Nowe możliwości sieci bezprzewodowych - Standard 802.11n

Aby lepiej zrozumieć udoskonalenia wprowadzane przez technologie MIMO ważne jest aby rozumieć pewne podstawy które decydują o tym jak sprawnie działają sieci bezprzewodowe. W tradycyjnych sieciach bezprzewodowych z pojedyncza anteną nadawcza i pojedyncza anteną odbiorczą ilość informacji które mogą być przeniesione przez sygnał radiowy zależy od wartości na jaką odbierany sygnał przekracza wartość szumu po stronie odbiornika. Różnica ta nazwana jest stosunkiem sygnału do szumu, lub w skrócie SNR. SNR wyrażony jest zwykle w decybelach (dB). Wyższy SNR umożliwia odebranie przez odbiornik większej liczby informacji przenoszonych w sygnale radiowym pochodzącym z nadajnika. W przypadku kiedy maksymalna szybkość transmisji nie jest priorytetem, posiadanie „zapasu” w poziomie SNR oznacza redukcję martwych punktów oraz zapewnienie wymaganej prędkości transmisji danych z dużo mniejszą wrażliwością na zmienne środowiskowe. Z tego względu każdy dodatkowy decybel SNR powyżej minimalnego poziomu SNR pozwalającego na wymianę informacji z żądaną prędkością jest niezwykle cenny. Może on być wykorzystany na zwiększenie prędkości transmisji, niezawodności transmisji, zasięgu lub częściowo wszystkich  tych parametrów jednocześnie.
W sieciach bezprzewodowych niezwykle rzadko sygnał radiowy trafia z nadajnika do odbiornika z wykorzystaniem tylko bezpośredniej, najkrótszej ścieżki. Większość sieci WLAN działa w lokalizacjach pełnych powierzchni które odbijają sygnał radiowy tak jak lustra odbiją światło. Wszystkie metalowe powierzchnie są w rzeczywistości takimi lustrami. Gwoździe, wkręty, futryny, stelaże, wzmocnienia, rury, blachy, latarnie, maszty, dachy itp.  - wszystkie są reflektorami sygnałów radiowych. Istnieje możliwość, ze pojedynczy punkt dostępowy WLAN będzie widoczny w wielu takich lustrach jednocześnie. Niektóre z tych odbić będą bezpośrednimi odbiciami. Inne będą odbiciami odbić. Zjawisko to nazywane jest wielościeżkowością (multipath).


Gdy sygnał dociera różnymi drogami do pojedynczego odbiornika, opóźnienie po którym odbiornik odbierze sygnał zależy od długości ścieżki jaką ten sygnał pokonał. Sygnał przebywający najkrótszą drogę przybędzie jako pierwszy, po nim dotrą jego kopie opóźnione o czas potrzebny na przebycie ścieżek które pokonały. Ze względu na prędkość światła z jaka przemieszczają się sygnały radiowe, opóźnienia między pierwszym sygnałem a ostatnią jego kopią będą bardzo niewielkie, mierzone w nanosekundach (w praktyce odległość pokonana z prędkością światła w ciągu jednej nanosekundy to około 30 cm). Takie opóźnienie wystarczy aby znacznie zniekształcić sygnał przy pojedynczej antenie, ponieważ wszystkie kopie sygnału będą interferowały z pierwszym odebranym sygnałem. Czasami interferencje będą konstruktywne, czasem neutralne a czasem destruktywne.
MIMO transmituje jednocześnie wiele sygnałów radiowych czerpiąc korzyści z wielościeżkowości. Wysyłane sygnały mogą być delikatnymi modyfikacjami tej samej informacji (dywersyfikacja) - poprawiając tym samym niezawodność transmisji, lub być transmisją zupełnie różnych informacji (mulipleksacja) - zwiększając w ten sposób przepustowości transmisji. Każdy sygnał jest wysłany za pomocą oddzielnej anteny korzystającej ze swojego własnego łańcucha RF. Ponieważ anteny są oddalone fizycznie od siebie, każdy sygnał dociera do anteny odbiorczej nieco inną drogą.

Odbiornik również posiada kilka anten obsługiwanych przez swoje własne łańcuchy RF, każdy z nich odbiera relatywnie  niezależne sygnały z wielu ścieżek. Następnie sygnał z każdej anteny jest łączony z sygnałami z pozostałych anten odbiorczych. Dzięki wykorzystaniu skomplikowanych algorytmów matematycznych, MIMO oferuje trzy wyjątkowo cenne możliwości:

• Możliwość korzystania z wielu anten nadawczych w celu zwiększenia wartości SNR po stronie odbiornika (Transmit Beamforming)
• Możliwość wykorzystania wielu anten do odbioru sygnału w celu zwiększenia współczynnika SNR po stronie odbiornika (Maximum Ratio Combiner)
• Możliwość wysyłania dwóch lub więcej sygnałów jednocześnie w tym samym spektrum częstotliwości. Każdy z tych sygnałów jest nazwany strumieniem przestrzennym (spatial stream) a wysyłanie wielu strumieni przestrzennych nazywa się multipleksacją przestrzenną (Spatial Multiplexing). Standard 802.11n zakłada stosowanie do 4 strumieni przestrzennych. W chwili obecnej większość dostępnych na rynku urządzeń działających w standardzie 802.11n jest w stanie obsługiwać dwa strumienie przestrzenne.
  

Linki MIMO są opisywane poprzez sposób w jaki jedno urządzenie (np. punkt dostępowy) komunikuje się z drugim urządzeniem (np. klientem). Istotne parametry to ilość posiadanych przez punkt dostępowy anten nadawczych (z własnymi łańcuchami RF) oraz ilość posiadanych przez klienta anten odbiorczych  (z własnymi łańcuchami RF). Na przykład, 2 x 1 oznacza dwie anteny nadawcze w  punkcie dostępowym i jedna antenę odbiorczą w kliencie radiowym. 802.11n definiuje kilka różnych opcji komunikacji w zależności do ilości anten nadawczych oraz anten odbiorczych zastosowanych w linku MIMO. Część anten jest używana do przestrzennej multipleksacji. Jeśli w linku istnieją anteny nadawcze lub odbiorcze które nie są wykorzystywane do przestrzennej multipleksacji, zostają one użyte do poprawy SNR połączenia.