MUMIMO在WiFi中的實際應用與性能優化建議

摘要：隨著無線保真（Wireless Fidelity，WiFi）技術演進和業務需求增加，WiFi網絡面臨著更高的性能要求。多進多出無線通信（MultipleInput MultipleOutput，MIMO）技術，特別是多用戶-多輸入多輸出（MultiUser MultipleInput MultipleOutput，MUMIMO）技術，已成為提升WiFi網絡容量和頻譜利用率的關鍵技術。文章構建了WiFi 7環境下的MIMO實驗，分析了MIMO技術在實際應用中的表現。實驗結果表明，受限于設備資源分配、設備處理能力及能耗管理等因素，MUMIMO技術未充分發揮其增益效果。針對實驗結果，文章提出了增強設備硬件性能、優化軟件和改進能耗管理等優化建議，以提升MIMO技術在WiFi中的應用效果。

關鍵詞：MUMIMO；WiFi 7；WiFi網絡性能

中圖分類號：TN92" 文獻標志碼：A

0 引言

當前，WiFi網絡環境變得日益復雜，高清視頻、虛擬現實/增強現實（Virtual Reality/Augmented Reality，VR/AR）、在線游戲等業務對網絡性能提出了更為嚴苛的要求^［1］，而傳統的基于競爭的WiFi網絡，因競爭開銷大，頻譜利用率低，影響了性能表現。MIMO技術通過多天線并行傳輸有效提升了信道容量和頻譜利用率^［2］，為WiFi帶來了革命性的變革。

然而，在實際應用中，MIMO技術仍面臨不少挑戰。尤其是MUMIMO技術，未充分發揮其增益效果。本文探討了MIMO提升網絡性能的機制，通過實驗測試其實際表現，針對MIMO在實際應用中面臨的挑戰，本文提出了優化建議。

1 MIMO技術原理

MIMO技術利用多個天線來收發信號，通過增強特定方向的信號強度，改善信號質量，減少干擾并提升吞吐量^［3］，可以進一步分為單用戶-多輸入多輸出（SingleUser MultipleInput MultipleOutput，SUMIMO）技術和多用戶MUMIMO技術。

在SUMIMO技術中，發送端將原始信號經過預編碼處理，生成2個新的信號x1和x2，通過信道傳輸路徑hij發送出去，接收端可以根據公式（1）得到接收信號為y1和y2。

y1y2=h11h12h21h22x1x2+n1n2（1）

在MUMIMO技術中，發送端將發送給A和B的信號預編碼為xa1xa2和xb1xb2，發送端和接收端之間的信道傳輸路徑為ha11ha12ha21ha22和hb11hb12hb21hb22。

接收端A和接收端B接收信號為ya1ya2和yb1yb2，MIMO信號發送原理如圖1所示。

2 MIMO協議交互

MIMO信道探測主要涉及4種報文。第1種為空數據物理層協議數據單元公告，用于通知用戶即將開始信道探測。第2種為空數據物理層協議數據單元，由發送端發送，報文中含有訓練信道特征的訓練域LTF。第3種為上行鏈路傳輸的信道反饋，在MUMIMO中，用于向多個用戶查詢信道狀態信息。第4種為波束成形報告（Compressed Beamforming Action Frame，CBA），接收端完成訓練后，通過CBA幀將信道信息回傳給發送端。

3 實驗方法

3.1 實驗部署

為全面評估WiFi 7模式下MIMO技術對WiFi產品性能的實際影響，本文構建了實驗環境開展測試，為WiFi 7技術的實際部署和優化提供依據。此外，本實驗關閉了路由器的多重接取（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）功能，排除其他多用戶技術帶來的干擾^［4-5］，能更準確地評估MIMO技術對產品的影響。本實驗測試部署情況如圖2所示，實驗在屏蔽室內進行。其中，控制臺用于配置與監控路由器以及收發數據；sniffer電腦用于捕獲和分析空中報文。

3.2 實驗步驟

本實驗測試步驟如下：

（1） 重置路由器及終端設備。

（2） 配置路由器頻段為5 GHz，帶寬為80MHz，關閉MUMIMO功能。

（3） 將2個終端連入無線網絡，分別讀取終端與路由器的協商速率。

（4） 在終端A、終端B處分別啟動iperf sever指令。

（5） 從控制端啟動iperf指令向2個終端發送30s的UDP數據包，同步抓取10s空中報文。

（6） 測試結束，記錄終端A及終端B的吞吐量。

（7） 進入路由器后臺，查詢MIMO數據包發送數量、MCS值。

（8） 重置路由器及終端。

（9） 配置路由器頻段為5 GHz，帶寬為80MHz，打開MUMIMO功能。

（10） 重復步驟（3—7）。

4 實驗結果及分析

4.1 空中報文分析

在MUMIMO功能關閉時的報文中，數據采用SUMIMO傳輸，從報文類型和數量來看，管理幀和控制幀占比為7.20%，這部分報文用于建立和維護連接，管理數據傳輸過程，是確保網絡穩定性和數據傳輸可靠性的必要開銷，數據幀占比92.80%，說明當前網絡資源負載較少，可以集中資源傳輸數據，如表1所示。

在MUMIMO功能打開時的報文中，數據采用了SUMIMO及MUMIMO2種形式傳輸，從報文類型和數量來看，管理幀和控制幀合計占比為15.41%，而數據幀占比為84.58%。當MUMIMO功能打開時，管理幀與控制幀占比要高于MUMIMO功能關閉狀態。

4.2 AP后臺數據分析

當MUMIMO功能關閉時，數據包均通過SUMIMO發送，AP共發送了33759個數據包，其中99.54%的數據MCS為13，說明設備資源比較充足，可以支持高階調制方式數據的穩定傳輸，如表2所示。

當MUMIMO功能打開時，數據包通過SUMIMO和MUMIMO2種方式進行發送。AP總共發送了33759個數據包，其中MUMIMO數據包占比64.3%，大部分數據包MCS為10；而SUMIMO模式下的數據包總數為7148個，占總數的35.7%，絕大多數數據表MCS為13。說明在MUMIMO功能打開時，設備資源無法支持所有數據包都采用高階調制方式傳輸，需要靈活調整策略，以優化整體性能。

4.3 吞吐量結果

本次實驗吞吐量測試結果中吞吐量效率為吞吐量與協商速率比值，吞吐量效率用來衡量實際吞吐量與理論最大傳輸速率之間差異；MUMIMO增益為MUMIMO功能開啟與關閉時吞吐量之間比值，用來衡量MUMIMO技術對網絡性能提升的影響。

在本實驗中，吞吐量效率低于40%。分析其原因，主要有以下幾點：

（1）根據空中報文統計可知，一部分的空口資源用于建立和維護連接，管理數據傳輸過程，這是必要空口資源開銷，因此，不能將100%的空口資源用于傳輸數據。

（2）實驗中存在錯誤和重傳問題，實驗數據傳輸過程中的錯誤需要重傳糾正，會消耗額外的帶寬和時間。

（3）實驗中吞吐量效率與設備處理能力及能耗限制有關，在MIMO數據發送過程中，AP調度資源，編碼調制數據并執行波束成形，而STA需要解調和解碼。兩者都可能因設備處理能力和能耗限制而增加時間與資源消耗。

在本實驗中，吞吐量性能相對提升效果低于10%，未達到MUMIMO增益的預期效果。分析其原因，主要有以下幾點：

（1）在實驗中，MUMIMO占比低，整體速率較低，據AP后臺數據統計，MUMIMO發送數據占64.3%，SUMIMO占35.7%，未充分利用MUMIMO優勢。當MUMIMO關閉時，數據多用MCS13調制，速率較高；當MUMIMO開啟時，MCS值分散在5到13，整體速率下降。

（2）在實驗中，提升效果低于10%的原因還與資源分配和管理有關，在實施MUMIMO傳輸時，如果AP資源分配不均或管理不當，就可能導致某些終端無法獲得足夠的資源，從而影響整體吞吐量。

（3）在實驗中，受設備數據處理能力及能效限制，郊野提升低于10%。在MUMIMO環境下，設備需要處理更多的并行數據流。這不僅增加了計算復雜度，而且導致更高的時間及資源消耗^［6］。

5 優化建議

為了發揮MIMO技術優勢，綜合本文的實驗結果，可以從以下3個方面進行優化：（1）增強設備硬件性能，為更有效地處理MIMO算法，建議在設備上集成更高性能的硬件組件。（2）優化設備軟件，通過軟件層面的智能任務和資源分配，可以更高效地利用硬件資源來處理數據，從而提升MIMO算法的執行效率。（3）改進能耗管理，針對MUMIMO帶來的額外計算負載，需要優化能耗管理策略，確保設備在處理復雜數據時既能保持高性能，又能維持合理的能耗水平^［7］。

6 結語

本文中MUMIMO技術在實際應用中受到資源分配不均、設備處理能力限制以及能耗管理策略等多種因素的影響，未能發揮其技術優勢。針對這些問題，本文提出了增強設備硬件性能、優化軟件資源分配和改進能耗管理策略的優化建議，旨在充分發揮MIMO技術優勢，提升WiFi網絡的整體性能。

參考文獻

［1］朱文鳳.前中后調步步為營WiFi 7技術優勢轉化為產業優勢［J］.通信世界，2024（3）：13-15.

［2］江亮亮，李洋洋，文笑雨.MIMO技術的研究及應用［J］.科技信息，2008（20）：65-66.

［3］張明.MIMO原理及其在移動通信中的應用［J］.數字通信世界，2014（7）：29-31.

［4］王姣姣，邵震，黃國瑾.WiFi 6的多用戶技術［J］.電信科學，2021（4）：132-139.

［5］馮志芳，彭斐，肖靂，等.WiFi 7技術前瞻介紹［J］.通信管理與技術，2022（6）：6-8.

［6］朱國耀，何洋軍，何鳴濤.基于MIMO技術的通信接入網數據超低延時自動化傳輸系統［J］.電子設計工程，2024（19）：94-97，102.

［7］陳晨.大規模MIMO系統能量效率優化問題［J］.軟件，2023（12）：23-25.

（編輯 王永超）

Practical application and performance optimization suggestions of MUMIMO in WiFi

XIE" Yichen1， HE" Lijuan2， LI" Lixin3， PEI" Bowei4， FENG" Zhifang5

（1.Unicom Vsens Communication Co.， Ltd.， Beijing 100033， China;

2.Shenzhen Information and Communication Research Institute， Shenzhen 518000， China）

Abstract： "With the evolution of Wireless Fidelity （WiFi） technology and increasing business demands， WiFi networks are facing higher performance requirements. Multiple Input Multiple Output （MIMO） technology， especially Multi User Multiple Input Multiple Output （MUMIMO） technology， has become a key technology for improving WiFi network capacity and spectrum utilization. This article constructs MIMO experiments in WiFi 7 environment and analyzes the performance of MIMO technology in practical applications. The experimental results show that due to factors such as device resource allocation， device processing capability， and energy management， MUMIMO technology has not fully utilized its gain effect. Based on the experimental results， this article proposes optimization suggestions such as enhancing device hardware performance， optimizing software， and improving energy management to improve the application effect of MIMO technology in WiFi.

Key words： MUMIMO; WiFi 7; WiFi network performance