WIFI无线网络之MIMO与OFDMA
WIFI无线网络之MIMO与OFDMA
MIMO
什么是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Wi-Fi（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。
从SISO到MIMO
SISO（Single-Input Single-Output）
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）。
SISO示意图
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。
SIMO示意图
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。这种方式叫作接收分集。
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？
MISO示意图
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，这种传输系统叫作多输入单输出，即MISO。这种方式也叫发射分集。
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示意图
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。
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（Multi-user MIMO）： 允许发射端同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO，Wi-Fi 6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： 大规模天线技术，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。
Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？
在Wi-Fi领域从Wi-Fi 4（802.11n）标准开始引入了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，都是把一路数据变成多路数据的技术，可以归为空时编码技术。
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。
Wi-Fi 4标准引入的波束成形（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。
空间分集技术
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。
空分复用技术
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。
什么是M×N MIMO？
在WLAN产品的规格中，通常会看到一个指标项M×N 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4×3 MIMO表示4根天线发送，3根天线接收。
市面上多数的家用无线路由器都可以看到数根天线，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4x4 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。
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，4×4（4T4R）的MIMO系统可以传输4个或者更少的空间流，而3×2（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数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。
OFDMA
OFDMA 是WIFI6引入的一种多用户传输技术，能实现多用户共享信道资源，从而提升了频谱利用率。
Wi-Fi 6之前，数据传输采用的是OFDM技术，用户是通过不同时间片段区分出来的。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。
Wi-Fi 6中引入了一种更高效的数据传输模式OFDMA（因为Wi-Fi 6支持上下行多用户模式，因此也可称为MU-OFDMA）。它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPP LTE。此外，802.11ax标准也仿效LTE，将最小的子信道称为——资源单位（Resource Unit，简称 RU），每个RU当中至少包含26个子载波，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（如下图）。
OFDMA相比OFDM的优势
OFDMA相比OFDM有如下优势：
更细的信道资源分配
在部分节点信道状态不太好的情况下，可以根据信道质量分配发送功率，来更精细化的分配信道时频资源。提供更好的QoS
因为Wi-Fi 5及之前的标准都是占据整个信道传输数据的，如果有一个QoS数据包需要发送，其一定要等之前的发送者释放完整个信道才行，所以会存在较长的时延。在OFDMA模式下，由于一个发送者只占据整个信道的部分资源，一次可以发送多个用户的数据，所以能够减少QoS节点数据包发送的时延。更多的用户并发及更高的用户带宽
OFDMA是通过将整个信道资源划分成多个子载波（也可称为子信道），子载波又按不同RU类型被分成若干组，每个用户可以占用一组或多组RU以满足不同带宽需求的业务。Wi-Fi 6中最小RU尺寸为2MHz，最小子载波带宽是78.125KHz，因此最小RU类型为26子载波RU。以此类推，还有52子载波RU，106子载波RU，242子载波RU，484子载波RU和996子载波RU，下表显示了不同信道带宽下的最大RU数。RU数量越多，发送小包报文时多用户处理效率越高，吞吐量也越高。
OFDMA 与 MU-MIMO
OFDMA和MU-MIMO的区别
虽然OFDMA和MU-MIMO两者都是针对多用户的技术，将串行传输变为并行传输，但其实两者还是有很大差别的。
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。
MU-MIMO和OFDMA能不能同时使用？
当然可以。因为MU-MIMO和OFDMA两种方案完全不冲突。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）。华为Wi-Fi 6 AP通过设计合理MU-MIMO和OFDMA调度算法，能有效降低多用户场景下由上下行随机接入造成的冲突，改善多用户高密度接入场景的使用体验。
参考
微信
支付宝
欢迎关注公众号：
