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序言
笔者将本身对于802.11ax中的MU-MIMO和OFDMA的区别作了一个简单的总结。由于不少非通讯技术专业的童鞋，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相似性，两种物理层的接入机制是基于同一个框架的。因此这里笔者大体按照本身的理解，把笔记作了一下。安全
OFDMA和MU-MIMO是两种不一样的技术，两者独立存在，并能够叠加使用。这二者的共性是，这两种技术在同一个时间均可以让多个用户同时接入。除此以外，(目前在NOMA中采用被采用的) SIC（串行干扰消除）与CDMA也能够作到这一点。如下分开讨论下。微信
再次说明，本文仅仅做为我的笔记，并非打算梳理清楚MIMO相关概念，因此中间有部分可能解释有不妥的地方，若是有不对的地方，还请见谅。框架
OFDMA
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，也能够作到OFDMA。less
OFDMA中的资源是时频资源，能够理解成横轴是时间轴，纵轴是频谱轴，而后按照网格划分红多个资源片断，在Wi-Fi中称为RU，LTE里面称为RB。资源片断会根据需求被分配到各个用户上。这里要区分上下行，若是是下行的话，那么AP或者eNodeB（LTE里面基站概念），直接发送一个数据帧便可，固然，该帧内部的资源映射关系是提早告知用户的，Wi-Fi帧中是经过Trigger帧告知，LTE是在RLC子层创建链接的时候告知，而后节点对应解调的。用户实际上能够解调全部的信息，即所有片断均可以解调，而后根据映射关系，选取本身的信息便可。安全性是经过数据层的加密完成的。ide
上行的话，Wi-Fi是容许上行的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，也就是全部的子载波因为是周期成倍数关系的，因此若是全部子载波都是加载相同数据的时候，出来的峰值就是全部子载波上单位峰值的叠加。若是你们都是1，那么这个1冲到很高，若是你们都是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，因此不会有0的存在）。（这样峰值和均值的区间很大，就会对放大器的工做区有要求)函数
- LTE子载波多，一共2048个，因此峰均比空间大，最后就没有采用OFDMA作上行。LTE的上行是SC-FDMA。主要缘由是PAPR高，可是不是技术不可行，是相应实现时候，PA须要更高的成本，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），因此峰均比还能够承受，因此上行能够容许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当中很简单，AP抢到的信道，而后发送便可。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，缓存状况，根据节点的缓存状况，AP进行资源分配，而后告知。其实搞两种接入方式也是和LTE相似的，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），而非竞争的则是经过eNodeB指定。这点上LTE和WiFi 6在框架上是相似的。ui
在这里还须要注意的一个是，OFDMA和CDMA同样，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，须要全部节点发送到AP处的信号功率，近似相等。若是功率差别过大，那么就不可以很好解调了。（功率差别大就是用SIC技术，而不是OFDMA技术了）。编码
因此在上行发送的时候，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。经过以上技术，在OFDMA的场景下，Wi-Fi基本和LTE可以作到的差很少了，精准的频谱资源分配。加密
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。多天线能够实现多种技术，不只仅是MU-MIMO，以下图所示：
参考：aruba的802.11ax白皮书
上图中，咱们能够看到多天线能够作CSD，TxBF，STBC，SDM，MRC等等，这些技术所有在802.11协议中都有应用。这里细节不少，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：
翻译版：
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，天线辐射能够参考手电筒打光，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。若是发送和接收方同时用两个手电筒打信号，那么一次性就能够传递更多的信息，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，只可以同时处于发送，或者接收状态。而全双工能够一根天线是发送状态，一根是接收状态。（PS：全双工也能够经过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。若是有多个通路的时候，好比有两个通路。咱们能够简单理解以下，若是两个通路传同一个信息，那么就是分集。若是两个通路传两个不一样的信息，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 其实是分集和复用结合的技术，波束成型是发送分集。
在咱们经常使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其实是基于干涉抵消的机制来作的，经过预编码，让数据流经过两根天线具备必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。
预编码能够经过数字编码的形式添加相位差，目前Wi-Fi就是采用这一种。移动通讯（好比LTE或者5G NR）里面方式多了一种是电相位差，是经过基带链接到RF这一段的线路上，经过线路的长度差别来作相位差。总之，有了相位差就能够作波束成型了。2维平面上的干涉抵消就是2D-MIMO，3维平面就是3D-MIMO了。
而后须要回顾下，基于MIMO技术，能够作到多发多收。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，而后两倍传输速率，这个就是802.11n时代作的MIMO技术。
WRT54M路由
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，可是这个不是作MIMO，是作天线选择（实际上也是分集的一种），一次只用一根天线发，可是有可能用左天线，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下咱们还能够看到这个选项，以下图
DD-WRT的配置界面
MIMO是两根天线同时发，同时在物理上两根天线须要差半个波长距离，另外两根天线不可以发送相同的信息，要编码以后，不然就会存在默认的干涉效果，对通讯无心义。通过预编码后，两根天线才能够同时发送（编码后的对应两根天线上的数据不一样）。
LTE，5G NR和Wi-Fi相比，在波束这一块思想差很少，不过具体实现的时候取目标函数会有点区别，前二者可能偏向波束追踪，也就是目标接收功率最大化，Wi-Fi里面是偏向对其余人的干扰最小化（好比interference nulling技术），用干扰抵消的原理来讲明，就是前二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。因此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之后才支持上行的MU-MIMO传输。
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，而后开始一个传输。两个能够叠加，不过先导过程不同。
- OFDMA过程的先导是BSRP,BSR过程，就是问缓存状况，而后作OFDMA资源分配。若是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，相似于BSRP可是关注的参数不同，这也是用来作资源分配预判的，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，测量每个节点的信道状态，也就是CSI，而后基于该CSI作预编码（协议里面要旋转矩阵）。
同时咱们须要注意的是，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），这也说明了二者在MAC层协议上的相似性。
NDP过程
另外这两个先导的过程，NDP和BSR过程也能够结合起来一块儿使用，以下图
参考：Aruba的802.11ax白皮书
有了测量矩阵才能够作编码，因此MI-MIMO会作这样的过程。协议没有给定BSR，NDP这样的测量过程和传输过程的关系，因此不是每一次传输都须要测量一次，可选，也可不选。测量周期也是给开发商本身搞定的。关于NDP过程而言，其实与应用场景有关，Wi-Fi大概是100ms左右就能够了，这个从理论上有一个概念，叫作海森堡时间。
参考：802.11ac: A Survival Guide
而后有了BSP和NDP过程后，就能够执行一次传输了。这个传输过程内，能够作MU-MIMO，能够作OFDMA，也能够作OFDMA+MU-MIMO，协议不规定，给开发商本身折腾的。可是前提是要先导过程，有获取了足够信息。
还有点须要注意的是，目前Wi-Fi协议都是任意长数据帧的，不像LTE，5G NR同样，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，因此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当中是有变化的。下图所示是截至802.11ac目前的最大值：
参考：802.11-2016版本
在Wi-Fi中，因为是多用户同时传输，不管上行仍是下行，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，因为只有下行发送，因此发送时间是按照最长帧来的，其余短的不够就补。在802.11ax里面，因为引入上行传输，那么传输时间是AP猜的，根据BSR之类的信息来猜的，因此这段时间有可能会长，长就补0，若是短的话，那么引入了一个新概念，就是动态帧切片，把帧给切短了，而后发送。以上这点在动态帧切换中咱们已经讨论过了，因此这里就不展开了。
结语
以上，笔者大体把802.11ax中相关MU-MIMO和OFDMA的技术内容作一个技术笔记，本文仅仅偏向于技术笔记，觉得不少物理层相关技术，尤为是MIMO的包含不少定义明确的概念，可是本文并无考究。故本文若是有不对的地方，还请见谅。
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