简解MIMO技术

捷科公园2020-07-01 07:28:46

接下来我们会进一步深入了解MIMO技术的神奇,内容可能有些生涩,有兴趣的可以看一下。

Wi-Fi应用的环境是室内,我们常用的802.11系列协议也是针对这种条件来建立的。由于发射端到接收端之间存在各种各样的障碍物,收发时几乎不存在直射信号的可能。那怎么办?我们管这个办法叫做多径传输,也叫多径效应。多径,从字面上也很好理解,就是把增加传输途径。

那么问题来了,既然是多径,传输的路程就有长有短,有的可能是从桌子反射过来的,有的可能是穿墙的,这些携带相同信息但是拥有不同相位的信号辗转最终一起汇集到接收端上。现代通信用的是存储转发的分组交换,也叫包交换,传输的是码(Symbol)。由于障碍产生不同的传输时延,就造成了码间干扰ISI(InterSymbolInterference)。为了避免ISI,通信的带宽就必须小于可容忍时延的倒数。

  从802.11n开始,数据传输速率或者说承载的数据量有了很大的提升。首先,802.11n有了40MHz模式,然而按照之前的理论,它的发射范围应该因此降低一半才对,但事实上数据反而提升了一倍(70m),这又是怎么一回事?

无线通信领域引入了全新“MIMO”(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)技术。对无线路由器而言,天线就是实现MIMO技术的介质。简单来说,MIMO的核心理念就是在发送端(路由器)和接收端(手机、平板、笔记本等)同时安装多根天线,从而实现在同一时间发送/接收更多的信息,成倍提高传输信道的容量。在802.11n协议下,MIMO下每链路最大150Mbps,在802.11ac协议中每链路则为433Mbps,而这也就是上文我们用最高速率判断天线数量的依据。

得益于 MIMO 技术了,刚才我们讨论的种种手段都是为了对抗恶劣的多径环境,但是多径有没有好的一面呢?事实上,MIMO 也是基于多径的,我们称之为空间多样性。多天线的应用有很多种技术手段,这里简单介绍两种:波束成型(Beamforming)和时空分组码(主要介绍Alamouti’scode)。这两种技术的优点是不需要多个接收天线。尤其是 Alamouti 码,连信道信息都不用,只用数学运算就可以利用两根天线实现3dB的增益,。
  而不需要多个接收天线的优点在于并不是所有设备都能装上多天线。为了避免旁瓣辐射(天线方向图上,最大辐射波束叫做主瓣,主瓣旁边的小波束叫做旁瓣),满足空间上的采样定理,一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距。无论是 GSM 信号1.8GHz,1.9GHz还是Wi-Fi信号的2.4GHz,我们暂取2GHz便于计算,半波长为7.5cm。所以,我们看到的路由器上天线的距离大多如此,也正是因此,我们很难在手机上安装多个天线。


波束成型(Beamforming)


借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在想要传输的方向,增加信号传输品质,并减少与其他用户间的干扰。我们可以简单笼统地这样理解天线的指向性:假设全指向性天线功率为1,范围只有180度的指向性天线功率可以达到2。于是我们可以用4根90度的天线在理论上提高4倍的功率。波束成型的另外一种模式是通过信道估算接收端的方位,然后有指向性的针对该点发射,提高发射功率(类似于聚光的手电筒,范围越小,光越亮)。智能天线技术的前身就是波束成型。

空时分组码(Space-Time Block Code,即STBC)

在多天线上的不同时刻发送不同信息来提高数据可靠性。Alamouti码是空时分组码里最简单的一种。为了传输d1d2两个码,在两根天线1,2上分别发送d1,-d2*和d2,d1*。由于多径,我们假设两根天线的信道分别为h1h2,于是第一时刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2,之后接收的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的这个2维方阵只要乘以信道,就可得到d1d2的信息了。看不懂没关系,总之呢就是Alamouti找到一组正交的码率为2×2矩阵,用这种方式在两根天线上发射可以互不影响;可以用一根天线接收,经过数学运算以后得到发射信息的方法。


其他的MIMO呢,在概念上可能比较好理解,比如2个发射天线t1t2分别对两个接收天线r1r2发射,那么相当于两拨人同时干活,速度提升2倍等等。但是实际实现起来一方面在硬件上需要多个接收天线,另一方面需要信道估计等通信算法,那都是非常复杂,不仅消耗时间还要消耗硬件的计算能力。讲上面两种技术实际上是MISO(Multiple-Input Single-Output)的方法,也是想从另外一个方面证明,天线多了不代表他们能一起干活。100年前人们就知道天线越多越好越大越好了,但是天才的Alamouti码1998年才被提出来多天线技术的802.11n协议2009年才开始应用。

20年前,人们用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,即正交频分复用,多载波调制的一种技术)对抗由于城市间或室内障碍太多造成的多径衰落,而如今我们已经开始利用多径来提高通信质量。这是技术上突飞猛进的发展,而不是简单的“想当然”就可以实现的, MIMO本身就是一个时变的、不平稳的多入多出系统。关于MIMO的研究,是一个世界性课题,留下的疑问还有很多,同样的问题学术上甚至也会出现不同的说法。