深入了解MIMO

文章目录1. 从SISO到MIMO2. MIMO有哪些类型3. MU-MIMO和MIMO的区别是什么4. Wi-Fi中的MIMO是如何工作的5. 什么是M*N MIMO6.802.11ac**MIMOMultiple-Input Multiple-Output**是指在无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。MIMO技术主要应用在Wifi领域和移动通信领域可以有效提高系统容量、覆盖范围和信噪比。通常讲的M*N MIMO是指发送端有M个天线接收端有N个天线。1. 从SISO到MIMOSISOSingle-Input Single-Output在介绍MIMO之前需要先介绍一下什么是SISO。从字面上理解SISO就是单发单收是一种单输入单输出系统发射天线和接收天线之间的路径是唯一的传输的是1路信号。在无线系统中我们把每路信号定义为1个空间流Spatial Stream。由于发射天线和接收天线之间的路径是唯一的这样的传输系统是不可靠的而且传输速率也会受到限制。SIMOSingle-Input Multiple-Output为了改变这一局面在终端处增加1个天线使得接收端可以同时接收到2路信号也就是单发多收。这样的传输系统就是单输入多输出即SIMO。虽然有2路信号但是这2路信号是从同一个发射天线发出的所以发送的数据是相同的传输的仍然只有1路信号。这样当某一路信号有部分丢失也没关系只要终端能从另一路信号中收到完整数据即可。虽然最大容量还是1条路径但是可靠性却提高了1倍这种方式叫做接收分集。MISOMultiple-Input Single-Output我们换一个思路如果把发射天线增加到2个接收天线还是维持1个会有什么样的结果呢因为接收天线只有1个所以这两路最终还是要合成1路这就导致发射天线只能发送相同的数据传输的还是只有1路信号。这样做其实可以达到和SIMO相同的效果这种传输系统叫做多输入单输出即MISO。这种当时也叫发射分集。MIMO如果收发天线同时增加为2个那么是不是就可以实现独立发送2路信号、速率翻倍了呢答案是肯定的因为从前文对SIMO和MISO的分析来看传输容量取决于收、发双方的天线个数。而这种多收多发的传输系统就是MIMO。MIMO技术允许多个天线同时发送和接收多个信号并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。通过空分复用和空间分集等技术在不增加占用带宽的情况下提高系统容量、覆盖范围和信噪比。2. MIMO有哪些类型MIMO是利用多天线收发信号的技术最开始用于对单用户的数据传输。但随着多用户传输技术的发展在MIMO的基础上出现了多种多用户类型的MIMO技术为了便于区分将单用户类型的MIMO称为SU-MIMOSingle-user MIMO。多用户类型的MIMO技术则主要包含以下几种。MU-MIMOMluti-user MIMO允许发射端同时和多个用户传输数据WI-Fi5标准开始支持4用户的MU-MIMOWi-Fi6标准将用户数增加到了8个。CO-MIMOCooperative MIMO将多个无线设备组成虚拟的多天线系统实现相邻的发射设备同时和多个用户传输数据。Massive MIMO大规模无线技术极大提升了天线的数量传统MIMO一般使用2~8天线而Massive MIMO则可达到64/128/256个天线。可大幅度提高系统容量和传输效率是5G移动通信的关键技术。从广义上讲多用户类型的MIMO技术都可以归为MIMO技术但我们提到MIMO时通常是指传统的MIMO概念即SU-MIMO。3. MU-MIMO和MIMO的区别是什么MIMO带来的好处是增加单一设备的数据传输速度同时不占用额外的频谱资源。可以说无线传输的理论速率从802.11g时代的54Mbps到802.11n时代的300Mbps甚至是更高的600MbpsMIMO技术功不可没。在MIMO系统中同一时间AP仅能和1个终端通信所以也称为SU-MIIMOSingle-User Multiple-Input Multiple-Output即单用户MIMO。当终端的天线数和AP的天线数相同时可以充分使用AP的空间资源。但在实际应用中通常AP和终端的收发天线数是不对等的AP多是3根或者4根天线甚至更多但是终端比如手机通常只有1~2跟天线这会造成AP一部分空间资源的浪费。举例来说1台444天线4发4收的Wi-Fi 5 AP的理论传输速率可达1.732Gbps当它与111天线手机通信时最高理论传输速率仅为1/4即433Mbps同一时间其余3根天线闲置则1.3Gbps的容量都会被闲置。而MU-MIMO技术使AP同一时间和多个终端进行通信这样就能充分利用AP的总容量。不难看出MU-MIMO和SU-MIMO的关键差异就在于MU-MIMO在同一时间能和多个终端通信有效利用了空间资源成倍提升了吞吐量。4. Wi-Fi中的MIMO是如何工作的在Wi-Fi领域从Wi-Fi4802.11n标准开始阴图了MIMO技术。MIMO主要使用了两种关键技术空间分集和空分复用。不管是分集技术还是复用技术都是把一条路数据变成多路数据的技术也可归为空时编码技术。空间分集空间分集技术的思路是制作同一个数据流的不同版本分别在不同的天线进行编码、调制、然后发送。这个数据流可以是要来要发送的数据流也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。波束成型需要先检测信道状态对各天线发送的信号进行预编码使信号在接收端方向叠加增强。波束成形能够增加信号传输距离提高接收端收到的信号质量。空间分集有效提升了数据传输的可靠性适用于传输距离长速率要求不高的场景。空分复用空分复用技术是指将需要传送的数据分为多个数据流分别通过不同的天线进行编码、调制然后进行传输从而提高系统的传输速率。天线之间相互独立一个天线相当于一个独立的信道接收机利用空间均衡器分离接收信号然后解调、解码将几个数据流合并恢复出原始信号。空分复用有效提升了数据传输的速率适用于传输距离短速率要求高的场景。5. 什么是M*N MIMO在WLAN产品的规格中通常会看到一个指标项MN MIMO也有写作MTNR的这个指标项有什么含义呢其实是用来表示MIMO的天线数M表示发送端的天线数N表示接收端的天线数。例如43 MIMO表示4根天线发送3根天线接收。而MU-MIMO实现了多用户通信所以在MIMO基础上增加了MU多用户数量的指标项一般用MNU表示其中的MN仍是指MIMO的天线数U则表示MU数量即同时通信的终端数量。例如一个MU-MIMO的规格为8*8.8冒号后的8就表示同时通信的终端数量最大为8个。市面上多数的家用无线路由器都可以看到数跟天线1根天线往往能够支持收和发所以可以根据天线的数量简单判断天线的数量就是M和N的值。例如一台有着4根天线的无线路由器可以认为是4*4 MIMO当然具体还要以产品规格为准。天线数越多意味着性能越高价格也就越贵。在企业级的AP产品中有着更多的天线数能够为企业提供更加快速和可靠的无线网络。例如华为的企业级Wi-Fi 6 AP产品旗舰款AirEngine 8760-X1-PRO2.4G频段支持44 MIMO5G频段支持1212 MIMO整机的天线数有16个之多让速率达到10.75Gbps为用户带来光纤般的无线体验。在一个MIMO系统中如果收发天线数量不相等那么能够传输的空间流数小于或等于收/发端中更小的天线数。例如444T4R的MIMO系统可以传输4个或者更少的空间流而323T2R的MIMO系统可以传输2个或者1个空间流。在实际应用中AP往往具有较多的天线数从4天线到16天线不等但是终端比如手机通常只有1-2根天线。即使天线技术在不断进步但受限于终端产品的体积大小即使再容纳1-2根天线也远小于AP的天线个数这就意味着可以传输的空间流数量受限于终端导致无法充分享受到空间流增加带来的速率成倍增加造成AP上天线资源的浪费。幸运的是多用户类型的MIMO技术出现并解决了这一问题例如MU-MIMO可以让一个AP同时和多个终端传输信号多个终端的天线总数和AP的天线数对等让AP的能力得到充分的发挥。6.802.11acWave1与WiFi相比使用了256-QAM编码也就是每个符号可以传输8bit数。信道绑定由原来的40MHz现在提升到了80MHz数据子载波数提升到了234个。数据子载波数每个符号传输比特数载波编码率符号速率MIMO最大理论速率2348bit5/6277.778kbps8 3466.7Mbps3802.11Wave2速率计算Wave2可以最大支持160MHz的带宽数据子载波的数量有468个。数据子载波数每个符号传输比特数载波编码率符号速率MIMO最大理论速率4688bit5/6277.778kbps86933Mbps