# MIMO 多输入多输出技术

## MIMO 基本概念

MIMO（Multiple Input Multiple Output）使用多个发射天线和多个接收天线来同时传输多条数据流。这是 WiFi n/ac/ax/be 实现高速率的核心技术。

### SISO vs MIMO

| 特性 | SISO | MIMO |
|------|------|------|
| 发射天线 | 1 | N（2-8+） |
| 接收天线 | 1 | M（2-8+） |
| 空间流 | 1 | min(N, M) |
| 速率提升 | 基准 | Kx（K = 空间流数） |

## MIMO 的三种模式

### 1. 空间复用（Spatial Multiplexing）

在同一频率上同时发送多条独立数据流，每条流使用不同的天线组合：

```
TX Antenna 1 ──→ Stream A ──→ RX Antenna 1
TX Antenna 2 ──→ Stream B ──→ RX Antenna 2
```

- **效果**：速率线性增长（2条流 = 2倍速率）
- **要求**：良好的信道条件，接收端能分离空间流

### 2. 空间分集（Spatial Diversity）

同一条数据流从多个天线发送不同版本，提高可靠性：

```
TX Antenna 1 ──→ Stream (Alamouti编码) ──→ RX Antenna 1
TX Antenna 2 ──→ Stream (Alamouti编码) ──→ RX Antenna 2
```

- **效果**：不提升速率，但显著提高覆盖范围和可靠性
- **技术**：STBC（空时块码）、Alamouti 编码

### 3. 波束成形（Beamforming）

调整各天线的相位和幅度，将信号能量集中到特定方向：

```
TX Antenna 1 ──→ (相位φ₁) ─┐
TX Antenna 2 ──→ (相位φ₂) ─┼──→ 定向波束 ──→ RX
TX Antenna 3 ──→ (相位φ₃) ─┘
```

- **效果**：提升信噪比，扩展覆盖范围
- **详见**：{doc}`beamforming`

## MU-MIMO（多用户 MIMO）

### SU-MIMO vs MU-MIMO

| 特性 | SU-MIMO | MU-MIMO |
|------|---------|---------|
| 服务对象 | 单个客户端 | 多个客户端同时 |
| 引入标准 | 802.11n | 802.11ac Wave 2（下行）/ 802.11ax（上下行） |
| 调度方式 | 单用户 | AP 同时服务多个用户 |

### MU-MIMO 工作原理

```
AP (4天线)                    客户端们
    │                         │
    ├── Stream 1 ────────────→ STA A (2天线)
    ├── Stream 2 ────────────→ STA A (2天线)
    ├── Stream 3 ────────────→ STA B (2天线)
    └── Stream 4 ────────────→ STA C (1天线)
```

- **下行 MU-MIMO**：802.11ac Wave 2 引入，最多同时服务 4 个用户
- **上行 MU-MIMO**：802.11ax 引入，多个客户端同时向 AP 发送数据
- **WiFi 7 增强**：支持更多并发用户和更灵活的流分配

## 空间流与速率计算

### 速率计算公式

```
速率 = NSS × Nsb × (1 - Nr/Ns) × Sc × Rf × Tsy / Tf

其中：
NSS    = 空间流数（Number of Spatial Streams）
Nsb    = 每个子载波的数据子载波数
Nr     = 导频子载波数
Ns     = 总数据+导频子载波数
Sc     = 调制阶数（每符号比特数）
Rf     = 编码率
Tsy    = 符号周期
Tf     = 符号周期 + CP
```

### 实际速率示例（802.11ac, 80 MHz）

| NSS | MCS9 (256-QAM, 5/6) | 说明 |
|-----|---------------------|------|
| 1   | 433 Mbps            | 单流 |
| 2   | 867 Mbps            | 双流 |
| 3   | 1.3 Gbps            | 三流 |
| 4   | 1.73 Gbps           | 四流 |

## MIMO 信道矩阵

MIMO 系统的数学模型：

```
y = Hx + n

其中：
y = M×1 接收信号向量
H = M×N 信道矩阵（每个元素 hᵢⱼ 表示天线 j→i 的信道响应）
x = N×1 发送信号向量
n = M×1 噪声向量
```

- **秩（Rank）**：H 的独立空间流数，决定最大复用增益
- **条件数**：衡量信道矩阵的可逆性，影响流分离性能

## 天线配置常见组合

| 设备类型 | TX:RX | 空间流 | 典型速率 |
|----------|-------|--------|---------|
| 手机（WiFi 6） | 2x2 | 2 | 1.2 Gbps (80MHz) |
| 笔记本（WiFi 6） | 2x2 | 2 | 1.2 Gbps (80MHz) |
| 高端路由器 | 4x4 | 4 | 4.8 Gbps (160MHz) |
| 企业级 AP | 4x4/8x8 | 4-8 | 最高 9.6 Gbps |