什么是MIMO？MIMO有哪些類型？Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是指在無線通信領域使用多天線發送和接收信號的技術。MIMO技術主要應用在Wi-Fi（WiFi）領域和移動通信領域，可以有效提高系統容量、覆蓋范圍和信噪比。通常講的M×N MIMO是指發送端有M個天線，接收端有N個天線。

從SISO到MIMO

SISO（Single-Input Single-Output）

在介紹MIMO之前，需要先介紹一下什么是SISO。從字面上理解，SISO 就是單發單收，是一種單輸入單輸出系統，發射天線和接收天線之間的路徑是唯一的，傳輸的是1路信號。在無線系統中，我們把每路信號定義為1個空間流（Spatial Stream）。

由于發射天線和接收天線之間的路徑是唯一的，這樣的傳輸系統是不可靠的，而且傳輸速率也會受到限制。

SIMO（Single-Input Multiple-Output）

為了改變這一局面，在終端處增加1個天線，使得接收端可以同時接收到2路信號，也就是單發多收。這樣的傳輸系統就是單輸入多輸出，即SIMO。

雖然有2路信號，但是這2路信號是從同一個發射天線發出的，所以發送的數據是相同的，傳輸的仍然只有1路信號。這樣，當某一路信號有部分丟失也沒關系，只要終端能從另一路信號中收到完整數據即可。雖然最大容量還是1條路徑，但是可靠性卻提高了1倍。這種方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）

我們換一個思路，如果把發射天線增加到2個，接收天線還是維持1個，會有什么樣的結果呢？

因為接收天線只有1個，所以這兩路最終還是要合成1路，這就導致發射天線只能發送相同的數據，傳輸的還是只有1路信號。這樣做其實可以達到和SIMO相同的效果，這種傳輸系統叫作多輸入單輸出，即MISO。這種方式也叫發射分集。

MIMO

如果收發天線同時增加為2個，那么是不是就可以實現獨立發送2路信號、速率翻倍了呢？答案是肯定的，因為從前文對SIMO和MISO的分析來看，傳輸容量取決于收、發雙方的天線個數。而這種多收多發的傳輸系統就是MIMO。

MIMO 技術允許多個天線同時發送和接收多個信號，并能夠區分發往或來自不同空間方位的信號。通過空分復用和空間分集等技術，在不增加占用帶寬的情況下，提高系統容量、覆蓋范圍和信噪比。

MIMO有哪些類型？

MIMO是利用多天線收發信號的技術，最開始用于對單用戶的數據傳輸。但隨著多用戶傳輸技術的發展，在MIMO的基礎上出現了多種多用戶類型的MIMO技術，為了便于區分，將單用戶類型的MIMO稱為SU-MIMO（Single-user MIMO）。多用戶類型的MIMO技術則主要包含以下幾種。

MU-MIMO（Multi-user MIMO）：允許發射端同時和多個用戶傳輸數據。Wi-Fi 5標準開始支持4用戶的MU-MIMO，Wi-Fi 6標準將用戶數增加到了8個。

CO-MIMO（Cooperative MIMO）：將多個無線設備組成虛擬的多天線系統，實現相鄰的發射設備同時和多個用戶傳輸數據。

Massive MIMO：大規模天線技術，極大提升了天線的數量，傳統MIMO一般使用2~8天線，而Massive MIMO則可達到64/128/256個天線?？纱蠓岣呦到y容量和傳輸效率，是5G移動通信的關鍵技術。

從廣義上講，多用戶類型的MIMO技術都可以歸為MIMO技術，但我們提到MIMO時，通常是指傳統的MIMO概念，即SU-MIMO。

Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

在Wi-Fi領域從Wi-Fi 4（802.11n）標準開始引入了MIMO技術。MIMO主要使用了兩種關鍵技術：空間分集和空分復用。不管是分集技術還是復用技術，都是把一路數據變成多路數據的技術，可以歸為空時編碼技術。

空間分集

空間分集技術的思路是制作同一個數據流的不同版本，分別在不同的天線進行編碼、調制，然后發送。這個數據流可以是原來要發送的數據流，也可以是原始數據流經過一定的數學變換后形成的新數據流。接收機利用空間均衡器分離接收信號，然后解調、解碼，將同一數據流的不同接收信號合并，恢復出原始信號?？臻g分集技術可以更可靠地傳輸數據。

Wi-Fi 4標準引入的波束成形（Beamforming）技術也可以認為是一種分集技術。波束成形需要先檢測信道狀態，對各天線發送的信號進行預編碼，使信號在接收端方向疊加增強。波束成形能夠增加信號傳輸距離，提高接收端收到的信號質量。

空間分集有效提升了數據傳輸的可靠性，適用于傳輸距離長，速率要求不高的場景。

空分復用

空分復用技術是指將需要傳送的數據分為多個數據流，分別通過不同的天線進行編碼、調制，然后進行傳輸，從而提高系統的傳輸速率。天線之間相互獨立，一個天線相當于一個獨立的信道，接收機利用空間均衡器分離接收信號，然后解調、解碼，將幾個數據流合并，恢復出原始信號。

空分復用有效提升了數據傳輸的速率，適用于傳輸距離短，速率要求高的場景。

什么是M×N MIMO？

在WLAN產品的規格中，通常會看到一個指標項M×N MIMO，也有寫作MTNR的，這個指標項有什么含義呢？其實是用來表示MIMO的天線數，M表示發送端的天線數，N表示接收端的天線數。例如4×3 MIMO表示4根天線發送，3根天線接收。

市面上多數的家用無線路由器都可以看到數根天線，1根天線往往能夠支持收和發，所以可以根據天線的數量簡單判斷，天線的數量就是M和N的值。例如一臺有著4根天線的無線路由器，可以認為是4x4 MIMO，當然具體還要以產品規格為準。天線數越多，意味著性能越高，價格也就越貴。

在企業級的AP產品中，有著更多的天線數，能夠為企業提供更加快速和可靠的無線網絡。例如華為的企業級Wi-Fi 6 AP產品，旗艦款AirEngine 8760-X1-PRO，2.4G頻段支持4x4 MIMO，5G頻段支持12x12 MIMO，整機的天線數有16個之多，讓速率達到10.75Gbps，為用戶帶來光纖般的無線體驗。

在一個MIMO系統中，如果收發天線數量不相等，那么能夠傳輸的空間流數小于或等于收/發端中更小的天線數。例如，4×4（4T4R）的MIMO系統可以傳輸4個或者更少的空間流，而3×2（3T2R）的MIMO系統可以傳輸2個或者1個空間流。

在實際應用中，AP往往具有較多的天線數，從4天線到16天線不等，但是終端（比如手機）通常只有1-2根天線。即使天線技術在不斷進步，但受限于終端產品的體積大小，即使再容納1-2根天線，也遠小于AP的天線個數，這就意味著可以傳輸的空間流數量受限于終端，導致無法充分享受到空間流數增加帶來的速率成倍增加，造成AP上天線資源的浪費。幸運的是多用戶類型的MIMO技術出現并解決了這一問題，例如MU-MIMO可以讓一個AP同時和多個終端傳輸信號，多個終端的天線總數和AP的天線數對等，讓AP的能力得到充分的發揮。

審核編輯：劉清