ofdma技术_聊一聊Wi-Fi6--OFDMA

OFDMA

在Wi-Fi6之前的几代Wi-Fi产品中采用的空口技术是OFDM（正交频分复用）技术（802.11b除外）。而802.11ax引入了已经在蜂窝LTE中使用非常成熟的正交频分多址（OFDMA）技术，从这也可以看出无线通信领域两大技术以及标准之间的关系，当年把OFDM技术第一次带入蜂窝无线通信的正式脱胎于802.11的WiMAX（802.16）技术。而采用这种技术之后的Wi-Fi6可以比前几代更加高效，可靠以及灵活。

OFDMA（正交频分多址），其实是OFDM技术的演进。在相同的带宽，调制编码方式以及子载波间隔的条件下OFDMA技术不能提升物理速率。但是它可以通过在频域上向多个客户端并发，提升多用户通信时的效率，从某种意义上来说相对于802.11ac所采用的MU-MIMO技术在实际场景中稳定性更好，因此在这项技术在802.11ax标准中被寄予厚望。

我们知道在802.11ac以及之前的Wi-Fi无线通信中，我们主要在两个域对信道资源进行分配，一是在时间域，采用EDCA以分布式方式将传输机会分配给客户端；另一个是在空间域，采用MU-MIMO技术在空间域将空间流分配给不同的客户端。而OFDMA则引入了第三个域，即频率域，在之前的OFDM技术中，一个报文中的所有的子载波都用于和单一用户通信（SU-MIMO），而在OFDMA技术中，一个报文中不同的子载波可以分配给不同的客户端进行并发的通信。它允许资源单元（RU）根据客户端的需求划分带宽，并以更快的速度为多个个人提供相同的用户体验速度。

如上图所示，使用卡车进行的简单类比可以说明差异。每辆卡车都在搬运有效载荷或用户数据，例如，一辆正在网上冲浪，另一辆正在上传视频，第三辆正在发送即使文本消息。在OFDM下，无论每辆卡车有多空或满，设备都必须使用三辆相同大小的卡车来发送数据。换句话说，OFDM无法有效利用带宽，从而留出了很多空白。相比之下，OFDMA允许设备将RU（即数据）装满整辆卡车，这就更有效的利用了带宽。

除了提高带宽利用率之外，OFDMA还具有其他一些优势，例如确定性和通过减少帧前导（Preamble）和帧间隙（SIFS等）及终端之间竞争退避（Contention）的时间消耗，从而提升了多客户端并发场景的通信效率，特别是在高密度部署的情况下，性能提升尤其明显。这一切也提升了提供服务的质量（QoS）。利用OFDMA，不仅拥有在时间域和频率域的更细化的下行链路资源分配能力，而且在Wi-Fi通信中第一次拥有了对上行链路中显式分配资源单位的能力。这种双向资源单元分配能力类似于LTE资源块（RB），并类似于5G中的虚拟资源或“slice”。可以想象，此802.11ax slice可以具有各种属性，例如带宽，延迟和抖动，从而可以实现比802.11ac以前更细的QoS。

802.11ax采用的OFDMA技术将20/40/80/160 MHz信道划分为多个资源单元（RU）。对于20MHz信道，RU可以由26、52、106或242个子载波组成的对应于大约2 MHz，4 MHz，8 MHz和20 MHz带宽的RU。客户端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，可以向多个客户端同时发送数据。

表：不同带宽下的RU大小选择

由于802.11ax中的接入点（AP）与客户端（STA）在功能定义上已经非对称化了，所以OFDMA技术在下行链路和上行链路中所发挥的作用还有一些区别和各自的特点。

DL-OFDMA：

在下行链路中，采用OFDMA技术的接入点可以智能地调度客户端并分配资源。接入点可以基于诸如客户端功能，数据包大小，所需的应用程序QoS和信道条件等因素对不同的客户端活地分配不同带宽的RU。将多个客户端的数据封装到一个PPDU帧中，同时发送给多个站点，从而摊销前导开销和空口争用开销，特别是对于短数据帧来说，这种聚合带来的效率提升更加明显，从而带来更高的聚合网络吞吐量。DL-OFDMA还可以通过平衡高信噪比和低信噪比的客户端之间的功率分配来进一步优化总吞吐量。

因为接入点控制下行链路 OFDMA 的所有传输，所以DL-OFDMA实施起来可能更为简单。

UL-OFDMA：

Wi-Fi上行链路是一种分布式通信形式，因为发射机（即客户端）无法协调和调度与其他发射机的发射时机（与下行链路不同，在下行链路中，接入点（AP）既是发射机又是调度器）。在802.11 ax之前，上行链路传输是不协调的：客户端之间使用CSMA / CA争夺媒体，并基于随机分布的时序将数据包发送到接入点（AP）。对于单个或稀疏的接入点（AP）部署，这种方式简洁而有效。但是对于密集型部署的情况，在存在大量客户端的情况下，这种分布式的通信机制将导致较高的上行链路竞争，CSMA/CA 的效率也会降低，如果一个BSS中只有5 客户端则每个客户端可以达到100 Mbps，但是当BSS中达到50 个发客户端时，每个客户端可能无法达到 10 Mbps。 802.11ax通过赋予接入点（AP）一种协调客户端之间传输调度的能力，来使接入点（AP）能够管理上行链路资源的分配，同时配合使用CSMA/CA来确保空口介质的传输，从而使上行链路更加高效。具体来说接入点（AP）使用触发帧（HE-TRIG）与客户端约定上行链路数据来控制UL传输的时序和窗口期，并指示每个客户端可以使用子信道、MCS 速率和发射功率，以确保所有传输同时开始和结束以达到最佳带宽利用率。通过这些来减少的上行链路争用，提高传输效率和客户端体验。具体实现中UL-OFDMA可以按资源单元（RU）调整发射功率，以改善特定用户的SINR。

在UL-OFDMA或DL-OFDMA中增加某些资源单元（RU）发射功率，同时减少在其他单元中的发信功率的功率控制方法，将为使用“注水”算法提供一个机会，该方法是一种有效的接收方分配资源的技术。

总体来说UL- OFDMA 比DL-OFDMA更难管理和实现，因为除了必须协调许多不同的客户端之外，前导符号同步也将是一大挑战，这涉及不同客户端之间前导在时间，频率的同步，与LTE蜂窝技术不同，Wi‑Fi不会具有同步时钟信号，所以客户端将依赖于接入点以使网络上的所有设备保持同步。除了时间和频率之外，UL-OFDMA还需要考虑客户端之间功率上的同步。

这里需要指出的是，与MU-MIMO类似，在不同客户端的数据聚合时，要求必须把不同长度的数据捆绑在一起传输，当某些客户端的帧所需的传输时间比TXOP短时，需要添加额外的填充字段，这会导致一定的带宽损失，同时由于OFDMA引入了RU的概念，在每个RU中都必须为导频预留子信道，这些导频是不能用来传输数据的。OFDMA 为QoS管理开辟了许多新的维度，但它也需要更复杂的控制机制，因为接入点必须选择如何分配子信道，并在与使用它的客户端进行协调。

采用OFDMA技术并新增加的调度机制将允许采用 802.11ax技术的Wi-Fi6以类似蜂窝网络的方式工作。接入点可以为上行链路和下行链路调度连续的多客户端传输机会，在传输适当的数据流时，使用这种机制的每个数据包的开销将变得非常小。同时，客户端数量的扩展和 OFDMA 带宽分配的颗粒度将允许非常广泛的客户端密度和流量场景。从而实现在客户端数量密集的大规模部署时仍然能够提高性能的目标。