ofdma技术_Wi-Fi 6(802.11ax)解析2：OFDMA资源块 - RU

序言

在802.11ax协议中，由于引入了OFDMA技术，所以我们需要定义时频资源块的概念，这些时频资源块都是彼此正交的。802.11ax中的OFDMA实际上是借鉴LTE的，但是没有LTE资源块那么复杂（比如RE，RB，CP，REG，CCE这些），802.11ax中仅仅有RU（Resource unit）的概念，故本节我们主要叙述802.11中子载波分配，以及RU的设置。本节我们讨论内容主要参考Draft 0.1中的相应描述，以及部分提案中的内容。

注：由于协议正在制定的过程中，所以会存在TBD（To Be Determined）的部分以及不断更新的协议内容，笔者未必跟上最新的协议进程，如果有错漏的地方，还请见谅。

OFDMA简介

我们以上图为例，左图是OFDM的工作模式，右图是OFDMA的工作模式。图中一共有4个节点，分别以4种颜色进行标识。图中横轴为时域，纵轴为频域（即对应不同的子载波）。

• OFDM工作模式（左图）：用户是通过不同时间区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据全部的子载波，并且发送一个完整的数据包（如图中红色部分标出的WLAN Packet）。
• OFDMA工作模式（右图）：用户是根据时频资源块RU区分出来的。我们首先将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频资源块，这个时频资源块也就是RU（Resource unit）。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送。

OFDMA相比OFDM一般有两点好处：

• 资源的更细腻分配。特别是在部分节点信道状态不太好的情况下，可以根据注水定理的思想（即根据信道质量分配发送功率），来更细腻化的分配信道时频资源
• 能够更好的提供QOS。因为初始的802.11是占据整个信道的，如果有一个QOS数据包需要发送，其一定要等之前的发送者释放完整个信道才行，所以会存在较长的延迟。在OFDMA的情况下，由于一个发送者只占据部分信道，所以能够减少QOS节点接入的延迟。

RU（Resource unit）

本节参考Draft 0.1中第26.3.7节（OFDMA and SU tone allocation）中的相关叙述。

在802.11ax中，一个最小的时频单位为RU。与LTE中的RE（Resource Element）和RB（Resource Block）不同，LTE中的RE和RB都是一个固定值，我们列举如下

• RE：时域上对应1个symbol，频域上对应1个sub-carrier。
• RB：对应时域上1个slot内（即半个子帧长度0.5ms）中，频率上对应12个sub-carrier，一般是7*12个RE。,

在802.11ax中RU是一个相对的概念，即存在很多种不同大小的RU，如下图所示：

图中，一共定义了6中RU类型，分别是26，52，106，242，484以及996个子载波。

注：笔者目前尚未确定是否存在不同类似RU共存的情况，比如在20M带宽情况下，2个52-subcarrier RU和1个106-subcarrier RU是否可以共存，这点有待后续理解。笔者比较倾向理解，不同的RU是可以共存的。这样设计的好处在于可以更有效的分配频率资源，比如在20M的信道条件下，一共可以存在9个26-subcarrier的RU，故需要9个人竞争才可以占据全部信道，否则就会有资源浪费（在802.11ax中，目前笔者理解每一个发送者每次只能够竞争一个信道）。所以在发送者数量不足的情况下，只有通过不均等的分配，才可以更加有效的利用信道资源。

由于我们在802.11ax简介中也提到了，在该协议中，相同的信道带宽采用的FFT的点数增加4倍。比如原来20M信道采用64点的FFT（即64个子载波），现在就变成了256点的FFT（即256个子载波）。参考上图中（CWB20，26-subcarrier RU）的RU的数量，我们计算26*9=234是小于总子载波数256的，所以图中数值是合理的。

DC，Null Sub-carriers and Guard Sub-carriers

在前面RU的计算结果中，20M信道一共应该有256个子载波，而实际RU总共只使用了234个，两者相差了22个子载波。这些子载波是用来做保护间隔的：包含了DC，Null Sub-carriers以及Guard Sub-carriers，如下图：

图中分别列举了RU为26,52,106个子载波的情况，我们具体解释如下：

DC保护：以中心子载波为核心，一共有7个子载波作为DC保护的，即DC的保护带宽一共是7*78.125kHz=546.875kHz，与原来的一个DC保护（即312.5kHz）是比较接近的。

Guard Sub-carriers：保护子载波这里指的是信道之间的保护子载波了（比如20MHz信道之间的保护），如上图所示，其选取了左边的6个子载波以及右边的5个子载波作为保护，这点设计是和802.11a的载波设计是一样的，只是子载波的带宽不一样而已。

Null Sub-carriers：在一些早期的书里面，比如《MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB》，其中是将Guard Sub-carriers和Null Sub-carriers等价看待的。不过在802.11ax中，Null子载波是指的RU之间的保护间隔，一般是1个子载波。

下面这张彩图可能更清晰一些：

那么这里一共损耗了6+1+1+7+1+1+5=22个子载波，是和之前计算相等的。

Pilot Sub-carriers

最后我们介绍一下在802.11ax中，导频子载波（Pilot）的设计。导频子载波是用来做信道估计的，利用估计出的信道系数完成解调的工作。由于802.11ax还是一个分布式接入的工作，所以Pilot是包含在每一个RU内部的。这点也是与LTE的不同，LTE中，下行一般是用CRS（Cell-specific Reference Signals）信道，即特殊的导频图案（即时频图案）做参考信号，上行是在时隙内（即时域上这个时间片资源）上放置DMRS（Demodulation Reference Signal）用作解调参考信号的。

在802.11中，始终是用特定的子载波作为导频子载波，从而完成信道估计的功能，在802.11ax中，导频子载波的分配如下：

其中红色的直线即代表导频子载波的位置，其导频资源是均匀分布在整个信道上的。比如在RU为26个子载波的情况下，每一个RU中都包含了2个pilot，在RU为52个子载波的情况下，每一个RU包含4个pilot。通过这些pilot的设置，在传输过程中，接收方才可以有效地估计信道，并完成解调的工作。

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