چگونه MIMO سرعت وای فای شما را افزایش می دهد؟

در زمینه ارتباطات بی سیم، سرعت و پایداری همیشه از خواسته های اصلی کاربران بوده است. دستگاه‌های Wi-Fi اولیه برای انتقال داده به یک آنتن تکیه می‌کردند که آنها را در معرض تداخل محیطی و تضعیف سیگنال قرار می‌داد که سرعت و پوشش را محدود می‌کرد. با این حال، با ظهور فناوری MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)، عملکرد شبکه بی سیم به یک جهش کیفی دست یافته است. این مقاله به اصول کار فناوری MIMO می پردازد و چگونگی بهبود چشمگیر سرعت Wi-Fi را بررسی می کند.

اصول فناوری MIMO

الف) MIMO چیست؟

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) به انتقال و دریافت همزمان داده ها از طریق چندین آنتن اشاره دارد. در مقایسه با سیستم‌های تک آنتن سنتی، MIMO از دو فناوری کلیدی استفاده می‌کند: تنوع فضایی و مالتی پلکس فضایی ، که به طور قابل توجهی کارایی انتقال داده را افزایش می‌دهد.

• تنوع فضایی : با دریافت کپی های متعدد از یک سیگنال از طریق چندین آنتن، MIMO از تفاوت در مسیرهای سیگنال برای بهبود مقاومت تداخل و کاهش نرخ خطای بیت استفاده می کند.

• Multiplexing فضایی : داده ها به چندین جریان مستقل تقسیم می شوند و به صورت موازی از طریق آنتن های مختلف منتقل می شوند و توان عملیاتی را چند برابر می کنند. به عنوان مثال، یک پیکربندی MIMO 2×2 (دو آنتن فرستنده + دو آنتن گیرنده) می تواند سرعت داده را دو برابر کند.

(ب) فن آوری های کلیدی

• Beamforming : فازهای سیگنال آنتن را به صورت پویا تنظیم می کند تا انرژی را به سمت دستگاه های هدف متمرکز کند و قدرت و پوشش سیگنال را افزایش دهد.

• پیوند کانال : دو کانال 20 مگاهرتز را در یک کانال 40 مگاهرتز (مثلاً در 802.11n) ترکیب می‌کند و یک 'بزرگراه داده' گسترده‌تر برای سرعت‌های بالاتر ایجاد می‌کند.

بهبود عملی سرعت از MIMO

(الف) جهش نرخ نظری

تحت استاندارد 802.11n، MIMO سرعت تئوری را از 150 مگابیت در ثانیه (تک آنتن) به 600 مگابیت در ثانیه (پیکربندی 4×4 MIMO) افزایش داد.
استاندارد 802.11ac (Wi-Fi 5)  MU-MIMO  (MIMO چند کاربره) را معرفی کرد که امکان انتقال همزمان داده ها را به چندین دستگاه با نرخ تئوری تا 6.93 گیگابیت بر ثانیه فراهم می کرد.

(ب) مزایای عملکرد در سناریوهای دنیای واقعی

• شبکه‌های خانگی : در طرح‌بندی‌های پیچیده، MIMO 'مناطق مرده' را کاهش می‌دهد و از عملکرد روان برنامه‌های با پهنای باند بالا مانند پخش جریانی 4K و بازی‌های آنلاین اطمینان می‌دهد. به عنوان مثال، روتر ASUS RT-AX88U با استفاده از MIMO 4×4 به سرعت آزمایش شده 2.4 گیگابیت در ثانیه دست می یابد.

• محیط های سازمانی : در تنظیمات اداری با تراکم بالا، MIMO می تواند به ده ها دستگاه به طور همزمان سرویس دهد و از ازدحام شبکه جلوگیری کند. AP های سری Catalyst 9100 سیسکو از MU-MIMO برای سه برابر کردن ظرفیت کاربر همزمان استفاده می کنند.

فن آوری های مشتق از MIMO

(الف) MU-MIMO

MIMO سنتی از انتقال چند جریانی به یک دستگاه پشتیبانی می کند، در حالی که MU-MIMO به روترها اجازه می دهد تا با چندین دستگاه به طور همزمان ارتباط برقرار کنند. به عنوان مثال، یک روتر خانگی می تواند جریان های داده را به طور مستقل به تلفن هوشمند، تلویزیون و لپ تاپ ارسال کند و تاخیر در صف را کاهش دهد.

(ب) MIMO عظیم

• اصل : ده ها یا حتی صدها آنتن را برای تشکیل پرتوهای بسیار جهت دار مستقر می کند و کارایی طیف و ظرفیت شبکه را بهبود می بخشد.

• کاربرد : همراه با Wi-Fi 6 (802.11ax)، MIMO عظیم از اتصال هزاران دستگاه در سناریوهای با تراکم بالا مانند استادیوم ها و فرودگاه ها پشتیبانی می کند.

چالش ها و استراتژی های بهینه سازی برای MIMO

(الف) تداخل محیطی و چیدمان آنتن

• چالش : چندین آنتن ممکن است تداخل بازتابی سیگنال ایجاد کند (به عنوان مثال، از مبلمان فلزی در داخل خانه).

• راه حل : از الگوریتم های آنتن هوشمند (به عنوان مثال، شکل دهی پرتو تطبیقی) برای بهینه سازی پویا مسیرهای سیگنال استفاده کنید.

(ب) سازگاری دستگاه

• چالش : ممکن است دستگاه‌های قدیمی‌تر از پیکربندی‌های پیشرفته MIMO پشتیبانی نکنند (مثلاً محدود به 1×1 MIMO).

• بهینه سازی : برای اطمینان از پایداری در شبکه های مختلط دستگاه، روترهایی با سازگاری با عقب را انتخاب کنید.

چشم انداز آینده

با ظهور 6G و متاورس، فناوری MIMO به تکامل خود ادامه خواهد داد:

• سطوح هوشمند قابل تنظیم مجدد (RIS) : مواد قابل برنامه ریزی به صورت دینامیکی امواج الکترومغناطیسی را کنترل می کنند و با MIMO یکپارچه می شوند تا به سرعت های فوق العاده بالا و تأخیر بسیار کم دست یابند.

• باندهای فرکانس تراهرتز : MIMO نقش مهمی در ارتباطات تراهرتز 6G ایفا می کند و از برنامه هایی مانند واقعیت مجازی و ارتباطات هولوگرافیک پشتیبانی می کند.

نتیجه گیری

از وای فای خانگی تا ایستگاه های پایه 5G، فناوری MIMO ارتباطات بی سیم را از طریق همکاری چند آنتن متحول کرده است. این نه تنها سرعت و پایداری را افزایش می دهد، بلکه پایه و اساس عصر دستگاه های متصل به هم با فناوری های مشتق شده مانند MU-MIMO و Massive MIMO را ایجاد می کند. با پیشرفت الگوریتم‌های هوشمند و مواد جدید، MIMO به رهبری موج نوآوری در شبکه‌های بی‌سیم ادامه خواهد داد.