【MU-MIMO】知識點提煉

1、NTDP（Neighbor Topology Discovery Protocol）鄰居拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議NTDP是用來收集網(wǎng)絡拓撲信息的協(xié)議。NTDP 為集群管理提供可加入集群的設備信息，收集指定跳數(shù)內(nèi)的交換機的拓撲信息。NDP 為NTDP 提供鄰接表信息，NTDP 根據(jù)鄰接信息發(fā)送和轉發(fā)NTDP 拓撲收集請求，收集一定網(wǎng)絡范圍內(nèi)每個設備的NDP 信息和它與所有鄰居的連接信息。收集完這些信息后，管理設備或者網(wǎng)管可以根據(jù)需要使用這些信息，完成所需的功能。當成員設備上的NDP 發(fā)現(xiàn)鄰居有變化時，通過握手報文將鄰居改變的消息通知管理設備，管理設備可以啟動NTDP 進行指定拓撲收集，從而使NTDP 能夠及

2、時反映網(wǎng)絡拓撲的變化。NDP用來發(fā)現(xiàn)直接相連的鄰居信息，包括鄰接設備的設備名稱、軟/硬件版本、連接端口等，另外還可提供設備的ID、端口地址、硬件平臺等信息。支持NDP的設備都維護NDP鄰居信息表，鄰居信息表中的每一表項都是可以老化的，一旦老化時間到，NDP自動刪除相應的鄰居表項。同時，用戶可以清除當前的NDP信息以重新收集鄰接信息。CSI: Channel State Information :信道狀態(tài)信息.，在無線通信領域，所謂的CSI，就是通信鏈路的信道屬性。它描述了信號在每條傳輸路徑上的衰弱因子，即信道增益矩陣H中每個元素的值，如信號散射（Scattering）,環(huán)境衰弱（fading，

3、multipath fading or shadowing fading）,距離衰減（power decay of distance）等信息。CSI可以使通信系統(tǒng)適應當前的信道條件，在多天線系統(tǒng)中為高可靠性高速率的通信提供了保障。一般情況下，接收端評估CSI并將其量化反饋給發(fā)送端（在時分雙工系統(tǒng)中，需要反向評估）。因此CSI可分為CSIR和CSIT。一、NDPA和NDP的信道探測無論使用SU還是MU，都需要進行波束成型，發(fā)送端必須知道當前的信道狀態(tài)CSI。WLAN信道是慢時變的，因此可以使用sta反饋的CSI來估計接下來的信道信息，單用戶和多用戶的信道探測流程如下： 802.11ac SU信道

4、探測 802.11ac MU信道探測 802.11ac中，由于支持MU-MIMO，發(fā)送端需要獲得多個STA的CSI 。之前的標準中（這應該是基于802.11n的 MIMO信道探測），發(fā)送端使用MPDU承載一個“NDP通告”比特來通知接收端反饋信道信息。在這種機制下，ap為了獲得多個sta的CSI，需要多次發(fā)送攜帶“NDP通告”的MPDU，并且該MPDU只能進行單用戶傳輸。 1NDPA幀         為了降低CSI的開銷，新標準中引入了一種新的MAC幀-NDPA ，幀結構如下：   

5、  1、幀控制          NDPA幀控制域中類型字段（B23) 設置為01，表示控制幀；          子類型字段（B47)設置為0101，表示NDPA幀。     2、持續(xù)時間          持續(xù)時間設置為NDPA、之后的NDP、VHT壓縮波束成形幀響應、2個SIFS時長以及在TXOP中傳輸?shù)钠渌麕绊憫璧臅r間；     3、幀地址發(fā)送

6、端地址          統(tǒng)一為AP的MAC地址。          接收端地址     多用戶：廣播地址； 單用戶：STA地址；     4、STA信息域          至少包含一個STA信息域，用于通知需要反饋CSI的STA。      只有一個STA信息域：接收端地址RA設置為STA信息域中對應的STA-AID ； 包含多個STA信息域：

7、接收端地址RA設置為廣播地址。          STA信息域結構如下，包含AID，反饋類型及Nc索引等子域：     AID     指定要反饋CSI信息的sta的關聯(lián)標識符，此標識符在關聯(lián)期間確定；     反饋類型     0 表示單用戶；1表示多用戶(應該是反饋用戶類型，是單用戶還是多用戶）     Nc索引  反饋類型為1:  Nc索引需要設定值，

8、表示需要反饋的維數(shù)，共計可以設定8個值:  000(Nc=1),001(Nc=2）。111（Nc=8），反饋索引取值18，可以認為ap為sta服務的數(shù)量也是最多8個。反饋類型為0：保留。 2.  NDP幀         NDPA幀之后，在SIFS時間后，AP發(fā)送VHT NDP幀。VHT NDP幀是一種VHT格式的單用戶空數(shù)據(jù)包，他沒有數(shù)據(jù)域，用于接收端做信道估計用，結構如下：        VHT-LTF的數(shù)量取決于VHT SIG-A中Nsts域的值（空間流的數(shù)量

9、）。     3 VHT Compressed  Beamforming   VHT Compressed Beamforming 幀是和STA一一對應的， NDPA的STA信息域內(nèi)STA的順序決定了相應的VHT Compressed Beamforming的發(fā)送順序。   在收到NDP幀的SIFS之后，NDPA第一個信息域?qū)腟TA開始反饋自己的VHT Compressed Beamforming，他包含： 1)  VHT  MIMO  Control 域  &

10、#160; VHT MIMO控制域是對VHT 壓縮波束成形報告域內(nèi)信道信息的說明，結構如下：   Nc索引：指示CSI反饋矩陣的列數(shù) Nr索引：指示CSI反饋矩陣的行數(shù) 信道帶寬：指示做信道估計得帶寬指示 0：20Mhz ； 1：40Mhz ；2： 80Mhz ；3：160Mhz或80+80Mhz 分組：指示分組數(shù)目 0： 不分組； 1：2個分組； 2：4個分組 ； 3： 保留。碼本信息：碼本信息指示，根據(jù)反饋類型的不同，指示CSI矩陣內(nèi)參數(shù)含義。反饋類型：0表示反饋報告為單用戶，所以不包含多用戶波束成形報告；1 表示反饋報告為多用戶，此時報告為多用戶波束成形報告。剩余分段

11、： 指示關聯(lián)的VHT壓縮波束成形幀的剩余段數(shù)。0表示是分段幀的最后一個分段或是唯一分段。對于重傳的分段，其值設置與第一次傳輸該分段時一致。如果VHT壓縮波束成形幀不包含壓縮波束成形報告域，那么設置為全1.第一段：1表示第一段或是只有一段，其他情況為0探測序列：與NDPA中的探測序列一致。 2)  VHT 壓縮波束成型報告域 VHT 壓縮波束成形報告域攜帶顯示的反饋信息，該信息包括以V矩陣的前Nc列的壓縮角度值以及每個空時流的平均SNR值。 此波束形成報告簡單得講就是由終端反饋給AP的，AP獲知每個空時流上的平均信噪比以及MU-MIMO信道狀態(tài)，由STA的反饋來調(diào)整發(fā)射機參數(shù)

12、，獲得最佳DL性能。        3）多用戶專用壓縮波束成型報告域 多用戶專用波束成形報告域出現(xiàn)在VHT MIMO控制域中的“反饋類型”比特設置為1(多用戶)時，他傳遞多用戶時每個空時流中一組載波對應的信噪比。  二、MU信道接入技術 1. 傳輸機會（TXOP） EDCA引入了一個重要概念傳輸機會（TXOP），并且將使用EDCA競爭機制獲得的TXOP稱為EDCA TXOP。TXOP是指站點競爭到信道后可以在一段時間內(nèi)持續(xù)使用信道。   1） TXOP的使用·    

13、;如果待發(fā)站點在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)之后，還有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送，那么可以在TXOP上限內(nèi)等待SIFS后繼續(xù)搶占信道發(fā)送（前提是后面發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級必須和前面發(fā)送的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級相同）·    如果沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，可以使用CF-END結束清除TXOP（或是等TXOP自然結束）后，重新開始新的信道競爭。  2）TXOP上限數(shù)值·     Beacon幀中或是探測響應幀中可以看到“EDCA參數(shù)集”，這個參數(shù)集中可以看到TXOP的上限數(shù)值（例如AC_VO和AC_VI)；·     上限數(shù)值為0，代表本TXO

14、P內(nèi)只發(fā)送一個該AC類別的數(shù)據(jù)幀（例如AC_BE和AC_BK）。2. TXOP的初始化模式和多幀傳輸模式   TXOP初始化模式： EDCA允許站點的一個特定AC接入信道，這個時候進入TXOP的初始化模式；該模式下，如果站點第一幀交互成功，那么就獲得了EDCA TXOP ，該站點（一般是ap）稱為TXOP擁有著。如果第一幀交互失敗，那么進入隨機回退過程重新競爭信道；   TXOP的多幀傳輸模式：第一幀交互成功之后，站點可以繼續(xù)傳輸此類AC類別的數(shù)據(jù)，進入TXOP的多幀傳輸模式。多幀的交互，站點發(fā)送相同的AC類別數(shù)據(jù)，且傳輸?shù)臅r間小于剩

15、余的信道最長占用時間（TXOP上限）。  3. TXOP初始化 在EDCA中，為了減少碰撞所損失的時間，協(xié)議規(guī)定了2種初始化TXOP的方式， RTS/CTS動態(tài)帶寬指示方式和短數(shù)據(jù)幀/ACK方式。 1） RTS/CTS動態(tài)帶寬指示    AP拿到信道占用權后，分別向所有的子信道發(fā)送RTS，期待接收端評估后反饋CTS來獲知當前可用的子信道個數(shù)。 發(fā)送端STA在所有可用的80MHZ信道上發(fā)送傳統(tǒng)RTS，并使用擾碼信息指示是否支持動態(tài)帶寬指示。 傳輸信道帶寬為80MHZ，響應端的STA由于2個次信道收到干擾，但是他在主信道上是可以接受到RTS。 響應

16、端STA的CCA結果指示其包含主信道的40MHZ帶寬空閑，其在接收到RTS并等待SIFS時長之后，響應端在所有40MHZ信道上發(fā)送傳統(tǒng)CTS，并只用擾碼指示空閑信道，使用RTS/CTS給予保護，此信道接入方式可以避免數(shù)據(jù)碰撞。 在多用戶傳輸過程中，AP可以使用動態(tài)帶寬協(xié)商機制來協(xié)商MU PPDU帶寬。由于BSS內(nèi)STA的位置不同，可用帶寬也會不同。Ap向組內(nèi)的STA發(fā)送支持動態(tài)帶寬的RTS就可以獲得sta當前可用的帶寬。 Ap根據(jù)這些反饋信息來決定MU PPDU的接收sta數(shù)目和傳輸帶寬。 2）短數(shù)據(jù)幀/ACK方式 AP可以選擇不使用RTS/CTS，而是使用短數(shù)據(jù)幀初始化TXOP。

17、本文在討論MU MIMO數(shù)據(jù)初始化MU-TXOP之前，首先對各STA如何對AP發(fā)送的MU數(shù)據(jù)幀的響應ACK/BA進行研究。   標準化過程中，針對這個問題，Intel公司給出兩種STA響應ACK的方式：  A、輪詢ACK機制基本流程     1、AP發(fā)送MU數(shù)據(jù)幀并指定STA1采用隱式塊確認請求應答方式，其余STA24使用塊確認應答方式；     2、STA1在收到數(shù)據(jù)幀之后，SIFS后邊自動發(fā)送BA予以確認，而其余STA24，在收到數(shù)據(jù)幀之后記錄狀態(tài)，要等AP的BAR輪詢幀到來后才會發(fā)送相應的

18、BA幀；     3、AP依次發(fā)送BAR幀來取回對應STA的BA幀，等BA幀全部拿到后，再發(fā)送下一個MU 數(shù)據(jù)幀；         注意，在TXOP期限內(nèi)，所有的幀都采用SIFS，這樣能保證信道的持久占用。       B輪詢ACK差錯恢復機制基本流程   1、 AP發(fā)送MU數(shù)據(jù)幀并指定STA1使用隱式的塊確認請求應答方式，其余STA24使用塊確認應答方式；   2、 如果其中一個sta （例如sta2）沒有正確返回BA，那么

19、就執(zhí)行AP的" PIFS恢復“，即在AP 向sta2發(fā)送BAR后的PIFS時間后（PIFS>SIFS），ap繼續(xù)向sta3發(fā)送BAR，繼續(xù)正常的流程；        本次sta2的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，那么下次MU 數(shù)據(jù)幀發(fā)送的時候，繼續(xù)重復傳送sta2接收失敗的數(shù)據(jù)幀；      -這就是ACK機制下的差錯恢復機制。    C、調(diào)度ACK機制基本流程          AP發(fā)送MU數(shù)據(jù)幀，并指定各目標STA

20、使用隱式塊確認請求應答方式；為了保證每個sta分別在不同的時刻返回BA，應用在各個用戶的數(shù)據(jù)幀中需要增加一個”offset“域，用以指示各sta返回BA的時間后延。    如下圖所示：   sta1數(shù)據(jù)中不包含offset域，他在收到數(shù)據(jù)幀SIFS時間之后返回BA；   sta2數(shù)據(jù)中包含offset域，并設置為x，故其在收到數(shù)據(jù)幀之后，后延x時間，返回BA；   sta3數(shù)據(jù)中包含offset域，并設置為y，在收到數(shù)據(jù)幀之后，后延y時間，返回BA。 D.差錯恢復機制基本流程    &

21、#160; 調(diào)度ACK機制下差錯恢復機制比較簡單，即其中任何一個sta沒有正確返回BA，AP都不進行處理，只是記錄，等下一次MU數(shù)據(jù)傳輸期間重傳該sta未確認的數(shù)據(jù)，直到該數(shù)據(jù)傳輸成功或是超過重傳次數(shù)放棄；E、輪詢ACK機制和調(diào)度ACK機制對比     相對于輪詢ACK機制，調(diào)度ACK機制可以減少開銷，提供系統(tǒng)效率，但是需要在數(shù)據(jù)幀中增加一個offset域，這將改變原有的幀結構并增加復雜性。     假設BAR傳輸速率為12Mbps，開銷和BAR所用的時間為52us，這個是一般數(shù)據(jù)參考。那么輪詢ACK機制雖然開銷較大，但是其實現(xiàn)簡單方

22、便，容易在現(xiàn)有的機制下實現(xiàn)。因此，一般廠家選擇采用輪詢ACK機制。F、短數(shù)據(jù)幀初始化TXOP失敗的回退機制及存在的問題     AP 使用MU MIMO數(shù)據(jù)初始化MU TXOP時且組內(nèi)有2個或者更多的目標STA使用相同的AC（例如，sta1和sta2均使用AC_VI）。     當AP會向組內(nèi)的所有sta發(fā)送MU PPDU（這個數(shù)據(jù)幀內(nèi)包括所有sta的確認策略），如果：·      AP成功的接收到要求立即確認的sta（如sta1）的響應幀BA，那么MU-TXOP初始化成功，這時AP可以用BAR

23、輪詢組內(nèi)其他sta，并接收相應sta的BA幀；·      若AP沒有成功接收到要求立即確認的sta1的BA，那么按協(xié)議規(guī)定，AP應該將其主AC的競爭窗口翻倍并開始一個隨機的回退過程，而不考慮到其他具有相同主AC（例如另外一個AC_VI)的sta2是否可以正確接收數(shù)據(jù)并且回復BA。     如下圖所示，由于AP取得信道接入權利并初始化MU TXOP是基于主AC的，當使用短數(shù)據(jù)幀來初始化MU TXOP時，上述機制對于同樣是主AC的其他sta（比如sta2）是不公平的，同時也可能造成TXOP的浪費，降低傳輸效率。  &

24、#160; 而且在802.11ac中，系統(tǒng)支持20MHZ,40MHZ，80MHZ甚至160MHZ的可變傳輸帶寬，不同BSS的信道重疊更加嚴重，同一個BSS中不同位置的sta在同一個時刻內(nèi)的可用帶寬就會變得不同。    這時，AP初始化MU TXOP時不知道sta的實際可用帶寬，若使用小的帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)的吞吐量；使用大的帶寬發(fā)送，增大了TXOP初始化失敗的概率，也降低了系統(tǒng)的吞吐量。   4. TXOP共享      之前的TXOP機制廣泛用于EDCA信道接入機制中，AP以一種業(yè)務類別（AC）競爭到信道并獲

25、得TXOP后（從下面的實例中可以看出，首先發(fā)出第一幀并成功獲取TXOP的AC為主AC，這個AC并非一定要優(yōu)先級最高的VO，可以是VI，但是是否能BE或是BK，目前不確認），只能發(fā)送相同AC的數(shù)據(jù)。在這種情況下，就需要AP在競爭到信道前緩存有需要發(fā)給不同sta的相同AC類別的數(shù)據(jù)。在加上多用戶sta選擇是基于分組的（即需要發(fā)送給同組的sta），還需要滿足這些sta共存在相同的Group內(nèi)，這些因素限制了DL MU-MIMO的應用場景。    可見，TXOP共享技術實現(xiàn)之前，MU-MIMO在同一個組內(nèi)的多個sta是可以傳輸相同AC的數(shù)據(jù)的。這也就是支持MU-MIMO的

26、依據(jù)，只是DL MU-MIMO的效率不如實現(xiàn)TXOP共享之后的效率。   TXOP共享技術解決了這個問題，具體表現(xiàn)在增加了EDCA TXOP共享模式，這個模式只適用于DL MU-MIMO。  模式一： EDCA TXOP初始化   當EDCA準則允許AP接入信道時，進入初始化模式； 模式二：EDCA TXOP共享  EDCAF 獲得信道使用權之后，進入EDCA TXOP共享模式，獲得信道使用權的AC稱為主AC（Primary AC）。在TXOP共享模式內(nèi)，AP不僅可以傳輸主AC類別的MU PPDU，還可以把其他AC類別的數(shù)據(jù)與主AC類別的數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包進MU-PPDU進行傳輸； 模式三：EDCA TXOP多幀傳輸  在一幀交換完成之后，若EDCAF仍有數(shù)據(jù)需要傳輸，他將仍保留信道的使用權，進行EDCA TXOP多幀傳輸模式。    注意，之前TXOP傳輸?shù)臈l件：同AC類別，同Group ; EDCA TX