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WLAN中的MIMO 技术详解!很详细!

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发表于 2016-8-30 13:17:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

为什么MIMO(multiple-input and multiple-output)在现代无线通信里占据如此重要的地位呢。这还得从古老的香农定理来分析一下,根据我们大学里学的香农定理,某数字频带所能达到的最大传输率是有频宽(W)和信噪比(SNR)决定的。 所以宽频带比如像UWB,11ad等通信都有很高的传输数率, 再反过来举个例子,如果传输数率可以降的极低,则要求的信噪比也越低,这类通信用在宇宙航天上较多。

MIMO技术是运用相同的频率,通过复数个收发段来提高数率。这如果改一下香农基本公式的话, 就变成了C[bit/s]=N*W*log2(1+SNR), MIMO的引入,相当于空间维度上使数据传输率提高了N倍。比较理想的情况下,只要接收端的各链路有一定的隔离性,N组接收发可使数率提高N倍,效果和通过频带扩充N倍是一样的。 在频率资源这么紧张宝贵的现代通信中,MIMO技术就逐渐投入应用了。当然MIMO的革新也是有一定限制的。不管是我们引入多少路链路,一般我们对功耗的追求是不会妥协的。也就是如果输出功率的和于单路输出功率假设一样的话,MIMO的时候,其实就变成了更短距离的通信。(假设SNR不变。)

WLAN的MIMO技术,其实感觉比LTE是晚一个节拍的。它从802.11n开始引入了单用户MIMO。 后来发展到11ac的多用户MIMO。下面分别就这2个方面简单做一下介绍。

一、802.11 MIMO

802.11 MIMO家族里,具体来说,又有很多不同的多径传输技术。 Cyclic Shift Diversity (CSD, CDD),  Transmit Beamforming (TxBF), Space Time Coding (STBC), Spartial Division Multiplexing (SDM), Maxmal Ration Combining (MRC)等。还有一种是天线的分集,这个在11b,11ag里就开始运用了,因为和芯片设计无多大关系,此文不作介绍。

从802.11ag开始支持CDD其,802.11n除了CDD,还支持SDM,STBC和TxBF(可选),再到802.11ac的后期阶段,各大Wifi芯片厂商开始支持多用户的MIMO芯片。 11b因为只有一条传输链路当然也无法支持MIMO了。

下面我们简单介绍一下各项技术:

1、 先来谈一下CDD。

CDD就是发送端通过在各发送天线加上一定的coded的延迟再发送,人工的产生多径传输效应。所以CDD信号是各自关联的,也就是分析功率的时候,要考虑这个链路Array增益的。


8.jpg


2、TxBF和CDD一样,也是传输段的技术。

他应用权重(weight)到传输的信号上,提高接收质量,这个权重值是从Channel state Info(CSI)上提取的,所以也称为一个“steering”的过程。802.11n标准里面没有定义具体steer matrix的方法,导致了各大芯片商各显神通创出了很多方法。仔细研究11n标准的同学们可能发现,里面定义了两种标准,implicit TxBF和explicit TxBF。 而在802.11ac标准里,TxBF标准得到全面更新,明确定义了一种反馈矩阵(v)保留了explicit TxBF。那么两者有什么区别呢,一句话简单的说就是看信道是由接收端还是发送端来评估的。接收端评估的就是Explicit TxBF反之就是Implicit TxBF。 TxBF也是信号关联的,所以它的链路array增益不能忘记。


9.jpg


10.jpg


3、而STBC,是指完全不相关的信号同时被发送。

这在有些情况下是可能的,比如天线的数目超过了数据链路的数目。它要求每个链路接收的时候保证偶数个天线。比如下图是2个发送天线对应1个接收。


11.jpg

4、MRC和前面几种技术不同, 它是应用在接收端的技术。

通过组合多路径的信号来提高信噪比。它可以与发送端的一些分集技术组合使用。


12.jpg


二、接下来我们谈一下802.11ac 第二阶段的MU-MIMO技术。

这里说的MU-MIMO是指Access point的downlink 链路支持多用户。到目前为止,802.11只支持下链路的多用户MIMO。 也就是说每个用户的最大通信速度没有增加,但是同一个Access point同时可传输的用户数增加了。极大的提高的各用户的通信体验。

1、和前面所谈的单用户MIMO相比,MU最大的优点点就是不再需要时间上分割共享了,每一个用户都可以真正的体验到full time的传输效果。在前期的测试验证中,一些芯片厂商已经验证MU-MIMO的每个用户的吞吐速率比SU-MIMO要快2~3倍。

2、第二个优点是传输数据的容量和Access point的天线数目成正比,不再要求STA用多个天线匹配。 还有就是MU有更小的延时。MU-MIMO里充分利用了Beamforming技术。它利用了前面介绍的Explicit TxBF技术。AP利用发给某个用户的帧来计算各个用户的信号强度,然后改变矩阵的传递函数,是对象用户的接受功率最大,其他用户的功率降之Null程度。

3、MU-MIMO也是有一些限制的:

1) 最多同时连接四个用户 (station) 也就是意味着MU frame里最多包含4个不同的用户信息包;

2) 每个用户最多有四个链路;

3) MU-MIMO总共最多八个链路.

据笔者所知,2016年开始今后的1-2年,部分高端智能机,将逐步支持多用户MIMO。前面已谈到这里的多用户都是指downlink, 所以智能机上的MU-MIMO会提高其作为AP的时候的通信速度。


原文转自微信号:融创芯城,作者Will Hu,侵删


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发表于 2016-8-30 15:12:34 | 显示全部楼层
谢谢分享
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发表于 2017-8-28 23:48:50 | 显示全部楼层
感谢~
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