[New WiFi] Uplink/Downlink MU-MIMO in 802.11ax

回顧行動網路 (telecom) 和電腦網路 (datacom) 之爭,
其中一個爭論要點, 就是分散式架構與中央式架構,
結果, 在邁向 5G 的今日, 我們可以看到兩者的融合發展,
一方面, 3GPP 陣營思考在小基地台架構下, 賦予基地台更多權力,
甚至讓資料可以不透過核心網路, 就在裝置間進行交換,
另一方面, WiFi 陣營, 在 802.11ax 的版本中,
也引入了更多 scheduling-based 的機制, 而非透過競爭解決,

以目前的趨勢觀看, 5G 的共識應該會是小基地台架構,
分散式的小基地台接取 (減少網路產生的延遲),
以及小基地台內的中央調控式資源分配 (增加頻譜利用率),
最後, 留下的問題仍然是: 要如何處理小基地台間的干擾,
對此, 雙方都有一些看法, 但最終有效方案仍未明...

好吧, 閒聊到此為止,
回到主題, 對於 downlink 的 MU-MIMO, 在之前 WiFi 的協定中已經定義完成,
主要透過 AP 將不同使用者的封包, 放在同一個 OFDM 區間中,
分時傳送不同使用者的資訊, 如下圖 (左) 所示,

原始圖片來自: https://www.slideshare.net/CiscoCanada/cisco-connect-winnipeg-2018-optimizing-your-clients-wifi-experience-v4-public

圖右是 802.11ax 加入的新機制, 也就是 OFDMA 機制,
簡單來說, OFDMA 允許 AP 對資源做更詳細的切分 (對時間和頻率),
而不只是分時傳送資料給使用者, 增加頻譜的利用效率,

考慮到 downlink 的特性, 封包統一由 AP 配置後發出,
此部分的修改, 的確可以有效的減少使用者競爭,
但是對於 uplink 而言, 事情就沒有這麼簡單,
考慮到在舊有的 WiFi 網路中, 使用者各自競爭通道資源,
其中並沒有機制能讓 WiFi 使用者 "共同的" 在同一時間中分享通道資源,

為了解決此困難,
在 802.11ax 中定義了 uplink MU-MIMO 的機制, 如下圖所示:

來自: https://www.ni.com/zh-tw/innovations/white-papers/16/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html

在圖中, 我們可以看到, 不同的使用者在接收到 trigger frame 之後,
根據 trigger frame 中的指示, 在特定時間, 將分不同的頻率, 把 uplink 的封包傳出,
考慮到分散式系統中, 時間的同步一直是個問題,
分頻多工的機制的確可以有效的減少在 uplink 傳輸中產生的干擾.
另外, 由於和 MIMO 技術整合, 除了分頻多工之外,
也可以藉由 pre-coder 的設計, 利用空間上的多工完成 uplink 的資料傳輸.

另一方面, 由於 uplink 的機制也是由 AP 端所控制,
因此, AP 也要如 downlink 一般, 能夠掌控 uplink 的封包傳送需求,
對於此需求, 802.11ax 中, AP 會發出需求請使用者回報,
或是使用者可以主動通知其 buffer 中的封包狀況,
以便 AP 在 uplink MU-MIMO 的資源配置.