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：波束成形（Beamforming）技术

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