多用户作业技术MU—MIMO浅析

邱丰

摘 要：WiFi无线网络技术的下一轮革命已经悄悄来临，而MU-MIMO，就是开启大门的钥匙。2014年高通展示了全球首款支持MU-MIMO技术的VIVE 4-stream 802.11ac芯片组，效率比现有802.11ac提高了两到三倍。这项技术是一次从0到1的巨大飞跃。今后若干年时间内，只要是WiFi网络所及之处，你将无数次看到它的身影，并真正从中受益。

关键词：WIFI；MU-MIMO；OFDMA；多用户

1 MU-MIMO

802.11ax标准采用了两种作业模式，分别是单一使用者与多使用者。在单一用户序列模式中，只要无线STA一取得媒体存取权，就会每次进行一个数据传送和接收作业。在多用户模式下，可同步进行多个非AP STA作业。标准会将此一模式进一步划分成下链和上链多使用者。下链多使用者是指由AP同时提供给多个相关无线STA的数据。现有的802.11ac已具备这项功能。上链多使用者则涉及同时从多个STA传输数据至AP。这是802.11ax标准的新功能，且不存在于任何旧版Wi-Fi标准中。在多用户作业模式中，标准也会指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务：多使用者MIMO（MU-MIMO）和正交频分多任务存取（OFDMA）。无论为上述何种方式，AP都会充当多用户作业内的中央控制器，这点与LTE基地台用来控制多使用者多任务的方式相似。此外，802.11ax AP也可将MU-MIMO和OFDMA作业结合在一起。

在MU-MIMO方面，802.11ax装置会效法802.11ac实作，使用波束成形技术将封包同步导向位于不同空间的使用者。换言之，AP将为每位用户计算通道矩阵，然后将同步波束导向不同用户，而每道波束都会包含适用于所属目标用户的特定封包。802.11ax每次最多可传送8个多使用者MIMO传输，远高于802.11ac的4个。此外，每个MU-MIMO传输都具备专属的MCS以及不同数量的空间串流。打个比方，使用MU-MIMO空间多任务时，AP的角色就等同于以太网络交换器，能减少自大型计算机网络至单一端口的网域冲突。

MU-MIMO上链导向提供了一项新功能：AP将透过触发讯框的方式启动来自每个STA的同步上链传输。当多使用者的響应与自身的封包一致时，AP就会将通道矩阵套用至已接收的波束，并区分每道上链波束包含的信息。另外，如图2-5所示，AP也能启动上链多使用者传输，以接收来自所有参与STA的波束成形反馈信息。

2 MU-OFDMA

在MU-OFDMA部分，为了让相同通道带宽的更多用户进行多任务，802.11ax标准采用了4G行动技术领域中的正交频分多任务存取（OFDMA）。802.11ax标准以802.11ac所用的正交频分多任务（OFDM）数字调变架构为基础，会将特定子载波集进一步指派给个别使用者。这表示它会使用数量已预先定义的子载波，將现有的802.11通道（20、40、80和160MHz宽）画分成较小的子通道。此外，802.11ax标准也仿效现代化的LTE专有名词，将最小的子信道称为「资源单位」（RU），而当中至少包含26个子载波。 AP会根据多使用者的流量需求来判断如何配置信道，持续指派下链中所有可用的RU。它可能会将整个信道一次配置给一名用户，如同现行的802.11ac，也有可能将通道进行分配，以便同时服务多使用者在使用者密集环境中，许多使用者通常会透过成效不彰的方式争取使用通道的机会，现在，OFDMA机制会同时为多使用者提供较小（但专属）的子通道，进而改善每位用户平均传输率。最小的通道可在每20MHz的带宽中容纳多达9名使用者。

3 多用户上链作业

为了协调上链MU-MIMO或上链OFDMA传输，AP会将一个触发讯框传送给所有使用者。这个讯框会指出每位使用者的空间串流数量和/或OFDMA配置（频率和RU大小）。此外，当中也会包含功率控制信息，好让个别用户可以调高或调低其传输功率，进而平衡AP自所有上链使用者接收到的功率，同时改善较远节点的讯框接收情况。AP也会指示所有使用者何时可以开始和结束传输。AP会传送多使用者上链触发讯框，告知所有使用者何时可以一起开始传输，以及所属讯框的持续时间，以确保彼此能够同时结束传输。一旦AP收到了所有使用者的讯框，就会回传区块ACK以结束作业。

4 总结

802.11ax的主要设计目标之一，就是在使用者密集的环境中提供4倍以上的单一使用者传输率。为了实现此一目标，这项标准的设计人员指定802.11ax装置必须支持下链和上链MU-MIMO作业、MU-OFDMA作业，或是同时支持两者，以因应规模更大的同时用户数量。