40/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 187
  • Город: Kiev
Re: Мифы о MIMO
« Ответ #3 : 08 Июль 2021, 16:38:26 »

надежда только на производителя оборудования, ну и категорию устройства.
меньше чем Кат4 модемов и телефонов не бывает (разве что модемы IoT сверхмелкие для спецзадач)

выше чем Кат4 вам надо только чтобы:
А) получить или тестировать QAM-256 (Cat4 только QAM-64)
Б) получить или тестировать агрегацию 1800+2600
В) получить или тестировать MIMO 4x4

Другая проблема, что прошивки для Андроид и для модемов не предоставляют по умолчанию расширенную служебную информацию от модема LTE.
Для Андроид надо получит рут, установить драйвера от Qualcomm и Network Signal Guru сможет из этих дров получать расширенную информацию


Для модемов надо только специальные прошивки и расширения от хакеров для модемов с M.2 слотом
Записан

plyrvt

  • Частенько тут
  • ***
  • Благодарность: +40/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 187
  • Город: Kiev
Re: Мифы о MIMO
« Ответ #4 : 09 Июль 2021, 09:46:42 »

Цитировать
да и "теория" об удвоении скорости в mimo тоже ни разу не доказана на 100%

Её и не докажешь. Кроме скорости соеденения с отдельно взятым абонентом есть ещё другие абоненты и алгоритмы распределения пропускной способности на большое количество абонентов на стороне БС (QoS).

Допустим есть сектор у которого даунлинк 150 Мбит и подключены 2 абонента, сигнал предельно возможный и MIMO абонент может получить 150 Мбит, а SISO абонент может получить 75 Мбит.

Что произойдет, когда оба этих абонента запустят uTorrent или Speedtest?

В настройках БС можно делить по разному:
* или эфирное время (на канальном уровне)
* шейпить трафик (на логическом уровне).

Что решил использовать владелец конкретной БС мы не знаем.

Если шейпится трафик, то технологии канального уровня не берутся во внимание.
Средняя скорость сектора составит (150+75)/2 = 112, и она разделится поровну по 56 Мбит на каждого абонента. Вместо удвоения до 75 Мбит, MIMO даст только 1.5х прирост до 56 Мбит.
Абонент удосужившийся поднять эффективный MIMO линк, поднял скорость не только себе - а всем другим абонентам. Поровну.
Если бы первый абонент упал в SISO, то оба получат 37.5 Мбит.
Если хотя бы один из абонентов поднимается в MIMO 2x2, у обоих растёт скорость с 37.5 до 56 Мбит

Если air-time-fairness (поощрение абонентов удосужившихся создать хорошую скорость соединения) и каждый получит по 50% эфирного времени, то второй абонент получит 75 * 50% = 37.5 Мбит, первый получит 150 * 50% = 75 Мбит

В реале абонентов может быть много (а ночью может быть мало), для распределения трафика используют алгоритмы как канального так и логического уровня. При поощрении ближних сильных дальние могут получать меньше % эфирного времени. Или наоборот, жертвуя ближними (им и так хорошо) поощрять дальних (вы и так страдаете - вот вам больше % эфирного времени).

Т.е. результаты прироста будут разные смотря от какого значения расти, увеличивать с 2 Мбит до 3-4 или с 50 до 56-75 Мбит и т.д. и смотря какую политику выбрал владелец для настройки QoS на своих БС.

UT4UPM

  • Активист
  • **
  • Благодарность: +10/-0
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 106
  • Город: Kiev
  • Модем: Novatel U760, MI-FI 2200. ZTE AC3633 and Gobi 2000
  • Провайдер: IT,PeopleNet,Utel, Lifecell, Kyivstar
  • Тариф: Yes
Re: Мифы о MIMO
« Ответ #5 : 10 Июль 2021, 11:49:26 »

Не могу не согласится с plyrvt.
В хороших радио условиях mimo делает добро всем пользователям БС (в плохих радио условиях БС включит TX diversity на время передачи кадров конкретному устройству).
Также делает добро всем пользователям БС, поддержка модемом QAM256 (за одинаковый промежуток времени передается больше кадров).
Единственное зло для всех пользователей, всех БС делают продаваны, заполнившие рынок модемами не умеющими ни MIMO ни QAM256 ни CA. В итоге борьба за скорость, похожа на борьбу за БС без абонентов)
Записан