初探802.11协议(5)——MIMO/MU-MIMO/OFDMA概念介绍

目录

一. MIMO

1.1 从SISO到MIMO

1.1.1 SISO

1.1.2 SIMO

1.1.3 MISO

1.1.4 MIMO

1.2 MIMO类型

1.3 Wi-Fi MIMO

1.3.1 空间分集

1.3.2 空分复用

二. 从MIMO到MU-MIMO

三. OFDM到OFDMA

四. MU-MIMO vs OFDMA

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一. MIMO

空间流 (Spatial Stream) ：传输的1路信号对应1个空间流。

1.1 从SISO到MIMO

1.1.1 SISO

SISO：Single-Input Single-Output，单输入单输出。发射天线和接收天线之间的路径是唯一的。

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缺点：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。

1.1.2 SIMO

SIMO：Single-Input Multiple-Output，单输入多输出。例如在终端处增加1个天线，使得接收端可以同时接收到2路信号。

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缺点：这种方式叫作接收分集。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。

优点：提高可靠性。正是因为发送的数据是相同的，所以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。

1.1.3 MISO

MISO：Multiple-Input Single-Output，多输入单输出。例如把发射天线增加到2个，接收天线还是维持1个。

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这种方式也叫发射分集。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。这样做会达到和SIMO相同的效果。

1.1.4 MIMO

MIMO：multi-input multi-output，多输入多输出。例如在发送端和接收端分别增加多个天线同时发送和接收多个信号。

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优点：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。

1.2 MIMO类型

1.3 Wi-Fi MIMO

初探802.11协议(0)——开篇(IEEE802.11历史与Wi-Fi速率计算)_调制阶数-CSDN博客中提到过MIMO是在11n中引入的，当时极大提升了Wi-Fi的Throughput。

MIMO主要使用了两种关键技术：空间分集和空分复用。

1.3.1 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。

11n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。

1.3.2 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。

二. 从MIMO到MU-MIMO

通常所说的单用户MIMO(SU-MIMO，Single-User Multiple-Input Multiple-Output）只是提升了AP在同一时刻与1个终端通信的吞吐量问题，而且同一时刻AP也只能与1个终端通信。

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。

MIMO通常用M×N来表示M个发送天线和N个接收天线；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M×N:U表示。其中的M×N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。

MU-MIMO要实现和多个终端同时通信，需要结合 波束成形（Beamforming）技术实现。MU-MIMO分为DL MU-MIMO和UL MU-MIMO，以DL MU-MIMO为例，大概流程是：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。

后面在Wi-Fi 6特性中会再具体介绍MU-MIMO的通信流程。

三. 从OFDM到OFDMA

OFDM技术属于多载波传输技术的一种，其核心思想是将宽频率载波划分成多个带宽较小的正交子载波，并使用这些正交子载波发送及接收信号。由于每个子载波的带宽小于信道带宽， OFDM可以有效抗多径衰弱能力。 在OFDM模式下，用户是通过不同时间片段区分出来的，即每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包。

OFDMA 是基于 OFDM 的物理层技术，在11ax 的时候被引入。OFDMA 将频谱资源分割成多个频谱资源块，分配给多个节点同时使用，其最小的频谱资源称为 RU (Resource Unit，资源单位)，每个RU当中至少包含26个子载波，最多256个。

用户是根据RU区分出来的。我们首先将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频资源块RU。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送。

OFDMA没有多天线的要求，在单天线条件下，也可以做到OFDMA。

四. MU-MIMO vs OFDMA

1. 共同点

OFDMA 和 MU-MIMO 都是针对多用户的技术，将串行传输变为并行传输。

2. 差异点

• MU-MIMO：实现物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输（如视频、下载等应用），提升多空间流的利用率与系统容量，提高单用户的速率，同样能降低时延。但运行状态不够稳定，很容易受终端影响。
• OFDMA：实现频域空间的多路并发，适用于小数据包的并行传输（如网页浏览、即时消息等应用），提升单空间流的信道利用率与传输效率，减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定，不容易受终端影响。

3. MU-MIMO和OFDMA是可以同时使用的，两种方案并不冲突。

OFDMA与MU-MIMO联合调度可以基于每个业务进行资源分配（如网页浏览、视频观看、下载、即时消息等各类业务场景）。

REF

1. 什么是MIMO？从SISO到MIMO - 华为

2. 什么是MU-MIMO？MU-MIMO和MIMO的区别是什么？ - 华为