Wi-Fi 6 的多用户技术

王姣姣，邵震，黄国瑾

（中国电信股份有限公司研究院，上海 200122）

1 引言

过去，Wi-Fi 协议的发展主要聚焦提供更高的峰值速率，随着物联网的不断发展，Wi-Fi 设备的数量不断增加，面对大量的用户数以及多种多样的业务需求，仅提供更高的峰值速率是不够的。需要基于用户的实际体验进行改进，提供足够的容量，保障终端增长的需求以及多样化应用场景的网络质量。为应对新的需求与挑战，任务组于2014 年正式成立，开发Wi-Fi 6 协议。Wi-Fi 6 主要聚焦高密度场景的性能改善，大幅提升传输容量。主要改进目标[1-3]如下。

• 系统性能提升：对于高密度场景，至少提升4 倍的每用户平均吞吐率，改善终端的功耗，降低通信时延。

• 频谱效率提升：提高无线频谱利用率，提供邻近设备干扰管理的能力，以改善高密度部署场景的性能[4]。

• 频段：支持传统的2.4 GHz 频段和5 GHz频段，新增6 GHz 频段。

可以看到，Wi-Fi 6 的改进目标并没有最大吞吐率的要求，而是聚焦高密度场景的多用户性能提升、效率提升等方面，向更贴近用户场景的方向迈进。本文围绕Wi-Fi 6 的多用户技术，详细分析正交频分多址（orthogonal frequency 2ivision multiple access，OFDMA）、多用户多进多出（multiuser multiple input multiple output，MU-MIMO）和MU-RTS/CTS 的技术原理，梳理多用户场景通信流程，并分析Wi-Fi 6 理论最大并发用户数。

2 多用户技术

为提升多用户性能，Wi-Fi 6 引入OFDMA 和上行MU-MIMO，OFDMA 将频域划分成大小不同的资源单元，让不同用户使用不同子载波同时接入信道；上行MU-MIMO 通过空间复用让多个用户在同一时间接入信道。两者可独立存在，也可以叠加使用。同时，为了保障多用户通信性能，引入MU-RTS/CTS 流程，保护无线访问接入点（access point，AP）与多个节点的传输机会（transmission opportunity，TXOP）。

2.1 OFDMA

OFDMA 是基于正交频分复用（orthogonal frequency 2ivision multiplexing，OFDM）的物理层技术，在传统的OFDM 技术中，一个物理层协议数据单元（PHY protocol 2ata unit，PPDU）中所有子载波只能用于和单一用户通信；OFDMA 技术将频域划分成不同大小的资源单元（resource unit，RU），分配给不同的用户进行并发通信[5]。使用OFDMA 技术有如下优点。

• 根据用户数据量进行量体裁衣，减少频谱浪费，提升频谱效率。

• 减少前导（preamble）、帧间隙（SIFS 等）和竞争退避（contention）的时间消耗[6]，降低多用户并发场景的通信时延，以下行OFDM 与OFDMA 的传输时序为例，说明OFDM 和OFDMA 的差异，下行OFDM 与OFDMA 的传输时序如图1 所示。

Wi-Fi 6 的OFDMA 实现中，无论是上行还是下行，资源分配都由AP 完成，资源分配的单位为RU，每次可为单个用户分配1 个RU。为满足多种数据需求，Wi-Fi 6 定义了几种不同大小的RU，在一次资源分配中，可为不同用户分配不同大小的RU。不同带宽的PPDU 包含不同大小RU的最大数量见表1。

图1 下行OFDM 与OFDMA 的传输时序

表1 不同工作带宽下的RU 数量配置[7]

在下行OFDMA 流程中，AP 知道要发给各个终端的数据量，直接发送一个数据单元HE MU PPDU（一种新定义的用于发送下行多用户数据的物理层数据单元格式）即可，该PPDU的HE-SIG-B字段携带了内部的资源映射关系，主要包括RU分配的方案、MU-MIMO 复用的用户数、各个终端的标识及其数据使用的空间流、MCS 和编码方式。终端解析HE-SIG-B 后，根据携带的资源映射信息解析其对应的数据。

在讲述上行OFDMA 流程前，先引入3 个重要的概念。

• Trigger 帧：一种控制帧，用于请求一个或多个HE TB PPDU，在上行OFDMA 中用于向一个或多个用户分配RU 资源。

• HE TB PPDU：一种新引入的物理层数据协议单元，用于传输响应Trigger 帧的PPDU，主要用于上行的OFDMA/MU-MIMO，收到AP 发送的Trigger 帧后，发送数据。

• 缓存状态报告（buffer status report，BSR）：用于上报终端的缓存状态，可以承载在任意帧的QoS control fiel2 或BSR control subfiel2 中，或者通过HE TB PPDU 发送。在上行OFDMA 流程中，AP 由于不知道每个终端待发送的数据量，需要通过缓存状态报告获取终端的缓存情况。终端上报缓存报告可分为两种工作模式。

• 主动模式，终端在发给AP 的任意帧的QoS control fiel2 或BSR control subfiel2 中携带BSR。

• 被动模式，AP 发送类型为获取缓存状态报告（buffer status report poll，BSRP）的Trigger 帧请求终端上报 BSR，终端在Trigger 帧分配的RU 上反馈BSR。Wi-Fi 6还提供另一种可选机制，无须获取终端的BSR，基于随机接入的竞争模式，即上行基于OFDMA 的随机接入（uplink OFDMA-base2 ran2om access，UORA）过程。UORA 流程由AP 发起，发送Trigger 帧携带用于随机接入的RU，即RA-RU；无线终端（station，STA）则维护一个内部的OFDMA 竞争窗口（OFDMA contention win2ow，OCW）和随机数OBO（介于0到OCW），通过判断OBO 与RA-RU 数之间的关系，判断是否随机接入成功，UORA的接入过程具体流程如图2 所示。

2.2 MU-MIMO

MU-MIMO 是基于多天线的多用户技术，多个天线可以看作多个传输通道，不同的传输通道可分配给不同的用户，利用天线的空域资源与多个用户同时进行通信。Wi-Fi 6 在Wi-Fi 5的基础上，新增上行MU-MIMO，由AP 控制多个用户的空间流分配，提升上行容量。同时，Wi-Fi 6 还提供了MU-MIMO 与OFDMA 叠加使用的可能，对于大于或等于106 子载波的RU均支持MU-MIMO 复用，单个RU 内复用的空间流数不超过8。MU-MIMO 与OFDMA 同时使用，需要AP 和终端支持部分带宽MU-MIMO。HE MU PPDU 的HE-SIG-B 字段如图3 所示，说明Wi-Fi 6 如何实现MU-MIMO 与OFDMA叠加使用。

图2 UORA 的接入过程

图3 HE MU PPDU 的HE-SIG-B 字段

下行MU-MIMO 采用HE MU PPDU 进行发送，上行MU-MIMO 采用与上行OFDMA 相同的Trigger 机制。在下行MU-MIMO 过程中，AP 需要获取信道状态信息（channel state information，CSI），基于CSI 计算空间映射矩阵（steering matrix），AP 使用HE TB soun2ing（AP 发送类型为BFRP（beamforming report poll）的Trigger 帧，终端使用HE TB PPDU 反馈相应的CSI）流程请求多个终端同时反馈CSI。

2.3 MU-RTS/CTS

为了解决隐藏节点问题，引入RTS/CTS 机制保护发送方和接收方的正常通信。在Wi-Fi 6 之前，RTS/CTS 流程是双向的，由数据发送方发起（既可以是AP 也可以是终端），但只能是点对点的交互，保护AP 与单个终端TXOP 的帧交互。Wi-Fi 6 允许多个用户并发通信，因此引入MU-RTS/CTS 机制，保护AP 与多个目标终端通信的TXOP 的帧交互。该流程由AP 统一管理并发起，AP 通过向多个目标终端发送类型为MU-RTS 的Trigger 帧，请求多个终端同时反馈CTS 响应（通过HE TB PPDU）。终端收到MU-RTS，经过SIFS 时间间隔后，进行载波侦听，载波空闲时反馈CTS。其他节点则根据MU-RTS和 CTS 帧中的 2uration 更新网络分配矢量（network allocation vector，NAV）定时器，并在定时器内保持静默。

2.4 运营模式指示

运营模式指示（operating mo2e in2ication，OMI）机制可用于AP 和STA 指示接收模式（receive operating mo2e，ROM）和发送模式（transmit operating mo2e，TOM）的变更。在ROM中包含两个参数用于修改UL MU 操作：UL MU Disable 和UL MU Data Disable，即对Trigger 帧的响应是否支持，可以切换多用UL OFDMA、UL MIMO 和单用户模式。

2.5 多用户技术应用场景分析

本次共介绍了3 个Wi-Fi 6 的多用户技术，不同的技术适用的场景不同。OFDMA 技术不能提升物理速率，而是通过频域向多个用户并发，提升多用户通信时的效率，其主要用于多用户小流量业务场景，降低传输等待时延。MU-MIMO 与OFDMA 应用场景不同，主要用于提升多用户并发的吞吐性能，在大流量传输场景更能体现其增益。同时，标准允许二者同时使用，可以满足更多样化的混合业务需求，提升混合业务场景的多用户性能。MU-RTS/CTS则用于保护多用户通信流程，但其并不是必选流程，AP 可根据数据量或TXOP 时长决定是否使用。

3 Wi-Fi 6 的并发用户能力

由于Wi-Fi 6 支持OFDMA 和MU-MIMO 同时使用，可以极大增加并发通信能力。当RU 分配方式如图4 所示时，其理论的并发用户数可达到最大，其中106 子载波RU 可以进行MU-MIMO复用，最多可同时分配给8 个1 流用户，因此，可以计算得到各种工作带宽下理论的并发用户最大值。

20 MHz：8+1+8=17 个用户；

40 MHz：8+1+8+8+1+8=34 个用户；

80 MHz：8+1+8+8+1+8+1+8+1+8+8+1+8=69个用户；

160 MHz 和80 MHz+80 MHz 为2 个80 MHz的组合，即69+69=138 个用户。

图4 不同工作带宽下最大并发用户数的RU 分配

图5 Wi-Fi 6 的两种上行通信流程

4 多用户场景的通信流程

4.1 上行通信流程

Wi-Fi 6 中由AP 控制多个终端同时进行上行数据发送，因此，先要获取BSR 信息或者采用UORA 流程，随后AP 根据各个终端的缓存情况分配RU，并下发Trigger 帧（类型为Basic），请求各终端同时发送上行数据HE TB PPDU。在通信过程中，AP 可根据需要发起MU-RTS/CTS 流程，保护此次上行数据发送的TXOP。

使用Trigger 帧（类型为BSRP）主动获取BSR信息或采用UORA 流程作为先导的两种上行通信流程如图5 所示。

（1）场景一

1）BSR 获取流程：AP 发送类型为BSRP 的Trigger 帧，该Trigger 帧中包含4 个STA（连接到无线网络的终端）的AID（association i2entifier，终端标识）信息及其分配的RU，4 个STA 在分配的RU 上发送HE TB PPDU，HE TB PPDU 承载至少一个QoS Null frame，该QoS Null frame 至少包含QoS Control fiel2 和BSR Control subfiel2 中的一个，QoS Control fiel2 和BSR Control subfiel2包含当前buffer 的队列大小，且该QoS Null frame无须立即反馈ACK。

2）MU-RTS/CTS 流程（可选）：AP 可根据数据大小或TXOP 时长决定是否发起该流程，MU-RTS/CTS 与BSR 获取的先后顺序，标准未限定，与AP 实现相关。

3）上行数据发送流程：AP 根据STA 反馈的缓存情况，决定RU 分配方式，并发送类型为Basic的Trigger 帧，该Trigger 帧内包含4 个STA 的AID 信息及其资源分配信息（包括上行报文的时长、RU、编码、MCS、起始空间流及总空间流数等）。STA 收到Trigger 帧后，根据资源分配信息，发送相应的上行报文HE TB PPDU，对于数据量发送不够的STA，需要填充至长度一致（如图5中的STA3）。AP 收到上行数据后，通过Multi-STA BlockAck（新引入的一种BlockAck 类型，同时携带多个终端的BlockAck 信息）同时给4 个STA反馈BlockAck。

（2）场景二

1）AP 下发类型为Basic 的Trigger 帧，包含4 个用于关联STA（AID=0）随机接入的RU。

2）STA1 初始OBO=3，小于RA-RU 数，随机接入成功并选择RU1 发送数据；STA2 初始OBO=5，大于RA-RU 数，随机接入失败，更新OBO=5－4=1，并等待下一次UORA；STA3 初始OBO=6，大于RA-RU 数，随机接入失败，更新OBO=6－4=2，并等待下一次UORA；STA4 初始OBO=2，小于RA-RU 数，随机接入成功并选择RU3 发送数据。

3）AP 收到上行数据后，通过Multi-STA BlockAck 同时给STA1 和STA4 反馈BlockAck。

4）AP 下发类型为Basic 的Trigger 帧，包含2 个用于关联STA（AID=0）随机接入的RU，以及分配给STA1 和STA4 继续发送上行数据的

RU。

5）STA2 和STA3 随机接入成功，分别选择RU1 和RU2 发送上行数据，STA1 和STA4 则在分配的RU 上发送数据。

6）AP 通过Multi-STA BlockAck 同时给4 个STA 反馈BlockAck。

另外， 在场景二中同样也可以增加MU-RTS/CTS 流程。

图6 Wi-Fi 6 的下行通信流程

4.2 下行通信流程

在下行方向，AP 是通过HE MU PPDU 向多个终端同时发送数据，并在该PPDU 中携带类型为MU-BAR 的Trigger 帧请求多个终端同时反馈BlockAck。对于DL MU-MIMO，还需要获取下行CSI，下行通信流程如图6 所示。

（1）CSI 获取流程：此过程为DL MU-MIMO场景所需，不是每次数据发送过程中都需要，由AP 决定CSI 的获取周期。AP 首先发送的HE NDP Announcement 为MAC 控制帧，包含需要反馈CSI的目标STA 标识、测量的频率位置、反馈的类型（MU beamforming、SU beamforming、CQI）以及测量涉及的参数；经过一个SIFS 间隔，发送HE soun2ing NDP，为一个HE SU PPDU，该PPDU没有Data 部分，用于终端进行测量；再经过一个SIFS 间隔，发送类型为BFRP 的Trigger 帧，请求多个目标终端同时反馈CSI；终端在收到BFRP Trigger 后，在分配的RU 上反馈CSI。

（2）MU-RTS/CTS 流程（可选）：AP 可根据待发送的数据量或TXOP 持续时间决定是否发起该流程。

（3）下行数据发送流程：AP 发送HE MU PPDU，该PPDU 中的HE-SIG-B 字段包含各个用户的RU 分配位置、STA 标识、MCS、空间流等信息；同时为了请求多个 STA 同时反馈BlockAck，AP 可以在HE MU PPDU 中同时携带MU-BAR Trigger；各终端收到PPDU 后，在相应RU 的频率位置解析其数据包，并在MU-BAR Trigger 中为其分配的RU 上同时反馈BlockAck。如果PPDU 中不携带Trigger 帧，则各终端需要依次竞争信道并反馈BlockAck。

5 结束语

相对于前几代Wi-Fi 技术，Wi-Fi 6 具备更高的传输速率、更大的并发容量、更低的传输时延，这些提升使得其适合更多的应用场景，既可以满足智慧家庭4K/8K、AR/VR、网络游戏、智慧家庭智能互联等业务的高效承载，也可用于学校、车站、商场、生产等高密并发场景。总之，Wi-Fi 6 技术将会是一次令人激动的无线技术革新，为更多商业模型和应用场景提供了更有力的支撑，也给人们带来前所未有的网络体验。

Wi-Fi 6 在多用户性能的增强是显著的，通过OFDMA 和MU-MIMO 的引入以及叠加使用，极大地增加并发用户数，并降低通信时延，满足不同业务的QoS 需求。多用户技术引入后，对AP的要求也越来越高，无论上行还是下行，资源分配、调度均由AP 统一管理，AP 的功能进一步向移动基站靠拢。标准定义中只会定义RU 资源分配的基本机制，不会涉及具体分配的算法，因此不同AP 厂商的实现会有差异。同时，Wi-Fi 6 标准于2021 年2 月发布，且2019 年Wi-Fi 联盟推出的Wi-Fi 6 认证1.0[8]，也仅涵盖了Wi-Fi 6 标准中部分技术特性的功能性验证，不涉及Wi-Fi 6设备的性能评估，因此，Wi-Fi 6 的多用户技术性能，有待产品设备的功能进一步提升后通过试验进行合理评估。