利用MU-MIMO增加空間串流　802.11ac網路傳輸量倍增

圖1　SU-MIMO與MU-MIMO的對比

AP通常有三到四個天線，而大部分客戶裝置只有一到兩個天線，因此它們不能支援全系列MIMO通道運行，而且很少用到AP的全部容量，這種差異被稱為MIMO間隙。

例如，一個3×3的Wi-Fi 11ac AP支援1.3Gbit/s速率的峰值實體層(PHY)。但是，只有一個天線的智慧手機或平板電腦僅支持433Mbit/s的峰值速率，其餘867Mbit/s的容量處於閒置。

不過802.11ac技術卻可以填補MU-MIMO這一間隙，讓一個AP同時支援最多四個全速率的Wi-Fi連接。每個連接被分配到一個不同的智慧型手機、平板電腦(Tablet)、筆記型電腦(NB)，多媒體播放器或其他設備。

五大市場因素推動　MU-MIMO技術出線

事實上，有諸多因素合力推動了MU-MIMO的普遍預期和應用。

行動裝置數量暴增

智慧手機和平板電腦的普及導致Wi-Fi網路使用者顯著增長。到2020年，預計普通美國家庭連接設備的數量將從當前的九個增長至二十多個。甚至許多使用者經常攜帶至少兩部裝置，如行動電話和筆記型電腦或平板電腦。因此，Wi-Fi網路日漸擁擠，如何以有限的頻譜服務這些裝置將會是個挑戰。

數據需求上揚

現在Wi-Fi越來越多地被用於內容消費，例如智慧型手機和平板電腦等行動終端上的串流媒體音樂和視訊。透過機上盒(STB)、電視、筆記型電腦，甚至是與雲端儲存、Skype、視訊會議和NAS同步的無線數據行動應用程式所傳輸的高畫質影片內容全都需要高頻寬支援，故Wi-Fi網路容量必須大幅增加，以滿足需求。

有限的裝置空間

隨著智慧手機和平板電腦的普及，採用一個天線對於內部空間有限的裝置而言，顯得格外具有吸引力。特別是當智慧手機同時面臨數據傳輸量提高，成本和內部空間須要降低的問題時。

蜂窩卸載

2013年全球行動數據流程量增長達81%，並預計在2013?2018年間增長近11倍。有鑑於使用者和裝置在Wi-Fi覆蓋範圍內均趨向連接Wi-Fi，行動網路數據增長需求正驅使世界各地的行動運營商盡可能將廣域網路(WAN)的流量卸載到Wi-Fi上。這些趨勢說明，在今後數年裡，伴隨Wi-Fi熱點的普及和行動使用者在行動裝置上的不斷增加的數據消耗，Wi-Fi流量卸載將繼續呈指數級增長。

企業網路需求

89%的企業IT部門允許員工攜帶自己的設備(BYOD)。為了增強員工的行動性，和提高他們的靈活性和工作效率而出現的裝置和應用程式，意味著企業網路正應對繁重的Wi-Fi流量；此外，員工的連接需求將繼續增加。這些大量接入企業網路的員工個人智慧手機，平板電腦和筆記型電腦，正急劇推動IT部門借助Wi-Fi替換或增強企業網路中乙太網的需求。

導入全新功能　11ac網路容量更勝11n

802.11ac很多規格是針對802.11n的功能進行加強，另一些則是為Wi-Fi技術增加的全新功能，如單用戶發送波束成形(SU-TXBF)及MU-MIMO或MU-TxBF(圖2)。

圖2　SU-MIMO TxBF與MU-MIMO TxBF的對比

波束成形是一項匯聚AP向目標站(STA)或客戶裝置發射MIMO空間串流的能量技術，透過精確的通道估算，可以在發射(預編碼)中產生微小的相位和幅度差，從而允許AP向接收目標站方向集中發射訊號。所產生的訊號強度足以能夠在更遠的距離使用更積極的調製技術(即支援更高的數據速率)。

802.11n標準定義了幾種波束成形的方式，但這些方法均不屬於強制性認證。因此，晶片供應商採用了多種非互通性技術。市場上欠缺一個統一的方法，導致802.11n這一功能無法為終端產品提供預期的增強訊號，並成為主流。

不過，802.11ac規格定義了一個發射波束成形的單一閉環方式。在該方式中，AP發送一個特殊的探測訊號給所有的目標站，然後估算通道並將其通道報告回饋給AP。這一來自STA的回饋是標準化的，因此消費者可以確信任何基於標準的波束成形設備(AP和STA)可與所有其他相容802.11ac的產品進行交互操作。

MU-MIMO技術是802.11ac中最顯著的進步。該技術在性能和靈活性方面為無線區域網路(WLAN)使用者帶來了重大突破。當設備採用SU-MIMO時，一次只向一個裝置發射發送多個空間串流，而MU-MIMO則允許將多個空間串流同時分配給不同的用戶端，藉此增加WLAN系統的總輸送量和總容量。

利用發射波束成形，MU-MIMO建立最多四個定向射頻(RF)鏈路，當其運作時，AP使用增強的波束成形技術，以最大能量向目標裝置進行傳輸；同時通過調零來調小非目標終端方向的傳輸，這便是空間複用(Spatial Reuse)技術，為四個用戶中的每一位用戶提供其專屬的全頻寬通道，其方式與蜂窩電話網絡使用小型基站節點和頻譜複用技術來增加系統容量大致相同。

圖3所示的例子中，有四個天線的802.11ac MU-MIMO AP能同時向一台筆記型電腦、一部手機和兩部平板電腦各發送一個空間串流。

圖3　SU-MIMO和MU-MIMO運行方式

滿足巨量資料需求　MU-MIMO優化裝置使用體驗

MU-MIMO可說是無往不利，尤其對通常僅被分配相對較少網路容量的單流或雙流行動設備(智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦等)最為有利，MU-MIMO為終端用戶帶來諸多好處。

增大網路容量

MU-MIMO能夠有效提高網路總容量，通常可增加兩到三倍，進而實現對可用頻譜的高效利用。對於鬧區、公寓樓、企業網路、熱點或其他更為擁擠的環境來說，MU-MIMO技術具有很大優勢(圖4)。

圖4　MU-MIMO為每台裝置提高約2.5倍的傳輸量

網路流量更大

與SU-MIMO相比，MU-MIMO的容量提升可允許系統支援更高的流量，並橋接MIMO的間隙。這使得Wi-Fi網路能滿足高畫質影片、音訊和其他數據密集型應用所帶來的數據需求增加。

增加傳輸量並減少延遲

由於MU-MIMO網路不要求其客戶裝置與該網路上的其他用戶端進行分時連接，減少了每個終端的等待時間，進而大大提高了網路和客戶裝置的反應速度。

提高頻譜效率　

MU-MIMO特別利於智慧手機的普及。在一個有三個用戶端的MU-MIMO系統中，所有三個STA可以用100%的時間同時接收來自AP的單個空間串流；若在SU-MIMO中要達到相同的傳輸量，每個STA需要三個天線用三分之一的時間來接收來自AP的數據。與此相反，在MU-MIMO方案中，更高的傳輸量意味著該設備只需要一個或兩個天線，而不是三個，從而降低了成本和空間要求。

另一方面，傳統用戶端也能從中受益。隨著MU用戶端的效率提升，網路上將有更多閒置時間或容量來服務其他用戶端(圖5)。

圖5　MU-MIMO對傳統用戶端的好處

MU-MIMO設計第一步　權衡空間串流數/用戶數

設計MU-MIMO技術的第一步是確定對設計的關鍵功能、成本和性能目標有最大影響的變數，以及這些變數與其他變數可能存在的相互作用。雖然變數很多，但所有的設計選擇和權衡都集中在兩個頂層問題上：空間串流的數量和同時用戶的數量。

空間串流的數量

802.11n標準首先引入MIMO，進而允許一次最多將四個MIMO流發送到單個裝置；另外，還將STA接收MIMO流的最大數目增加至八個，與802.11n標準相比，802.11ac有效地將網路傳輸量提高一倍。

空間串流的數量和傳輸頻寬共同決定了潛在的傳輸量性能和所支援的裝置數。由於每個空間串流都需要專用的發射/接收鏈，所以一個能支援全部八個空間串流的802.11ac 8×8 AP需要八個獨立的無線電鏈和天線。

現今智慧手機和平板電腦通常支援1×1或2×2的配置，而MU-MIMO允許多個用戶端共用AP上的多個空間串流，充分利用可用的空間串流和頻寬，將系統的總容量提高至AP配置的最大上限。

802.11ac MU-MIMO規範最多能支援四個同步MIMO通道的無線配置，但增加支援每個新增用戶的能力，就會增加產品的功耗預算和整體解決方案的成本。但如前面所討論的，MU-MIMO波束帶來其他幾個更具影響力的權衡因素；因此，在決定所支持的用戶數量之前，必須對這些因素予以考慮。

為實現MU-MIMO，802.11ac含有通道探測機制。AP將根據每個用戶端提供的通道回饋，賦予其空間串流必要的流動性以供實際使用，當通道探測為AP提供清晰的環境狀況，將採用MU-MIMO波束成形能力最大化目標方向的訊號強度，並將非目標方向上的訊號強度調零。

實際運行時，波束成形的過程並不完美，空間串流的一些能量會出現在旁波瓣(Sidelobes)上。這些較小的波束從主波束的兩側出現，然後指向偏離軸向若干角度的方向，這種情況在SU-MIMO中不是問題，但在MU-MIMO中，一旦兩個相鄰MU-MIMO流的旁波瓣發生重疊，兩個相鄰的MU-MIMO流就會互相干擾。這種干擾增加了AP通道的整體底噪。

由於AP解決方案可支援同時間用戶的數量涉及到設計的許多方面，因此業界特別對MU-MIMO機制做相關分析。分析結果顯示，加入第四個MU空間串流(採用4TX)將增加空間串流內的干擾，但是能夠增加可用空間串流的數量。

因此就帶來一個權衡，最佳的網路容量是由什麼決定的？它取決於通道的多路徑環境。室內通道的多路徑特性決定了添加另一個MU流時將帶來多大的空間串流內干擾，而一個高度多樣化的室內環境最多支援三個空間串流，從而允許最高的MCS工作，並且空間串流內的干擾在可承受範圍內。

當添加第四個空間串流時，空間串流內的干擾將上升到最高調變及編碼的結構(Modulation and Coding Scheme, MCS)模式不能支援的水準，因而導致傳輸量下降。

為提升MU-MIMO技術實用性，並增加市場採用意願，高通創銳訊的研究人員經過七年的MU-MIMO開創性研究和四年的硬體原型機開發，得到了幾個重要的結論。

MU-MIMO設計難題獲解　新款演算法輕鬆協調網路流量

IEEE 802.11ac標準規定一套MU-MIMO的操作準則，包括用於通道校準的探測程式、MU訊號、分組聚合和面向多個用戶端的數據傳輸。但是，設計出一套解決方案須要考慮訊號處理及其他演算法的問題，因此還有待實現。

如前文所述，為MU-MIMO應用設計出一套實用晶片解決方案須要經過嚴謹的衡量與選擇。例如，當準備探測時，如何從諸多候選終端中選擇，以及如何選擇MU的數據傳輸速率都值得考量(圖6)。目前已有晶片商透過對MU-MIMO技術的研究，廣泛的建模與原型機制作，開發出了一套獨特的適用於調度、探測、分組與速率控制的演算法。

圖6　MU-MIMO傳輸的關鍵決策變數

圖7　MU-MIMO動態、優化輸送量、覆蓋範圍和距離

圖8　MU-MIMO數據傳輸

因為Wi-Fi網路的用戶端均是行動裝置，頻繁的探測能確保AP即時收到來自用戶端的資訊，但這會增加系統支出；然而，減少探測則意味著系統支出降低，AP會使用另一種開環技術估算出用於MU傳輸的正確數據速率。目前晶片商的演算法可確保探測頻率和速率選擇之間的平衡，以保證網路總輸送量維持在高水準。

MU-MIMO生態系統不可或缺

802.11ac MU-MIMO技術使得網路在適用範圍及容量方面得到巨大提升，但具體的實現需要一個支援MU-MIMO技術的端到端生態系統。與此同時，晶片解決方案與相關的參考設計必須讓原始設備製造商(OEM)輕鬆地生產出有價格具有競爭力的市場化路由器、接入點、智慧型手機、平板電腦、個人電腦、筆記型電腦或其他終端產品。

802.11ac MU-MIMO旨在為無線網路提供時下所需的容量與性能，進而跟上當前廣泛的多媒體環境下應用的需求，開闢未來應用新的可能性。但若要廣泛地部署並讓人們接受支持MU-MIMO的802.11ac解決方案，就取決於該項技術的實用性，並展現其超過上一代802.11n標準設備的優勢。

(本為作者為高通創銳訊產品管理副總裁)