همه چیز در مورد 2 فناوری MIMO و MU-MIMO در شبکه‌های بی‌سیم

یکی از تکنولوژی هایی که برای افزایش سرعت و راندمان شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر استاندارد 802.11 ابداع شد، MIMO نام دارد.

MIMO مخفف عبارت Multiple Input, Multiple Output به معنی ورودی چندگانه، خروجی چندگانه است. با ما همراه باشید تا با سیر تا پیاز این فناوری و نسخه جدیدتر آن یعنی MU-MIMO  آشنا شوید.

MIMO چیست و چه کاربردی دارد؟

در اکسس پوینت‌ها و روتر‌های وایرلس قدیمی، آنتن‌های ارسال و دریافت اطلاعات از هم جدا بودند و امکان استفاده از یک آنتن برای دریافت و ارسال هم زمان وجود نداشت. فناوری MIMO این امکان را ایجاد کرد که بتوان از یک آنتن برای ارسال و دریافت همزمان اطلاعات استفاده کرد. البته نام کامل این فناوری SU-MIMO  یا مایمو تک کاربره بوده و امکان تبادل یا استریم دیتا به صورت همزمان را برای یک جفت دستگاه فراهم می‌کند.

تکنولوژی MIMO همراه دو عدد که بعد از آن نوشته می‌شود، مانند MIMO 2*2 معرفی می‌شوند. این اعداد نشان دهنده تعداد استریم‌هایی هستند که می‌توانند به صورت همزمان برقرار شوند. این فناوری به طور گسترده در تجهیزاتی که از استاندارد 802.11n پشتیبانی می‌کردند، استفاده می‌شد و در عمل امکان دستیابی به سرعت های بالاتر را امکان پذیر می‌کرد. به طور مثال دستگاهی که دو آنتن و MIMO 2*2  داشت می‌توانست به سرعت 300 مگابیت بر ثانیه یعنی دو برابر حداکثر سرعت معرفی شده در استاندارد 802.11n دست پیدا کند.

به صورت تئوری این فناوری بسیار عالی عمل می‌کند. اما مشکل اصلی SU-MIMO  چیست؟

مشکل اصلی SU-MIMO

همان طور که قبلا اشاره کردیم SU-MIMO  تک کاربره بوده و امکان برقرای همزمان چند استریم دیتا را فقط با یک دستگاه ارائه می‌کند. اما اگر دستگاه های دیگری هم بخواهند با اکسس پوینت یا روتر وایرلس تبادل اطلاعات داشته باشند، وضعیت کمی‌ فرق می‌کند. در حالت اتصال چند دستگاه، صفی برای آن ها ایجاد می‌شود و هر دستگاه تنها در زمانی که نوبتش فرا برسد امکان تبادل اطلاعات را دارد. به همین علت با افزایش تعداد دستگاه های وایرلس در شبکه، صف طولانی تر و مدت زمان انتظار دستگاه‌ها برای برقراری ارتباط بیشتر شده و در نهایت این مشکل باعث افت شدید کیفیت و سرعت در شبکه می‌شود.

MU-MIMO چیست و چه کمکی می‌کند؟

MU-MIMO مخفف عبارت Multi User-Multiple Input, Multiple Output به معنی چند­ کاربر، چند ورودی و چند خروجی است و بر اساس مایمو تک کاربره که در بالا توضیح دادیم، ایجاد شد.

این فناوری‌، محدودیت تعداد کاربران همزمان در SU-MIMO  را برطرف کرده و امکان ارتباط همزمان چند دستگاه را فراهم می‌کند. در MU-MIMO دستگاه ها برای دریافت اطلاعات نیازی به منتظر بودن در صف ندارند، هرچند که برای ارسال اطلاعات همانند SU-MIMO  همچنان نیاز به در صف ماندن دارند.

مزیت MU-MIMO زمانی کاملا قابل مشاهده است که به جای اتصال کلاینت‌هایی با پشتیبانی از 3 جریان اطلاعاتی یا بیشتر، دستگاه‌های متصل به اکسس پوینت فقط یک یا دو جریان را پشتیبانی کنند. چون سرعت انتقال در یک دستگاه تکی افزایش پیدا نمی‌کند بلکه برآیند کل را برای چند دستگاه بهبود می‌یابد.

فرض کنید یک روتر وایرلس مو-مایمو دارای 3 دیتا استریم باشد. اگر در شبکه بیسیم دستگاه‌های متصل هم 3 جریان اطلاعاتی داشته باشند، سرعت نهایی در کل شبکه تفاوتی با SU-MIMO نخواهد داشت. اما اگر در شبکه 3 دستگاه‌های تک جریانی حضور داشته باشند، MU-MIMO می‌تواند به طور همزمان به همه‌ی آن‌ها اطلاعات بفرستد بدون اینکه دستگاه‌ها نیازی به منتظر ماندن در صف داشته باشند. به دلیل این که درحال حاضر اکثر دستگاه‌های وایرلس از تعداد کمتری جریان داده پشتیبانی می‌کنند، این مزیت ملموس‌تر باشد.

همچنین بر خلاف تکنولوژی قدیمی، MU-MIMO نیازی به حداقل دو آنتن ندارد و حتی با یک آنتن هم سازگار است. البته داشتن آنتن‌های بیشتر موجب افزایش تعداد جریان‌های اطلاعاتی شده و کارایی و سرعت ارتباط بی‌سیم افزایش می‌یابد.

در این فناوری پردازش مدیریت دستگاه‌ها و جریان‌های اطلاعات توسط روتر وایرلس یا اکسس پوینت صورت گرفته و موجب افزایش فشار روی پردازنده‌ی اکسس پوینت می‌شود. ولی از سوی دیگر بار پردازش اطلاعات از روی کلاینت‌ها برداشته شده و مصرف برق آن ها هم کاهش می‌یابد. این یک مزیت بزرگ برای دستگاه‌های پرتابل که باتری کار می‌کنند است. زیرا به دلیل برداشته شدن بار پردازش اطلاعات در هنگام استفاده از وایفای از روی دوش پردازنده دستگاه، مصرف برق از باتری کم شده و دستگاه دیرتر نیاز به شارژ پیدا می‌کند.

البته باید خاطر نشان کرد که امکانات و مزایای این فناوری وابستگی زیادی به استاندارد وای‌فای مورد استفاده در دستگاه دارد. به طور مثال در استاندارد 802.11ac فقط از باند فرکانسی 5 گیگاهرتز و حداکثر 4 جریان اطلاعاتی پشتیبانی می‌شود. در حالی که در استاندارد 802.11ax از هر دو باند فرکانسی 2.4 و 5 گیگاهرتز استفاده شده و تعداد جریان اطلاعاتی بیشتر نظیر 6 و 8 عددی قابل ارائه است.

از دیگر مزایای این فناوری می‌توان به قابلیت بیم فورمینگ (Beam Forming) اشاره کرد. البته این قابلیت در فناوری قبلی هم قابل استفاده بود اما شرکت‌های تولید کننده تجهیزات وایرلس، استاندارد واحدی برای آن نداشتند. این قابلیت محل استقرار کلاینت‌ها را شناسایی کرده به جای پخش امواج در همه‌ی جهات، به صورت هدفمند روی مکان کلاینت‌ها متمرکز می‌شود. البته بیم فورمینگ بیشتر مناسب کلاینت‌های ثابت است و دستگاه‌های متحرک ممکن است نتوانند از این قابلیت استفاده کنند.

یکی از روش‌های افزایش پهنای باند در وای‌فای، چنل باندینگ است. وقتی دو کانال کنار هم  با یکدیگر ادغام شوند، یک کانال با پهنای باند و سرعت دو برابر ایجاد می‌کنند. استاندارد 802.11n از کانال‌هایی با عرض 40Mhz  پشتیبانی می‌کرد. نسل اول استاندارد 802.11ac کانال‌های با عرض 80Mhz و نسل دوم آن که Wave2 نامیده می‌شود، از کانال‌های 160 مگاهرتزی استفاده می‌کند.

یکی از مزایای MU-MIMO این است که می‌تواند روی کانال‌هایی با عرض‌های مختلف کار کند و سرعت ارتباطات را افزایش دهد. حتی اگر در شبکه وایرلس از کانال‌هایی با پهنای باند کمتر مانند 20 مگاهرتز یا 40 مگاهرتز استفاده شود، MU-MIMO می‌تواند سرعت ارتباط را افزایش دهد. اما این مورد کاملا وابسته به تعداد دستگاه‌های سازگار با این فناوری است . با این‌حال MU-MIMO می‌تواند حتی بدون استفاده از افزایش پهنای کانال، سرعت دریافت اطلاعات را تا 2 برابر افزایش دهد. البته باید این نکته را باید به یاد داشت که فناوری MU-MIMO باعث افزایش محدوده Coverage یا پوشش‌دهی نمی‌شود.

یکی از دیگر قابلیت‌های جالب و مهم این فناوری امکان رمزنگاری اطلاعات قبل از ارسال توسط فرستنده و رمزگشایی آن پس از دریافت توسط گیرنده است. این قابلیت از بسیاری از اقدامات هکر‌ها جهت استراق سمع در شبکه‌های وایرلس جلوگیری خواهد کرد.

اما این تکنولوژی جدید هم مشکلات خاص خود را دارد.

مشکلات MU-MIMO

• هر دو دستگاه اکسس پوینت و کلاینت باید از این فناوری پشتیبانی کنند و این خود محدودیت محسوب می‌شود. سایر دستگاه‌ها هم می‌توانند به روتر وایرلس متصل شوند اما از برخی امکانات MU-MIMO بی‌بهره خواهند بود.
• روتر وایرلس یا اکسس پوینت دارای MU-MIMO نمی‌تواند به هر تعداد از دستگاه‌ها به صورت همزمان سرویس دهی کند. به طور مثال دستگاهی که از استاندارد  11ac پشتیبانی کرده و دارای قابلیت ارائه 4 جریان اطلاعات (دیتا استریم) همزمان است، می‌تواند هر 4 تا را به یک دستگاه اختصاص دهد یا به چهار دستگاه مختلف (هر کدام یک جریان دیتا) یا حالت‌های مختلف دیگر مثل اختصاص 2 دیتا استریم به دو دستگاه ولی در نهایت محدود به حداکثر تعداد جریان‌ها خواهد بود.
• برخلاف SU-MIMO، فناوری MU-MIMO از استاندارد 11n پشتیبانی نمی‌کند. در استاندارد 802.11ac هم فقط از باند فرکانسی 5 گیگاهرتز استفاده می‌کند. البته در استاندارد 802.11ax امکان استفاده از هر دو باند فرکانسی 2.4Ghz و 5Ghz وجود دارد.
• به دلیل پشتیبانی ذاتی از بیم فورمینگ، در صورت جابجا شدن کلاینت‌ها، ممکن است اکسس پوینت نتواند به موقع این تغییر مکان را شناسایی کند. در نتیجه پرفورمنس شبکه برای تجهیزات متحرک کمتر از دستگاه‌های ثابت خواهد بود.

آیا باید روتر و اکسس پوینت MU-MIMO  بخریم؟

شاید این سوال برایتان مطرح شده باشد که آیا همه‌ی ما به فناوری MU-MIMO نیاز داریم؟ آیا حتما باید روتر وای‌فای یا اکسس پوینت با قابلیت MU-MIMO بخریم؟

اگر بودجه محدودی دارید و می‌خواهید بهترین نتیجه را با کمترین قیمت به دست آورید، باید به نوع کاربری خود از شبکه وای‌فای تان و همچنین دستگاه‌هایی که در اختیار دارید، توجه کنید.

در صورتی که سرعت اینترنت شما بسیار زیاد است یا به استریم کردن فایل‌های ویدئویی با کیفیت بالا علاقه دارید یا دستگاه‌های شما در مکان ثابتی قرار دارند و متحرک نیستند، MU-MIMO  می‌تواند برایتان مفید باشد.

درغیر این صورت با توجه به این که در تست‌ها و آزمایشات عملی روی دستگاه‌های پرتابل که بدون از این قابلیت پشتیبانی نمی‌کنند، بهره وری شبکه افزایش چشم گیری نمی‌یابد و همچنین با توجه به قیمت بالای روتر‌های وایرلس یا اکسس پوینت‌هایی که از این فناوری پشتیبانی می‌کنند، شاید بهتر باشد که فعلا از خرید این دستگاه‌ها چشم پوشی کنید.