Wi-Fi MIMO, SU-MIMO, MU-MIMO – O que é isso?

Antes de abordar o tema, queremos lhe dizer que é uma grande satisfação em ter você aqui no portal Nuprompt. Começamos esta jornada agora e esperamos que dure por muito tempo, e que acima de tudo seja útil.

Este é o primeiro post e o tema escolhido foi WLAN ou Wireless LAN, especialmente sobre soluções Wi-Fi com suporte às tecnologias MIMO. Percebe-se no campo de atuação que existem algumas dúvidas sobre o que de fato é e como funciona, e esta dúvida existe inclusive entre o corpo técnico.

Neste post não vamos entrar no detalhe dos valores das taxas de transmissão dos padrões de cada tecnologia. O objetivo é entender alguns parâmetros que normalmente são informados no datasheet dos equipamentos de mercado, sua importância e os princípios de funcionamento. Sabemos que em telecomunicações, ou em tecnologia de maneira geral, duas coisas são certas: a primeira é que milagres não existem, e a segunda é que não há “almoço grátis”, ou seja, todo benefício técnico tem o seu preço e ele está inserido em algum ponto.

Pois bem, as redes Wi-Fi não são novidades para ninguém, é claro. Atualmente, segundo dados da pesquisa TIC Domicílios 2023 do CETIC, 90% da população brasileira possui acesso à Internet por presença de rede Wi-Fi, e em algum desses ambientes de acesso certamente estará lá aquele “aparelhinho” de Internet sem fio (wireless). O nome técnico correto dele é Access Point, que também recebe a sigla “AP”.

O AP é o principal elemento ativo de uma rede sem fio, pois é a partir dele que os sinais elétricos são convertidos em ondas eletromagnéticas que se propagam no espaço livre até os nossos dispositivos móveis como tablets, smartphones e outros. Dependendo do porte da rede, se for pequena por exemplo, toda a inteligência do serviço poderá estar no AP, e se for de grande porte normalmente a inteligência estará centralizada em uma Wireless LAN Controller ou Controladora Wi-Fi. Esta controladora pode ser um equipamento dedicado (uma máquina mesmo), ou um software que será instalado em algum servidor de rede. Bom, mas este é um outro assunto, vamos ao foco.

O AP é um equipamento eletrônico que possui internamente partes ou módulos específicos como conversor de sinais, processador de sinais, amplificador e transceptor. Essas partes interligadas e operando em conjunto também é chamada de cadeia de rádio. Nas redes Wi-Fi típicas teremos uma cadeia de rádio operando na faixa de frequência de 2.4GHz, e quando necessário, outra operando de forma independente na faixa de 5GHz. Essas são duas das faixas de frequências regulamentadas em nosso território para uso em redes Wi-Fi. Recentemente chegou ao Brasil equipamentos que operam também em 6GHz, esses são chamados comercialmente de Wi-Fi 6E.

As primeiras redes Wi-Fi que surgiram foram os padrões IEEE 802.11a,b,g, e usavam AP com apenas uma cadeia de rádio. Essa tecnologia é chamada de SISO, que é o acrônimo de Single Input Single Output ou Única entrada e Única Saída para o sinal de radiofrequência.

Posteriormente, a tecnologia evoluiu para o padrão IEEE 802.11n que trouxe o conceito do MIMO, acrônimo de Multiple Input Multiple Output ou Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas para radiofrequência. Nesta o objetivo foi melhorar a performance, capacidade e alcance das redes Wi-Fi, e para tanto algumas das técnicas utilizadas foram aumentar as cadeias de rádio, bem como a quantidade de antenas no AP.

Quando falamos que em telecomunicações não há milagres é porque em algum momento sempre nos deparamos com limitações da própria construção física ou química dos materiais utilizados em determinada solução tecnológica, ou limitação do próprio ambiente de propagação do sinal, que pode ser um cabo metálico, uma fibra óptica ou o ar. No caso das redes wireless, onde a propagação das ondas eletromagnéticas ocorrem no espaço livre, por mais que tenha ocorrido grande evolução eletrônica dos microprocessadores, o meio aéreo sempre será o mesmo com todos os seus desafios. O que pode eventualmente mudar é o uso das faixas de frequências para uso dos serviços ao longo dos anos.

Os radioenlaces ponto-a-ponto de longa distância já utilizavam, quando necessário, os recursos técnicos da diversidade de frequências para aumentar a capacidade do sistema, ou utilizava diversidade de antenas para melhorar a sensibilidade na recepção do sinal ou utilizava os dois recursos no mesmo sistema. Nos sistemas Wi-Fi com suporte a MIMO foram implementados basicamente os mesmos recursos, porém em proporções bem reduzida dos componentes eletrônicos, mas os objetivos técnicos foram os mesmos, uma vez que aumentando a quantidade de antenas no AP e no cliente MIMO a capacidade de captar mais sinais ou fluxo de dados é bem maior.

Uma analogia seria com um professor fazendo um ditado para os alunos de uma classe. Vamos entender que o professor é o AP e os alunos são as antenas. Cada aluno vai “anotando” aquilo que ele entende do ditado. Após concluir o ditado haverá a possibilidade do obter uma transcrição fiel do ditado completo do professor, comparando e unindo as anotações de todos os alunos, uma vez que um aluno pode ter ouvido melhor uma parte do ditado do que outro e vice-versa. Trazendo esta analogia para o mundo real, soma-se ainda a possibilidade de utilizar a propagação do sinal por múltiplos caminhos (multipath) de forma construtiva ao serem captados pelas antenas e processados por circuitos eletrônicos de alta capacidade.

A figura abaixo exibe a ilustração de uma planta baixa com vista superior, simulando as múltiplas reflexões do mesmo sinal transmitido pelo AP. Estes sinais vão chegar ao dispositivo cliente com características distintas. Na verdade são muitas reflexões que ocorrem em ambientes indoor ou outdoor. Além das reflexões parte do sinal atravessa materiais como concreto, madeira e vidro e tem parte da sua energia absorvida por eles.

A propagação em múltiplos percursos está bastante relacionada aos níveis de recepção dos equipamentos wireless. Do ponto de vista da transmissão o outro recurso implementado nos sistemas Wi-Fi MIMO foi o aumento de transceptores de sinais que chamamos também de cadeias de rádio, onde cada cadeia tem a sua antena. E qual a vantagem disso? para enviar mais fluxos de dados ao mesmo instante de tempo para o dispositivo cliente. Estes fluxos podem ser dados exclusivos para melhorar a capacidade de transmissão (throughputh), ou para enviar o mesmo dado ou fluxo repetido para melhorar a sensibilidade na recepção, isso na prática significa a possibilidade de aumentar a área de cobertura ou célula de um AP.

A documentação técnica dos equipamentos WLAN normalmente expressam ou resumem o que foi dito acima da seguinte forma, por exemplo, em alguma parte da folha de dados (datasheet) do produto estará escrito que o equipamento tem suporte a MIMO 4X4:2. O que seriam estes números?

Veja abaixo o significado de cada parte dessa informação do fabricante, e logo em seguida as ilustrações de exemplos de como ocorrem a transmissão e recepção dos fluxos de dados em MIMO.

A imagem abaixo ilustra a transmissão de dados exclusivos (binário colorido) e a recepção do sinal transmitido de cada antena. Imagine que na prática o receptor receberá múltiplos sinais que propagaram diretamente e outros que refletiram em materiais, objetos, pessoas, etc.

A imagem abaixo ilustra a transmissão de mesmo dado (1100) em várias cadeias de rádio e antenas.

Até este ponto, tudo que falamos sobre transmissão em MIMO refere-se ao fluxo de dados transmitido do AP para um único dispositivo cliente em cada instante do tempo diferente, ou seja, se temos 01 Access Point e 04 smartphones no ambiente, o AP vai fazer o downstream (envio de dados) usando todos os fluxos para cada smartphone um após o outro. O MIMO foi capaz de melhorar consideravelmente a capacidade e o desempenho das redes Wi-Fi, mas ainda apresentava essa limitação. Houve então a evolução do sistema Wi-Fi para o IEEE 802.11ax que trouxe o mesmo recurso MIMO, porém agora para atender a múltiplos usuários de forma simultânea. Esta tecnologia foi chamada de MU-MIMO.

Em MU-MIMO são utilizadas as mesmas técnicas de multiplexação com uso de mudança da polarização das antenas e quantidade para diversidade de espaço, porém para que fosse possível transmitir mais fluxos de dados com as mesmas antenas e no mesmo instante de tempo, foi necessário implementar técnicas para criar múltiplas polarizações. A partir daí foi possível o AP enviar dados ou fluxos exclusivos para clientes distintos ao mesmo tempo, conforme exemplo da ilustração abaixo.

Para que o número de fluxos simultâneos fosse ampliado ao máximo, além da técnica de diversas polarizações também foi adicionado técnicas avançadas para diferenças de fase. Em transmissões de RF quando há a combinação dessas técnicas ocorre um fenômeno no sinal transmitido que chamamos de Beam ou feixe, que na verdade é uma forma de representarmos visualmente a concentração do sinal que ocorre em determinada direção, como se fosse uma antena diretiva. Essa tecnologia foi chamada por alguns fabricantes de Beamforming, conforme ilustrado na figura abaixo.

A figura abaixo ilustra exemplo da transmissão de sinais com a mesma polarização, que combinados a variações de fase concentram sinais em direções distintas.

E o SU-MIMO onde entra nessa história? Na verdade o SU-MIMO e MIMO são a mesma coisa, porém para que ficasse mais claro a diferença entre os dois modos de transmissão entre eles foi convencionado incluir a sigla SU de Single User antes de MIMO.

Bom, por hoje ficamos por aqui, espero que tenham gostado e que seja útil em algum momento da sua jornada. Sempre que possível teremos novos posts.

E lembrem-se: Sempre dê o seu melhor.

Até breve!