多用戶MIMO提升無線網(wǎng)絡(luò)性能

現(xiàn)如今的無線網(wǎng)絡(luò)非常繁忙，除了個人電腦和筆記本電腦之外，還有平板電腦、智能手機(jī)甚至電視、游戲機(jī)都需要使用無線網(wǎng)絡(luò)。在德國，一個普通家庭大約平均有5.3個需要通過無線網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，而且這一數(shù)字正處于一個快速上升的趨勢。然而，實際上路由器同一時刻只能夠為所有連接的設(shè)備中的一個提供服務(wù)，也就是說當(dāng)3個設(shè)備同時連接無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，每一個客戶端連接的過程中只有三分之一的時間在傳輸數(shù)據(jù)，其余三分之二的時間都是處于等待狀態(tài)。因而，在通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳或下載文件時，大部分人都有速度緩慢的感覺。最新的IEEE 802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)雖然可以提供高達(dá)千兆的帶寬，但在多用戶環(huán)境下的速度還是會下降，只有等待第二波IEEE 802.11ac（IEEE 802.11ac Wave 2，又稱為IEEE 802.11ac 2.0）推行，才有望提升無線網(wǎng)絡(luò)在多用戶環(huán)境下的性能。

要更好地理解這項技術(shù)，首先我們來簡單回顧一下相關(guān)內(nèi)容：所有的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)都想方設(shè)法地通過各種措施提升無線網(wǎng)絡(luò)的性能，此前的IEEE802.11n采取了一種非常有效的措施，通過一種名為MIMO（全稱Multiple Input Multiple Output，中文名稱為多輸入多輸出）的技術(shù)，使用多個無線電天線并行發(fā)送的數(shù)據(jù)流，例如，一個視頻文件被經(jīng)由無線局域網(wǎng)發(fā)送，如果使用的MIMO路由器具有3個天線，那么在理想的情況下3個天線將各發(fā)送文件的三分之一。3個天線并行發(fā)送數(shù)據(jù)流，天線的空間位置將成為一種指紋，接收端可以通過指紋區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流從何而來。客戶端的工作原理就像是一個多線程下載軟件，從服務(wù)器上分別接收文件的一部分。客戶端必須清楚數(shù)據(jù)是從何而來，并確保正確地接收數(shù)據(jù)和將各部分還原成為一個文件。

增加每個天線的工作量

在IEEE 802.11n的無線網(wǎng)絡(luò)中，每一個數(shù)據(jù)流（空間流）在包括控制數(shù)據(jù)的情況下的速度是150Mb/s，因而，具有4個天線的設(shè)備可以達(dá)到600Mb/s。而理論上，目前最新的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac可以達(dá)到6900Mb/s。除了使用更高的頻道帶寬和改進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，新的MIMO技術(shù)是實現(xiàn)更高速度的關(guān)鍵：IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)允許多達(dá)8個的MIMO流。

然而，單純增加天線數(shù)量并不能保證數(shù)據(jù)傳輸速度得到加成，相反，天線超過4個之后，管理和檢測無線電信號干擾的代價將大幅度增加。要讓增加的更多天線能夠體現(xiàn)其價值，需要新的MIMO技術(shù)。為清楚起見，下面我們將稱原有的MIMO技術(shù)為單用戶MIMO（SU MIMO），正如上面所介紹的，它可以同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，但是僅能發(fā)向同一個地址。而多用戶MIMO（MU MIMO）技術(shù)可以解決這一問題，采用這種技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)路由器可以同時傳輸數(shù)據(jù)到4個客戶端，在安裝8個天線的情況下，可以使用4個天線為筆記本電腦傳輸數(shù)據(jù)，同時為平板電腦和智能手機(jī)各提供2個天線傳輸數(shù)據(jù)。

傳播方向準(zhǔn)確的MIMO

在無線網(wǎng)絡(luò)基站可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)包到不同客戶端的情況下，基站需要更多客戶端的位置信息。為此，基站將先向四面八方發(fā)送測試數(shù)據(jù)包，當(dāng)客戶端響應(yīng)這些測試數(shù)據(jù)包時，基站將存儲客戶端信號強(qiáng)度的信息。接下來多用戶MIMO最重要的輔助技術(shù)波束形成將發(fā)揮作用，雖然它也是IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的一部分，但是在IEEE 802.11ac中它有一些新的改進(jìn)，波束形成技術(shù)將可以產(chǎn)生具有指向性的波束，定向?qū)o線信號對準(zhǔn)目標(biāo)客戶端。

基站將負(fù)責(zé)確定每一個天線發(fā)送無線電信號的最佳方式，多用戶模式下的挑戰(zhàn)在于，基站使用的客戶端信息必須完全正確，因為客戶端位置的變化將影響傳輸路徑，并影響無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，頻道將每10ms進(jìn)行一次檢測，而在單用戶MIMO的環(huán)境下，每100ms才需要進(jìn)行一次檢測。而且，多用戶MIMO基站可以同時為4個客戶端服務(wù)，每個客戶端可以同時接收多達(dá)4個并行數(shù)據(jù)流，也就是說基站需要能夠同時管理16個數(shù)據(jù)流。因此，使用多用戶MIMO需要新的無線網(wǎng)絡(luò)路由器，因為基站需要更強(qiáng)大的運算能力，它們需要同時編碼各個客戶端的數(shù)據(jù)。更重要的是，客戶端也必須支持多用戶MIMO兼容，因為它們需要負(fù)責(zé)從多用戶的數(shù)據(jù)流中篩選出針對他們自己的數(shù)據(jù)包。

多用戶MIMO的最大問題是客戶端之間的干擾問題，雖然頻道分配是經(jīng)過檢測決定的，但是這仍然是不夠的。此外，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級在需要的情況下將被保留，IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)采用不同的隊列和不同的速度來處理不同類型的數(shù)據(jù)包，并且視頻數(shù)據(jù)包將獲得優(yōu)先處理。然而，上述技術(shù)仍然無法解決多用戶MIMO的一個問題，那就是多用戶MIMO只是從基站到客戶端起作用，客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)包仍將占據(jù)整個通道。