CC BY
3
Vol. 16. No. 3-2024 H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION doi: 10.36724/2409-5419-2024-16-3-55-61
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ MIMO ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ WI-FI
ПАНКРАТОВ Денис Юрьевич1
ПАХОМОВА
Александра Валерьевна 2
Сведения об авторах:
1 МТУСИ, к.т.н. доцент каф. СиСРТ Москва, Россия, [email protected]
2 МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Введение: Развитие компьютерной техники дало резкий скачок в появлении новых технологий практически во всех областях жизни людей. Это не обошло стороной системы связи, в том числе и беспроводные. Для передачи данных с каждым годом нарастает потребность в увеличении емкости системы и пропускной способности систем связи при заданном качестве. Добиться увеличения скорости передачи возможно применяя все более многопозиционные квадратурные виды модуляции, расширением частотного спектра за счет более высоких несущих частот, и также поддержкой сравнительно новой технологии MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output). В представленной работе показано, что применение различных конфигураций MIMO в системах беспроводной связи WiFi обеспечивает значительное увеличение скорости передачи данных. На пропускную способность влияет конфигурация MIMO - с увеличением числа антенн на передающей и приемной стороне пропускная способность увеличивается. Цель работы: Целью работы является анализ таких характеристик физического уровня систем WiFi, как помехоустойчивость и пропускная способность, в зависимости от количества антенн, используемых в технологии MIMO, а также от используемой ширины полосы частот. Методы: Для анализа физического уровня систем WiFi были использованы методы статистического имитационного моделирования в графической среде MATLAB. Результаты: В результате компьютерного моделирования были получены зависимость пропускной способности, а также зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при различной конфигурации MIMO для систем Wi-Fi. Результаты показали, что с увеличением числа антенн вероятность ошибки уменьшается при одинаковом отношении сигнал/шум, а пропускная способность существенно возрастает. Практическая значимость: Исследование показало, что в разработках новых беспроводных систем связи, таких как Wi-Fi, весьма перспективным является применение технологии MIMO с большим количеством антенн, позволяющей обеспечить одновременную передачу большого числа пространственных потоков данных абонентам.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: MIMO, Wi-Fi, беспроводные сети связи, моделирование физического уровня, пропускная способность, BER.
Для цитирования: Панкратов Д.Ю., Пахомова A.B. Применение технологии MIMO для улучшения характеристик физического уровня беспроводных сетей Wi-Fi // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2024. Т. 16. № 3. С. 55-61. doi: 10.36724/2409-5419-2024-16-3-55-61
Введение
В последних стандартах систем беспроводной связи (WiFi) применяется технология MIMO. Это стандарты IEEE 802.lln (Wi-Fi 4), 802.Нас (Wi-Fi 5), 802.11ах (Wi-Fi 6), 802.libe (Wi-Fi 7) [1-4].
Технология MIMO с N передающими и N приемными антеннами теоретически способна увеличить максимальную пропускную способность в N раз. По сравнению с традиционными системами связи, имеющими по одной антенне, как на передаче, так и на приеме. Это происходит потому, что одновременно с каждой передающей антенны передается свой символ, то есть N символов передается в один момент времени и на одной несущей частоте [2].
Беспроводные сети, использующие технологию Wi-Fi с каждым годом, находят более широкое применение [3]. Эта технология применяется в беспроводных локальных сетях (WLAN), быстро распространяющихся в последнее время, поскольку в них не требуется проводных линий связи, то есть абонент может передвигаться в зоне действия сети. За это преимущество приходится платить меньшей скоростью передачи, чем в проводных линиях связи, меньшим расстоянием, на которое возможна передача данных [3,4].
C = AF log2 (1 + ) ,бит/с, 2с„
где AF - ширина канала связи, Гц; р - мощность сигнала;
- мощность шума. Из формулы (1) видно, что пропускную способность можно увеличить за счет увеличения полосы частот канала связи, увеличения мощности сигнала или уменьшения мощности помех [5].
Увеличение полосы частот затруднительно, так как радиочастотный спектр является ограниченным природным ресурсом. При увеличении мощности сигнала требуются более мощные передатчики, что приводит к их усложнению из-за соблюдений требований электромагнитной совместимости, что в свою очередь приводит к удорожанию системы связи. Уменьшение мощности помех возможно только в некоторых случаях (например, применение малошумящих усилителей). Кроме того, согласно формуле (1), пропускная способность с улучшением этих параметров растет по логарифмическому закону. Таким образом, для систем с одной антенной как на передаче, так и на приеме повышение пропускной способности весьма ограничено [6].
Выход из создавшегося положения возможен, применяя системы со многими передающими и многими приемными антеннами (MIMO). Принцип работы системы связи, использующей технологию MIMO показан на рисунке 1.
Рис. 1. структурная системы Wi-Fi
Структурная схема системы Wi-Fi показана на рисунке 1 [4]. В рассматриваемой конфигурации система WiFi включает точку доступа и множество клиентских станций. В типичной конфигурации Wi-Fi, приложения включают доступ в Интернет и потоковое аудио и видео. Кроме того, пользовательский опыт работы с такими приложениями, как внутри-сетевое взаимодействие для локальной передачи файлов, резервное копирование и печать улучшаются за счет более высоких скоростей передачи данных [5].
С развитием технологии Wi-Fi различие в пропускной способности по сравнению с проводными сетями уменьшается. Это привело к тому, что стало возможным объединение сетей Wi-Fi с проводными линиями связи и с сетью Интернет [6].
Технология MIMO
Для расчёта пропускной способности беспроводного канала связи для системы с одной передающей и одной приемной антенны, используется формула Шеннона [5]:
Рис. 2. Принцип работы системы радиосвязи с технологией MIMO: S/P - последовательно-параллельный преобразователь;
DM - демодулятор; P/S- параллельно-последовательный преобразователь
Система связи, изображенная на рисунке 2, работает следующим образом [6]. В блоке S/P входная последовательность преобразовывается в N параллельных последовательностей, где N равно количеству передающих антенн. Одновременно все символы блока излучаются с помощью соответствующей антенны, при этом длительность каждого излучаемого символа в N раз длиннее, чем символа на входе преобразователя S/P.
Таким образом, N символов передаются в полосе частот в N раз меньшей, чем исходная последовательность символов, и тем самым система MIMO обеспечивает большую спектральную эффективность.
В системе радиосвязи, использующей технологию MIMO, математическая модель принимаемого сигнала выражается следующей формулой [6]:
Y = Hs + ц, (2)
где Y - вектор-столбец принимаемых сигналов размерности Mxl; Н - матрица канала связи, размерности MxN; ^ -случайный гауссовский вектор размерности Mxl; S - вектор-столбец информационных символов;
Согласно формуле (2), принимаемый сигнал в системе с несколькими передающими и приемными антеннами (MIMO), описывается системой линейных уравнений. Пропускная способность системы радиосвязи с технологией MIMO, описывается следующей формулой [5]:
C = AFlog, det(l + P „ HH'), бит/с (3)
2 N ■ 2a2v '
где AF - ширина канала связи, Гц; P - мощность сигнала;
2а^ - мощность шума; 1 - единичная матрица; Н - матрица
канала связи MIMO; Н' - эрмитово-сопряженная матрица канала связи MIMO; N- количество передающих антенн.
Когда число передающих и приемных антенн совпадают и матрица Н ортогональная, достигается максимальная пропускная способность канала связи системы MIMO. Условие ортогональности матрицы канала Н:
ЯЯ' = Щ21 = M • 1 (4)
где М - количество приемных антенн; X - собственные числа матрицы канала связи Н. При этом выражение для канала радиосвязи с MIMO принимает следующий вид:
C = M-ÁF log2det(l + ),бит/с (5)
2av
где М = N- количество приемных и передающих антенн.
Из формулы (5) видно, что в вышеприведенном частном случае пропускная способность канала MIMO растет прямо пропорционально количеству антенн. Следовательно, есть потенциальные возможности увеличения пропускной способности беспроводных систем связи, применяющих технологию MIMO [7].
Обзор стандартов WiFi
После появления первого стандарта Wi-Fi очевидным стало то, что максимальная скорость передачи данных в 2 Мбит/с недостаточна для замены проводной сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Вот почему довольно скоро сообщество разработчиков WiFi предложило палитру дополнительных стандартов, а именно 802.Ha/b/g, которые позволили увеличить скорость передачи до 54 Мбит/с за счет использования новых технологий физического уровня: новых схем модуляции и кодирования, а также новых частотных диапазонов и каналов. В стандарте 802.11а появилась технология мультиплексирования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) с каналами шириной 20 МГц, что заложило основу для следующих поколений Wi-Fi [8].
По мере развития стандартов IEEE 802.11, начиная с версии IEEE 802.11n (WiFi 4) применяется технология MIMO. Благодаря использованию нескольких антенн возможна одновременная передача до четырех пространственных потоков. Это добавление наряду с расширением ширины частотных каналов и новых видов модуляции приводит к существенному увеличению пропускной способности. Далее кратко рассмотрим системы Wi-Fi различных стандартов, использующих технологию MIMO [8].
Первым стандартом, в котором для повышения пропускной способности системы связи предусмотрено применение технологии MIMO является стандарт IEEE 802.lin. Стандарт 802.11п поддерживает четыре антенны и технологию физического уровня OFDM с 64 поднесущими. На каждой поднесу-щей могут использоваться модуляции BPSK (Binary Phase-Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) и 64-QAM. Возможны четыре скорости помехоустойчивого кодирования 1/2, 2/3, 3/4, 5/6. Теоретически максимальная скорость передачи достигает 600 Мбит/с при применении четырех антенн, модуляции 64-QAM и скорости кодирования 5/6 [9].
Устройства, поддерживающие стандарт 802.11п могут работать как в канале шириной 20 МГц, так и в расширенном канале шириной 40 МГц [9, 10].
Теоретическую скорость в реальных условиях достичь невозможно. На уменьшение пропускной способности влияют: число абонентов, одновременно работающих в одном канале связи, помехи, создаваемые близкорасположенными к точке доступа радиотелефонами, устройствами Bluetooth, микроволновыми печами и другими высокочастотными устройствами, создающими дополнительные помехи [8].
Для поддержки новых возможностей физического уровня появились новые функции уровня MAC (Media Access Control, управление доступом к среде), к наиболее существенным из которых следует отнести технологии агрегации блоков данных для сокращения накладных расходов на передачу заголовков [9].
Следующим стандартом, использующим технологию MIMO, является 802.11ас (IEEE Std. 802.11ас), в нем расширяются возможности MIMO до 8 пространственных потоков вместо 4 как в предыдущей версии [9, 10]. Добавлен новый вид модуляции 256-QAM, то есть один символ передает 8 бит данных. Для реализации модуляции 256-QAM необходим более мощный сигнал на передающей стороне, для того чтобы на приеме отношение сигнал/шум было не менее 30 дБ. Так же, как и в стандарте 802.11п, поддерживается четыре скорости кодирования. Ширина полосы частот каналов может быть 20 МГц и 40 МГц как в стандарте 802.11n, а также введены новые каналы 80 МГц и 160 МГц. Это стало возможным за счет использование нового частотного диапазона 5 ГГц. При использовании полосы частот 160 МГц, модуляции 256-QAM, скорости кодирования 5/6 теоретически скорость передачи приблизительно может достигать 7 Гбит/с [9].
Существенным преимуществом стандарта 802.11ас является возможность применения технологии формирования диаграммы направленности Beamforming, которая позволяет сконцентрировать передачу в нужном направлении и дает возможность обеспечения большей скорости.
В данной технологии существуют режимы: однопользовательский и многопользовательский, которые применяются на нисходящей линии (Downlink) [10].
Если применяется режим SU-MIMO (однопользовательский режим), то диаграммы направленности всех антенн направлены на одну абонентскую станцию. При применении режима MU-MIMO (многопользовательский режим) диаграммы направленности антенн не пересекаются и отсюда следует, что прием производится различными абонентскими станциями.
Изменения в стандарте IEEE 802.11ас, по сравнению со стандартом 802.11п, позволили увеличить пропускную способность, емкость системы WiFi, а также при применении технологии направленной передачи работать в энергетически более экономичном режиме. Чтобы уменьшить накладные расходы, связанные с заголовками при таких высоких скоростях передачи данных, добавляется возможность увеличения длины агрегированного кадра.
Следующим стандартом на пути развития Wi-Fi является стандарт 802.11ах (IEEE Std. 802.11ах-2021). Возможное количество антенн в технологии MIMO составляет 8. При этом как на нисходящей линии (DL), так и на восходящей линии (UL) используется множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA). Используются типы модуляции BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и 1024-QAM. Используется следующие скорости кодирования: 1/2, 2/3, 3/4 и 5/6. Максимальная теоретическая скорость передачи данных составляет более 8 Гбит/с. Применяются каналы шириной 20, 40, 80 и 160 МГц, а также канал 20 МГц для Интернета вещей (1оТ). Станции рассматриваемого стандарта работают в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц, также возможно использование новыхдиапазонов (от 1до7 ГГц) [11].
Резюмируя отмеченное выше, ряд новых возможностей и преимуществ технологии 802.11ах следующие:
1. Технология OFDMA используется как в восходящих каналах, так и в нисходящих каналах;
2. Режим MU-MIMO используется как в восходящих каналах, так и в нисходящих каналах;
3. Модуляция 1024-QAM;
4. Увеличена длина символа OFDM, в 4 раза больше под-несущих;
5. Сниженно энергопотребление;
6. Технология формирования лучей диаграммы направленности Beamforming (которая также уже используется в 802. Нас) с расширенными возможностями, перераспределение пространственных потоков.
Последнее поколение Wi Fi - проект 802.11be - включает в себя очень амбициозные цели, связанные с более высокими скоростями передачи данных, более высокой эффективностью использования спектра, снижением влияния помех и обеспечением поддержки приложений реального времени (RTA). Применение технологии RTA требуют гарантированно низкой задержки и высокой надежности [10, 11].
Основными нововведениями Wi-Fi7 являются следующие:
1) Применение на физическом уровне технологии экстремально высокой пропускной способности (ЕНТ). В системе Wi-Fi 7 предусмотрено удвоения как используемой полосы частот, так и количества антенн в режиме MU-MIMO, что
увеличивает пропускную способность в 4 раза. За счет использования модуляции 4096-QAM, добавляется еще 20% к пропускной способности. Таким образом, Wi-Fi 7 обеспечит номинальную скорость передачи данных более чем в 4 раза выше по сравнению с с Wi-Fi 6. Оценивается, что теоретически максимальная скорость передачи данных в системе Wi-Fi 7 составит 46 Гбит/с [14]. Кроме того, ожидается существенное изменение в на уровне MAC, которое связано с обобщением заголовков кадров и разработкой формата кадров, совместимого с прямой передачей.
2) Усовершенствованный доступ OFDMA.
Технология OFDMA, применяемая в предыдущих версиях
WiFi, позволяет весьма эффективно распределять ресурсы системы WiFi, однако эта технология не очень гибкая, что приводит к снижению производительности и увеличению задержки. Усовершенствованная в Wi-Fi 7 технология OFDMA позволяет более гибко использовать ресурсы [11].
3) Работа по нескольким каналам связи.
Одним из одобренных изменений Wi-Fi 7 является поддержка работы по нескольким каналам связи, которая обеспечивает как высокую скорость передачи данных, так и чрезвычайно низкую задержку. Хотя современные чипсеты в настоящее время могут использовать несколько каналов связи одновременно, эти каналы независимы, что ограничивает эффективность такой работы.
Разработчики стандарта 802.1 lbe (Status of Project IEEE P802.11be, https://ieee802.org/ll/Reports/tgbe_update.htm) стремятся найти такой уровень синхронизации между каналами, который позволит более эффективно использовать ресурсы и минимизировать помехи при плотном развертывании систем WiFi [12].
4) Усовершенствованные технологии физического уровня, повышающие эффективность использования спектра.
Применение технологии неортогонального множественного доступа (NOMA) обеспечит значительное повышение эффективности использования спектра в случае повторных попыток передачи и одновременных передач в одном и том же или противоположных направлениях с
5) Совместная передача с помощью нескольких точек доступа.
Еще одним важным нововведением в стандарте 802.11Ье является использование нескольких точек доступа для совместной передачи абонентским станциям с целью повышения надежности и скорости передачи данных определенным абонентам [13, 14].
По результатам рассмотренных поколений систем WiFi в таблице 1 представлены основные характеристики физического уровня стандартов IEEE 802.11. В таблицу 1 также добавлен стандарт 802.11а в котором не используется технология MIMO, для сравнения характеристик. Видно, что с каждым внедрением нового стандарта повышается пропускная способность канала и скорость передачи системы WiFi. Это достигается внедрением новых технологий, которые позволяют увеличить полосу частот, внедрить многопозиционные виды квадратурной модуляции, внедрить технологию MIMO с большим числом антенн [8-11].
Таблица 1
Сравнение стандартов IEEE 802.11
Стандарты Модуляция Диапазон, ГГц Скорость кодирования Количество антенн Ширина канала, МГц Скорость
BPSK 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1,5 Мбит/с
802.11а QPSK 5и8 1 20 -
16-QAM 54 Мбит/с
802.11п Доп,-64-QAM 2.4 и 5 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 4 20 40 150 Мбит/с 600 Мбит/с
Доп,- 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 20 433 Мбит/с
802. Нас 256- 5 8 40 -
QAM 80 6933 Мбит/с
802.11ах Доп,-1024- 2.4 и 5 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 8 20 40 80 160 600 Мбит/с
QAM 9608 Мбит/с
20
802. libe Доп,-4096- 2.4; 5 иб 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 16 40 80 До 46 Гбит/с
QAM 160 320
sml = arg mm {( Y - Hs)' ( Y - Hs)},
(6)
приеме с технологией SISO (Single-Input Single-Output) и системы WiFi со многими антеннами с технологиями MIMO с конфигурациями 2x2, 4x4, 8x8 и 12x12 [17, 18].
В таблице 2 представлены результаты оценки скорости передачи данных систем WiFi с разной конфигурацией MIMO для разной ширины канала.
Результаты моделирования системы беспроводной связи с технологией MIMO
Для анализа характеристик физического уровня систем WiFi в настоящей работе было проведено статистическое компьютерное моделирование для анализа пропускной способности каналов беспроводной связи WiFi. Моделирование проводилось в графической среде MATLAB [14] с применением технологии MIMO с различным числом антенн. В моделях с различной конфигурацией MIMO остальные условия были равнозначны, в частности, при анализе помехоустойчивости использовался релеевский канал связи, применялся алгоритм демодуляции, оптимальный по критерию максимального правдоподобия. Также возможно применение других алгоритмов демодуляции, например, итерационных [15, 16].
Демодулятор, оптимальный по критерию максимального правдоподобия (ML), является наиболее эффективным алгоритмом демодуляции, в нем оценка информационных символов S модели (2) находится по формуле
Рис. 3. Зависимость пропускной способности канала системы WiFi от отношения сигнал/шум (SNR) в дБ для различных конфигураций технологии MIMO
Таблица 2
Оценка максимальной скорости R передачи данных системы Wi-Fi с разной конфигурацией MIMO для разной ширины канала W
R Мбит/с Конфигурация MIMO
1x1 2x2 4x4 8x8 12x12
Ширина канала W, МГц 20 80 160 320 500 700
80 320 640 1280 2000 2800
160 640 1280 2560 4000 5600
320 1280 2560 5120 8000 11200
где sML - вектор оценок принятого сигнала; Y - вектор принятого сигнала; Н - матрица канала MIMO; s - вектор возможной комбинации принятого сигнала, sN - множество перебираемых комбинаций.
Для нахождения вектора оценок S, нужно осуществить перебор всех возможных комбинаций информационных символов в результате цифровой обработки принятого сигнала. Сложность такой обработки зависит от числа антенн N кратности модуляции QAM.
Результаты анализа пропускной способности канала MIMO приведены в графическом виде на рисунке 3. На графике показаны зависимости пропускной способности от отношения сигнал/шум (SNR) в дБ. Моделирование проводилось для системы WiFi с одной антенной на передаче и
Из таблицы 2 видно, что с увеличением количества антенн в технологии MIMO (при ОСШ = 9 дБ) скорость передачи увеличивается, причем при конфигурации 12x12 скорость передачи на порядок больше, чем при конфигурации 1x1. Увеличение числа антенн в совокупности с увеличением ширины полосы с 20 МГц до 320 МГц позволяет достигнуть увеличения скорости передачи до 11200 Мбит/с.
Перейдем к оценки помехоустойчивости системы WiFi при разных конфигурациях MIMO. Для моделирования системы MIMO будем использовать следующий алгоритм, по которому составлена программа и проведено моделирование в среде MATLAB для случая с использованием методов компьютерного моделирования системрадиосвязи [6, 19].
1. од исходных данных.
2. Циклы по отношению сигнал/шум (SNR) и по числу испытаний:
• диапазон SNR от 0 дБ до 15 дБс шагом 1 дБ;
• число испытаний 10 000.
4. Формирование случайных битовых последовательностей и модуляция.
6. Формирование комплексной матрицы канала для различных конфигураций системы MIMO.
7. Формирование наблюдаемого вектора на входе демодулятора.
8. Вычисле е оценки вектора переданных символов с использованием алгоритма ML, отображение оценки вектора символов в биты.
9. Завершение цикла по числу испытаний
10. Вычисле ие коэффициента битовых ошибок (BER).
11. Завершение цикла по SNR
12. ывод кривых помехоустойчивости BER = f (SNR) в графической среде MATLAB для разного числа антенн.
В результате моделирования по указанному алгоритму в среде MATLAB был получен график помехоустойчивости для системы WiFi с технологией MIMO с различной конфигурацией антенн (зависимости BER от параметра SNR в дБ).
—a—4 1 —88 - 1212
0 2 4 6 В 10 12 14
SNR, дБ
Рис. 4. Зависимость коэффициента ошибок (BER) от отношения сигнал/шум (SNR) в дБ для различных конфигураций технологии MIMO в системе WiFi
Из графика, показанного на рисунке 4, видно, что с увеличением числа антенн в технологии MIMO, при прочих равных условиях, вероятность ошибки уменьшается. Так по уровню BER=10 4 для конфигурации MIMO 12x12 значение SNR=9,5 дБ, а для конфигурации MIMO 4x4 значение SNR=14 дБ, то есть выигрыш составляет 4,5 дБ. Очевидно, что данный выигрыш достигается за счет увеличения сложности обработки.
Заключение
Применение технологии MIMO в беспроводных сетях WiFi увеличивает их пропускную способность. При усложнении конфигурации, то есть при увеличении числа передающих и приемных антенн, скорость передачи значительно увеличивается, естественно при этом возрастает вычислительная сложность. Вычислительная сложность в основном связана со сложностью цифровой обработки сигналов на приемной стороне. Применяя алгоритм демодуляции, оптимальный по критерию максимального правдоподобия, вычислительная сложность возрастает по экспоненциальному закону с увеличением количества антенн. Отсюда следует, что применение этого метода демодуляции затруднительно для сетей
беспроводной связи с большим числом параллельно передаваемых потоков данных. Следует применять другие методы демодуляции, проигрывая в энергетической эффективности, для систем WiFi, в которых используется большое число антенн и высокая кратность модуляции.
Литература
1. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации Москва: Техносфера, 2005. 592 с.
2. Korolev N., Levitsky I., Khorov E. Analytical Model of Multi-link Operation in Saturated Heterogeneous Wi-Fi 7 Networks. IEEE Wireless Communications Letters, 2022.
3. Evgeny Khorov, Andrey Lyakhov, Alexander Krotov, Andrey Guschin. A survey on IEEE 802.11ah: An enabling networking technology for smart cities 11 Computer Communications. 2015. №58. C. 53-69.
4. Gordon Jeffrey. Wi-Fi Technology: Wireless Networking. Amazon, 2022. 129 p.
5. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б. и др. Неортогональный множественный доступ (NOMA) как основа систем связи 5G и 6G. М.: Горячая Линия - Телеком, 2024. 264 с.
6. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю. Технологии в системах радиосвязи на пути к 5G. М.: Горячая линия - Телеком, 2021.280 с.
7. Korolev G., Kureev A., Khorov E., Lyakhov A. Enabling Synchronous Uplink NOMA in Wi-Fi Networks 112021 International Conference Engineering and Telecommunication (En&T), Dolgoprudny, Russian Federation,2021,pp. 1-5.
8. Krasilov A., Lebedeva I., Yusupov R., Khorov E. Efficient Multiplexing of Downlink eMBB and URLLC Traffic with Massive MU-MIMO112022 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), Sofia, Bulgaria, 2022, pp. 185-190.
9. Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LAN's 802.11n and 802.11ac. Cambridge University Press, 2015. 478 p.
10. Gordon Colbach. The WiFi Networking Book: WLAN Standards: IEEE802.il bgn, 802.1 In, 802.1 lac and 802.1 lax. Amazon,2023. 108 p.
11. Khorov E., Kiryanov A., Lyakhov A., Bianchi G. A tutorial on IEEE 802.11ax high efficiency WLANs II IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 21, no. 1, pp. 197-216, 1st Quart., 2019.
12. Khorov E., Levitsky I., Akyildiz I.F. Current Status and Directions of IEEE 802.11be, the Future Wi-Fi 7 II IEEE Access, vol. 8, pp. 88664-88688,2021.
13. Reshef E., Cordeiro C. Future Directions for Wi-Fi 8 and Beyond II IEEE Communications Magazine, vol. 60, no. 10, pp. 50-55, October 2022.
14. Bakulin M., Ben Rejeb T., Kreyndelin V., Pankratov D., Smirnov A. Analysis of the MU-MIMO System from the Perspective of Orthogonal and Non-Orthogonal Access 11 2023 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO), Pskov, Russian Federation, 2023, pp. 1-4.
15. Bakulin M.G., Kreyndelin V.B., Pankratov D.Y., Stepanova A.G. Iterative massive mimo demodulation method with non-gaussian approximation// Journal of Communications Technology and Electronics. 2022. T. 67. № 6. C. 740-746.
16. Бакулин M.Г., Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю., Степанова А.Г. Анализ эффективности и сложности демодуляции с использованием негауссовской аппроксимации в системах massive MIMO II Информационные процессы. 2022. Т. 22. № 2. С. 77-92.
17. Daniel T. Valentine, Brian H. Hahn. Essential MATLAB for Engineers and Scientists. 8th Edition. Academic Press, 2022. 428 p.
18. Jennifer Minella. Wireless Security Architecture: Designing and Maintaining Secure Wireless for Enterprise. 1st Edition. Wiley, 2022. 624 p.
19. Benny Bing. Wi-Fi Technologies and Applications: From 802.11ax (Wi-Fi 6) to 802.11be. First Edition. Amazon, 2023. 220 p.
THE USE OF MIMO TECHNOLOGY TO IMPROVE THE PHYSICAL LAYER CHARACTERISTICS OF WI-FI WIRELESS NETWORKS
DENIS Y. PANKRATOV
Moscow, Russia, [email protected]
ALEXANDRA V. PAKHOMOVA
Moscow, Russia, [email protected]
KEYWORDS: MIMO, Wi-Fi, physical layer simulation, wireless networks, capacity, BER.
ABSTRACT
Introduction. The development of computer technology has given a sharp leap in the emergence of new technologies in almost all areas of people's lives. This has not spared communication systems, including wireless ones. For data transmission, the need to increase the capacity and the bandwidth of communication systems at a given quality is increasing every year. It is possible to achieve an increase in transmission bitrate by using increasingly multi-position quadrature types of modulation, expanding the frequency spectrum due to higher carrier frequencies, and also supporting the relatively new MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) technology. In the presented article, the authors showed that when using various MIMO configurations in wireless communication systems, it is possible to significantly increase the data transfer rate. The bandwidth is
affected by the MIMO configuration - with an increase in the number of antennas on the transmitting and receiving sides, the data transmission rate increases. The purpose of the work: To determine the noise immunity of MIMO technology with a different number of spatial streams in Wi-Fi systems. Methods: Using mathematical simulation methods in MATLAB graphical environment. Results: The dependence of bit error ration on the signal-to-noise ratio was obtained for different configurations of the MIMO system used in Wi-Fi. The results showed that with an increase in spatial flows, the probability of error decreases with the same signal-to-noise ratio. Practical significance: The study showed that the use of MIMO technology with a large number of spatial streams is promising in the development of new wireless communication systems such as Wi-Fi, mobile communications, etc., but more complex digital signal processing algorithms are needed.
REFERENCES
1. E.V. Smirnov, A.V. Proletarsky, "Technologies of modern wireless Wi-Fi networks," Moscow: MSTU im. N.E. Bauman, 2017. 446 p.
2. V.M. Vishnevsky, A.I. Lyakhov, S.L. Portnoy, I.V. Shakhnovich, "Broadband wireless information transmission networks," Moscow: Tekhnosphere. 2005. 592 p.
3. Eldad Perahia, Robert Stacey, "Next generation wireless LANs: 802.11n, 802.11ac, and Wi-Fi direct," Second edition. 2013.
4. Gordon Jeffrey, "WiFi technology: wireless networking," September 10, 2022.
5. M.G. Bakulin, V.B. Kreindelin, D.Yu. Pankratov, "Technologies in radio communication systems on the way to 5G," Moscow: Hotline -Telecom, 2018. 280 p.
6. M.G. Bakulin, L.A. Varukina, V.B. Kreindelin, "MIMO technology: principles and algorithms," Moscow: Hotline - Telecom, 2014. 244 p.
7. MIMO System Technology for Wireless Communication. Edited by George Tsoulos. USA, FL, Boca Raton, CRC Press, 2006. 378 p.
8. Eldad Perahia, Robert Stacey, "Next generation wireless LANs : 802.11n, 802.11ac, and Wi-Fi direct," Second edition. 2013.
9. Gordon Colbach, "The WiFi Networking Book: WLAN Standards: IEEE 802.11 bgn, 802.11n , 802.11ac and 802.11ax," June 30, 2023.
10. IEEE Std 802.11acTM - 2013. IEEE Standard for Information
technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 4: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz.
11. IEEE Std 802.11ax™?2021.
12. E. Khorov, A. Kiryanov, A. Lyakhov, and G. Bianchi, ''A tutorial on IEEE 802.11ax high efficiency WLANs,'' IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 21, no. 1, pp. 197-216, 1st Quart., 2019.
13. IEEE, "Status of Project IEEE P802.11be," IEEE P802.11-TASK GROUP BE (EHT) MEETING UPDATE, 2019.
14. E. Khorov, I. Levitsky and I. F. Akyildiz, "Current Status and Directions of IEEE 802.11be, the Future Wi-Fi 7," IEEE Access, vol. 8, pp. 88664-88688, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2993448.
15. William Palm Iii, "MATLAB for Engineering Applications," McGraw-Hill Education, 4th edition, April 10, 2018.
16. T.E. Krenkel, E.S. Kurashov, "Modeling of the MIMO-T-Comm system, 2015, pp. 21-25. Replace, recent paper on MIMO modeling.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Denis Y. Pankratov, MTUSI, Ph.D., Associate Professor, Department of SiSRT, Moscow, Russia Alexandra V. Pakhomova, MTUCI, Moscow, Russia
For citation: Pankratov D.Y., Pakhomova A.V. The use of MIMO technology to improve the physical layer characteristics of Wi-Fi wireless networks. H&ESReserch. 2024. Vol. 16. No. 3. P. 55-61. doi: 10.36724/2409-5419-2024-16-3-55-61 (In Rus)
