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[技术交流] Wi-Fi 6(802.11ax)解析2:OFDMA资源块 - RU

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发表于 2020-9-24 16:25:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
  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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