【MU-MIMO】知识点提炼

1、NTDP（Neighbor Topology Discovery Protocol）邻居拓扑发现协议NTDP是用来收集网络拓扑信息的协议。NTDP 为集群管理提供可加入集群的设备信息，收集指定跳数内的交换机的拓扑信息。NDP 为NTDP 提供邻接表信息，NTDP 根据邻接信息发送和转发NTDP 拓扑收集请求，收集一定网络范围内每个设备的NDP 信息和它与所有邻居的连接信息。收集完这些信息后，管理设备或者网管可以根据需要使用这些信息，完成所需的功能。当成员设备上的NDP 发现邻居有变化时，通过握手报文将邻居改变的消息通知管理设备，管理设备可以启动NTDP 进行指定拓扑收集，从而使NTDP 能够及

2、时反映网络拓扑的变化。NDP用来发现直接相连的邻居信息，包括邻接设备的设备名称、软/硬件版本、连接端口等，另外还可提供设备的ID、端口地址、硬件平台等信息。支持NDP的设备都维护NDP邻居信息表，邻居信息表中的每一表项都是可以老化的，一旦老化时间到，NDP自动删除相应的邻居表项。同时，用户可以清除当前的NDP信息以重新收集邻接信息。CSI: Channel State Information :信道状态信息.，在无线通信领域，所谓的CSI，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射（Scattering）,环境衰弱（fading，

3、multipath fading or shadowing fading）,距离衰减（power decay of distance）等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。一般情况下，接收端评估CSI并将其量化反馈给发送端（在时分双工系统中，需要反向评估）。因此CSI可分为CSIR和CSIT。一、NDPA和NDP的信道探测无论使用SU还是MU，都需要进行波束成型，发送端必须知道当前的信道状态CSI。WLAN信道是慢时变的，因此可以使用sta反馈的CSI来估计接下来的信道信息，单用户和多用户的信道探测流程如下： 802.11ac SU信道

4、探测 802.11ac MU信道探测 802.11ac中，由于支持MU-MIMO，发送端需要获得多个STA的CSI 。之前的标准中（这应该是基于802.11n的 MIMO信道探测），发送端使用MPDU承载一个“NDP通告”比特来通知接收端反馈信道信息。在这种机制下，ap为了获得多个sta的CSI，需要多次发送携带“NDP通告”的MPDU，并且该MPDU只能进行单用户传输。 1NDPA帧         为了降低CSI的开销，新标准中引入了一种新的MAC帧-NDPA ，帧结构如下：   

5、  1、帧控制          NDPA帧控制域中类型字段（B23) 设置为01，表示控制帧；          子类型字段（B47)设置为0101，表示NDPA帧。     2、持续时间          持续时间设置为NDPA、之后的NDP、VHT压缩波束成形帧响应、2个SIFS时长以及在TXOP中传输的其他帧及响应所需的时间；     3、帧地址发送

6、端地址          统一为AP的MAC地址。          接收端地址     多用户：广播地址； 单用户：STA地址；     4、STA信息域          至少包含一个STA信息域，用于通知需要反馈CSI的STA。      只有一个STA信息域：接收端地址RA设置为STA信息域中对应的STA-AID ； 包含多个STA信息域：

7、接收端地址RA设置为广播地址。          STA信息域结构如下，包含AID，反馈类型及Nc索引等子域：     AID     指定要反馈CSI信息的sta的关联标识符，此标识符在关联期间确定；     反馈类型     0 表示单用户；1表示多用户(应该是反馈用户类型，是单用户还是多用户）     Nc索引  反馈类型为1:  Nc索引需要设定值，

8、表示需要反馈的维数，共计可以设定8个值:  000(Nc=1),001(Nc=2）。111（Nc=8），反馈索引取值18，可以认为ap为sta服务的数量也是最多8个。反馈类型为0：保留。 2.  NDP帧         NDPA帧之后，在SIFS时间后，AP发送VHT NDP帧。VHT NDP帧是一种VHT格式的单用户空数据包，他没有数据域，用于接收端做信道估计用，结构如下：        VHT-LTF的数量取决于VHT SIG-A中Nsts域的值（空间流的数量

9、）。     3 VHT Compressed  Beamforming   VHT Compressed Beamforming 帧是和STA一一对应的， NDPA的STA信息域内STA的顺序决定了相应的VHT Compressed Beamforming的发送顺序。   在收到NDP帧的SIFS之后，NDPA第一个信息域对应的STA开始反馈自己的VHT Compressed Beamforming，他包含： 1)  VHT  MIMO  Control 域  &

10、#160; VHT MIMO控制域是对VHT 压缩波束成形报告域内信道信息的说明，结构如下：   Nc索引：指示CSI反馈矩阵的列数 Nr索引：指示CSI反馈矩阵的行数 信道带宽：指示做信道估计得带宽指示 0：20Mhz ； 1：40Mhz ；2： 80Mhz ；3：160Mhz或80+80Mhz 分组：指示分组数目 0： 不分组； 1：2个分组； 2：4个分组 ； 3： 保留。码本信息：码本信息指示，根据反馈类型的不同，指示CSI矩阵内参数含义。反馈类型：0表示反馈报告为单用户，所以不包含多用户波束成形报告；1 表示反馈报告为多用户，此时报告为多用户波束成形报告。剩余分段

11、： 指示关联的VHT压缩波束成形帧的剩余段数。0表示是分段帧的最后一个分段或是唯一分段。对于重传的分段，其值设置与第一次传输该分段时一致。如果VHT压缩波束成形帧不包含压缩波束成形报告域，那么设置为全1.第一段：1表示第一段或是只有一段，其他情况为0探测序列：与NDPA中的探测序列一致。 2)  VHT 压缩波束成型报告域 VHT 压缩波束成形报告域携带显示的反馈信息，该信息包括以V矩阵的前Nc列的压缩角度值以及每个空时流的平均SNR值。 此波束形成报告简单得讲就是由终端反馈给AP的，AP获知每个空时流上的平均信噪比以及MU-MIMO信道状态，由STA的反馈来调整发射机参数

12、，获得最佳DL性能。        3）多用户专用压缩波束成型报告域 多用户专用波束成形报告域出现在VHT MIMO控制域中的“反馈类型”比特设置为1(多用户)时，他传递多用户时每个空时流中一组载波对应的信噪比。  二、MU信道接入技术 1. 传输机会（TXOP） EDCA引入了一个重要概念传输机会（TXOP），并且将使用EDCA竞争机制获得的TXOP称为EDCA TXOP。TXOP是指站点竞争到信道后可以在一段时间内持续使用信道。   1） TXOP的使用·    

13、;如果待发站点在发送完一帧数据之后，还有数据帧需要发送，那么可以在TXOP上限内等待SIFS后继续抢占信道发送（前提是后面发送的数据帧的优先级必须和前面发送的数据的优先级相同）·    如果没有数据要发送了，可以使用CF-END结束清除TXOP（或是等TXOP自然结束）后，重新开始新的信道竞争。  2）TXOP上限数值·     Beacon帧中或是探测响应帧中可以看到“EDCA参数集”，这个参数集中可以看到TXOP的上限数值（例如AC_VO和AC_VI)；·     上限数值为0，代表本TXO

14、P内只发送一个该AC类别的数据帧（例如AC_BE和AC_BK）。2. TXOP的初始化模式和多帧传输模式   TXOP初始化模式： EDCA允许站点的一个特定AC接入信道，这个时候进入TXOP的初始化模式；该模式下，如果站点第一帧交互成功，那么就获得了EDCA TXOP ，该站点（一般是ap）称为TXOP拥有着。如果第一帧交互失败，那么进入随机回退过程重新竞争信道；   TXOP的多帧传输模式：第一帧交互成功之后，站点可以继续传输此类AC类别的数据，进入TXOP的多帧传输模式。多帧的交互，站点发送相同的AC类别数据，且传输的时间小于剩

15、余的信道最长占用时间（TXOP上限）。  3. TXOP初始化 在EDCA中，为了减少碰撞所损失的时间，协议规定了2种初始化TXOP的方式， RTS/CTS动态带宽指示方式和短数据帧/ACK方式。 1） RTS/CTS动态带宽指示    AP拿到信道占用权后，分别向所有的子信道发送RTS，期待接收端评估后反馈CTS来获知当前可用的子信道个数。 发送端STA在所有可用的80MHZ信道上发送传统RTS，并使用扰码信息指示是否支持动态带宽指示。 传输信道带宽为80MHZ，响应端的STA由于2个次信道收到干扰，但是他在主信道上是可以接受到RTS。 响应

16、端STA的CCA结果指示其包含主信道的40MHZ带宽空闲，其在接收到RTS并等待SIFS时长之后，响应端在所有40MHZ信道上发送传统CTS，并只用扰码指示空闲信道，使用RTS/CTS给予保护，此信道接入方式可以避免数据碰撞。 在多用户传输过程中，AP可以使用动态带宽协商机制来协商MU PPDU带宽。由于BSS内STA的位置不同，可用带宽也会不同。Ap向组内的STA发送支持动态带宽的RTS就可以获得sta当前可用的带宽。 Ap根据这些反馈信息来决定MU PPDU的接收sta数目和传输带宽。 2）短数据帧/ACK方式 AP可以选择不使用RTS/CTS，而是使用短数据帧初始化TXOP。

17、本文在讨论MU MIMO数据初始化MU-TXOP之前，首先对各STA如何对AP发送的MU数据帧的响应ACK/BA进行研究。   标准化过程中，针对这个问题，Intel公司给出两种STA响应ACK的方式：  A、轮询ACK机制基本流程     1、AP发送MU数据帧并指定STA1采用隐式块确认请求应答方式，其余STA24使用块确认应答方式；     2、STA1在收到数据帧之后，SIFS后边自动发送BA予以确认，而其余STA24，在收到数据帧之后记录状态，要等AP的BAR轮询帧到来后才会发送相应的

18、BA帧；     3、AP依次发送BAR帧来取回对应STA的BA帧，等BA帧全部拿到后，再发送下一个MU 数据帧；         注意，在TXOP期限内，所有的帧都采用SIFS，这样能保证信道的持久占用。       B轮询ACK差错恢复机制基本流程   1、 AP发送MU数据帧并指定STA1使用隐式的块确认请求应答方式，其余STA24使用块确认应答方式；   2、 如果其中一个sta （例如sta2）没有正确返回BA，那么

19、就执行AP的" PIFS恢复“，即在AP 向sta2发送BAR后的PIFS时间后（PIFS>SIFS），ap继续向sta3发送BAR，继续正常的流程；        本次sta2的数据发送失败，那么下次MU 数据帧发送的时候，继续重复传送sta2接收失败的数据帧；      -这就是ACK机制下的差错恢复机制。    C、调度ACK机制基本流程          AP发送MU数据帧，并指定各目标STA

20、使用隐式块确认请求应答方式；为了保证每个sta分别在不同的时刻返回BA，应用在各个用户的数据帧中需要增加一个”offset“域，用以指示各sta返回BA的时间后延。    如下图所示：   sta1数据中不包含offset域，他在收到数据帧SIFS时间之后返回BA；   sta2数据中包含offset域，并设置为x，故其在收到数据帧之后，后延x时间，返回BA；   sta3数据中包含offset域，并设置为y，在收到数据帧之后，后延y时间，返回BA。 D.差错恢复机制基本流程    &

21、#160; 调度ACK机制下差错恢复机制比较简单，即其中任何一个sta没有正确返回BA，AP都不进行处理，只是记录，等下一次MU数据传输期间重传该sta未确认的数据，直到该数据传输成功或是超过重传次数放弃；E、轮询ACK机制和调度ACK机制对比     相对于轮询ACK机制，调度ACK机制可以减少开销，提供系统效率，但是需要在数据帧中增加一个offset域，这将改变原有的帧结构并增加复杂性。     假设BAR传输速率为12Mbps，开销和BAR所用的时间为52us，这个是一般数据参考。那么轮询ACK机制虽然开销较大，但是其实现简单方

22、便，容易在现有的机制下实现。因此，一般厂家选择采用轮询ACK机制。F、短数据帧初始化TXOP失败的回退机制及存在的问题     AP 使用MU MIMO数据初始化MU TXOP时且组内有2个或者更多的目标STA使用相同的AC（例如，sta1和sta2均使用AC_VI）。     当AP会向组内的所有sta发送MU PPDU（这个数据帧内包括所有sta的确认策略），如果：·      AP成功的接收到要求立即确认的sta（如sta1）的响应帧BA，那么MU-TXOP初始化成功，这时AP可以用BAR

23、轮询组内其他sta，并接收相应sta的BA帧；·      若AP没有成功接收到要求立即确认的sta1的BA，那么按协议规定，AP应该将其主AC的竞争窗口翻倍并开始一个随机的回退过程，而不考虑到其他具有相同主AC（例如另外一个AC_VI)的sta2是否可以正确接收数据并且回复BA。     如下图所示，由于AP取得信道接入权利并初始化MU TXOP是基于主AC的，当使用短数据帧来初始化MU TXOP时，上述机制对于同样是主AC的其他sta（比如sta2）是不公平的，同时也可能造成TXOP的浪费，降低传输效率。  &

24、#160; 而且在802.11ac中，系统支持20MHZ,40MHZ，80MHZ甚至160MHZ的可变传输带宽，不同BSS的信道重叠更加严重，同一个BSS中不同位置的sta在同一个时刻内的可用带宽就会变得不同。    这时，AP初始化MU TXOP时不知道sta的实际可用带宽，若使用小的带宽发送数据，降低了系统的吞吐量；使用大的带宽发送，增大了TXOP初始化失败的概率，也降低了系统的吞吐量。   4. TXOP共享      之前的TXOP机制广泛用于EDCA信道接入机制中，AP以一种业务类别（AC）竞争到信道并获

25、得TXOP后（从下面的实例中可以看出，首先发出第一帧并成功获取TXOP的AC为主AC，这个AC并非一定要优先级最高的VO，可以是VI，但是是否能BE或是BK，目前不确认），只能发送相同AC的数据。在这种情况下，就需要AP在竞争到信道前缓存有需要发给不同sta的相同AC类别的数据。在加上多用户sta选择是基于分组的（即需要发送给同组的sta），还需要满足这些sta共存在相同的Group内，这些因素限制了DL MU-MIMO的应用场景。    可见，TXOP共享技术实现之前，MU-MIMO在同一个组内的多个sta是可以传输相同AC的数据的。这也就是支持MU-MIMO的

26、依据，只是DL MU-MIMO的效率不如实现TXOP共享之后的效率。   TXOP共享技术解决了这个问题，具体表现在增加了EDCA TXOP共享模式，这个模式只适用于DL MU-MIMO。  模式一： EDCA TXOP初始化   当EDCA准则允许AP接入信道时，进入初始化模式； 模式二：EDCA TXOP共享  EDCAF 获得信道使用权之后，进入EDCA TXOP共享模式，获得信道使用权的AC称为主AC（Primary AC）。在TXOP共享模式内，AP不仅可以传输主AC类别的MU PPDU，还可以把其他AC类别的数据与主AC类别的数据统一打包进MU-PPDU进行传输； 模式三：EDCA TXOP多帧传输  在一帧交换完成之后，若EDCAF仍有数据需要传输，他将仍保留信道的使用权，进行EDCA TXOP多帧传输模式。    注意，之前TXOP传输的条件：同AC类别，同Group ; EDCA TX