【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别

目录

1.序言

2.OFDMA

2.MU-MIMO

3.MAC层部分(MU-MIMO和OFDMA)

4.结语

 5.参考


1.序言

        笔者将自己对于802.11ax中的MU-MIMO和OFDMA的区别做了一个简单的总结。因为很多非通信技术专业的童鞋,关于这两项技术不是很清楚区别。同时,这两项技术在MAC层的接入机制上有很高的类似性,两种物理层的接入机制是基于同一个框架的。所以这里笔者大致按照自己的理解,把笔记做了一下。

        OFDMA和MU-MIMO是两种不同的技术,二者独立存在,并可以叠加使用。这两者的共性是,这两种技术在同一个时间都可以让多个用户同时接入。除此之外,(目前在NOMA中采用被采用的) SIC(串行干扰消除)与CDMA也可以做到这一点。以下分开讨论下。 

2.OFDMA

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第1张图片 OFDMA RU示意图

        OFDMA是基于OFDM的物理层技术,其将频谱资源分割成多个频谱资源块,分配给多个节点同时使用。其没有多天线的要求,在单天线条件下,也可以做到OFDMA。

        OFDMA中的资源是时频资源,可以理解成横轴是时间轴,纵轴是频谱轴,然后按照网格划分成多个资源片段,在Wi-Fi中称为RU,LTE里面称为RB。资源片段会根据需求被分配到各个用户上。这里要区分上下行,如果是下行的话,那么AP或者eNodeB(LTE里面基站概念),直接发送一个数据帧即可,当然,该帧内部的资源映射关系是提前告知用户的,Wi-Fi帧中是通过Trigger帧告知,LTE是在RLC子层建立连接的时候告知,然后节点对应解调的。用户实际上可以解调所有的信息,即全部片段都可以解调,然后根据映射关系,选取自己的信息即可。安全性是通过数据层的加密完成的。

        上行的话,Wi-Fi是允许上行的OFDMA,LTE上行不采用OFDMA,采用的是SC-FDMA。OFDM有一个问题就是PAPR,峰均比,也就是所有的子载波由于是周期成倍数关系的,所以如果所有子载波都是加载相同数据的时候,出来的峰值就是所有子载波上单位峰值的叠加。如果大家都是1,那么这个1冲到很高,如果大家都是0,那么就是0,换言之是0(打个比方,虽然传输的时候是用双极性的,所以不会有0的存在)。(这样峰值和均值的区间很大,就会对放大器的工作区有要求)

  • LTE子载波多,一共2048个,所以峰均比空间大,最后就没有采用OFDMA做上行。LTE的上行是SC-FDMA。主要原因是PAPR高,但是不是技术不可行,是相应实现时候,PA需要更高的成本,以及会产生更高的功耗。
  • Wi-Fi子载波最多256个(上述都是在20MHz信道带宽下),所以峰均比还可以承受,所以上行可以允许OFDMA。

        目前OFDMA在Wi-Fi 6里面是一次性添加了上行和下行,下行在整个接入过程中很简单,AP抢到的信道,然后发送即可。上行接入的时候包含了有两种接入方式,一共是基于竞争的(就是UORA),一种是基于非竞争的,也就是基于BSR的,缓存情况,根据节点的缓存情况,AP进行资源分配,然后告知。其实搞两种接入方式也是和LTE类似的,LTE中在PRACH信道上也有两种接入模式,基于竞争和基于非竞争,基于竞争的是随机选择竞争序列(也就是竞争所采用的Code),而非竞争的则是通过eNodeB指定。这点上LTE和WiFi 6在框架上是类似的。

        在这里还需要注意的一个是,OFDMA和CDMA一样,存在远近效应。其含义是接收方,也就是AP,在接收信号的时候,需要所有节点发送到AP处的信号功率,近似相等。如果功率差异过大,那么就不能够很好解调了。(功率差异大就是用SIC技术,而不是OFDMA技术了)。

         所以在上行发送的时候,触发帧实际上包含了三个重要信息,1)资源分配,2)发送速率指定,3)功率指定。通过以上技术,在OFDMA的场景下,Wi-Fi基本和LTE能够做到的差不多了,精准的频谱资源分配。

2.MU-MIMO

        MU-MIMO是基于多天线技术的,这个技术的物理层是多天线技术。多天线可以实现多种技术,不仅仅是MU-MIMO,如下图所示: 

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第2张图片

        上图中,我们可以看到多天线可以做CSD,TxBF,STBC,SDM,MRC等等,这些技术全部在802.11协议中都有应用。这里细节很多,本文不展开了,相关技术我可能会在该技术用到地方再提到。

        MU-MIMO的实现是结合波束成型的,波束成型有两种实现方式,一种是智能天线波束成型,一种是基于全向天线的波束成型。在CWNA一书中,已经给出了其定义。

具体描述如原文:

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第3张图片

翻译版:

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第4张图片

        MIMO包含2D-MIMO和3D-MIMO两种,目前5G NR已经有3D-MIMO的波束了,Wi-Fi 6里面还停留在2D-MIMO上。打个比方就是说利用定向天线,天线辐射可以参考手电筒打光,波束的概念就是从光束来的,手电筒打的光就是定向的光束,同理,定向天线辐射的信号就是定向的波束。如果发送和接收方同时用两个手电筒打信号,那么一次性就可以传递更多的信息,这种多天线的发送方式就是MIMO。

        MIMO和全双工存在区别,MIMO模式下两根天线,只能够同时处于发送,或者接收状态。而全双工可以一根天线是发送状态,一根是接收状态。(PS:全双工也可以通过EBD之类的设备,一根天线实现全双工,这里不加以讨论)

        MIMO的概念比较多,是针对多根天线而言的,主要是两个概念分集和复用。如果有多个通路的时候,比如有两个通路。我们可以简单理解如下,如果两个通路传同一个信息,那么就是分集。如果两个通路传两个不同的信息,那么就是复用。在802.11协议的相关培训书籍里面,这个概念实际上给的是比较粗的解释,MIMO 实际上是分集和复用结合的技术,波束成型是发送分集。

        在我们常用的路由器中都是配备了全向天线。利用全向天线实现定向天线实际上是基于干涉抵消的机制来做的,通过预编码,让数据流通过两根天线具有一定的相位差发送出去,达到接收方接收功率叠加,或者干扰方接收功率抵消的效果。

                预编码可以通过数字编码的形式添加相位差,目前Wi-Fi就是采用这一种。移动通信(比如LTE或者5G NR)里面方式多了一种是电相位差,是通过基带连接到RF这一段的线路上,通过线路的长度差异来做相位差。总之,有了相位差就可以做波束成型了。2维平面上的干涉抵消就是2D-MIMO,3维平面就是3D-MIMO了。

然后需要回顾下,基于MIMO技术,可以做到多发多收。基本的MIMO就是,一个发送者有两根天线,一个接受者有两根天线,发送者一次用两根天线发,接受者用两根天线收,然后两倍传输速率,这个就是802.11n时代做的MIMO技术。

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第5张图片

         多天线不等于MIMO,在802.11g时代,就有多天线了,Cisco当时的经典路由WRT54M就是多天线的,但是这个不是做MIMO,是做天线选择(实际上也是分集的一种),一次只用一根天线发,但是有可能用左天线,有可能用右天线,也有可能交替(技术上这属于发送分集)。在DD-WRT下我们还可以看到这个选项,如下图

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第6张图片

          MIMO是两根天线同时发,同时在物理上两根天线需要差半个波长距离,另外两根天线不能够发送相同的信息,要编码之后,否则就会存在默认的干涉效果,对通信无意义。经过预编码后,两根天线才可以同时发送(编码后的对应两根天线上的数据不同)。

        LTE,5G NR和Wi-Fi相比,在波束这一块思想差不多,不过具体实现的时候取目标函数会有点区别,前两者可能偏向波束追踪,也就是目标接收功率最大化,Wi-Fi里面是偏向对其他人的干扰最小化(比如interference nulling技术),用干扰抵消的原理来说明,就是前两者偏向干涉叠加最大,后者偏向干涉抵消最强,这会影响一些预编码结构的设计。所以Wi-Fi强调的是多个波束覆盖到多个用户,各个用户之间不会进行干扰。

        在Wi-Fi中,802.11ac仅仅支持下行的MU-MIMO传输。到802.11ax,也就是wi-fi 6以后才支持上行的MU-MIMO传输。

3.MAC层部分(MU-MIMO和OFDMA)

        在MAC层协议部分,MU-MIMO的传输和OFDMA传输的过程很像,都是一开始一个TF帧,然后开始一个传输。两个可以叠加,不过先导过程不一样。

  • OFDMA过程的先导是BSRP,BSR过程,就是问缓存情况,然后做OFDMA资源分配。如果没有先导过程的话就是UORA,基于随机接入的竞争模式。协议中还有一个BQRP,类似于BSRP但是关注的参数不一样,这也是用来做资源分配预判的,这里就不展开了。
  • MU-MIMO的先导过程是NDPA,NDP,beamforming reporting,这样的过程是一个测量过程,测量每一个节点的信道状态,也就是CSI,然后基于该CSI做预编码(协议里面要旋转矩阵)。

        同时我们需要注意的是,这两个先导机制都包含了主动模式和被动模式(也就是隐式反馈的模式),这也说明了两者在MAC层协议上的类似性。

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第7张图片 NDP过程

         另外这两个先导的过程,NDP和BSR过程也可以结合起来一起使用,如下图

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第8张图片

         有了测量矩阵才可以做编码,所以MI-MIMO会做这样的过程。协议没有给定BSR,NDP这样的测量过程和传输过程的关系,所以不是每一次传输都需要测量一次,可选,也可不选。测量周期也是给开发商自己搞定的。关于NDP过程而言,其实与应用场景有关,Wi-Fi大概是100ms左右就可以了,这个从理论上有一个概念,叫做海森堡时间。

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第9张图片

        然后有了BSP和NDP过程后,就可以执行一次传输了。这个传输过程内,可以做MU-MIMO,可以做OFDMA,也可以做OFDMA+MU-MIMO,协议不规定,给开发商自己折腾的。但是前提是要先导过程,有获取了足够信息。

        还有点需要注意的是,目前Wi-Fi协议都是任意长数据帧的,不像LTE,5G NR一样,始终是按照一个小资源片的时间封帧,也就是其帧,半帧之类大小都是固定的,所以没有帧长度不等的问题。

        Wi-Fi中只有一个最大帧传输时间和最大帧长度的限制,这个大小随着协议演进过程中是有变化的。下图所示是截至802.11ac目前的最大值:

【WiFi】Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别_第10张图片

        在Wi-Fi中,由于是多用户同时传输,无论上行还是下行,都是存在帧长度不等的。一个基本思想是补,补随机的东西弄到长度相等。在802.11ac里面,由于只有下行发送,所以发送时间是按照最长帧来的,其他短的不够就补。在802.11ax里面,由于引入上行传输,那么传输时间是AP猜的,根据BSR之类的信息来猜的,所以这段时间有可能会长,长就补0,如果短的话,那么引入了一个新概念,就是动态帧切片,把帧给切短了,然后发送。以上这点在动态帧切换中我们已经讨论过了,所以这里就不展开了。

4.结语

        以上,笔者大致把802.11ax中相关MU-MIMO和OFDMA的技术内容做一个技术笔记,本文仅仅偏向于技术笔记,以为很多物理层相关技术,尤其是MIMO的包含很多定义明确的概念,但是本文并没有考究。故本文如果有不对的地方,还请见谅。

 5.参考

Wi-Fi 6(802.11ax)解析24:802.11ax中MU-MIMO和OFDMA的区别 - 知乎 (zhihu.com)

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