多用户MIMO提升无线网络性能

现如今的无线网络非常繁忙，除了个人电脑和笔记本电脑之外，还有平板电脑、智能手机甚至电视、游戏机都需要使用无线网络。在德国，一个普通家庭大约平均有5.3个需要通过无线网络连接互联网的设备，而且这一数字正处于一个快速上升的趋势。然而，实际上路由器同一时刻只能够为所有连接的设备中的一个提供服务，也就是说当3个设备同时连接无线网络传输数据，每一个客户端连接的过程中只有三分之一的时间在传输数据，其余三分之二的时间都是处于等待状态。因而，在通过无线网络上传或下载文件时，大部分人都有速度缓慢的感觉。最新的IEEE 802.11ac无线网络标准虽然可以提供高达千兆的带宽，但在多用户环境下的速度还是会下降，只有等待第二波IEEE 802.11ac（IEEE 802.11ac Wave 2，又称为IEEE 802.11ac 2.0）推行，才有望提升无线网络在多用户环境下的性能。

要更好地理解这项技术，首先我们来简单回顾一下相关内容：所有的无线网络标准都想方设法地通过各种措施提升无线网络的性能，此前的IEEE802.11n采取了一种非常有效的措施，通过一种名为MIMO（全称Multiple Input Multiple Output，中文名称为多输入多输出）的技术，使用多个无线电天线并行发送的数据流，例如，一个视频文件被经由无线局域网发送，如果使用的MIMO路由器具有3个天线，那么在理想的情况下3个天线将各发送文件的三分之一。3个天线并行发送数据流，天线的空间位置将成为一种指纹，接收端可以通过指纹区分数据流从何而来。客户端的工作原理就像是一个多线程下载软件，从服务器上分别接收文件的一部分。客户端必须清楚数据是从何而来，并确保正确地接收数据和将各部分还原成为一个文件。

增加每个天线的工作量

在IEEE 802.11n的无线网络中，每一个数据流（空间流）在包括控制数据的情况下的速度是150Mb/s，因而，具有4个天线的设备可以达到600Mb/s。而理论上，目前最新的无线网络标准IEEE 802.11ac可以达到6900Mb/s。除了使用更高的频道带宽和改进的调制技术，新的MIMO技术是实现更高速度的关键：IEEE 802.11ac标准允许多达8个的MIMO流。

然而，单纯增加天线数量并不能保证数据传输速度得到加成，相反，天线超过4个之后，管理和检测无线电信号干扰的代价将大幅度增加。要让增加的更多天线能够体现其价值，需要新的MIMO技术。为清楚起见，下面我们将称原有的MIMO技术为单用户MIMO（SU MIMO），正如上面所介绍的，它可以同时发送多个数据流，但是仅能发向同一个地址。而多用户MIMO（MU MIMO）技术可以解决这一问题，采用这种技术，无线网络路由器可以同时传输数据到4个客户端，在安装8个天线的情况下，可以使用4个天线为笔记本电脑传输数据，同时为平板电脑和智能手机各提供2个天线传输数据。

传播方向准确的MIMO

在无线网络基站可以同时发送数据包到不同客户端的情况下，基站需要更多客户端的位置信息。为此，基站将先向四面八方发送测试数据包，当客户端响应这些测试数据包时，基站将存储客户端信号强度的信息。接下来多用户MIMO最重要的辅助技术波束形成将发挥作用，虽然它也是IEEE 802.11n标准的一部分，但是在IEEE 802.11ac中它有一些新的改进，波束形成技术将可以产生具有指向性的波束，定向将无线信号对准目标客户端。

基站将负责确定每一个天线发送无线电信号的最佳方式，多用户模式下的挑战在于，基站使用的客户端信息必须完全正确，因为客户端位置的变化将影响传输路径，并影响无线网络的数据传输效率。因此，频道将每10ms进行一次检测，而在单用户MIMO的环境下，每100ms才需要进行一次检测。而且，多用户MIMO基站可以同时为4个客户端服务，每个客户端可以同时接收多达4个并行数据流，也就是说基站需要能够同时管理16个数据流。因此，使用多用户MIMO需要新的无线网络路由器，因为基站需要更强大的运算能力，它们需要同时编码各个客户端的数据。更重要的是，客户端也必须支持多用户MIMO兼容，因为它们需要负责从多用户的数据流中筛选出针对他们自己的数据包。

多用户MIMO的最大问题是客户端之间的干扰问题，虽然频道分配是经过检测决定的，但是这仍然是不够的。此外，数据帧的优先级在需要的情况下将被保留，IEEE 802.11ac标准采用不同的队列和不同的速度来处理不同类型的数据包，并且视频数据包将获得优先处理。然而，上述技术仍然无法解决多用户MIMO的一个问题，那就是多用户MIMO只是从基站到客户端起作用，客户端发送的数据包仍将占据整个通道。