MU—MIMO真的能提高Wi—Fi系統(tǒng)容量嗎？

Craig+Mathias+Charles

這需要無(wú)干擾的測(cè)試環(huán)境。

MU-MIMO支持多個(gè)客戶站點(diǎn)接收來(lái)自一個(gè)接入點(diǎn)（AP）唯一但同時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)。

在此之前，每一個(gè)相關(guān)的站點(diǎn)都必須通過(guò)正常的爭(zhēng)用過(guò)程等待輪到自己，并且受制于在給定的設(shè)置中所采用或者實(shí)施的某種供應(yīng)商級(jí)/服務(wù)質(zhì)量機(jī)制。

重要的是，大多數(shù)客戶，特別是手機(jī)和平板電腦等流動(dòng)性較高的客戶端，通常限于使用一個(gè)或者兩個(gè)MIMO流。因此，某一AP在一個(gè)傳送周期中提供給客戶的吞吐量往往滿足不了客戶的需求。鑒于Wave 2企業(yè)級(jí)802.11ac AP通常能夠?qū)崿F(xiàn)3到4個(gè)MIMO流，通過(guò)MU-MIMO能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

當(dāng)然，問(wèn)題是會(huì)有多大的增益呢。目前的大多數(shù)Wi-Fi實(shí)現(xiàn)都支持對(duì)幾十項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，每一項(xiàng)都有可能提高總吞吐量以及容量，涉及到AP、客戶端、驅(qū)動(dòng)以及管理控制臺(tái)，并且還必須處理好任何形式的無(wú)線通信都固有的基本漂移和不確定性。所以很難對(duì)典型工作條件下的任何增強(qiáng)措施進(jìn)行評(píng)估，例如MU-MIMO。因此需要更專業(yè)的測(cè)試環(huán)境。

那么，這種測(cè)試的目的是確定應(yīng)用MIMO能帶來(lái)什么好處（如果有的話），并在屏蔽了射頻、可重復(fù)的測(cè)試環(huán)境中對(duì)此進(jìn)行量化，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期合理、相對(duì)公平、逐項(xiàng)對(duì)比的設(shè)置。

目前最新的無(wú)線測(cè)試和性能評(píng)估方法取得了很大進(jìn)展，允許我們很好地配置這類平臺(tái)，進(jìn)行必要的測(cè)試和評(píng)估，很快得出可重復(fù)的結(jié)果，而且效率很高，使我們相信這些結(jié)果實(shí)際上可以作為Wi-Fi客戶和最終用戶在生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)MU-MIMO進(jìn)行設(shè)置的指南。

測(cè)試環(huán)境和程序

Farpoint集團(tuán)20多年來(lái)一直從事無(wú)線產(chǎn)品的測(cè)試，幾乎所有這些測(cè)試都是在自由空間中進(jìn)行的——在某一地點(diǎn)和具體物理環(huán)境的開(kāi)放空間中。由于射頻傳播特性是不確定的，考慮到多徑、建筑結(jié)構(gòu)以及各種各樣的信號(hào)衰減等造成的干擾，我們總是想通過(guò)各種程序性的措施來(lái)去掉外部因素的影響。這其中包括，使用頻譜分析儀對(duì)測(cè)試進(jìn)行監(jiān)視（當(dāng)然，一開(kāi)始就需要采用這種設(shè)備對(duì)頻譜狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估），至少在電池供電的客戶端使用轉(zhuǎn)盤消除天線方向影響，而且還需要多次測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)間都相對(duì)較長(zhǎng)（每次1.5～3分鐘），如果出現(xiàn)明顯的異常結(jié)果，則會(huì)再次運(yùn)行測(cè)試，替換掉這些結(jié)果。雖然我們相信這在測(cè)試時(shí)效果的確會(huì)非常好，而且實(shí)際上也建立了非常公平的測(cè)試環(huán)境，但是，不能保證結(jié)果會(huì)在另一種物理環(huán)境中重復(fù)出現(xiàn)，甚至也不能保證下一次測(cè)試能夠出現(xiàn)同樣的結(jié)果，無(wú)論采取什么措施都會(huì)有一定程度的不確定性。

近年來(lái)，隨著微波暗室的發(fā)展，并且出現(xiàn)了很多相關(guān)的、高度可編程和儀器化的測(cè)試設(shè)備，上面提到的無(wú)線測(cè)試狀態(tài)有了很大的改觀。微波暗室正是這樣一種半吸波環(huán)境，完全隔絕了外界的射頻輻射，建立了上面介紹的合理的、公平的測(cè)試環(huán)境。

把被測(cè)設(shè)備（DUT）放在這些暗室中，可以消除自由空間中固有的差異性。暗室內(nèi)可以連接射頻電纜，可以輕松地配置任意測(cè)試環(huán)境。某一物理環(huán)境中存在的差異性和前面提到的外部因素都不會(huì)再影響測(cè)試結(jié)果，能夠明確設(shè)備設(shè)置甚至DUT本身的差異，因此，多次測(cè)試的結(jié)果也是可重復(fù)的。

我們測(cè)試所使用的暗室是由octoScope公司制造的，是其octoBox產(chǎn)品線的一部分，如下圖所示。

這一測(cè)試還使用了octoScope提供的其他單元，包括PalTM 2伴隨裝置設(shè)備模擬器，我們將其作為測(cè)試中的DUT，模擬客戶端設(shè)備和802.11ac Wave 2接入點(diǎn)。Pal 2是基于高通的Wi-Fi芯片組，采用了定制驅(qū)動(dòng)程序、固件和相關(guān)軟件，這些定制實(shí)現(xiàn)了高度的可配置性，可以在基于瀏覽器的用戶界面中方便的進(jìn)行配置。我們使用了一個(gè)Pal 2來(lái)模擬一個(gè)四路流AP，每次測(cè)試配置的不同之處僅在于啟用和禁用MU-MIMO。

模擬一路流客戶端的其他三個(gè)Pal 2設(shè)備放在了第二個(gè)octoBox中，啟用兩個(gè)和三個(gè)客戶端來(lái)運(yùn)行測(cè)試，每次測(cè)試都啟用和禁用MU-MIMO。我們之所以使用一路流，是因?yàn)槲覀冋J(rèn)為，大多數(shù)客戶端會(huì)采用這種配置方式，最大限度地發(fā)揮MU-MIMO的優(yōu)勢(shì)，提高全系統(tǒng)容量以及單個(gè)設(shè)備的吞吐量。測(cè)試配置的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)下頁(yè)。

因此，我們相信這一策略足以說(shuō)明MU-MIMO有助于提高性能和系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

我們使用了octoScope新的octoBox軟件套件的beta版本（下面的截圖），在一個(gè)基于瀏覽器的界面中把所有octoScope產(chǎn)品的控制功能和相關(guān)產(chǎn)品統(tǒng)一在一起，包括可編程衰減器、信道模擬器等單元。

因此，很容易設(shè)定、設(shè)計(jì)、實(shí)施和執(zhí)行這里所要求的測(cè)試，時(shí)間和投入要比自由空間方法少很多，而且這里的核心工作就是對(duì)比，對(duì)比的準(zhǔn)確度會(huì)更高。

octoBox軟件套件包括流行的iperf3基準(zhǔn)測(cè)試工具，可以用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，對(duì)于這一測(cè)試，我們使用80 MHz通道，TCP和UDP（當(dāng)然，每個(gè)分開(kāi)運(yùn)行）作為傳輸層協(xié)議，設(shè)定為無(wú)限帶寬，每次運(yùn)行測(cè)試時(shí)，以每分鐘128KB突發(fā)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)（128KB數(shù)據(jù)包）。每次運(yùn)行時(shí)，RSSI被保持在-41 dBm（通過(guò)quadAtten單元進(jìn)行調(diào)整），這是隔離測(cè)試環(huán)境的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)試結(jié)果

每次測(cè)試運(yùn)行的前十秒數(shù)據(jù)被丟棄，以適應(yīng)關(guān)聯(lián)客戶端開(kāi)始接收數(shù)據(jù)流時(shí)可能出現(xiàn)的任何速率適配過(guò)程。下圖顯示了運(yùn)行某一次測(cè)試后的輸出，在這種情況下，有3個(gè)客戶端啟用了MU-MIMO。

在運(yùn)行過(guò)程中，屏幕右側(cè)實(shí)時(shí)顯示了輸出曲線。下表包含了使用TCP和UDP分別運(yùn)行的四次測(cè)試結(jié)果。

可以看出，總體上，在每種情況下應(yīng)用MIMO能夠很好的提高性能——而且，每次運(yùn)行還是不需要修改設(shè)置或者配置。

討論和結(jié)論

當(dāng)然，我們并沒(méi)有暗示任何商用AP和客戶組合都能夠?qū)崿F(xiàn)我們?cè)谶@里所展示的結(jié)果。通常情況下，具體環(huán)境下端點(diǎn)的特定組合將產(chǎn)生一組特定的吞吐量結(jié)果，這些結(jié)果可能會(huì)隨范圍、運(yùn)動(dòng)、時(shí)間和具體物理環(huán)境的性質(zhì)而變化。

但在這里我們的目標(biāo)只是研究MU-MIMO的能力，我們確實(shí)認(rèn)為MU-MIMO非常有利于發(fā)揮某些Wi-Fi設(shè)備的最大價(jià)值。另外，MU-MIMO有助于減少在Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施上的投資，否則在很多情況下都需要大量的投資才能滿足容量要求。

要完成MU-MIMO客戶端基本建設(shè)可能需要兩到四年的時(shí)間，802.11ac Wave 2基礎(chǔ)設(shè)施投資的價(jià)值才能充分體現(xiàn)出來(lái)。而802.11ax是與802.11ac Wave 2后向兼容的，因此，由于WLAN容量限制而要求立即更新到該技術(shù)的壓力在很多情況下會(huì)有所減輕，從而延長(zhǎng)了802.11ac Wave 2的應(yīng)用時(shí)間，提高了投資回報(bào)。

我們預(yù)計(jì)，在802.11ax中實(shí)現(xiàn)MU-MIMO要比前一代的改進(jìn)更大，所以分階段分步驟升級(jí)到這一新技術(shù)將會(huì)得到很好的投資回報(bào)。

那么，這項(xiàng)工作的結(jié)論是MU-MIMO確實(shí)會(huì)給Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)很大的好處，否則就會(huì)遇到瓶頸?，F(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景最大的障礙可能在于把基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)到802.11ac Wave 2的要求，而且要有一定量的客戶端。我們相信，企業(yè)最終用戶的疑惑從此會(huì)越來(lái)越少。

即使采用了類似我們?cè)谶@里使用的復(fù)雜測(cè)試環(huán)境，仍然要考慮可能影響性能的各種實(shí)際場(chǎng)景，這一點(diǎn)非常重要。這包括漫游（我們沒(méi)有在這里進(jìn)行測(cè)試，因此這會(huì)帶來(lái)一小段無(wú)連接時(shí)間，與非MU—MIMO數(shù)據(jù)流的情況相同），額外的客戶端負(fù)載，特定于供應(yīng)商的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)和服務(wù)能力等級(jí)，以及類似的問(wèn)題等。不過(guò)，我們認(rèn)為，采用MU-MIMO一定會(huì)帶來(lái)好處。

Craig Mathias——《網(wǎng)絡(luò)世界》負(fù)責(zé)人

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