深入了解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Wifi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。

1. 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）。

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。

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，这种方式叫做接收分集。

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？

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，这种传输系统叫做多输入单输出，即MISO。这种当时也叫发射分集。

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。

2. 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（Mluti-user MIMO）：允许发射端同时和多个用户传输数据，WI-Fi5标准开始支持4用户的MU-MIMO，Wi-Fi6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：大规模无线技术，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。可大幅度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。

3. MU-MIMO和MIMO的区别是什么？

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-MIIMO（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跟天线，这会造成AP一部分空间资源的浪费。举例来说，1台44（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11（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。

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。

4. Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

在Wi-Fi领域从Wi-Fi4（802.11n）标准开始阴图了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，都是把一条路数据变成多路数据的技术，也可归为空时编码技术。

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。这个数据流可以是要来要发送的数据流，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。波束成型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。

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。

5. 什么是M*N MIMO？

在WLAN产品的规格中，通常会看到一个指标项MN 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43 MIMO表示4根天线发送，3根天线接收。

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MN：U表示，其中的MN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。

市面上多数的家用无线路由器都可以看到数跟天线，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4*4 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44 MIMO，5G频段支持1212 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，44（4T4R）的MIMO系统可以传输4个或者更少的空间流，而32（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。

6.802.11ac

Wave1与WiFi相比，使用了256-QAM编码，也就是每个符号可以传输8bit数。信道绑定由原来的40MHz，现在提升到了80MHz，数据子载波数提升到了234个。
数据子载波数每个符号传输比特数载波编码率符号速率MIMO=最大理论速率
2348bit5/6277.778kbps8 = 3466.7Mbps

（3）802.11Wave2速率计算
Wave2可以最大支持160MHz的带宽，数据子载波的数量有468个。
数据子载波数每个符号传输比特数载波编码率符号速率MIMO=最大理论速率
4688bit5/6277.778kbps8=6933Mbps