现代智能汽车中的无线技术18——Wi-Fi(6)

本文介绍多流对应的MIMO技术

1、802.11b/a/g/n

在这四代标准中,只有 802.11n 真正引入了 MIMO 技术。

前三代(b/a/g)虽然路由器上可能也有两根天线,但那是为了"选一根最好的用"(分集技术),而不是"两根一起用"(MIMO)。

以下是详细对比:

  1. 802.11b / a / g ------ SISO 时代
  • 架构: SISO (单入单出)。

  • 天线用法: 天线分集 (Antenna Diversity)。

  • 虽然你会看到早期的路由器(如 Linksys WRT54G)有两根天线,但它同一时间只能用一根。

  • 原理: 芯片会检测两根天线的信号强度,哪根信号好就切到哪根收发,另一根闲置。这叫"择优录用"。

  1. 802.11n ------ MIMO 时代的开端
  • 架构: MIMO (多入多出)。

  • 核心能力:

空间复用 (Spatial Multiplexing): 这是提速的关键。

  • 如果有 2 根天线,芯片可以在同一频率、同一时间,把一份数据拆成两半(流1和流2),分别从两根天线发出去。接收端再把它们拼起来。

  • 效果: 2x2 MIMO 速度直接 x2;4x4 MIMO 速度直接 x4。

空时分组码 (STBC):

  • 发同样的数据,但经过编码让两根天线互为备份。

  • 效果: 不提速,但信号更稳,防止丢包。

波束赋形 (TxBF):

  • 11n 定义了波束赋形,但因为标准不统一(各家厂商私有实现),在 11n 时代并没有普及,直到 11ac 才标准化。

汇总表

标准 天线架构 最多支持流数 看到的现象
11b SISO 1 即使有两根天线,也只有 11Mbps
11a SISO 1 即使有两根天线,也只有 54Mbps
11g SISO 1 即使有两根天线,也只有 54Mbps
11n MIMO 4 (常见是2) 2根天线速度翻倍 (300Mbps)

2、802.11ac/ax/be

这三代标准的 MIMO 技术演进,核心主线是:从单用户到多用户,从单向到双向,从单打独斗到团队协作。

  1. 802.11ac (Wi-Fi 5) ------ DL MU-MIMO 的引入
  • 最大流数: 8条(虽然家用旗舰通常只做到了 4x4)。

  • 核心突破: DL MU-MIMO (下行多用户 MIMO)。

  • 以前 (SU-MIMO): 路由器像个机关枪,一次只能对准一个用户突突。哪怕它有 4 根天线,而你手机只有 1 根,它也只能为你这 1 根服务,剩下 3 根闲着。

  • 现在 (DL MU-MIMO): 路由器可以同时把 4 根天线分成 3 组,分别发给用户 A、B、C。

  • 局限: 只支持下行(路由器发给手机)。手机发给路由器时,还得排队。

  1. 802.11ax (Wi-Fi 6) ------ 双向全能
  • 最大流数: 8条。

  • 核心突破: UL/DL MU-MIMO (双向多用户)。

  • 上行 (UL) 也支持了: 多个手机可以同时向路由器发送数据,互不干扰。这对于开视频会议、上传大文件非常有用。

  • 注:Wi-Fi 6 的 MU-MIMO 通常与 OFDMA 配合使用,一个分空间,一个分频率。

  1. 802.11be (Wi-Fi 7) ------ 协作与规模
  • 最大流数: 16条 (16x16 MIMO)。

  • 天线数量翻倍,意味着吞吐量潜力翻倍。

  • 核心突破: C-MIMO (Coordinated MIMO,多AP协作)。

  • 以前: 两个路由器(比如 Mesh 组网)挨得近会互相干扰。

  • 现在: 两个路由器可以"商量好",协同工作。比如路由器 A 和路由器 B 联合起来,同时向一个用户发数据,或者通过波束零陷技术消除对彼此的干扰。这是企业级 Wi-Fi 的大杀器。

演进总结表

标准 MIMO 类型 方向 最大流数 比喻
11ac DL MU-MIMO 仅下行 8 老师可以同时给 4 个学生发卷子,但收卷子得一个个收。
11ax UL/DL MU-MIMO 双向 8 老师可以同时发卷子,也可以同时收 4 个学生的卷子。
11be C-MIMO 双向+协作 16 隔壁班老师过来帮忙,两个老师一起给学生发卷子。

4.4 多天线增强

在不同的版本中,多天线支持得到了增强,下行链路的传输层数增加到八层,并引入了上行链路最多四层的空间复用。全维MIMO和二维波束成形是其他增强功能,此外还引入了协同多点传输

4.4.1 扩展多天线传输

在版本 10 中,下行空间复用功能扩展至支持多达八个传输层。这可以看作是对版本 9 双层波束成形功能的扩展,使其支持多达八个天线端口和八个相应的传输层。结合载波聚合的支持 ,版本 10中在 100 MHz 频谱下可实现高达 3 Gbit/s 的下行数据速率,而版本 13 使用 32 个载波、八层空间复用和 256QAM 调制,则可将速率 提升至 25 Gbit/s。

作为LTE Release 10的一部分,还引入了最多四层的上行空间复用技术。结合上行载波聚合的可能性,这使得 在100 MHz频谱内实现高达1.5 Gbit/s的上行数据速率。上行空间复用是一种基于码本的方案,由......控制。基站,这意味着该结构也可用于上行链路发射端波束成形。

LTE Release 10中多天线扩展的一个重要结果是引入了增强型下行链路参考信号结构,该结构更有效地分离了信道估计功能和信道状态信息获取功能。其目的是为了更灵活地支持新型天线布局和新功能,例如更复杂的多点协调/传输。

在版本 13 和版本 14 中,对大规模天线阵列的支持得到了改进,主要体现在信道状态信息的更广泛反馈上。更大的自由度可用于例如在俯仰角和方位角方向上进行波束成形,以及大规模多用户MIMO,其中多个空间分离的设备可以使用相同的时频资源同时进行通信。这些增强功能有时被称为全维度 MIMO,标志着向具有大量可控天线单元的大规模 MIMO迈出了重要一步。

4.4.2 多点协调与传输

LTE 的首个版本包含了对传输点之间协调的特定支持,称为小区间干扰协调(ICIC),用于控制小区间的干扰。然而,在 LTE R11 版本中,对这种协调的支持得到了显著扩展,包括传输点之间更加动态的协调能力。

与版本 8 ICIC 仅限于定义基站间特定消息以辅助小区间协调不同,版本 11 的工作重点在于无线接口特性和设备功能,以支持不同的协调方式,包括对多传输点信道状态反馈的支持。这些特性和功能统称为协同多点(CoMP) 传输/接收。参考信号结构的改进也是 CoMP 支持的重要组成部分,版本 11 中引入的增强型控制信道结构也是如此(详见下文)。
CoMP 支持包括多点协调 ------即从一个特定的传输点向设备进行传输,但传输点之间协调调度和链路自适应,以及多点传输------ 在这种情况下,可以从多个传输点向设备进行传输,传输可以在不同的传输点之间动态切换(动态点选择 ),或者从多个传输点联合进行(联合传输)(参见图 4.5)。

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