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什么是MIMO?

MIMO(Multiple-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Wi-FiWiFi)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。

从SISO到MIMO

SISO(Single-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)。

SISO示意图
SISO示意图

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。

SIMO(Single-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。

SIMO示意图
SIMO示意图

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。这种方式叫作接收分集。

MISO(Multiple-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?

MISO示意图
MISO示意图

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,这种传输系统叫作多输入单输出,即MISO。这种方式也叫发射分集。

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示意图
MIMO示意图

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。

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-MIMO(Single-user MIMO)。多用户类型的MIMO技术则主要包含以下几种。

MU-MIMO(Multi-user MIMO):允许发射端同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO,Wi-Fi 6标准将用户数增加到了8个。

CO-MIMO(Cooperative 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:大规模天线技术,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。

Wi-Fi中的MIMO是如何工作的?

Wi-Fi领域从Wi-Fi 4(802.11n)标准开始引入了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,都是把一路数据变成多路数据的技术,可以归为空时编码技术。

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。这个数据流可以是原来要发送的数据流,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。接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将同一数据流的不同接收信号合并,恢复出原始信号。空间分集技术可以更可靠地传输数据。

Wi-Fi 4标准引入的波束成形Beamforming)技术也可以认为是一种分集技术。波束成形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。

空间分集技术
空间分集技术

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。

空分复用技术
空分复用技术

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。

什么是M×N MIMO?

WLAN产品的规格中,通常会看到一个指标项M×N 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4×3 MIMO表示4根天线发送,3根天线接收。

市面上多数的家用无线路由器都可以看到数根天线,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4x4 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-PRO,2.4G频段支持4x4 MIMO,5G频段支持12x12 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,4×4(4T4R)的MIMO系统可以传输4个或者更少的空间流,而3×2(3T2R)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数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。

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  • 作者: 王义博
  • 最近更新: 2021-10-09
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