Wi-Fi 6(802.11ax)解析13：上行OFDMA接入机制（UL-OFDMA）

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　　序言

　　在介绍完802.11ax的信道接入，触发帧机制以及下行OFDMA接入机制以后，本文着重介绍上行OFDMA的接入机制（即UL-OFDMA）。在802.11ax以前，协议仅仅支持过下行的多用户接入，比如说MU-MIMO技术（在802.11ac中仅仅支持下行），为了进一步增加并发传输的能力，在802.11ax中引入了上行OFDMA技术和上行的MU-MIMO接入。在协议中上行OFDMA和上行MU-MIMO是组合出现的，其是采用同一种接入思想，区别只在于触发帧内的参数以及数据帧的物理层头部上，本文目前仅仅介绍了上行OFDMA接入机制，对于和上行MU-MIMO的结合，以后有时间再补上。

　　本文参考自：
　　●Uplink OFDMA is not PCF
　　●Uplink Orthogonal Division Multiple Access (UL-OFDMA) in 802.11ax

　　上行OFDMA和PCF的区别

　　在802.11ax中，UL-OFDMA的接入机制也是基于触发帧（Trigger Frames）的，这一种机制和传统802.11中的PCF机制有一些类似，但是也有点区别。

　　在传统的802.11标准中定义了一种PCF工作模式（Point Coordination Function），该模式是一种基于轮询的工作模式。AP执行轮询者的角色（point coordinator ），其可以在CFP时间范围内（contention-free period ），轮询客户端并执行上下行的传输。在PCF之后，802.11e修正案中为了整体解决无线网络中QoS的问题，定义了一种HCCA的方式（HCF Controlled Channel Access）。在HCCA中，AP作为具有QoS的中心调度器（Hybrid Coordinator ，HC），其在接入网络时默认具有比较高的优先级。利用该优先级，其可以将TXOP分给自身或者其他的节点，以提供一个受控的接入时间段，该时间段也被称为CAP时间（Controlled Access Phase ）。在这段时间内，QoS数据可以无需竞争，直接传输。PCF以及HCCA直至目前也很少在实际产品中实现过，有传言指该机制有可能会在将来的802.11标准中被逐步淘汰。

　　在802.11ax中，AP可以控制信道并调度上行OFDMA（UL-OFDMA）的接入。这一种控制和PCF或者HCCA时有区别的。基于CSMA/CA的竞争规则在UL-OFDMA中还是使用的，只有当802.11ax AP首先竞争胜利，并开启一个TXOP时间之后，其才可以占据并调度信道上其他的节点执行UL-OFDMA。在UL-OFDMA中，也会类似HCCA一样轮询终端的buffer情况以及其对应数据的QoS情况，但是和HCCA的区别在于，HCCA时主动轮询的，而802.11ax终端可以隐式的反馈其缓存的信息，无需主动轮询。另外还有一点区别在于802.11ax中引入了资源分配，即AP还需要为UL-OFDMA调度的时候，为多用户分配分配RU资源。在UL-OFDMA传输之前，AP会通过触发帧来指示每一个终端其对应的RU资源，以及对应RU资源上的传输模式（包含空间流数量，MCS速率等）。

　　上行OFDMA接入机制（UL-OFDMA）

　　下面我们介绍上行OFDMA的工作机制（UL-OFDMA），其基本思想是802.11ax AP通过竞争获取信道后，发起一次TXOP传输时间，并在该时间内通过触发帧调度对应的节点进行并发的上行OFDMA传输。具体过程中UL-OFDMA比DL-OFDMA更为复杂一些，其会采用三个触发帧进行交互，每个触发帧都是AP向节点获取特定的信息反馈。UL-OFDMA中AP会要求终端反馈缓存情况（即Buffer Status Report ，BSR）。BSR中包含了终端缓存数据的多少以及对应的QoS类别信息，这些信息会帮助AP优化RU的资源分配。AP将利用这些信息分配对应的RU，上行传输的时间，以及终端传输时对应的速率和功率。BSR信息是可以AP轮询请求的，也可以是非请求（也就是隐式反馈的）。

Uplink OFDMA

　　我们以上图作为示例简单说明下，当802.11ax竞争成功后，其首先会发送第一个触发帧（即Trigger #1），该触发帧类型是BSRP（Buffer Status Report Poll ），其用于请求终端的Buffer信息。当终端收到BSRP以后，其会反馈BSR（Buffer Status Reports）信息，就如之前我们提到的，该信息用于辅助AP进行UL-OFDMA中RU资源的分配。

　　当BSRP、BSR交互后，如果网络中存在传统的802.11客户端，那么AP还需要发送MU-RTS帧（即Trigger #2），该帧也是一种触发帧，并采用传统的OFDM技术进行发送，所有的终端（包含802.11ax和非802.11ax）都可以接收。非802.11ax的终端会通过接收MU-RTS帧中的Duration/ID字段，设置本地的NAV计时器，以保证在剩余UL-OFDMA时间内不会发起主动竞争。通过该MU-RTS帧中还包含了RU资源分配内容，我们需要注意，AP进行RU资源分配是在MU-RTS帧，而下一个触发帧仅仅是指示开启传输的作用。因为在AP分配RU资源后，需要得到终端的反馈，即终端会反馈CTS帧，告知AP其认可并知道了当前资源分配的情况。

　　当MU-RTS，CTS交换完后，AP会发送第三个触发帧（即Triiger #3），通知终端在对应的RU资源上进行上行传输。该触发帧还指示了本次上行传输的时间，需要注意的是，一次UL-OFDMA需要所有节点同时开始和同时结束（如果存在不同步的情况，那么需要在数据帧添加PAD用以填充，如图上所示）。该触发帧还包含了节点对应的功率控制信息，以便终端增加或者减少发送功率，这样有利于多终端均衡接收，并提高接收信号的质量。当上行UL-OFDMA传输完成后，AP会向终端们反馈Multi-STA Block ACK确认。另外，AP也可以逐个客户端反馈Block ACK，这在协议中是可选的。