多用戶作業技術MU—MIMO淺析

邱豐

摘 要：WiFi無線網絡技術的下一輪革命已經悄悄來臨，而MU-MIMO，就是開啟大門的鑰匙。2014年高通展示了全球首款支持MU-MIMO技術的VIVE 4-stream 802.11ac芯片組，效率比現有802.11ac提高了兩到三倍。這項技術是一次從0到1的巨大飛躍。今后若干年時間內，只要是WiFi網絡所及之處，你將無數次看到它的身影，并真正從中受益。

關鍵詞：WIFI；MU-MIMO；OFDMA；多用戶

1 MU-MIMO

802.11ax標準采用了兩種作業模式，分別是單一使用者與多使用者。在單一用戶序列模式中，只要無線STA一取得媒體存取權，就會每次進行一個數據傳送和接收作業。在多用戶模式下，可同步進行多個非AP STA作業。標準會將此一模式進一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。下鏈多使用者是指由AP同時提供給多個相關無線STA的數據。現有的802.11ac已具備這項功能。上鏈多使用者則涉及同時從多個STA傳輸數據至AP。這是802.11ax標準的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標準中。在多用戶作業模式中，標準也會指定兩種方式來為特定區域內更多用戶進行多任務：多使用者MIMO（MU-MIMO）和正交頻分多任務存取（OFDMA）。無論為上述何種方式，AP都會充當多用戶作業內的中央控制器，這點與LTE基地臺用來控制多使用者多任務的方式相似。此外，802.11ax AP也可將MU-MIMO和OFDMA作業結合在一起。

在MU-MIMO方面，802.11ax裝置會效法802.11ac實作，使用波束成形技術將封包同步導向位于不同空間的使用者。換言之，AP將為每位用戶計算通道矩陣，然后將同步波束導向不同用戶，而每道波束都會包含適用于所屬目標用戶的特定封包。802.11ax每次最多可傳送8個多使用者MIMO傳輸，遠高于802.11ac的4個。此外，每個MU-MIMO傳輸都具備專屬的MCS以及不同數量的空間串流。打個比方，使用MU-MIMO空間多任務時，AP的角色就等同于以太網絡交換器，能減少自大型計算機網絡至單一端口的網域沖突。

MU-MIMO上鏈導向提供了一項新功能：AP將透過觸發訊框的方式啟動來自每個STA的同步上鏈傳輸。當多使用者的響應與自身的封包一致時，AP就會將通道矩陣套用至已接收的波束，并區分每道上鏈波束包含的信息。另外，如圖2-5所示，AP也能啟動上鏈多使用者傳輸，以接收來自所有參與STA的波束成形反饋信息。

2 MU-OFDMA

在MU-OFDMA部分，為了讓相同通道帶寬的更多用戶進行多任務，802.11ax標準采用了4G行動技術領域中的正交頻分多任務存取（OFDMA）。802.11ax標準以802.11ac所用的正交頻分多任務（OFDM）數字調變架構為基礎，會將特定子載波集進一步指派給個別使用者。這表示它會使用數量已預先定義的子載波，將現有的802.11通道（20、40、80和160MHz寬）畫分成較小的子通道。此外，802.11ax標準也仿效現代化的LTE專有名詞，將最小的子信道稱為「資源單位」（RU），而當中至少包含26個子載波。 AP會根據多使用者的流量需求來判斷如何配置信道，持續指派下鏈中所有可用的RU。它可能會將整個信道一次配置給一名用戶，如同現行的802.11ac，也有可能將通道進行分配，以便同時服務多使用者在使用者密集環境中，許多使用者通常會透過成效不彰的方式爭取使用通道的機會，現在，OFDMA機制會同時為多使用者提供較小（但專屬）的子通道，進而改善每位用戶平均傳輸率。最小的通道可在每20MHz的帶寬中容納多達9名使用者。

3 多用戶上鏈作業

為了協調上鏈MU-MIMO或上鏈OFDMA傳輸，AP會將一個觸發訊框傳送給所有使用者。這個訊框會指出每位使用者的空間串流數量和/或OFDMA配置（頻率和RU大小）。此外，當中也會包含功率控制信息，好讓個別用戶可以調高或調低其傳輸功率，進而平衡AP自所有上鏈使用者接收到的功率，同時改善較遠節點的訊框接收情況。AP也會指示所有使用者何時可以開始和結束傳輸。AP會傳送多使用者上鏈觸發訊框，告知所有使用者何時可以一起開始傳輸，以及所屬訊框的持續時間，以確保彼此能夠同時結束傳輸。一旦AP收到了所有使用者的訊框，就會回傳區塊ACK以結束作業。

4 總結

802.11ax的主要設計目標之一，就是在使用者密集的環境中提供4倍以上的單一使用者傳輸率。為了實現此一目標，這項標準的設計人員指定802.11ax裝置必須支持下鏈和上鏈MU-MIMO作業、MU-OFDMA作業，或是同時支持兩者，以因應規模更大的同時用戶數量。