Công nghệ hiện nay đang chuyển dịch từ Laptop sang Smartphone, kéo theo đó các kết nối không dây ngày càng phát triển. Wi-Fi chuẩn 802.11ac thế hệ thứ 5, Bluetooth 4.0,…

Kết nối Wi-Fi (Wireless Fidelity) chuẩn 802.11ac phát triển đến giai đoạn 2 với những tính năng nổi trội, đặc biệt là tính năng Mutil User, Mutil-in Mutil-out (MU-MIMO), cho khả năng tăng tốc độ truyền dữ liệu trên kênh truyền vật lý không đổi, cũng như tăng số người dùng, chất lượng tín hiệu,…

Mutil-in Mutil-out hoạt động như thế nào?

Chuẩn 802.11n đã giới thiệu kĩ thuật MIMO để tăng tốc độ Wi-Fi giữa access point và thiết bị người dùng. Để MIMO có thể hoạt động, 2 wireless stations đang giao tiếp phải có nhiều anten được định danh và phân tách về mặt vật lý bằng một khoảng cách đáng kể so với bước sóng của sóng mà nó đang phát, để 2 sóng phát ra từ 2 anten này khác pha so với nhau và sự khác biệt này có thể nhận thấy dễ dàng.

Một Sptial Stream (SS) là tập dữ liệu gửi bởi anten phát, nó có thể nhận và tái tạo lại bởi anten thu. Có thể xem một SS là một kênh truyền ảo trong đó dữ liệu truyền một cách hoàn hảo như kênh truyền thực. Trong MIMO thì các SS truyền trong cùng một kênh vật lý.

Về bên thu tín hiệu, nó sẽ nhận nhiều SS từ các anten phát, dựa vào sự định danh các anten phát, khi biết được sự khác biệt về pha giữa tín hiệu của các anten phát, bên thu có thể dựa vào xử lý tín hiệu để tái tạo lại tín hiệu ban đầu mong muốn (Kỹ thuật tách sóng)

Trên thiết bị phát như Access point các có thể tăng vô hạn (hiện nay đã hỗ trợ tới 4 cặp anten thu phát, tương ứng 4SS), điểm giới hạn là ở các thiết bị thu, các anten thu chiếm diện tích và tốn điện để hoạt động, nên các smart phone chỉ có từ 1 đến 2 SS, các PC, Laptop có tối đa 3 SS.

Để khắc phục, MU-MIMO ra đời giúp cho AP có thể có nhiều SS đến nhiều người dùng. Để hiểu MU-MIMO hoạt động ta cần hiểu thêm một kĩ thuật khác là transmit beamforming, dựa trên phased antenna array – một mảng các anten đặt cách nhau trong không gian để khác nhau về pha.

Kỹ thuật Beam Forming

Luồng dữ liệu được truyền bởi tất cả các anten tại các thời điểm khác nhau (nghĩa là với các lệch pha khác nhau) được tính toán để có các tín hiệu gây nhiễu khác nhau tại một điểm cụ thể trong không gian (tức là vị trí của máy thu), do đó tăng cường cường độ tín hiệu tại vị trí đó. Tín hiệu có thể được tăng cường gấp 2 lần (tức là 3 dB).

Điều kiện tiên quyết để sử dụng beamforming là bên phát phải biết vị trí tương quan giữa của bên thu. Access point làm điều đó bằng cách gửi các sounding frames, đơn giản là các tín hiệu độc lập từ các anten của AP, sau đó phía thu phản hồi một ma trận cho biết nó nhận tín hiệu từ mỗi anten như thế nào. Dựa trên ma trận dữ liệu này, AP có thể tính toán vị trí tương đối của thiết bị khách, sau đó bù pha cho các anten để tối ưu hóa tín hiệu tại thiết bị khách.

MU-MIMO

MU-MIMO phát triển kỹ thuật beam forming để có thể dùng nhiều anten để kiểm soát các vùng tín hiệu mạnh cũng như yếu, khi có đủ số anten cần thiết cũng như vị trí tương đối của các thiết bị thu, AP có thể đồng thờitạo ra các luồng tín hiệu riêng biệt (Spatial Stream) cho từng user khác nhau.

Sơ lược về các bước thiết lập MU-MIMO

1. Access point gửi một sounding frame

2. Các thiết bị nhận có hỗ trợ MU-MIMO gửi các ma trận dữ liệu lại cho AP

3. AP tính toán vị trí tương đối của các thiết bị khách.

4. AP chọn một nhóm các thiết bị phù hợp để có thể phục vụ đồng thời

5. Tính toán các khoảng lệch pha (phase offsets) phù hợp cho từng luồng dữ liệu tới thiết bị khách tương ứng và truyền dữ liệu cho các thiết bị khách.

6. AP gửi BlockAckRequest cho các thiết bị khách một cách riêng biệt để xác nhận liệu thiết bị khách nhận được dữ liệu hay chưa

7. AP nhận các gói BlockAck xác nhận rằng thiết bị khách đã nhận dữ liệu thành công.

Số thiết bị mà AP hỗ trợ sẽ thấp hơn số luồng mà AP có, đó là giới hạn về mặt toán học khi AP phải điều khiển nơi tín hiệu mạnh mà ở đó có thiết bị khách mong muốn luồng dữ liệu ấy, vừa phải điều khiển nơi tín hiệu yếu mà ở đó có thiết bị khách mong muốn nhận 1 luồng dữ liệu khác. Như vậy AP với công nghệ MU-MIMO có thể hỗ trợ các kiểu liên kết sau:

• Một 3×3:3 SS thiết bị khách và một 1×1:1 SS thiết bị khách
• Hai 2×2:2 SS thiết bị khách
• Một 2×2:2 SS thiết bị khách và hai 1×1:1 SS thiết bị khách
• Tối đa ba 1×1:1 SS thiết bị khách

Nếu thiết bị khách hỗ trợ 4SS, AP hoàn toàn có thể hỗ trợ 4 luồng đến 1 thiết bị khách duy nhất. Tuy nhiên các nhà sản xuất chưa nhắm đến việc hỗ trợ 4 cặp anten trên 1 thiết bị duy nhất.

Mặc dù trên lý thuyết MU-MIMO khá tuyệt vời, tuy nhiên trên thực tế nó có một vài yếu điểm.

MU-MIMO không tương thích ngược

Thiết bị khách phải hỗ trợ MU-MIMO để có khả năng trả lời các sounding frame. MU-MIMO yêu cầu cả AP và thiết bị khách phải hỗ trợ công nghệ này.

Gửi các Sounding frame giảm hiệu suất sử dụng đường truyền

Các thiết bị không dây luôn di chuyển và điều đó khiến cho AP phải liên tục phát các Sounding frames để cập nhật vị trí của thiết bị khách theo thời gian thực, và nó đòi hỏi tài nguyên như khả năng xử lý và bộ nhớ của AP, và cũng chiếm một phần băng thông kênh truyền.

MU-MIMO tăng nhiễu nền của kênh truyền

Mặc dù beam forming tăng cường độ tín hiệu đến thiết bị khách nhưng ngược lại giảm năng lượng truyền cho mỗi thiết bị khách, và trong thực tế sự phân bố các thiết bị khách phức tạp hơn, cũng như ảnh hưởng của môi trường mà tín hiệu từ các luồng khác sẽ có thể đến luồng mong muốn của thiết bị khách, điều này khiến nhiễu nền tăng lên, gây khó khăn hơn trong môi trường có nhiều AP cùng hoạt động.

Thiết bị khách phải cách xa nhau

MU-MIMO đòi hỏi các thiết bị phải cách nhau trong không gian, nếu không các beam chính chồng chéo nhau sẽ khiến cho cả hai luồng dữ liệu đều không có khả năng truyền hoàn hảo khi chúng gây nhiễu cho nhau.

AP phải có data để gửi cho các thiết bị khách

Thời gian truyền dữ liệu cho từng thiết bị khách phải giống nhau