不經(jīng)意間，Wi-Fi誕生至今已經(jīng)接近16年的時(shí)間，會(huì)不會(huì)有些吃驚？但事實(shí)就是如此。如果將Wi-Fi比作一位女子，按照中國文化的表述，她已經(jīng)到了最美的“碧玉之年”。Wi-Fi誕生之初時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率僅為11Mbps，而現(xiàn)在這一速率已經(jīng)達(dá)到1Gbps以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初的速率，而這一數(shù)字也即將被我們再次刷新。

與所有少女一樣，煩惱總是伴隨著成長，Wi-Fi的煩惱是什么？——全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量在2013年增長高達(dá)83%，并且預(yù)計(jì)從2013年到2018年將增長近11倍。另外，相對于蜂窩數(shù)據(jù)，用戶更偏向使用Wi-Fi消費(fèi)流媒體音樂和視頻等內(nèi)容，這也使得移動(dòng)運(yùn)營商盡可能將廣域網(wǎng)（WAN）的流量分流到Wi-Fi上。同時(shí)在企業(yè)中，BYOD的趨勢使得企業(yè)網(wǎng)絡(luò)日漸面對繁重的Wi-Fi流量挑戰(zhàn)。

日前，Qualcomm創(chuàng)銳訊正式發(fā)布MU-MIMO白皮書《802.11ac MU-MIMO: 橋接Wi-Fi中的間隙》，全面詳細(xì)講解了MU-MIMO技術(shù)在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際需求、技術(shù)特性和優(yōu)勢、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

MU-MIMO的工作原理

目前市面上大多數(shù)Wi-Fi路由器和AP是采用單用戶多輸入多輸出（SU-MIMO），這種技術(shù)采用低效時(shí)間槽協(xié)議，為多個(gè)客戶端提供單一時(shí)刻專用全速率Wi-Fi無線連接。通常，AP有3-4個(gè)天線，而大部分客戶端只有1-2個(gè)天線。因此，采用SU-MIMO時(shí)，客戶端不能支持全系列MIMO信道運(yùn)行，而且很少用到AP的全部容量，因此造成了AP的極限性能浪費(fèi)。多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）技術(shù)則可以賦予AP更多選擇以服務(wù)終端，使其有效利用總的可用容量，從而有效地橋接MIMO間隙。

與上一代無線網(wǎng)絡(luò)802.11n相比，802.11ac在發(fā)射波束成形和MU-MIMO功能上得到大幅改進(jìn)，使其在性能和靈活性方面為無線局域網(wǎng)（WLAN）用戶帶來了巨大突破。如圖1所示，當(dāng)采用SU-MIMO時(shí)，設(shè)備一次只向一個(gè)終端發(fā)射發(fā)送多個(gè)空間流；而 MU-MIMO允許將多個(gè)空間流同時(shí)分配給不同客戶端，增加了WLAN系統(tǒng)的總吞吐量和總?cè)萘俊?/span>

圖1  SU-MIMO與MU-MIMO的對比

MU-MIMO利用發(fā)射波束成形，建立最多四個(gè)定向射頻（RF）鏈路。當(dāng)MU-MIMO工作時(shí)，AP使用增強(qiáng)的波束成形技術(shù)，以最大能量向目標(biāo)終端進(jìn)行傳輸；同時(shí)通過調(diào)零來調(diào)小非目標(biāo)終端方向的傳輸。這便是空間復(fù)用（Spatial Reuse）技術(shù)，它能夠?yàn)樗膫€(gè)用戶中的每一位用戶提供專屬的全帶寬信道。

圖2  SU-MIMO和MU-MIMO運(yùn)行方式

在圖2所示的例子中，有四個(gè)天線的802.11ac MU-MIMO AP能夠同時(shí)向一臺筆記本電腦、一部手機(jī)和兩部平板電腦各發(fā)送一個(gè)空間流。由于MU-MIMO網(wǎng)絡(luò)不要求其客戶端設(shè)備與該網(wǎng)絡(luò)上的其他客戶終端進(jìn)行分時(shí)連接，減少每個(gè)終端的等待時(shí)間，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)和客戶終端的反應(yīng)速度。

MU-MIMO為最終用戶帶來了其他諸多益處。首先體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘康挠行岣?，通?？梢栽黾?/span>2-3倍，從而實(shí)現(xiàn)對可用頻譜的高效利用。這對于鬧市區(qū)、公寓樓、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、熱點(diǎn)或其他擁擠環(huán)境中來說，優(yōu)勢顯著。再者，MU-MIMO帶來的容量提升能夠允許系統(tǒng)支持更高流量，并橋接MIMO的間隙，使得Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)能滿足高清視頻流、音頻和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用所帶來的數(shù)據(jù)需求增加。另外，隨著MU客戶端效率提升2-3倍，網(wǎng)絡(luò)上將有更多空閑時(shí)間或容量來服務(wù)其他客戶端，這意味著傳統(tǒng)的客戶端也將從MU-MIMO中受益。

MU-MIMO解決方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)白皮書內(nèi)容，MU-MIMO的設(shè)計(jì)選擇和權(quán)衡集中在空間流數(shù)量和并發(fā)用戶數(shù)量兩個(gè)層面。從空間流數(shù)量角度看，802.11ac將SAT接收MIMO流的最大數(shù)目增加至8個(gè)，與802.11n標(biāo)準(zhǔn)相比，有效地將網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高一倍。在并發(fā)用戶數(shù)量方面，Qualcomm創(chuàng)銳訊經(jīng)過七年研究發(fā)現(xiàn)，支持三個(gè)并發(fā)用戶的4x4系統(tǒng)MU-MIMO性能和穩(wěn)定性最佳。

因此，為MU-MIMO應(yīng)用設(shè)計(jì)出一套實(shí)用芯片解決方案需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮饬亢瓦x擇。例如，當(dāng)準(zhǔn)備探測時(shí)，需要考慮如何從諸多候選終端中選擇，以及如何選擇MU的數(shù)據(jù)傳輸速率。而Qualcomm創(chuàng)銳訊已開發(fā)出了一套獨(dú)特的適用于調(diào)度、探測、分組與速率控制的算法。

圖3  MU-MIMO動(dòng)態(tài)、優(yōu)化吞吐量、覆蓋范圍和距離

具體來講，在調(diào)度時(shí)，Qualcomm創(chuàng)銳訊采取的算法能夠根據(jù)客戶端的流量分布、服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，以及客戶端的時(shí)間公平性來調(diào)度傳輸，以最大限度提高網(wǎng)絡(luò)容量；在分組時(shí)，根據(jù)每個(gè)MU客戶端的流量類型，從候選MU客戶端中合理選擇三個(gè)客戶端，以確保網(wǎng)絡(luò)總吞吐量維持在高水平；Qualcomm 創(chuàng)銳訊的算法還確保了探測頻率和速率選擇之間的平衡，以保證網(wǎng)絡(luò)總吞吐量維持在高水平。