Wi-Fi 6 的多用戶技術

王姣姣，邵震，黃國瑾

（中國電信股份有限公司研究院，上海 200122）

1 引言

過去，Wi-Fi 協(xié)議的發(fā)展主要聚焦提供更高的峰值速率，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，Wi-Fi 設備的數(shù)量不斷增加，面對大量的用戶數(shù)以及多種多樣的業(yè)務需求，僅提供更高的峰值速率是不夠的。需要基于用戶的實際體驗進行改進，提供足夠的容量，保障終端增長的需求以及多樣化應用場景的網(wǎng)絡質量。為應對新的需求與挑戰(zhàn)，任務組于2014 年正式成立，開發(fā)Wi-Fi 6 協(xié)議。Wi-Fi 6 主要聚焦高密度場景的性能改善，大幅提升傳輸容量。主要改進目標[1-3]如下。

? 系統(tǒng)性能提升：對于高密度場景，至少提升4 倍的每用戶平均吞吐率，改善終端的功耗，降低通信時延。

? 頻譜效率提升：提高無線頻譜利用率，提供鄰近設備干擾管理的能力，以改善高密度部署場景的性能[4]。

? 頻段：支持傳統(tǒng)的2.4 GHz 頻段和5 GHz頻段，新增6 GHz 頻段。

可以看到，Wi-Fi 6 的改進目標并沒有最大吞吐率的要求，而是聚焦高密度場景的多用戶性能提升、效率提升等方面，向更貼近用戶場景的方向邁進。本文圍繞Wi-Fi 6 的多用戶技術，詳細分析正交頻分多址（orthogonal frequency 2ivision multiple access，OFDMA）、多用戶多進多出（multiuser multiple input multiple output，MU-MIMO）和MU-RTS/CTS 的技術原理，梳理多用戶場景通信流程，并分析Wi-Fi 6 理論最大并發(fā)用戶數(shù)。

2 多用戶技術

為提升多用戶性能，Wi-Fi 6 引入OFDMA 和上行MU-MIMO，OFDMA 將頻域劃分成大小不同的資源單元，讓不同用戶使用不同子載波同時接入信道；上行MU-MIMO 通過空間復用讓多個用戶在同一時間接入信道。兩者可獨立存在，也可以疊加使用。同時，為了保障多用戶通信性能，引入MU-RTS/CTS 流程，保護無線訪問接入點（access point，AP）與多個節(jié)點的傳輸機會（transmission opportunity，TXOP）。

2.1 OFDMA

OFDMA 是基于正交頻分復用（orthogonal frequency 2ivision multiplexing，OFDM）的物理層技術，在傳統(tǒng)的OFDM 技術中，一個物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PHY protocol 2ata unit，PPDU）中所有子載波只能用于和單一用戶通信；OFDMA 技術將頻域劃分成不同大小的資源單元（resource unit，RU），分配給不同的用戶進行并發(fā)通信[5]。使用OFDMA 技術有如下優(yōu)點。

? 根據(jù)用戶數(shù)據(jù)量進行量體裁衣，減少頻譜浪費，提升頻譜效率。

? 減少前導（preamble）、幀間隙（SIFS 等）和競爭退避（contention）的時間消耗[6]，降低多用戶并發(fā)場景的通信時延，以下行OFDM 與OFDMA 的傳輸時序為例，說明OFDM 和OFDMA 的差異，下行OFDM 與OFDMA 的傳輸時序如圖1 所示。

Wi-Fi 6 的OFDMA 實現(xiàn)中，無論是上行還是下行，資源分配都由AP 完成，資源分配的單位為RU，每次可為單個用戶分配1 個RU。為滿足多種數(shù)據(jù)需求，Wi-Fi 6 定義了幾種不同大小的RU，在一次資源分配中，可為不同用戶分配不同大小的RU。不同帶寬的PPDU 包含不同大小RU的最大數(shù)量見表1。

圖1 下行OFDM 與OFDMA 的傳輸時序

表1 不同工作帶寬下的RU 數(shù)量配置[7]

在下行OFDMA 流程中，AP 知道要發(fā)給各個終端的數(shù)據(jù)量，直接發(fā)送一個數(shù)據(jù)單元HE MU PPDU（一種新定義的用于發(fā)送下行多用戶數(shù)據(jù)的物理層數(shù)據(jù)單元格式）即可，該PPDU的HE-SIG-B字段攜帶了內部的資源映射關系，主要包括RU分配的方案、MU-MIMO 復用的用戶數(shù)、各個終端的標識及其數(shù)據(jù)使用的空間流、MCS 和編碼方式。終端解析HE-SIG-B 后，根據(jù)攜帶的資源映射信息解析其對應的數(shù)據(jù)。

在講述上行OFDMA 流程前，先引入3 個重要的概念。

? Trigger 幀：一種控制幀，用于請求一個或多個HE TB PPDU，在上行OFDMA 中用于向一個或多個用戶分配RU 資源。

? HE TB PPDU：一種新引入的物理層數(shù)據(jù)協(xié)議單元，用于傳輸響應Trigger 幀的PPDU，主要用于上行的OFDMA/MU-MIMO，收到AP 發(fā)送的Trigger 幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)。

? 緩存狀態(tài)報告（buffer status report，BSR）：用于上報終端的緩存狀態(tài)，可以承載在任意幀的QoS control fiel2 或BSR control subfiel2 中，或者通過HE TB PPDU 發(fā)送。在上行OFDMA 流程中，AP 由于不知道每個終端待發(fā)送的數(shù)據(jù)量，需要通過緩存狀態(tài)報告獲取終端的緩存情況。終端上報緩存報告可分為兩種工作模式。

? 主動模式，終端在發(fā)給AP 的任意幀的QoS control fiel2 或BSR control subfiel2 中攜帶BSR。

? 被動模式，AP 發(fā)送類型為獲取緩存狀態(tài)報告（buffer status report poll，BSRP）的Trigger 幀請求終端上報 BSR，終端在Trigger 幀分配的RU 上反饋BSR。Wi-Fi 6還提供另一種可選機制，無須獲取終端的BSR，基于隨機接入的競爭模式，即上行基于OFDMA 的隨機接入（uplink OFDMA-base2 ran2om access，UORA）過程。UORA 流程由AP 發(fā)起，發(fā)送Trigger 幀攜帶用于隨機接入的RU，即RA-RU；無線終端（station，STA）則維護一個內部的OFDMA 競爭窗口（OFDMA contention win2ow，OCW）和隨機數(shù)OBO（介于0到OCW），通過判斷OBO 與RA-RU 數(shù)之間的關系，判斷是否隨機接入成功，UORA的接入過程具體流程如圖2 所示。

2.2 MU-MIMO

MU-MIMO 是基于多天線的多用戶技術，多個天線可以看作多個傳輸通道，不同的傳輸通道可分配給不同的用戶，利用天線的空域資源與多個用戶同時進行通信。Wi-Fi 6 在Wi-Fi 5的基礎上，新增上行MU-MIMO，由AP 控制多個用戶的空間流分配，提升上行容量。同時，Wi-Fi 6 還提供了MU-MIMO 與OFDMA 疊加使用的可能，對于大于或等于106 子載波的RU均支持MU-MIMO 復用，單個RU 內復用的空間流數(shù)不超過8。MU-MIMO 與OFDMA 同時使用，需要AP 和終端支持部分帶寬MU-MIMO。HE MU PPDU 的HE-SIG-B 字段如圖3 所示，說明Wi-Fi 6 如何實現(xiàn)MU-MIMO 與OFDMA疊加使用。

圖2 UORA 的接入過程

圖3 HE MU PPDU 的HE-SIG-B 字段

下行MU-MIMO 采用HE MU PPDU 進行發(fā)送，上行MU-MIMO 采用與上行OFDMA 相同的Trigger 機制。在下行MU-MIMO 過程中，AP 需要獲取信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI），基于CSI 計算空間映射矩陣（steering matrix），AP 使用HE TB soun2ing（AP 發(fā)送類型為BFRP（beamforming report poll）的Trigger 幀，終端使用HE TB PPDU 反饋相應的CSI）流程請求多個終端同時反饋CSI。

2.3 MU-RTS/CTS

為了解決隱藏節(jié)點問題，引入RTS/CTS 機制保護發(fā)送方和接收方的正常通信。在Wi-Fi 6 之前，RTS/CTS 流程是雙向的，由數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)起（既可以是AP 也可以是終端），但只能是點對點的交互，保護AP 與單個終端TXOP 的幀交互。Wi-Fi 6 允許多個用戶并發(fā)通信，因此引入MU-RTS/CTS 機制，保護AP 與多個目標終端通信的TXOP 的幀交互。該流程由AP 統(tǒng)一管理并發(fā)起，AP 通過向多個目標終端發(fā)送類型為MU-RTS 的Trigger 幀，請求多個終端同時反饋CTS 響應（通過HE TB PPDU）。終端收到MU-RTS，經(jīng)過SIFS 時間間隔后，進行載波偵聽，載波空閑時反饋CTS。其他節(jié)點則根據(jù)MU-RTS和 CTS 幀中的 2uration 更新網(wǎng)絡分配矢量（network allocation vector，NAV）定時器，并在定時器內保持靜默。

2.4 運營模式指示

運營模式指示（operating mo2e in2ication，OMI）機制可用于AP 和STA 指示接收模式（receive operating mo2e，ROM）和發(fā)送模式（transmit operating mo2e，TOM）的變更。在ROM中包含兩個參數(shù)用于修改UL MU 操作：UL MU Disable 和UL MU Data Disable，即對Trigger 幀的響應是否支持，可以切換多用UL OFDMA、UL MIMO 和單用戶模式。

2.5 多用戶技術應用場景分析

本次共介紹了3 個Wi-Fi 6 的多用戶技術，不同的技術適用的場景不同。OFDMA 技術不能提升物理速率，而是通過頻域向多個用戶并發(fā)，提升多用戶通信時的效率，其主要用于多用戶小流量業(yè)務場景，降低傳輸?shù)却龝r延。MU-MIMO 與OFDMA 應用場景不同，主要用于提升多用戶并發(fā)的吞吐性能，在大流量傳輸場景更能體現(xiàn)其增益。同時，標準允許二者同時使用，可以滿足更多樣化的混合業(yè)務需求，提升混合業(yè)務場景的多用戶性能。MU-RTS/CTS則用于保護多用戶通信流程，但其并不是必選流程，AP 可根據(jù)數(shù)據(jù)量或TXOP 時長決定是否使用。

3 Wi-Fi 6 的并發(fā)用戶能力

由于Wi-Fi 6 支持OFDMA 和MU-MIMO 同時使用，可以極大增加并發(fā)通信能力。當RU 分配方式如圖4 所示時，其理論的并發(fā)用戶數(shù)可達到最大，其中106 子載波RU 可以進行MU-MIMO復用，最多可同時分配給8 個1 流用戶，因此，可以計算得到各種工作帶寬下理論的并發(fā)用戶最大值。

20 MHz：8+1+8=17 個用戶；

40 MHz：8+1+8+8+1+8=34 個用戶；

80 MHz：8+1+8+8+1+8+1+8+1+8+8+1+8=69個用戶；

160 MHz 和80 MHz+80 MHz 為2 個80 MHz的組合，即69+69=138 個用戶。

圖4 不同工作帶寬下最大并發(fā)用戶數(shù)的RU 分配

圖5 Wi-Fi 6 的兩種上行通信流程

4 多用戶場景的通信流程

4.1 上行通信流程

Wi-Fi 6 中由AP 控制多個終端同時進行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此，先要獲取BSR 信息或者采用UORA 流程，隨后AP 根據(jù)各個終端的緩存情況分配RU，并下發(fā)Trigger 幀（類型為Basic），請求各終端同時發(fā)送上行數(shù)據(jù)HE TB PPDU。在通信過程中，AP 可根據(jù)需要發(fā)起MU-RTS/CTS 流程，保護此次上行數(shù)據(jù)發(fā)送的TXOP。

使用Trigger 幀（類型為BSRP）主動獲取BSR信息或采用UORA 流程作為先導的兩種上行通信流程如圖5 所示。

（1）場景一

1）BSR 獲取流程：AP 發(fā)送類型為BSRP 的Trigger 幀，該Trigger 幀中包含4 個STA（連接到無線網(wǎng)絡的終端）的AID（association i2entifier，終端標識）信息及其分配的RU，4 個STA 在分配的RU 上發(fā)送HE TB PPDU，HE TB PPDU 承載至少一個QoS Null frame，該QoS Null frame 至少包含QoS Control fiel2 和BSR Control subfiel2 中的一個，QoS Control fiel2 和BSR Control subfiel2包含當前buffer 的隊列大小，且該QoS Null frame無須立即反饋ACK。

2）MU-RTS/CTS 流程（可選）：AP 可根據(jù)數(shù)據(jù)大小或TXOP 時長決定是否發(fā)起該流程，MU-RTS/CTS 與BSR 獲取的先后順序，標準未限定，與AP 實現(xiàn)相關。

3）上行數(shù)據(jù)發(fā)送流程：AP 根據(jù)STA 反饋的緩存情況，決定RU 分配方式，并發(fā)送類型為Basic的Trigger 幀，該Trigger 幀內包含4 個STA 的AID 信息及其資源分配信息（包括上行報文的時長、RU、編碼、MCS、起始空間流及總空間流數(shù)等）。STA 收到Trigger 幀后，根據(jù)資源分配信息，發(fā)送相應的上行報文HE TB PPDU，對于數(shù)據(jù)量發(fā)送不夠的STA，需要填充至長度一致（如圖5中的STA3）。AP 收到上行數(shù)據(jù)后，通過Multi-STA BlockAck（新引入的一種BlockAck 類型，同時攜帶多個終端的BlockAck 信息）同時給4 個STA反饋BlockAck。

（2）場景二

1）AP 下發(fā)類型為Basic 的Trigger 幀，包含4 個用于關聯(lián)STA（AID=0）隨機接入的RU。

2）STA1 初始OBO=3，小于RA-RU 數(shù)，隨機接入成功并選擇RU1 發(fā)送數(shù)據(jù)；STA2 初始OBO=5，大于RA-RU 數(shù)，隨機接入失敗，更新OBO=5－4=1，并等待下一次UORA；STA3 初始OBO=6，大于RA-RU 數(shù)，隨機接入失敗，更新OBO=6－4=2，并等待下一次UORA；STA4 初始OBO=2，小于RA-RU 數(shù)，隨機接入成功并選擇RU3 發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）AP 收到上行數(shù)據(jù)后，通過Multi-STA BlockAck 同時給STA1 和STA4 反饋BlockAck。

4）AP 下發(fā)類型為Basic 的Trigger 幀，包含2 個用于關聯(lián)STA（AID=0）隨機接入的RU，以及分配給STA1 和STA4 繼續(xù)發(fā)送上行數(shù)據(jù)的

RU。

5）STA2 和STA3 隨機接入成功，分別選擇RU1 和RU2 發(fā)送上行數(shù)據(jù)，STA1 和STA4 則在分配的RU 上發(fā)送數(shù)據(jù)。

6）AP 通過Multi-STA BlockAck 同時給4 個STA 反饋BlockAck。

另外， 在場景二中同樣也可以增加MU-RTS/CTS 流程。

圖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 是通過HE MU PPDU 向多個終端同時發(fā)送數(shù)據(jù)，并在該PPDU 中攜帶類型為MU-BAR 的Trigger 幀請求多個終端同時反饋BlockAck。對于DL MU-MIMO，還需要獲取下行CSI，下行通信流程如圖6 所示。

（1）CSI 獲取流程：此過程為DL MU-MIMO場景所需，不是每次數(shù)據(jù)發(fā)送過程中都需要，由AP 決定CSI 的獲取周期。AP 首先發(fā)送的HE NDP Announcement 為MAC 控制幀，包含需要反饋CSI的目標STA 標識、測量的頻率位置、反饋的類型（MU beamforming、SU beamforming、CQI）以及測量涉及的參數(shù)；經(jīng)過一個SIFS 間隔，發(fā)送HE soun2ing NDP，為一個HE SU PPDU，該PPDU沒有Data 部分，用于終端進行測量；再經(jīng)過一個SIFS 間隔，發(fā)送類型為BFRP 的Trigger 幀，請求多個目標終端同時反饋CSI；終端在收到BFRP Trigger 后，在分配的RU 上反饋CSI。

（2）MU-RTS/CTS 流程（可選）：AP 可根據(jù)待發(fā)送的數(shù)據(jù)量或TXOP 持續(xù)時間決定是否發(fā)起該流程。

（3）下行數(shù)據(jù)發(fā)送流程：AP 發(fā)送HE MU PPDU，該PPDU 中的HE-SIG-B 字段包含各個用戶的RU 分配位置、STA 標識、MCS、空間流等信息；同時為了請求多個 STA 同時反饋BlockAck，AP 可以在HE MU PPDU 中同時攜帶MU-BAR Trigger；各終端收到PPDU 后，在相應RU 的頻率位置解析其數(shù)據(jù)包，并在MU-BAR Trigger 中為其分配的RU 上同時反饋BlockAck。如果PPDU 中不攜帶Trigger 幀，則各終端需要依次競爭信道并反饋BlockAck。

5 結束語

相對于前幾代Wi-Fi 技術，Wi-Fi 6 具備更高的傳輸速率、更大的并發(fā)容量、更低的傳輸時延，這些提升使得其適合更多的應用場景，既可以滿足智慧家庭4K/8K、AR/VR、網(wǎng)絡游戲、智慧家庭智能互聯(lián)等業(yè)務的高效承載，也可用于學校、車站、商場、生產等高密并發(fā)場景?？傊?，Wi-Fi 6 技術將會是一次令人激動的無線技術革新，為更多商業(yè)模型和應用場景提供了更有力的支撐，也給人們帶來前所未有的網(wǎng)絡體驗。

Wi-Fi 6 在多用戶性能的增強是顯著的，通過OFDMA 和MU-MIMO 的引入以及疊加使用，極大地增加并發(fā)用戶數(shù)，并降低通信時延，滿足不同業(yè)務的QoS 需求。多用戶技術引入后，對AP的要求也越來越高，無論上行還是下行，資源分配、調度均由AP 統(tǒng)一管理，AP 的功能進一步向移動基站靠攏。標準定義中只會定義RU 資源分配的基本機制，不會涉及具體分配的算法，因此不同AP 廠商的實現(xiàn)會有差異。同時，Wi-Fi 6 標準于2021 年2 月發(fā)布，且2019 年Wi-Fi 聯(lián)盟推出的Wi-Fi 6 認證1.0[8]，也僅涵蓋了Wi-Fi 6 標準中部分技術特性的功能性驗證，不涉及Wi-Fi 6設備的性能評估，因此，Wi-Fi 6 的多用戶技術性能，有待產品設備的功能進一步提升后通過試驗進行合理評估。