什么是MIMO？MIMO有哪些類型？Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是指在無線通信領(lǐng)域使用多天線發(fā)送和接收信號的技術(shù)。MIMO技術(shù)主要應(yīng)用在Wi-Fi（WiFi）領(lǐng)域和移動通信領(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個天線，接收端有N個天線。

從SISO到MIMO

SISO（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。在無線系統(tǒng)中，我們把每路信號定義為1個空間流（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個天線，使得接收端可以同時接收到2路信號，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，但是這2路信號是從同一個發(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。這樣，當(dāng)某一路信號有部分丟失也沒關(guān)系，只要終端能從另一路信號中收到完整數(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）

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

因為接收天線只有1個，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。這樣做其實可以達到和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)天線同時增加為2個，那么是不是就可以實現(xiàn)獨立發(fā)送2路信號、速率翻倍了呢？答案是肯定的，因為從前文對SIMO和MISO的分析來看，傳輸容量取決于收、發(fā)雙方的天線個數(shù)。而這種多收多發(fā)的傳輸系統(tǒng)就是MIMO。

MIMO 技術(shù)允許多個天線同時發(fā)送和接收多個信號，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。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)信號的技術(shù)，最開始用于對單用戶的數(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)射端同時和多個用戶傳輸數(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。

CO-MIMO（Cooperative MIMO）：將多個無線設(shè)備組成虛擬的多天線系統(tǒng)，實現(xiàn)相鄰的發(fā)射設(shè)備同時和多個用戶傳輸數(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則可達到64/128/256個天線?？纱蠓岣呦到y(tǒng)容量和傳輸效率，是5G移動通信的關(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，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數(shù)據(jù)流的不同版本，分別在不同的天線進行編碼、調(diào)制，然后發(fā)送。這個數(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。接收機利用空間均衡器分離接收信號，然后解調(diào)、解碼，將同一數(shù)據(jù)流的不同接收信號合并，恢復(fù)出原始信號。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)也可以認為是一種分集技術(shù)。波束成形需要先檢測信道狀態(tài)，對各天線發(fā)送的信號進行預(yù)編碼，使信號在接收端方向疊加增強。波束成形能夠增加信號傳輸距離，提高接收端收到的信號質(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)分為多個數(shù)據(jù)流，分別通過不同的天線進行編碼、調(diào)制，然后進行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。天線之間相互獨立，一個天線相當(dāng)于一個獨立的信道，接收機利用空間均衡器分離接收信號，然后解調(diào)、解碼，將幾個數(shù)據(jù)流合并，恢復(fù)出原始信號。

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，速率要求高的場景。

什么是M×N MIMO？

在WLAN產(chǎn)品的規(guī)格中，通常會看到一個指標(biāo)項M×N MIMO，也有寫作MTNR的，這個指標(biāo)項有什么含義呢？其實是用來表示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。例如一臺有著4根天線的無線路由器，可以認為是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，價格也就越貴。

在企業(yè)級的AP產(chǎn)品中，有著更多的天線數(shù)，能夠為企業(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，整機的天線數(shù)有16個之多，讓速率達到10.75Gbps，為用戶帶來光纖般的無線體驗。

在一個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個或者更少的空間流，而3×2（3T2R）的MIMO系統(tǒng)可以傳輸2個或者1個空間流。

在實際應(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）通常只有1-2根天線。即使天線技術(shù)在不斷進步，但受限于終端產(chǎn)品的體積大小，即使再容納1-2根天線，也遠小于AP的天線個數(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。幸運的是多用戶類型的MIMO技術(shù)出現(xiàn)并解決了這一問題，例如MU-MIMO可以讓一個AP同時和多個終端傳輸信號，多個終端的天線總數(shù)和AP的天線數(shù)對等，讓AP的能力得到充分的發(fā)揮。

審核編輯：劉清