MIMO和beamforming有何区别和联系

有位专家曾说，Wi-Fi 4（11n）是一个具有颠覆性的，让无线局域网进入全面发展时代的制式。从技术层面来说，它在802.11的发展中有以下几个第一：第一次允许使用2.4G和5G两个频段。第一次使用了大于20MHz的信道带宽40MHz。第一次定义了多天线技术。以上特点使得11n成为了第一次将最高传输速率提升到百兆量级的制式。

今天我们来学习一下11n中的多天线的使用：MIMO和beamforming波束成形。

01—MIMO和Beamforming

那么MIMO和beamforming有何区别和联系呢？我们先来看一下标准中对它们的定义：

multiple input, multiple output (MIMO)多输入多输出（MIMO）：物理层（PHY）配置，其中发射器和接收器均使用多天线。

beamforming波束成形（或波束赋形）: 发射机使用的一种空间滤波机制，用于提高目标接收机的接收信号功率或信噪比（SNR）。同义词：beam steering波束转向。

从定义看，MIMO强调的是发端和收端多天线的使用，利用多根天线的发和收，利用信道多径，形成空间多流（Spatial Streams），在不增加带宽，不增加功率的情况下就增加了频谱的利用率/吞吐量。而beamforming，也是依托于多跟天线，通过检测信道以及确定如何以最优的天线辐射模式传输可用的能量到对端，它强调的是使用多天线进行相位的叠加，使得某些方向的增益变大，某些方向的增益变小，将整个天线阵方向图的主波束对准期望用户。所以说在MIMO信道中可以使用beamforming。两者可以说是互相利用的关系。

在802.11n标准发布之前，市场上几乎所有的AP都使用只有静态辐射方向图的天线，内置天线的AP几乎都使用全向天线，而支持外接天线的AP则通过不同的外接天线得到多种不同的辐射方向图。MIMO虽然可以通过多天线传输，带来传输速率的成倍增长，但在实际应用中终端往往只有1到2个天线，这使得终端发送和接收信号的收益有所差异。例如，终端向AP发送信号时，AP可以利用自己的多天线系统增强接收增益，获得更好的信号强度；AP向终端发送信号时，如果仅使用对应数量的天线发送信号，则无法利用多天线带来的增益。为了解决这一问题，通过引入beamforming技术，可以增强终端接收到的信号强度，从而使AP和终端可以协商出更高的传输速率。

有了上面的分析，以下两张图哪个代表MIMO，哪个代表波束成形就一目了然了。

02—Beamforming MIMO信道模型

在802.11 的19.3.12章节对11n的beamforming和MIMO信道进行了描述：波束成形是一种在beamformer利用 MIMO 信道生成赋形矩阵，以改善beamformee接收效果的技术。

接着再来看几个名词的定义：

beamformee波束接收端（或波束接收器）:接收使用波束成形矩阵传输的物理层（PHY）协议数据单元（PPDU）的站点（STA）。

beamformer波束成形器（或波束赋形器）：使用波束成形矩阵传输物理层（PHY）协议数据单元（PPDU）的STA。

beamforming steering matrix波束成形矩阵：利用发射机与目标接收机之间的信道信息确定的矩阵，将时空流space-time streams映射到发射天线，目的是提高目标接收机的信号功率或SNR。

single-user multiple input, multiple output (SU-MIMO)单用户多输入多输出：一种使用多根天线的STA通过相同的频率向单个STA发送或从单个STA接收独立的时空流的技术。

以 3×2的MIMO 信道模型为例：当一个矢量Xk在子载波 k 中传输时，接收到的矢量yk模型如下：

其中，Hk是维数为NRX × NTX的信道矩阵，n是高斯白噪声。

提供MIMO信道评估的training符号是加载在前导码的HT-LTF字段里的，如上一篇所学，HT-LTF是11n的long training field，长训练序列，HT-LTF 为接收机提供了估计调制编码器的输出与接收链路之间 MIMO 信道的方法。MIMO 控制字段（MIMO Control field）用于管理 MIMO信道状态或传输波束成形反馈信息的交换。它用于CSI（channel state information，信道状态信息）、非压缩波束成形和压缩波束成形帧。在第9章有具体的描述，这三种实际上是显式波束成形的三种方法。

然而，实际用于波束成形的时空流（space-time streams）的数量可能是小于Tx的数量的，即：NSTS≤NTX，所以将Xk替代为QkXk。Qk为NTX行NSTS列的矩阵。则：

根据新的信道测量结果计算或更新出的波束成形矩阵，将在下一次波束成形数据传输中取代原有的矩阵Qk。波束成形有多种方法，区别在于beamformer获取信道矩阵Hk的方式，以及Qk是beamformer生成还是由beamformee提供反馈信息供beamformer生成。关于波束成形的方法我们下一次继续学习。

审核编辑：汤梓红