MIMO和beamforming有何區(qū)別和聯(lián)系

有位專家曾說，Wi-Fi 4（11n）是一個(gè)具有顛覆性的，讓無線局域網(wǎng)進(jìn)入全面發(fā)展時(shí)代的制式。從技術(shù)層面來說，它在802.11的發(fā)展中有以下幾個(gè)第一：第一次允許使用2.4G和5G兩個(gè)頻段。第一次使用了大于20MHz的信道帶寬40MHz。第一次定義了多天線技術(shù)。以上特點(diǎn)使得11n成為了第一次將最高傳輸速率提升到百兆量級的制式。

今天我們來學(xué)習(xí)一下11n中的多天線的使用：MIMO和beamforming波束成形。

01—MIMO和Beamforming

那么MIMO和beamforming有何區(qū)別和聯(lián)系呢？我們先來看一下標(biāo)準(zhǔn)中對它們的定義：

multiple input, multiple output (MIMO)多輸入多輸出（MIMO）：物理層（PHY）配置，其中發(fā)射器和接收器均使用多天線。

beamforming波束成形（或波束賦形）: 發(fā)射機(jī)使用的一種空間濾波機(jī)制，用于提高目標(biāo)接收機(jī)的接收信號(hào)功率或信噪比（SNR）。同義詞：beam steering波束轉(zhuǎn)向。

從定義看，MIMO強(qiáng)調(diào)的是發(fā)端和收端多天線的使用，利用多根天線的發(fā)和收，利用信道多徑，形成空間多流（Spatial Streams），在不增加帶寬，不增加功率的情況下就增加了頻譜的利用率/吞吐量。而beamforming，也是依托于多跟天線，通過檢測信道以及確定如何以最優(yōu)的天線輻射模式傳輸可用的能量到對端，它強(qiáng)調(diào)的是使用多天線進(jìn)行相位的疊加，使得某些方向的增益變大，某些方向的增益變小，將整個(gè)天線陣方向圖的主波束對準(zhǔn)期望用戶。所以說在MIMO信道中可以使用beamforming。兩者可以說是互相利用的關(guān)系。

在802.11n標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，市場上幾乎所有的AP都使用只有靜態(tài)輻射方向圖的天線，內(nèi)置天線的AP幾乎都使用全向天線，而支持外接天線的AP則通過不同的外接天線得到多種不同的輻射方向圖。MIMO雖然可以通過多天線傳輸，帶來傳輸速率的成倍增長，但在實(shí)際應(yīng)用中終端往往只有1到2個(gè)天線，這使得終端發(fā)送和接收信號(hào)的收益有所差異。例如，終端向AP發(fā)送信號(hào)時(shí)，AP可以利用自己的多天線系統(tǒng)增強(qiáng)接收增益，獲得更好的信號(hào)強(qiáng)度；AP向終端發(fā)送信號(hào)時(shí)，如果僅使用對應(yīng)數(shù)量的天線發(fā)送信號(hào)，則無法利用多天線帶來的增益。為了解決這一問題，通過引入beamforming技術(shù)，可以增強(qiáng)終端接收到的信號(hào)強(qiáng)度，從而使AP和終端可以協(xié)商出更高的傳輸速率。

有了上面的分析，以下兩張圖哪個(gè)代表MIMO，哪個(gè)代表波束成形就一目了然了。

02—Beamforming MIMO信道模型

在802.11 的19.3.12章節(jié)對11n的beamforming和MIMO信道進(jìn)行了描述：波束成形是一種在beamformer利用 MIMO 信道生成賦形矩陣，以改善beamformee接收效果的技術(shù)。

接著再來看幾個(gè)名詞的定義：

beamformee波束接收端（或波束接收器）:接收使用波束成形矩陣傳輸?shù)奈锢韺樱≒HY）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的站點(diǎn)（STA）。

beamformer波束成形器（或波束賦形器）：使用波束成形矩陣傳輸物理層（PHY）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的STA。

beamforming steering matrix波束成形矩陣：利用發(fā)射機(jī)與目標(biāo)接收機(jī)之間的信道信息確定的矩陣，將時(shí)空流space-time streams映射到發(fā)射天線，目的是提高目標(biāo)接收機(jī)的信號(hào)功率或SNR。

single-user multiple input, multiple output (SU-MIMO)單用戶多輸入多輸出：一種使用多根天線的STA通過相同的頻率向單個(gè)STA發(fā)送或從單個(gè)STA接收獨(dú)立的時(shí)空流的技術(shù)。

以 3×2的MIMO 信道模型為例：當(dāng)一個(gè)矢量Xk在子載波 k 中傳輸時(shí)，接收到的矢量yk模型如下：

其中，Hk是維數(shù)為NRX × NTX的信道矩陣，n是高斯白噪聲。

提供MIMO信道評估的training符號(hào)是加載在前導(dǎo)碼的HT-LTF字段里的，如上一篇所學(xué)，HT-LTF是11n的long training field，長訓(xùn)練序列，HT-LTF 為接收機(jī)提供了估計(jì)調(diào)制編碼器的輸出與接收鏈路之間 MIMO 信道的方法。MIMO 控制字段（MIMO Control field）用于管理 MIMO信道狀態(tài)或傳輸波束成形反饋信息的交換。它用于CSI（channel state information，信道狀態(tài)信息）、非壓縮波束成形和壓縮波束成形幀。在第9章有具體的描述，這三種實(shí)際上是顯式波束成形的三種方法。

然而，實(shí)際用于波束成形的時(shí)空流（space-time streams）的數(shù)量可能是小于Tx的數(shù)量的，即：NSTS≤NTX，所以將Xk替代為QkXk。Qk為NTX行NSTS列的矩陣。則：

根據(jù)新的信道測量結(jié)果計(jì)算或更新出的波束成形矩陣，將在下一次波束成形數(shù)據(jù)傳輸中取代原有的矩陣Qk。波束成形有多種方法，區(qū)別在于beamformer獲取信道矩陣Hk的方式，以及Qk是beamformer生成還是由beamformee提供反饋信息供beamformer生成。關(guān)于波束成形的方法我們下一次繼續(xù)學(xué)習(xí)。