茶凳淺談-MIMO要如何測試

在測試MIMO功能之前,先來了解下甚麼是MIMO

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、覆蓋範圍和信噪比。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。

SISO(Single-Input Single-Output)

在介紹MIMO之前,需要先介紹一下什麽是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)。

siso

由於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製。

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。

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,會有什麽樣的結果呢?

miso

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,那麽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,傳輸容量取決於收、發雙方的天線個數。而這種多收多發的傳輸系統就是MIMO。

mimo

MIMO 技術允許多個天線同時發送和接收多個信號,並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、覆蓋範圍和信噪比。

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製作同一個數據流的不同版本,分別在不同的天線進行編碼、調製,然後發送。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後形成的新數據流。接收機利用空間均衡器分離接收信號,然後解調、解碼,將同一數據流的不同接收信號合並,恢復出原始信號。空間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,適用於傳輸距離長,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、調製,然後進行傳輸,從而提高系統的傳輸速率。天線之間相互獨立,一個天線相當於一個獨立的信道,接收機利用空間均衡器分離接收信號,然後解調、解碼,將幾個數據流合並,恢復出原始信號。


空分復用有效提升了數據傳輸的速率,適用於傳輸距離短,速率要求高的場景。

然後需要回顧下,基於MIMO技術,可以做到多發多收。基本的MIMO就是,一個發送者有兩根天線,一個接受者有兩根天線,發送者一次用兩根天線發,接受者用兩根天線收,然後兩倍傳輸速率,這個就是802.11n時代做的MIMO技術。

知道甚麼是MIMO之後,了解要如何測試了吧。說穿了就是利用MIMO中的空分复用技术,讓傳輸率隨天線數的增加而倍增的特性。看你有幾根天線就該有多少的傳輸率就可以了。

1x1

1x1 一根天線的傳輸速率表。
這就是SISO時的基準。

2x2

2x2 二根天線的傳輸速率表。
相較於一根天線,傳輸率都翻倍。

4x4

4x4 四根天線的傳輸速率表。
傳輸率成四倍。

有二根以上天線之後我們來看有沒有跑MIMO。能跑上這個速率就表示有MIMO了。正是因為MIMO中空分復用的功能才會讓傳輸率倍增。

MU-MIMO

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,但受限於終端產品的體積大小,即使再容納1-2根天線,也遠小於AP的天線個數,這就意味著可以傳輸的空間流數量受限於終端,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技術出現並解決了這一問題,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。

所以,實際測試的時候,可以使用 AP(4x4) 與2 台 Client(2x2) 連線,然後同時做Throughput測試。這樣加總起來的傳輸率就應該會符合4T4R的速率表,藉此說明MIMO是有運作的。

實際測試:

我們拿Qualcomm IPQ8074 AC03的RVR 測試結果來看看。

ac03 5g rvr

5G 2x2 最佳的throughput 分別在1000Mbps 上下。 是不是就落在960 ~ 1200之間呢? 而且很接近1200的理論數值喔。 1000/1200 = 83% 這樣的data rate真的是超讚。 尤其是5G_VHT80_DL/UL_2x2 的throughput,貼著1000Mbps。平均下來應該有950Mbps吧,相當於256QAM MCS9 80MHz的理論值960Mbps。

這實實在在的說明IPQ8074對 MIMO支援的很棒。

参考资源
IP知识百科 > MIMO
典型问题分析——wifi吞吐量测试和分析方法_kv110的博客-CSDN博客_wifi吞吐量
IPQ807XA/IPQ817X HW UPDATE

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