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什么是MU-MIMO?

MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)即多用户MIMO,允许1个AP同时和多个终端通信,充分利用空间资源,提升无线吞吐量,是无线通信领域的一种重要的多用户技术。MU-MIMO主要用于蜂窝网络和Wi-FiWiFi)网络。

MU-MIMO和MIMO的区别是什么?

介绍MU-MIMO之前,不得不先介绍下MIMO技术。MIMO技术可简单理解为将空间资源进行分割,经过多根天线进行同步传送。

MIMO系统
MIMO系统

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600Mbps,MIMO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-MIMO(Single-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根天线,这会造成AP一部分空间资源的浪费。举例来说,1台4×4(4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1×1(1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。

MU-MIMO vs MIMO
MU-MIMO vs MIMO

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。

MU-MIMO有什么价值?

MU-MIMO主要用于用户分布密集、多用户大流量并发、终端位置相对固定的场景,例如办公场景、会议中心、电子教学等,能为无线网络带来较大的收益。

提升网络吞吐量和频谱利用率

MU-MIMO可有效提升无线网络的吞吐量。使用MU-MIMO的无线网络吞吐量通常比SU-MIMO增加2-3倍,AP的天线数越多,空间资源越多,提升的吞吐量也越多。

满足视频等应用的大流量需求

MU-MIMO允许多个终端并发传输数据,让无线网络中数据传输的效率更高,降低了终端在时序上的等待时间,因此可以更好地满足视频、音频和其它大流量、低时延应用的需求。

传统Wi-Fi终端也能收益

由于MU-MIMO带来的整体传输效率的提升,使得无线网络有更多的空闲时间或容量来服务传统的Wi-Fi终端(仅支持SU-MIMO),也就是说,传统Wi-Fi终端的应用体验也能随之提升。

MU-MIMO是如何工作的?

MU-MIMO要实现和多个终端同时通信,需要结合波束成型(beamforming)技术实现。首先AP测量出每根天线到每个终端的信道特征,然后AP根据信道特征,将要发送的数据进行预编码计算,将预编码后信号在每根天线上发出,结果就是所有天线的数据到达每个终端时,仅包含本终端的数据,消除其他终端的数据,就像是形成了指向每个终端的定向波束。

为了便于理解,通过一个2x2的MU-MIMO模型介绍下整体的工作过程,当然实际的计算和处理过程更为复杂。

MU-MIMO的工作原理
MU-MIMO的工作原理

假设发射端在每根天线发射的数据分别为X1和X2,经过空间传输的衰减和干扰,在接收端的数据变为了Y1和Y2,空间中的4条传输路径h就是数据变化的系数,用于表示无线信道特征。所以只要h已知,就可以计算出接收端收到的数据Y。

MIMO信号计算
MIMO信号计算

如果接收端是同一个终端,也就是SU-MIMO,则发送端只需要发送一个收发双方已知的标准数据,接收端就可以根据收到的Y和已知的X计算出h。为了让接收端直接收到要发送的原始数据,则只要将原始数据代入Y,根据已知的h反向计算就能知道应该发送的数据X是什么,这就是预编码的过程。

但对于MU-MIMO而言,接收端包含多个终端,终端只知道自己收到的Y,不知道其他终端收到的Y,也就无法在接收端计算出h,所以只能由发送端进行计算。发送端需要通过信道测量完成h的计算,过程是将数据X发送给各终端,各终端收到后回复Y给发送端,发送端已知X和Y,计算出h。发送端再根据h对发送给多个终端的数据进行预编码,实现一次发送多个终端的数据。

当然无线空间的信道特征是一直变化的,所以在每次发送数据前都需要计算h,只是计算和发送数据的间隔极短,可以忽略信道变化对收发数据的影响。

MU-MIMO根据传输方向可以分为DL MU-MIMO和UL MU-MIMO,DL是指下行链路(Down Link),UL是指上行链路(Up Link)。DL MU-MIMO是指AP同一时间给多个终端发送数据,UL MU-MIMO是指AP同一时间接收多个终端的数据。

哪些Wi-Fi设备支持MU-MIMO?

Wi-Fi标准演进中,802.11ac Wave2(Wi-Fi 5)引入了MU-MIMO技术,具体而言是指DL MU-MIMO,最大允许AP同时向4个终端发送数据。而到了802.11axWi-Fi 6),又引入了UL MU-MIMO技术,解决了上行多用户传输的瓶颈问题,同时还将允许AP同时通信的最大终端数扩大到了8个,进一步提升了用户密集场景的传输效率。所以只要Wi-Fi设备支持Wi-Fi 5,就支持DL MU-MIMO,而支持Wi-Fi 6的话,则支持双向的MU-MIMO。

需要注意的是,MU-MIMO要生效,需要通信双方的AP和终端都支持MU-MIMO。如果网络中存在不支持MU-MIMO的终端,则AP和该类终端通信时,仍使用SU-MIMO,和支持MU-MIMO的终端通信时,继续使用MU-MIMO。

产品相关介绍请参见:AirEngine Wi-Fi 6产品

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  • 作者: 王义博
  • 最近更新: 2021-10-09
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