【WiFi】一文了解WiFi中的 SISO/SIMO/MISO/MIMO/SU-MIMO/MU-MIMO/Beamforming

SISO（Single-Input Single-Output）

       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）

        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。这种方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）

        如果把发射天线增加到2个，接收天线还是维持1个，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（Multiple-Input Multiple-Output）

        MIMO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。

SNR（Signal-to-noise Ratio）

       信噪比SNR（Signal-to-noise Ratio），指的是系统中信号与噪声的比。信噪比和信干噪比都是度量通信系统通信质量可靠性的一个技术指标，区别在于信噪比是信号与噪声的比，而信干噪比增加了“干扰”的影响，是信号与干扰和噪声之和的比。

信噪比的表达式为：

，其中：

• SNR：信噪比，单位是dB。
• PS：信号的有效功率。
• PN：噪声的有效功率。

信噪比对无线网络的影响

        信噪比实际上不是一个比值，而是接收信号与本底噪声之间的分贝差。本底噪声简称底噪，信道的本底噪声取决于无线电中使用的RF组件的噪声系数、温度以及信道的宽度。如果接收到的信号与背景噪声差值过小，会导致数据损坏，需要重新进行传输。在无线网络中，重传会对吞吐量和延迟产生负面影响。

        信噪比是一种判断无线信号质量的一种方法，它还考虑了射频环境的本底噪声或环境噪声。例如，对于-65dBm的信号，在本底噪声为-90dBm的位置，信噪比为25dB，此时信号是很好的；但在本底噪声为-80dBm的位置，信噪比只有15dB，此时本底噪声更大，信噪比变低，信号就不那么好了。对于数据网络，通常建议使用SNR值至少可以达到20dB；对于使用语音应用的网络，建议SNR值为25dB或更高；无线局域网中，信噪比应高于30dB，用户的上网体验才能不受影响。

MIMO分类

SU-MIMO（Single-user MIMO）

        将单用户类型的MIMO称为SU-MIMO（Single-user MIMO）

多用户类型的MIMO

MU-MIMO（Multi-user MIMO）

       允许发射端同时和多个用户传输数据。WiFi5标准开始支持4用户的MU-MIMO，WiFi6标准将用户数增加到了8个,WiFI7标准将用户增加到16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。

WiFi中MIMO工作介绍

        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。

        WiFi4（802.11n）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。

 MU-MIMO Vs MIMO

        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-MIMO（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根天线，这会造成AP一部分空间资源的浪费。举例来说，1台4×4（4天线，4发4收）的WiFi5 AP的理论传输速率可达1.732Gbps，当它与1×1（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

         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。 

MU-MIMO工作原理

        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。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。

通过一个2x2的MU-MIMO模型介绍下整体的工作过程，当然实际的计算和处理过程更为复杂。

MU-MIMO的工作原理

      假设发射端在每根天线发射的数据分别为X1和X2，经过空间传输的衰减和干扰，在接收端的数据变为了Y1和Y2，空间中的4条传输路径h就是数据变化的系数，用于表示无线信道特征。所以只要h已知，就可以计算出接收端收到的数据Y。

MIMO信号计算

       如果接收端是同一个终端，也就是SU-MIMO，则发送端只需要发送一个收发双方已知的标准数据，接收端就可以根据收到的Y和已知的X计算出h。为了让接收端直接收到要发送的原始数据，则只要将原始数据代入Y，根据已知的h反向计算就能知道应该发送的数据X是什么，这就是预编码的过程。

       但对于MU-MIMO而言，接收端包含多个终端，终端只知道自己收到的Y，不知道其他终端收到的Y，也就无法在接收端计算出h，所以只能由发送端进行计算。发送端需要通过信道测量完成h的计算，过程是将数据X发送给各终端，各终端收到后回复Y给发送端，发送端已知X和Y，计算出h。发送端再根据h对发送给多个终端的数据进行预编码，实现一次发送多个终端的数据。

        当然无线空间的信道特征是一直变化的，所以在每次发送数据前都需要计算h，只是计算和发送数据的间隔极短，可以忽略信道变化对收发数据的影响。

MU-MIMO分类

      MU-MIMO根据传输方向可以分为DL MU-MIMO和UL MU-MIMO

DL MU-MIMO

       DL MU-MIMO是指AP同一时间给多个终端发送数据

UL MU-MIMO

       UL MU-MIMO是指AP同一时间接收多个终端的数据。

波束成形(Beamforming)

        波束成形技术是将信号以一种能量集中和定向方式发送给无线终端的技术，能全面改善无线终端接收的信号质量，并提升吞吐量。WiFI标准中，从Wi-Fi 4（802.11n）开始引入该技术。波束成形技术，可以增强STA接收到的信号强度，从而使AP和STA可以协商出更高的传输速率

波束成形(Beamforming)介绍

       波束成形从字面理解就是塑造波束的形状，在多天线系统中，如果不同天线传输的信号在到达某一位置时存在两条衰减相等的波束，且两条波束相位相反，就可能会出现空间空洞。波束成形技术可以通过预先补偿发射天线的相位，让两条波束进行叠加以实现信号增强的效果。

波束成形的原理

        波束成形怎么知道该如何调整发射天线的信号呢？这是通过检测信道状态信息CSI（Channel State Information）来获取并计算出调整参数的。按照CSI获取方式的不同，波束成形可以分为显式波束成形（Explicit beamforming）和隐式波束成形（Implicit beamforming）。

显式波束成形

        显式波束成形是一种需要STA反馈信道信息的波束成形方式。显式波束成形信道信息的探测和反馈流程如下：

显式波束成型

1. AP向STA发送探测数据（Training Symbol）。在802.11n标准中，AP发送探测数据包括空数据包（NDP）和交错前导码两种方式；802.11ac标准开始则直接使用NDP的方式。
   • NDP是一种没有数据的空帧，其没有负荷。AP向STA发送NDP探测通告和空数据包，STA收到探测通告和空数据包后进行信道信息反馈。
   • 交错前导码是利用发送的带有负荷的帧实现探测，这个帧会承载一个MAC帧和探测信道。
2. STA向AP反馈信道信息。

   在802.11n标准中，STA的信道信息反馈有三种方式：

   • CSI方式：STA将原始的信道信息直接发送给AP，由AP计算最终的波束成形权重值。
   • 非压缩波束成形权重值：STA收到探测后，由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP。这种方式会增加系统开销，因此有了压缩波束成形权重值。
   • 压缩波束成形权重值：同样是由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP，并且通过一些方法降低了系统开销。

   802.11ac标准开始，STA采用压缩波束成形权重值的方式反馈信道信息。

3. AP根据STA反馈或自己计算的权重信息进行波束成形，多径信号在STA处汇聚，形成增益。

 隐式波束成形

          隐式波束成形是由Beamformer计算发送方向信道信息的波束成形方式，其利用了时分双工（TDD，Time Division Duplexing）系统的互易性（即认为同频段的上下行的信道状态信息是相等的），将Beamformee反馈的上行接收方向信道信息直接应用于下行发送方向，进行波束成形。由于隐式波束成形具体实现的复杂性，从802.11ac协议开始已经明确不再支持隐式波束成形且业界也基本无厂商实现该方式波束成形。

参考链接

 什么是波束成形？波束成形是如何工作的？ - 华为 (huawei.com)

什么是MU-MIMO？MU-MIMO和MIMO的区别是什么？ - 华为 (huawei.com) 

 什么是MIMO？从SISO到MIMO - 华为 (huawei.com)