應(yīng)用Wi-Fi領(lǐng)域的MIMO技術(shù)分析

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是指在無線通信領(lǐng)域使用多天線發(fā)送和接收信號(hào)的技術(shù)。MIMO技術(shù)主要應(yīng)用在Wi-Fi（WiFi）領(lǐng)域和移動(dòng)通信領(lǐng)域，可以有效提高系統(tǒng)容量、覆蓋范圍和信噪比。通常講的M×N MIMO是指發(fā)送端有M個(gè)天線，接收端有N個(gè)天線。

從SISO到MIMOSISO（Single-Input Single-Output）

在介紹MIMO之前，需要先介紹一下什么是SISO。從字面上理解，SISO 就是單發(fā)單收，是一種單輸入單輸出系統(tǒng)，發(fā)射天線和接收天線之間的路徑是唯一的，傳輸?shù)氖?路信號(hào)。在無線系統(tǒng)中，我們把每路信號(hào)定義為1個(gè)空間流（Spatial Stream）。

由于發(fā)射天線和接收天線之間的路徑是唯一的，這樣的傳輸系統(tǒng)是不可靠的，而且傳輸速率也會(huì)受到限制。

SIMO（Single-Input Multiple-Output）

為了改變這一局面，在終端處增加1個(gè)天線，使得接收端可以同時(shí)接收到2路信號(hào)，也就是單發(fā)多收。這樣的傳輸系統(tǒng)就是單輸入多輸出，即SIMO。

雖然有2路信號(hào)，但是這2路信號(hào)是從同一個(gè)發(fā)射天線發(fā)出的，所以發(fā)送的數(shù)據(jù)是相同的，傳輸?shù)娜匀恢挥?路信號(hào)。這樣，當(dāng)某一路信號(hào)有部分丟失也沒關(guān)系，只要終端能從另一路信號(hào)中收到完整數(shù)據(jù)即可。雖然最大容量還是1條路徑，但是可靠性卻提高了1倍。這種方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）

我們換一個(gè)思路，如果把發(fā)射天線增加到2個(gè)，接收天線還是維持1個(gè)，會(huì)有什么樣的結(jié)果呢？

因?yàn)榻邮仗炀€只有1個(gè)，所以這兩路最終還是要合成1路，這就導(dǎo)致發(fā)射天線只能發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)倪€是只有1路信號(hào)。這樣做其實(shí)可以達(dá)到和SIMO相同的效果，這種傳輸系統(tǒng)叫作多輸入單輸出，即MISO。這種方式也叫發(fā)射分集。

MIMO

如果收發(fā)天線同時(shí)增加為2個(gè)，那么是不是就可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)送2路信號(hào)、速率翻倍了呢？答案是肯定的，因?yàn)閺那拔膶?duì)SIMO和MISO的分析來看，傳輸容量取決于收、發(fā)雙方的天線個(gè)數(shù)。而這種多收多發(fā)的傳輸系統(tǒng)就是MIMO。

MIMO 技術(shù)允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)信號(hào)，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號(hào)。通過空分復(fù)用和空間分集等技術(shù)，在不增加占用帶寬的情況下，提高系統(tǒng)容量、覆蓋范圍和信噪比。

MIMO有哪些類型？MIMO是利用多天線收發(fā)信號(hào)的技術(shù)，最開始用于對(duì)單用戶的數(shù)據(jù)傳輸。但隨著多用戶傳輸技術(shù)的發(fā)展，在MIMO的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了多種多用戶類型的MIMO技術(shù)，為了便于區(qū)分，將單用戶類型的MIMO稱為SU-MIMO（Single-user MIMO）。多用戶類型的MIMO技術(shù)則主要包含以下幾種。

MU-MIMO（Multi-user MIMO）：允許發(fā)射端同時(shí)和多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)。Wi-Fi 5標(biāo)準(zhǔn)開始支持4用戶的MU-MIMO，Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)將用戶數(shù)增加到了8個(gè)。

CO-MIMO（Cooperative MIMO）：將多個(gè)無線設(shè)備組成虛擬的多天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相鄰的發(fā)射設(shè)備同時(shí)和多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)。

Massive MIMO：大規(guī)模天線技術(shù)，極大提升了天線的數(shù)量，傳統(tǒng)MIMO一般使用2~8天線，而Massive MIMO則可達(dá)到64/128/256個(gè)天線。可大幅提高系統(tǒng)容量和傳輸效率，是5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。

從廣義上講，多用戶類型的MIMO技術(shù)都可以歸為MIMO技術(shù)，但我們提到MIMO時(shí)，通常是指傳統(tǒng)的MIMO概念，即SU-MIMO。

Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？在Wi-Fi領(lǐng)域從Wi-Fi 4（802.11n）標(biāo)準(zhǔn)開始引入了MIMO技術(shù)。MIMO主要使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：空間分集和空分復(fù)用。不管是分集技術(shù)還是復(fù)用技術(shù)，都是把一路數(shù)據(jù)變成多路數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以歸為空時(shí)編碼技術(shù)。

空間分集

空間分集技術(shù)的思路是制作同一個(gè)數(shù)據(jù)流的不同版本，分別在不同的天線進(jìn)行編碼、調(diào)制，然后發(fā)送。這個(gè)數(shù)據(jù)流可以是原來要發(fā)送的數(shù)據(jù)流，也可以是原始數(shù)據(jù)流經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)變換后形成的新數(shù)據(jù)流。接收機(jī)利用空間均衡器分離接收信號(hào)，然后解調(diào)、解碼，將同一數(shù)據(jù)流的不同接收信號(hào)合并，恢復(fù)出原始信號(hào)。空間分集技術(shù)可以更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

Wi-Fi 4標(biāo)準(zhǔn)引入的波束成形（Beamforming）技術(shù)也可以認(rèn)為是一種分集技術(shù)。波束成形需要先檢測(cè)信道狀態(tài)，對(duì)各天線發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，使信號(hào)在接收端方向疊加增強(qiáng)。波束成形能夠增加信號(hào)傳輸距離，提高接收端收到的信號(hào)質(zhì)量。

空間分集有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，適用于傳輸距離長，速率要求不高的場(chǎng)景。

空分復(fù)用

空分復(fù)用技術(shù)是指將需要傳送的數(shù)據(jù)分為多個(gè)數(shù)據(jù)流，分別通過不同的天線進(jìn)行編碼、調(diào)制，然后進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。天線之間相互獨(dú)立，一個(gè)天線相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的信道，接收機(jī)利用空間均衡器分離接收信號(hào)，然后解調(diào)、解碼，將幾個(gè)數(shù)據(jù)流合并，恢復(fù)出原始信號(hào)。

空分復(fù)用有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，適用于傳輸距離短，速率要求高的場(chǎng)景。

什么是M×N MIMO？在WLAN產(chǎn)品的規(guī)格中，通常會(huì)看到一個(gè)指標(biāo)項(xiàng)M×N MIMO，也有寫作MTNR的，這個(gè)指標(biāo)項(xiàng)有什么含義呢？其實(shí)是用來表示MIMO的天線數(shù)，M表示發(fā)送端的天線數(shù)，N表示接收端的天線數(shù)。例如4×3 MIMO表示4根天線發(fā)送，3根天線接收。

市面上多數(shù)的家用無線路由器都可以看到數(shù)根天線，1根天線往往能夠支持收和發(fā)，所以可以根據(jù)天線的數(shù)量簡單判斷，天線的數(shù)量就是M和N的值。例如一臺(tái)有著4根天線的無線路由器，可以認(rèn)為是4x4 MIMO，當(dāng)然具體還要以產(chǎn)品規(guī)格為準(zhǔn)。天線數(shù)越多，意味著性能越高，價(jià)格也就越貴。

在企業(yè)級(jí)的AP產(chǎn)品中，有著更多的天線數(shù)，能夠?yàn)槠髽I(yè)提供更加快速和可靠的無線網(wǎng)絡(luò)。例如華為的企業(yè)級(jí)Wi-Fi 6 AP產(chǎn)品，旗艦款AirEngine 8760-X1-PRO，2.4G頻段支持4x4 MIMO，5G頻段支持12x12 MIMO，整機(jī)的天線數(shù)有16個(gè)之多，讓速率達(dá)到10.75Gbps，為用戶帶來光纖般的無線體驗(yàn)。

在一個(gè)MIMO系統(tǒng)中，如果收發(fā)天線數(shù)量不相等，那么能夠傳輸?shù)目臻g流數(shù)小于或等于收/發(fā)端中更小的天線數(shù)。例如，4×4（4T4R）的MIMO系統(tǒng)可以傳輸4個(gè)或者更少的空間流，而3×2（3T2R）的MIMO系統(tǒng)可以傳輸2個(gè)或者1個(gè)空間流。

在實(shí)際應(yīng)用中，AP往往具有較多的天線數(shù)，從4天線到16天線不等，但是終端（比如手機(jī)）通常只有1-2根天線。即使天線技術(shù)在不斷進(jìn)步，但受限于終端產(chǎn)品的體積大小，即使再容納1-2根天線，也遠(yuǎn)小于AP的天線個(gè)數(shù)，這就意味著可以傳輸?shù)目臻g流數(shù)量受限于終端，導(dǎo)致無法充分享受到空間流數(shù)增加帶來的速率成倍增加，造成AP上天線資源的浪費(fèi)。幸運(yùn)的是多用戶類型的MIMO技術(shù)出現(xiàn)并解決了這一問題，例如MU-MIMO可以讓一個(gè)AP同時(shí)和多個(gè)終端傳輸信號(hào)，多個(gè)終端的天線總數(shù)和AP的天線數(shù)對(duì)等，讓AP的能力得到充分的發(fā)揮。