有位專家曾說，Wi-Fi 4（11n）是一個具有顛覆性的，讓無線局域網進入全面發展時代的制式。從技術層面來說，它在802.11的發展中有以下幾個第一：第一次允許使用2.4G和5G兩個頻段。第一次使用了大于20MHz的信道帶寬40MHz。第一次定義了多天線技術。以上特點使得11n成為了第一次將最高傳輸速率提升到百兆量級的制式。

今天我們來學習一下11n中的多天線的使用：MIMO和beamforming波束成形。

01—MIMO和Beamforming

那么MIMO和beamforming有何區別和聯系呢？我們先來看一下標準中對它們的定義：

multiple input, multiple output (MIMO)多輸入多輸出（MIMO）：物理層（PHY）配置，其中發射器和接收器均使用多天線。

beamforming波束成形（或波束賦形）: 發射機使用的一種空間濾波機制，用于提高目標接收機的接收信號功率或信噪比（SNR）。同義詞：beam steering波束轉向。

從定義看，MIMO強調的是發端和收端多天線的使用，利用多根天線的發和收，利用信道多徑，形成空間多流（Spatial Streams），在不增加帶寬，不增加功率的情況下就增加了頻譜的利用率/吞吐量。而beamforming，也是依托于多跟天線，通過檢測信道以及確定如何以最優的天線輻射模式傳輸可用的能量到對端，它強調的是使用多天線進行相位的疊加，使得某些方向的增益變大，某些方向的增益變小，將整個天線陣方向圖的主波束對準期望用戶。所以說在MIMO信道中可以使用beamforming。兩者可以說是互相利用的關系。

在802.11n標準發布之前，市場上幾乎所有的AP都使用只有靜態輻射方向圖的天線，內置天線的AP幾乎都使用全向天線，而支持外接天線的AP則通過不同的外接天線得到多種不同的輻射方向圖。MIMO雖然可以通過多天線傳輸，帶來傳輸速率的成倍增長，但在實際應用中終端往往只有1到2個天線，這使得終端發送和接收信號的收益有所差異。例如，終端向AP發送信號時，AP可以利用自己的多天線系統增強接收增益，獲得更好的信號強度；AP向終端發送信號時，如果僅使用對應數量的天線發送信號，則無法利用多天線帶來的增益。為了解決這一問題，通過引入beamforming技術，可以增強終端接收到的信號強度，從而使AP和終端可以協商出更高的傳輸速率。

有了上面的分析，以下兩張圖哪個代表MIMO，哪個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章節對11n的beamforming和MIMO信道進行了描述：波束成形是一種在beamformer利用 MIMO 信道生成賦形矩陣，以改善beamformee接收效果的技術。

接著再來看幾個名詞的定義：

beamformee波束接收端（或波束接收器）:接收使用波束成形矩陣傳輸的物理層（PHY）協議數據單元（PPDU）的站點（STA）。

beamformer波束成形器（或波束賦形器）：使用波束成形矩陣傳輸物理層（PHY）協議數據單元（PPDU）的STA。

beamforming steering matrix波束成形矩陣：利用發射機與目標接收機之間的信道信息確定的矩陣，將時空流space-time streams映射到發射天線，目的是提高目標接收機的信號功率或SNR。

single-user multiple input, multiple output (SU-MIMO)單用戶多輸入多輸出：一種使用多根天線的STA通過相同的頻率向單個STA發送或從單個STA接收獨立的時空流的技術。

以 3×2的MIMO 信道模型為例：當一個矢量Xk在子載波 k 中傳輸時，接收到的矢量yk模型如下：

其中，Hk是維數為NRX × NTX的信道矩陣，n是高斯白噪聲。

提供MIMO信道評估的training符號是加載在前導碼的HT-LTF字段里的，如上一篇所學，HT-LTF是11n的long training field，長訓練序列，HT-LTF 為接收機提供了估計調制編碼器的輸出與接收鏈路之間 MIMO 信道的方法。MIMO 控制字段（MIMO Control field）用于管理 MIMO信道狀態或傳輸波束成形反饋信息的交換。它用于CSI（channel state information，信道狀態信息）、非壓縮波束成形和壓縮波束成形幀。在第9章有具體的描述，這三種實際上是顯式波束成形的三種方法。

然而，實際用于波束成形的時空流（space-time streams）的數量可能是小于Tx的數量的，即：NSTS≤NTX，所以將Xk替代為QkXk。Qk為NTX行NSTS列的矩陣。則：

根據新的信道測量結果計算或更新出的波束成形矩陣，將在下一次波束成形數據傳輸中取代原有的矩陣Qk。波束成形有多種方法，區別在于beamformer獲取信道矩陣Hk的方式，以及Qk是beamformer生成還是由beamformee提供反饋信息供beamformer生成。關于波束成形的方法我們下一次繼續學習。