无线技术MU-MIMO你了解吗!

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MU-MIMO技术的出现真正的影响到WIFI的改变。在与802.11ac的第2版提出了更大的密度推出的全新的WiFi技术。

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Wi-Fi Certified ac 的规格早在 2013 年制定,到了六月底,Wi-Fi Alliance 终于公布 Wi-Fi Certified ac 的更新规格,正式加入 802.11ac Wave 2 新技术,MU-MIMO 正式规范化,同时又加入 160MHz 传输通道、4×4 天线组合等支持。

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MU-MIMO 全写为 Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,是相对于 802.11ac Wave 1 及 802.11n 的 SU-MIMO(Single-User MIMO)而言。SU-MIMO 意即单一装置同时运用多组天线进行传输,但 AP于同一时间(Addressed frame)内,只能向一台装置进行传输,在多台装置同时运作的环境,SU-MIMO 往往会出现多台装置大排长龙等候传输之情况。

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由于不少装置只支持 1×1 或 2×2 传输,AP 却往往对应 3×3 以至 4×4 传输。在 SU-MIMO 环境下,上述情况就会出现 MIMO Gap 问题,未能用尽 AP 的传输速度。MU-MIMO 最多可以向 4 台装置进行传输,更有效善用 AP 资源,迎合多装置上网的应用环境。

802.11n的介绍的技术中多进多输出(MIMO)来增强接入点和客户机设备之间的WiFi吞吐量。用于MIMO的工作,在通信中的两个无线电台(即无论是AP和客户端设备)必须在每个具有多个无线电台/天线链是相同的,并且通过一个固定的距离彼此物理分离,以便有意出在该工作波长阶段。一个空间流是一个数据集,通过发送无线电链,这可以通过接收器的无线电链在数学上重构发送。在MIMO中,每个空间流是从不同的无线/天线链在相同的频率信道的发送器发送。下图说明了这两个流情况。

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接收器接收关于它的每一个相同的无线电/天线链的每个流。由于接收方知道其自己的天线的相位偏移,它可以使用信号处理技术来在数学上重构原始流。以提高吞吐量,每个空间流包含唯一的数据,因此,独立的空间流的数目是由WIFI无线设备具有无线电链的数量最少数量所限制。通常情况下,这种限制是客户端设备:由于每个无线电/天线链消耗功率和空间,大部分移动智能手机和平板电脑只能够单数据流或双数据流通信,甚至是高端笔记本电脑和PC通常最多只能支持三个流。

在的802.11ac版本1里面不仅可以通过MIMO增强,还可以利用其它的改进,包括使用更宽的信道宽度和更复杂的256-QAM调制和编码方案。然而这些其他机制都具有局限性。但是, 5GHz频带的总大小为是“有限的”,其结果是更宽的信道导致更少的独立的信道,并有可能较大的干扰。

虽然会通过美国联邦通信委员会开辟更多未授权的频谱支持WiFi 5GHz。但是,80 MHz信道很可能是很难实现目标的。此外,新的256-QAM调制和编码方案(MCS)率要求为37 dB的最小SNR(信噪比),这意味着所谓的好的WIFI信号必须存在于没有干扰的无线环境和近距离接近WIFI设备。

因此,提高吞吐量的另一种方法,是实际接入点同时向多个客户端设备发送数据,而这也正是多用户MIMO(MU-MIMO)的真谛!

首先,为了了解MU-MIMO是如何工作的,我们需要首先了解的另一项技术引进,这个是在802.11n标准没有广泛实施但是非常重要的:传输波束成形(TXBF)。与MIMO,这对每个天线发送不同的空间流,传输波束成形发送相同的流在多天线与刻意定时偏移增加范围。波束成形从而需要使用相控天线阵列。其中,有在固定的间隔距离的多个相同天线(从而可异相位)的。

每个数据流的相位由在不同的时间所有天线发送(即具有不同的相位偏移)被计算,以便有这些不同的信号建设性地干扰在空间中的特定点(即接收器的位置),从而增强了在该位置的信号强度。该信号可以通过2倍(即3分贝)为每一个相控天线来增强。当使用全向天线,创建了有效天线图案变得有效定向。

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主要的是的WiFi使用的发射波束形成是,发射器(即,接入点)需要知道接收器(即,客户端设备)的相对位置。所述接入点执行此通过从它的每一个天线的发送outsounding帧,基本上是独立的信号,然后在客户机设备与基质指示以及它如何听到来自每个天线的信号进行响应。在此基础上的矩阵数据,该AP可以计算客户端设备的每个在所述客户端设备以最大化建设性干涉需要其天线的相对位置,并且所述相位偏移。

MU-MIMO通过这个添加更多的无线电链/天线,它可以控制相控天线图案,以控制最大相长干涉的两区域 - 其中信号是最强的 - 与最大相消干涉--where的信号是最弱的。具有足够数量的天线和知识所有相关的客户端设备的相对位置,它实际上可以创建分阶段图案既独立和同时与多个客户端。

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对于MU-MIMO的整个过程如下:

  1. AP首先发出一个探测帧(sounding frame)。
  2. 每个MU-MIMO兼容客户端装置的矩阵数据发送回所述AP。
  3. 该AP计算每个相关联的MU-MIMO兼容客户端装置的相对位置
  4. 在AP选择一组客户端设备用于同时通信
  5. 该AP计算用于每个数据流的必要的相位偏移到每一个客户端的组中,并发送所有数据流到客户端组中
  6. AP发送一个BlockAckRequest到每个客户端设备的组中分别得到确认为到客户端设备是否接收到的数据
  7. 该AP从每个客户端设备接收一个BlockAck的,成功地接收到的数据组中的

实际的并发客户端的最大数目大于可用的总数量的AP流少一个。这是一个数学限制,因为在AP需要控制最大相长干涉的两个区域,以引导最强信号到所需的客户机装置,和最大相消干涉的区域,在该组中的其他客户端设备的信号最小化。

数学上,变量的数目超过未知量的数目,因此,一个流不能被独立控制。这最后流可以用于多流MIMO客户端与另一个流对齐。因此,对于当前一代4×4:4的MU-MIMO能力的802.11ac版本2的接入点,下列的组合是有效的:

  1. 一3x3:3流的客户端设备和一个1x1:1流的客户端设备
  2. 两2x2:2流的客户端设备
  3. 一2x2:2流的客户端设备和两个1x1:1流的客户端设备
  4. 高达三1x1:1流的客户端设备

MU-MIMO不向后兼容。一个传输组中的客户机设备都必须支持以用于AP知道每个客户端设备的位置的802.11 TXBF反馈机制。虽然TXBF在802.11n标准出台,多数802.11n和802.11ac的波1的客户端设备不支持的反馈机制。只有非常新的802.11ac客户端设备具有硬件和驱动程序,实际上启用此TXBF反馈。而客户端设备的支持TXBF将随时间增加,因为用户升级他们的设备的比例,MU-MIMO的好处才能实现当两个接入点和客户端设备支持它。

MU-MIMO增加了开销相当数量。该AP必须发送探测帧,并从所有兼容的客户端设备,这增加了额外的开销信道,从而减少同时发送到多个客户端设备的好处接收响应。它也需要保持反复这样对帐户的事实,移动客户端设备可以随时间相对移动的接入点。在原来的802.11n规范,被认为TXBF探测帧,并在每秒发送(即,每25毫秒一次)的40倍,虽然没有真正需要在实践中,以便迅速地更新。此外,为了确定每个客户端设备的相对位置,并挑选适当的传输组所需的计算是不平凡的,需要显著处理和存储器资源。

MU-MIMO提高了噪声基底。而发射波束形成添加3分贝至每个相控天线的信号强度,发射功率被有效地减少3 dB为每个平行客户,由于功率在所有的并行数据流的共享。此外,虽然一个客户预期的信号最小化组中的其他客户,没有在RF传输是完美的,所以必然是在每个实际上是用于其他客户端的干扰信号的一定量。添加到这样一个事实,即有可能是从上执行MU-MIMO的相同或重叠的信道相邻AP信号,并在环境中的整体底噪声可能增加。这将有助于最终降低达到的传输的数据速率更宽容的噪音和错误,进一步降解MU-MIMO的多AP环境的潜在利益。

一个传输组中的客户机装置必须彼此在空间上分开。从本质上讲,MU-MIMO为每个客户端设备的directionalized天线图案相加。因此一个传输组中的每个客户端设备必须在物理上远离彼此,以确保用于第一客户端的信号都最大化在第一客户端的位置,并在所有其它的客户端的位置最小化。甚至在AP使用四个天线时,方向性的水平是相当粗糙的,以便两个客户端是彼此接近将无法有它们的信号适当地分离。

该AP必须具有数据要发送到每个客户端设备在一组。一个看似明显的陈述,而是一个大的影响。一般地,这意味着,客户端设备的基团没有预先建立的,但需要在“实时”,这增加了开销,动态地确定。

每个MU-MIMO数据流传输时间必须是“相同,”这更多的是不是技术务实的要求。每个客户每个空间流可以在其自身的特定数据速率进行传输,并且每个流可具有不同的数据量。的空中时间的最佳利用最大化所述接入点的吞吐量性能意味着,对于每个并行客户的空间流的传输时间应该是相同的或几乎如此。这将需要对类似量在类似的数据率发送数据的需要。 MU-MIMO的好处是,在AP可以同时向多个客户端讲,但是这自然意味着在AP希望既开始,并在同一时间,效率最高完成传输到多个客户端。如果数据传输到一个客户机的时间比以该组中的其他客户端实质上长,大部分的MU-MIMO的广播时间利用效率益处丢失。

因此,在MU-MIMO可能是最有用的是在非常高的容量的环境如教室,会议中心,和体育场/竞技场。在这些环境中,网络上的设备是相当均匀的,因此它们的功能是相似的。此外,潜在传送组组合的数量高,并且被发送到每个客户端设备的类型和数据的量也均匀(即,多个用户正在使用以类似的方式自己的设备)。将有低得多的MU-MIMO的实用增益,中度用户密度的环境,如中小企业,住宅,公寓和酒店客房。

如同所有的无线网络设计,它通过从设备制造商和服务供应商市场宣传来看,并专注于网络的要求是很重要的。这意味着知道有多少和什么样的设备都将使用该网络。使MU-MIMO接入点只在那里很可能有最大影响的投资。