Skip to content

MU-MIMO ทำงานอย่างไร?

R710 เป็น 802.11ac wave 2 AP ที่เปิดตัวมาระยะหนึ่งแล้ว และออพติมุสก็ได้จัดงานสัมมนาแนะนำสินค้าไปเมื่อไม่กี่เดือนที่ผ่านมา เนื้อหาสำคัญในงานก็คือ ช่วงที่มีการอธิบายหลักการทำงานของ MU-MIMO ซึ่ง MU-MIMO เป็นเทคโนโลยีที่ซับซ้อนและยากแก่การทำความเข้าใจ

แต่ในงานสัมมนานี้ ได้มีการสรุปมา MU-MIMO จาก White paper หลาย ๆ ชิ้น นำมาอธิบายและเรียบเรียงใหม่ ใช้ Slide ของ Ruckus เป็นภาพประกอบ ทำให้เข้าใจได้ง่าบขึ้นไปอีก

ใครที่เคยสงสัยเรื่อง MU-MIMO และไม่อยากเสียเวลาอ่านหลาย ๆ ชั่วโมง ลองอ่านบทย่อจากที่นี่

11ac wave1 ก็คือ wifi chip ที่ออกมาในตลาดรุ่นแรก รองรับส่วนหนึ่งของมาตรฐาน 802.11ac เช่น
ทำงานบน 5GHz เท่านั้น (11ac ไม่ทำงานบน 2.4GHz)
ทำ Channel bonding กว้างถึง 80MHz (11n สูงสุดที่ 40MHz)
มี Modulation 256-QAM (11n สูงสุดที่ 64-QAM)
มีการใช้เสาเพิ่มขึ้นเพื่อทำ Transmit beam forming (หรือบางทีเรียกตาม Protocol process ว่า Beam steering) ซึ่งใน 11n นั้น Beam forming เป็นเพียง Optional feature แต่ใน 11ac กำหนดให้ Beamforming เป็นส่วนหนึ่งของ 11ac

Wifi chip 11ac wave2 มีอะไรที่เพิ่มขึ้นมา
– รองรับถึง 160MHz (แต่ R710 ของ Ruckus ยังไม่รองรับ 160MHz)
– มี 4 spatial stream หมายความว่า ในแต่ละครั้งที่ AP ใช้ความถี่ ก็สามารถส่งปริมาณข้อมูลออกไปได้มากขึ้น
– รองรับ Multi-User MIMO หรือ MU-MIMO ก็คือการใช้แต่ละ Stream เพื่อส่งข้อมูลไปให้ client แต่ละเครื่องพร้อมกัน ในเวลาเดียวกัน

MIMO - Spatial Multiplexing

Spatial stream แปลตรงตัวคือ Stream ที่อยู่กันคนละ space ซึ่งแต่ละ space ก็คือ OFDM subcarrier ของ channel

Spatial stream ทำให้เพิ่ม Throughput โดยการใข้ MIMO เพื่อทำ Spatial stream ในการส่งข้อมูลออกไปหลาย ๆ element ให้เสาแต่ละ element ส่งข้อมูลแต่ละชุด ตามภาพเป็นการจำลองการทำงานของ Spatial stream

การแสดง Spatial stream specification ของอุปกรณ์ wifi จะเขียนเป็น Tx x Rx : SS หมายความว่า จำนวน element ของ antenna สำหรับส่ง และรับ และจำนวน stream ที่ทำได้

ในภาพคือการที่ AP จะใช้ 3 stream เพื่อส่งข้อมูลไปให้กับ Client ที่รองรับ 3 stream ในขณะที่อีก 1 stream ที่เหลือบน AP จะนำมาใช้ทำเป็น Beamforming ให้กับ antenna element ตัวใดตัวหนึ่งก็ได้

Mobile Clients - More Radio Waste

ในความเป็นจริงแล้ว AP คุณภาพสูงในสถานที่ Public มักจะต้องทำงานกับ Mobile device ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น 1 stream ก็เลยกลายเป็นว่า AP แบบ 4 stream กลับจะต้องมารับส่งแค่ 1 stream เท่านั้นเมื่อทำงานกับ Mobile device ทางเลือกในอดีตหากต้องการจะใช้ antenna element หรือ MIMO ให้คุ้มค่า Beamforming อาจจะเป็นตัวเลือกเข้ามาช่วยเพิ่ม SNR และทำให้ PHY data rate ที่ตัว client สูงขึ้น

แต่ PHY rate ที่สูงขึ้นภายใน stream เดียว (ไม่ดีไปกว่า 433Mbps) ก็ยังเทียบไม่ได้กับการ “ได้ใช้ทุก stream” พร้อมกัน (เทียบกับ 1.3Gbps ที่ 3 stream) คำตอบของการ “ได้ใช้ทุก stream” เมื่อ AP ต้องทำงานร่วมกับ single stream client ก็คือ MU-MIMO

MU-MIMO - Mobile Optimized

แนวคิดของ MU-MIMO คือการส่งข้อมูลของ Client แต่ละเครื่องออกไปพร้อมกัน โดยใช้ stream แต่ละ stream

MU-MIMO

แต่ในความเป็นจริงแล้ว Client แต่ละเครื่องก็ได้รับ data stream ทุก ๆ stream ดังนั้น Beam forming จึงเข้ามาทำงานร่วมกัน โดย Wifi chip บน AP จะทำงานร่วมกับ client เพื่อหาดูว่า จะเลือก signal phase angle อย่างไรเพื่อให้ Constructive interference หรือ in-phase signaling (ด้านที่คลื่นกระทบกันแล้ว dB สูงขึ้น) ชี้ตรงไปยังทิศทางของ Client นั้น ๆ

ในขณะเดียวกัน ก็พยายามทำให้ Beam forming นั้นมีรูปแบบที่ Destructive interference หรือ out-of-phase signaling (ด้านที่คลื่นกระทบกันแล้ว dB ลดลง) ชี้ไปยัง client อื่น ๆ ตามภาพ วิธีการนี้เราเรียกว่าเป็นการทำให้เกิด Null signaling นั่นเอง

สรุปก็คือการทำให้ dB ของ stream ที่จะส่งไปหา client เครื่องนั้น ๆ สูงที่สุดเมื่อเทียบกับ dB ของ stream ที่จะส่งไปให้กับ client อื่น


เมื่อ dB ของ stream ที่ส่งไปหา client นั้น ๆ สูงกว่า dB ของ stream อื่น ๆ (ซึ่งถือว่าเป็น Noise ของ Client เป้าหมาย) ก็หมายความว่า SNR (Signal per Noise Ratio) ของ Client นั้น ๆ สูงขึ้น ก็จะทำให้โอกาสที่ Client นั้นสามารถใช้ Data rate ที่สูงขึ้นก็เป็นไปได้

Opportunity for Differentiation

ปัญหาคือ การจะทำให้ Beam forming มีรูปร่างที่ Narrow (ไม่เป็น Forming pattern ที่อ้วน ๆ แต่มี dB ที่มีรูปร่างเป็นปลายแหลม) จะต้องใช้เสาหลาย element มาประกอบกัน ซึ่งการมีเสาหลายต้น มักจะหมายถึง
– AP มีขนาดใหญ่ขึ้น
– CPU มี Processing มากขึ้นอย่างมหาศาล เพราะเสาแต่ละ element ก็หมายถึงการคำนวณ phase บนเสานั้นอย่างทวีคูณบน Matrix number calculation
cost ของ AP ก็จะแพงขึ้น

เมื่อ TxBF ไม่สามารถสร้าง Signal level สำหรับแต่ละ stream ให้แตกต่างจาก signal ของ stream อื่น ๆ (Noise) ย่อมหมายความว่า client ของ stream นั้น ๆ ก็มี SNR ที่ต่ำ คือ Signal อาจจะสูงกว่า noise เพียงแค่ 3dB เท่านั้น SNR ที่ต่ำลง ก็คือ data modulation rate ที่ต่ำด้วยเช่นกัน โดยสรุปคือ TxBF ไม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับ MU-MIMO ได้ดีเท่าไหร่นัก

ในขณะที่ BeamFlex ซึ่งเป็นเสาทิศทางอยู่แล้ว เมื่อมาทำงานร่วมกับ Beam forming ก็ยิ่งทำให้เกิดความแตกต่างของ dB มากขึ้นในแต่ละ stream และเกิด Null signaling ได้ดียิ่งขึ้นไปอีก ผลคือ client ใน stream นั้น ๆ จะได้รับ signal สูงขึ้นเมื่อเทียบกับ Noise เมื่อ SNR สูงขึ้น data rate ของ cleint ก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย

นอกจากนี้ TxBF ที่ได้ผล ยังต้องการ Explicit feedback จาก client เพื่อประเมิน Beam steering ที่ดีที่สุด หาก client ไม่มี Explicit response ผลคือ TxBF ก็จะด้อยประสิทธิภาพลงไปอีก

ในขณะที่ BeamFlex มีกลไกที่จะหา Best path โดยไม่อาศัย Explicit feedback จาก client แต่ BeamFlex module ใน AP จะประเมินหา Best pattern ด้วยตัวเองจาก Legacy feed back ที่มีอยู่แล้วใน 802.11 control frame ไม่ต้องพึ่งพากลไกพิเศษฝั่ง client เลย TxBF ของ Ruckus ที่ทำงานร่วมกับ BeamFlex จึงทำงานได้มีประสิทธิภาพแม้กับ client ทั่ว ๆ ไป

จากภาพ จะเห็นว่า MU-MIMO จะทำงานได้ดีขึ้น เมื่อ Client มีตำแหน่งที่อยู่รอบตัว Client ไม่กระจุกตัวเป็นกลุ่ม AP ที่ตั้งอยู่ตรงกลางระหว่าง Client จะทำ MU-MIMO ได้ดี