Wireless: MIMO e Multi-User MIMO

Uma das principais funcionalidades dos padrões WiFi 802.11n e 802.11ac reside na camada física do modelo OSI, que utiliza a tecnologia multiple-input, multiple-output (MIMO). A tecnologia oferece o uso de múltiplos rádios e antenas, chamados de radio chains. Os rádios MIMO transmitem múltiplos sinais ao mesmo tempo para tomar vantagem sobre o sinal multipath.

O Multipath é um fenômeno de propagação do sinal que resulta em dois ou mais caminhos do mesmo sinal sendo recebido por uma antena com a diferença de nanosegundos. Devido à natureza do espalhamento das ondas (do sinal RF) e comportamentos de propagação como reflexão, espalhamento, difração e refração poderão ocorrer no sinal, ocasionando o multipath.

As antenas com tecnologia MIMO utilizam-se do DSP (digital signal processing) para separar o sinal original transmitido. Em fato, múltiplos sinais enviados pelo transmissor MIMO podem chegar simultaneamente ao receptor, o sinal então pode ser cancelado e a performance será basicamente a mesma de um sistema não-MIMO.

Antigamente, os DSP’s, ou Processadores de Sinal Digital não eram tão desenvolvidos. Hoje,  os processadores possuem maior poder computacional e são capazes de recuperar o sinal transmitido ao receptor em diferentes intervalos de tempo.

Os DSP’s então têm a responsabilidade de receber os dados, ‘separar’ em diferentes partes, enviar cada parte por antenas diferentes – ao mesmo tempo, no mesmo canal. E fazer o processo inverso no receptor.

Radio Chains

Os rádios legados 802.11 transmitem e recebem sinal RF utilizando o sistema single-input, single-output (SISO), utilizando um radio chain que é um rádio que suporta toda arquitetura, incluindo mixers, amplificadores e conversores digital/analógico.

A tecnologia MIMO consiste em múltiplos radio chains onde cada um possuirá sua própria antena. Um sistema MIMO é caracterizado pelo número de transmissores e receptores utilizados por diversos radio chains. Por exemplo, um sistema 2×3 MIMO poderá consistir em 3 radio chains com 2 transmissores(TX) e 3 receptores(RX), já um sistema 3×3 MIMO poderá utilizar 3 radio chains para transmissão(TX) e recepção(RX).    

O uso de múltiplos transmissores em um sistema MIMO provem a transmissão de mais dados utilizando multiplexação espacial. O uso de múltiplos receptores aumenta a relação sinal ruído (SNR).

Multiplexação espacial

Um rádio MIMO tem habilidade de enviar fluxos de dados únicos de maneira independente. Cada fluxo de dados independente é conhecido como fluxo espacial (spatial stream) e cada fluxo único pode conter dados que são diferentes dos outros fluxos transmitidos por um ou mais rádios. Cada fluxo irá atravessar diferentes caminho caminhos até o receptor, chamado de diversidade espacial (spatial diversity). O envio de diversos fluxos independentes de um único dado utilizando spartial diversity é geralmente referenciado também como spatial multiplexing (SM) ou spatial diversity multiplexing (SDM).

O benefício de enviar fluxo diversos para um único dado é o aumento da largura de banda.

 Na imagem abaixo mostramos um AP MIMO 3×3:3 transmitindo 3 independentes fluxos de um único dado  para um cliente MIMO 3×3:3.

Geralmente os fabricantes utilizam a sintaxe de 3 números para indicar a capacidade de transmissão dos APs, por exemplo 3×3:2: O primeiro número informa a transmissão (TX), o segundo a recepção (RX) e o terceiro número representa a quantidade de fluxos únicos de dados podem ser enviados e recebidos.

Em boas condições, quando um AP 3×3:3 e um cliente 3×3:3 estão comunicando entre si, 3 fluxos espaciais podem ser utilizados para comunicação unicast. Entretanto, quando um AP 3×3:3 comunica com um cliente 2×2:2, somente dois fluxos espaciais serão utilizados para comunicação unicast. Isso será definido durante a conexão ao BSS (basic servisse set), o access point é avisado sobre as capacidades MIMO do cliente.

Multi-User MIMO

Os padrões 802.11n e 802.11ac permitem o uso do MIMO para transmissão de múltiplos fluxos  de dados transmitidos  em diferentes antenas ao mesmo tempo. O padrão 802.11ac também permite a comunicação simultanea com até 4 dispositivos utilizando a tecnologia MU-MIMO. Os rádios 802.11n não suportam MU-MIMO, mas podemos dizer que eles utilizam a tecnologia SU-MIMO (single-user MIMO).

Ambos, 802.11n e 802.11ac são capazes de transmitir múltiplos fluxos de dados, mas muitos equipamentos devido a limitações são capazes de receber apenas um fluxo de dados.

O objetivo do MU-MIMO é o uso de diversos fluxos espaciais quando possível, transmitindo  dados para múltiplos clientes ao mesmo tempo, seja na transmissão para um cliente de 4 fluxos espaciais ou 4 clientes utilizando um fluxo espacial cada,

Com o Multi-User MIMO (MU-MIMO), os APS podem utilizar a sintaxe de 5 números para indicar a capacidade de transmissão dos APs, assim como no MIMO, o primeiro número informa a transmissão (TX), o segundo a recepção (RX) e o terceiro número representa a quantidade de fluxos únicos de dados podem ser enviados e recebidos. O terceiro número representa quantos fluxos de dados de usuário único (SU) podem ser enviados ou recebidos. O quarto número refere quantos fluxos de múltiplos usuários (MU) podem ser transmitidos. Um quinto número é usado para representar um grupo MU-MIMO ou quantos clientes MU-MIMO estão recebendo transmissões ao mesmo tempo. Por exemplo 4×4:4:3:3. O AP pode transmitir e receber 4 fluxos espaciais para 1 usuário (SU-MIMO). Entretanto somente 3 fluxos espaciais podem ser enviados (MU-MIMO) para 3 clientes com capacidade MU-MIMO.

Referências

http://www.telecomhall.com/br/o-que-e-mimo.aspx

COLEMAN, David D.; WESTCOTT, David A. CWNA Certified Wireless Network Administrator – 5ª ed. Sybex – 2018 Aruba Certified Design Professional_ Official Certification

3 thoughts on “Wireless: MIMO e Multi-User MIMO

  1. Flávio Santos 10 de julho de 2020 / 7:40

    Parabéns! Artigo muito esclarecedor.

  2. Paulo 17 de julho de 2020 / 0:04

    Diego tudo bem. Uma duvida que não tem a ver com a materia publicada aqui, mas se vc puder ajudar agradeço. Muito se fala em ACLs para bloquear uma vlan de comunicar com outra, liberar alguns acessos, bloquear comunicação com vlan de servidores etc. O mesmo serve para a vlan de servidores tambem? Por exemplo, bloquear a vlan de servers com uma outra, por exemplo, guest wireless.

    Obrigado

  3. William 26 de julho de 2020 / 20:02

    Ótimo artigo.

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