基于多天线技术的MU-MIMO介绍

1.什么是MIMO

MIMO：Multiple-Intput Multiple-Output,即多入多出系统，这里的入和出是相对于发射天线和接受天线构成的天线系统来讲。

通常的通信系统是单发单收，也就是SISO：Single-Input Single-Output

2.SISO系统信息传输速率受限于香浓定理

香农给出了在高斯白噪声干扰的，带宽受限的信道上实现无差错传输的信息速率的最大值，也就是信道容量。

单根发射天线和单根接受天线之间的信道容量受限于香浓公式，想要在相同的频谱带宽下进一步提升信道容量，要采用多天线技术。

3.MU-MIMO

MU-MIMO是基于多天线技术的，这个技术的物理层是多天线技术。多天线可以实现多种技术，不仅仅是MU-MIMO。

MU-MIMO的实现是结合波束成型的，波束成型有两种实现方式，一种是智能天线波束成型，一种是基于全向天线的波束成型。在CWNA一书中，已经给出了其定义。

MIMO包含2D-MIMO和3D-MIMO两种，目前5G NR已经有3D-MIMO的波束了，Wi-Fi 6里面还停留在2D-MIMO上。打个比方就是说利用定向天线，天线辐射可以参考手电筒打光，波束的概念就是从光束来的，手电筒打的光就是定向的光束，同理，定向天线辐射的信号就是定向的波束。如果发送和接收方同时用两个手电筒打信号，那么一次性就可以传递更多的信息，这种多天线的发送方式就是MIMO。

MIMO和全双工存在区别，MIMO模式下两根天线，只能够同时处于发送，或者接收状态。而全双工可以一根天线是发送状态，一根是接收状态。（PS：全双工也可以通过EBD之类的设备，一根天线实现全双工，这里不加以讨论）

MIMO的概念比较多，是针对多根天线而言的，主要是两个概念分集和复用。如果有多个通路的时候，比如有两个通路。我们可以简单理解如下，如果两个通路传同一个信息，那么就是分集。如果两个通路传两个不同的信息，那么就是复用。在802.11协议的相关培训书籍里面，这个概念实际上给的是比较粗的解释，MIMO 实际上是分集和复用结合的技术，波束成型是发送分集。

在我们常用的路由器中都是配备了全向天线。利用全向天线实现定向天线实际上是基于干涉抵消的机制来做的，通过预编码，让数据流通过两根天线具有一定的相位差发送出去，达到接收方接收功率叠加，或者干扰方接收功率抵消的效果。

预编码可以通过数字编码的形式添加相位差，目前Wi-Fi就是采用这一种。移动通信（比如LTE或者5G NR）里面方式多了一种是电相位差，是通过基带连接到RF这一段的线路上，通过线路的长度差异来做相位差。总之，有了相位差就可以做波束成型了。2维平面上的干涉抵消就是2D-MIMO，3维平面就是3D-MIMO了。

然后需要回顾下，基于MIMO技术，可以做到多发多收。基本的MIMO就是，一个发送者有两根天线，一个接受者有两根天线，发送者一次用两根天线发，接受者用两根天线收，然后两倍传输速率，这个就是802.11n时代做的MIMO技术。