Wi-Fiネットワークでの受信/送信を最適化する方法

近年のワイヤレスネットワーク（Wi-Fiなど）の開発における重要な技術の1つは、MIMO技術です。 MIMOは、複数の送信機からの情報の複数の送信とその受信、および複数の受信機での処理です。 MIMOの主な目的は、ワイヤレスチャネルのスループットと通信の品質を向上させることです。



MIMOシステムのスループットを向上させる主な方法は、多重化、つまり、異なるアンテナからの情報のいくつかのストリームの並列送信です（詳細については後述）。 MIMOの特殊なケースは、1つのアンテナが受信機または送信機で使用される伝送システムです。 このようなシステムは、複数入力単一出力（MISO）および単一入力複数出力（SIMO）と呼ばれます。 情報のいくつかのストリームの並列送信を編成することは不可能ですが、信号の受信または送信の品質を改善するために追加のアンテナを使用できます。 さまざまなベンダーのアクセスポイントの説明では、デバイス上にある送信アンテナと受信アンテナの数、サポートするMIMOの空間ストリームの数を確認できます。 たとえば、3x4：3の値は、3つの送信機、4つの受信機、3つの空間ストリームを意味します。 これらのパラメータに加えて、MRC、STBC、CSD、802.11ac Tx BFなどの略語または表記を見つけることができます。これらの技術はすべて、信号品質の改善を目的としています。 そこで、最新のアクセスポイントを使用するトリックのオプションを見つけて、デバイスが良好な信号を受信できるようにします。 これらのテクノロジー（ MIMO 、 OFDM 、 STBC、およびMRC）の動作についてかなり詳細に説明したHabréの記事がすでにあることに注意してください。 この記事では、コミュニケーションの品質を向上させるための技術の一般的なレビューを行い、この機能またはその機能がどのように機能し、どのような成長をもたらすかを視覚化します。 仕事は802.11 Wi-Fiの観点から考慮されますが、もちろん、これらの方法は他のワイヤレス標準（LTE、802.16 WiMAX）で使用されます。



空間多重化（MIMO SDM）









MIMOの主な利点は、同じチャネルの異なるアンテナから複数の独立した情報ストリームを送信できることです。 これにより、ワイヤレスチャネルの帯域幅を劇的に増やすことができます。 この技術は、空間多重化、またはSDM（Spatial Division Multiplexing）と呼ばれます。 MIMO SDMが機能するための基本条件は、マルチパス信号の伝搬です。 2つのアンテナからデータを送信すると、直接的な可視性により、信号は同時に受信機に到達し、それらのオーバーラップ（干渉）が発生します。 したがって、悪化させるだけです。 ただし、通過中に信号が反射、屈折などした場合、受信機は異なるストリームの着信信号を認識（相関）できます。 次に、受信機は、事前較正（オーバーヘッドヘッダー）に基づいて、各送信アンテナの送信チャネル（ストリーム）の現在の状態を計算します。 そして、数学的変換を使用して、元のフローを復元します。 MIMOの場合、送信者はチャネルの状態を認識しません。つまり、送信中に信号を最適化しません。 アクセスポイントとクライアントは、2つのパーティがサポートする一定数のストリームを送信します。 たとえば、クライアントが1つのストリームのみをサポートしている場合、アクセスポイントは1つのストリームも送信します。



複数のストリームを送信するとき（そして実際に複数のアンテナから同時に送信するとき）、総放射電力は送信アンテナの数で除算されることに注意してください。 たとえば、2つのアンテナから同時に信号を送信する場合、各アンテナの信号電力は最大の半分になります。 ただし、この場合、2つ以上のチャネルで同時に情報を送信します。また、SDMと複数の送信（以下を参照）の併用により、受信機でのSNR（信号対雑音比）の値を増やすことができます。



MIMOシステムは進化を続けており、標準の802.11ac（wave2）は、MIMOモードで複数のクライアントへの複数同時送信（Multiuser-MIMO）を実装しています。 つまり、1つと2つのストリームをサポートする2つのクライアントがある場合、MU-MIMOシステムはそれらに同時に信号を送信します。 MU-MIMOテクノロジーが登場する前は、一度に1つのシステムしかデータを送信できませんでした。 このテクノロジーは、アクセスポイントからクライアント（DownLink）への方向でのみ機能します。 現在のアクセスポイントでは、3つのMU-MIMOクライアントを使用して、最大3つのストリーム（合計）を転送できます。 MU-MIMOテクノロジーでは、アクセスポイントとクライアントデバイスの両方でサポートが必要です。 また、アクセスポイントで追加の計算が必要であり、使用時に特定の条件を課します。 たとえば、予備のキャリブレーションと適応送信（明示的な送信ビームフォーミング）がなければ、その動作は不可能です。これについては以下で説明します。









もちろん、複数の送受信メカニズムの開発により、802.11nデバイスのアンテナ数が増加しました。 現在、エンタープライズレベルのアクセスポイント（802.11n / ac）では、3〜4個のアンテナが標準となっています。 さらに、空間ストリームの数は多くの場合、アンテナの数よりも少なくなります。 実際、たとえば3つのスレッドをサポートするクライアントの数はいくつですか？ もちろんそれほどではありません。 これがスマートフォンの場合、サポートされる空間ストリームは1つだけです。 これにより、アクセスポイントはさまざまな手法を使用して、空きアンテナを使用した信号の送受信を最適化できます。



最適重量追加（MRC）









MRCは、（クライアントからアクセスポイントへの）着信信号のSNRを改善します。 アクセスポイントに追加の空きレシーバーがある場合、このレシーバーで受信した信号を残りに追加します。 受信機は、（各送信アンテナの）送信チャネルの現在の状態に関する情報をすでに持っているため、（各受信アンテナの）信号を計算し、それらを調整して加算を最適化して、最適な信号対雑音比を取得できます。 追加のアンテナを使用した場合と使用しない場合の1つおよび複数のストリームの結果を比較すると、MRCによってSNR値が大幅に増加し、APの伝送速度と範囲が増加することがあります。 MRCはアクセスポイントでのみ機能し、クライアントからの着信信号を改善します。 このテクノロジーは、CSD、SDM、STBCなど、他のテクノロジーと組み合わせて使用​​できます。



ダイバーシティ伝送（CSD / SE）









サイクリックシフトダイバーシティ（CSD）テクノロジーを使用すると、追加の空いているアンテナから単一の信号のコピーを転送できます。 これは、短い間隔（200 ns）で交互に行われます。 1つの信号のコピーを複数のアンテナから同時に送信すると（電力が分割されます）、受信のゲインを得ることができなくなります。 各アンテナから小さな間隔で独立して（最大電力で）信号を送信すると、受信時に信号のダイバーシティを取得でき、信号を改善することを意味します。 次に、受信機は特定の基準に従って最適な信号を選択します。 ダイバーシティ伝送方式は非常に古く、受信機での認識にはあまり便利ではありません（処理能力が必要で、スケールがよくありません）。 ただし、アクセスポイントでサポートされており、前世代のクライアント-802.11a / gで動作します。 最新の標準（802.11n以降）では、STBCメカニズムまたは適応送信（ビーム形成）が使用されます。



時空間ブロック符号化（STBC）









STBCを使用すると、複数のアンテナから複数のクロック間隔で異なる信号を同時に送信できます。 送信には、Alamoutiスキームが使用されます。 2x1の最も単純なケースでは、このスキームにより、2つの時間間隔で2つの信号を2回送信できます。 異なるアンテナからの2つの間隔で、信号の1つと他の信号の複雑な共役が送信されます。 したがって、時間と空間で信号を分離し（2つの信号は異なる方法で通過します）、受信時の結果の信号を増加させます。 受信の観点から、STBCメソッドは非常に便利です。 大きな処理能力は必要ありません。 ご想像のとおり、STBCはCSDと同時に動作しません。 前述のMRCとは対照的に、STBCでは、アクセスポイントからクライアントへの信号の品質を向上させることができます。 理論的には、高次モードまたは複数のストリーム（たとえば、4つの送信アンテナを備えた2つのストリームの2x1モード）での操作をサポートします。 STBCは、MIMO SDMと同時に使用できます。



パフォーマンスへの影響



そこで、アクセスポイントでのダイバーシティ（複数）送信/受信のさまざまな方法を検討しました。 それらを使用する利点は何ですか、彼らはどのような真の利益をもたらしますか？ グラフを見てみましょう*。 MCS7（シングルストリーム）の最初のグラフでは、SE（CSD）がSISO（1x1）モードに比べて大幅に改善されていないことがわかります。 STBCの動作ははるかに優れています。1％のエラーレート（PER-パケットエラーレート）の場合、SEよりも4 dB優れています。 MRC **は最高のゲインを提供します：1x1モードと比較してほぼ10 dBです！ ただし、速度が低い場合、結果はそれほど目立ちません。 MCS0（2番目のグラフ）の場合、STBCとSE（CSD）のSNRは一般的に同等です。



*ロバート・ステイシーのエルダッド・ペラヒアの本から引用。 次世代ワイヤレスLAN-802.11nおよび802.11ac





















適応伝送（802.11ac明示的ビームフォーミング）









以前に検討したすべての方法は、受信側での信号処理に基づいていました。 つまり、情報を送信するとき、各送信機からの着信信号の通信チャネルのマ​​トリックスを編集したのは受信機でした。 送信側は、アンテナ間の信号を互いに調整しませんでした。つまり、信号を「ブラインドで」送信しました。 適応伝送では、最適な位相振幅特性を持つ信号を送信するために、送信機でチャネルの状態を判断することが主な重点です。 つまり、受信側で最高の品質が得られるように、いくつかのアンテナから信号を送信します。 これは、さまざまな方法で行うことができます（受信機からの応答なしで、受信機でのキャリブレーション）。 802.11ac規格では、受信機からキャリブレーション情報を受信するアプローチが実装されました。 つまり、受信機は、アクセスポイントの各アンテナから信号をどのように聞くかを報告します。 その後、チャネルが両方向で対称であるという仮定に基づいて、特定の受信機の係数を持つ伝送行列が形成されます。 さらに、アダプティブ伝送を使用すると、異なるストリーム間で電力を分配できます（たとえば、SNRがより良いストリームの電力を増加させます）。グラフは、前述のダイバーシティ伝送方式と比較して、適応伝送モードを使用すると、情報をクライアントに送信する際の速度が最大に向上することを示しています。







MIMO（Wi-Fi）システムでの多重信号伝送のさまざまな方法（多重化、受信と送信での信号ダイバーシティ、適応伝送）を検討し、それらがもたらす増加を示しました。 実際の条件下では、より複雑な画像が観察されます。 ワイヤレスネットワークの動作に影響する追加の要素が追加されます（クライアントまでの距離、クライアントの数、チャネルの負荷、クライアントがサポートする送信方法など）。 組み込みアルゴリズムに基づいたアクセスポイントは、一度に使用する伝送方法を決定します。