802.11ax前瞻2：OFDMA資源塊 - RU

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序言

在802.11ax協議中，由於引入了OFDMA技術，所以我們需要定義時頻資源塊的概念，這些時頻資源塊都是彼此正交的。802.11ax中的OFDMA實際上是借鑒LTE的，但是沒有LTE資源塊那麼複雜（比如RE，RB，CP，REG，CCE這些），802.11ax中僅僅有RU（Resource unit）的概念，故本節我們主要敘述802.11中子載波分配，以及RU的設置。本節我們討論內容主要參考Draft 0.1中的相應描述，以及部分提案中的內容。

註：由於協議正在制定的過程中，所以會存在TBD（To Be Determined）的部分以及不斷更新的協議內容，筆者未必跟上最新的協議進程，如果有錯漏的地方，還請見諒。

OFDMA簡介

我們以上圖為例，左圖是OFDM的工作模式，右圖是OFDMA的工作模式。圖中一共有4個節點，分別以4種顏色進行標識。圖中橫軸為時域，縱軸為頻域（即對應不同的子載波）。

OFDM工作模式（左圖）：用戶是通過不同時間區分出來的。每一個時間片段，一個用戶完整佔據全部的子載波，並且發送一個完整的數據包（如圖中紅色部分標出的WLAN Packet）。
OFDMA工作模式（右圖）：用戶是根據時頻資源塊RU區分出來的。我們首先將整個信道的資源分成一個個小的固定大小的時頻資源塊，這個時頻資源塊也就是RU（Resource unit）。在該模式下，用戶的數據是承載在每一個RU上的，故從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發送。

OFDMA相比OFDM一般有兩點好處：

資源的更細膩分配。特別是在部分節點信道狀態不太好的情況下，可以根據注水定理的思想（即根據信道質量分配發送功率），來更細膩化的分配信道時頻資源
能夠更好的提供QOS。因為初始的802.11是佔據整個信道的，如果有一個QOS數據包需要發送，其一定要等之前的發送者釋放完整個信道才行，所以會存在較長的延遲。在OFDMA的情況下，由於一個發送者只佔據部分信道，所以能夠減少QOS節點接入的延遲。

RU（Resource unit）

本節參考Draft 0.1中第26.3.7節（OFDMA and SU tone allocation）中的相關敘述。

在802.11ax中，一個最小的時頻單位為RU。與LTE中的RE（Resource Element）和RB（Resource Block）不同，LTE中的RE和RB都是一個固定值，我們列舉如下

RE：時域上對應1個symbol，頻域上對應1個sub-carrier。
RB：對應時域上1個slot內（即半個子幀長度0.5ms）中，頻率上對應12個sub-carrier，一般是7*12個RE。,

在802.11ax中RU是一個相對的概念，即存在很多種不同大小的RU，如下圖所示：

圖中，一共定義了6中RU類型，分別是26，52，106，242，484以及996個子載波。

註：筆者目前尚未確定是否存在不同類似RU共存的情況，比如在20M帶寬情況下，2個52-subcarrier RU和1個106-subcarrier RU是否可以共存，這點有待後續理解。筆者比較傾向理解，不同的RU是可以共存的。這樣設計的好處在於可以更有效的分配頻率資源，比如在20M的信道條件下，一共可以存在9個26-subcarrier的RU，故需要9個人競爭才可以佔據全部信道，否則就會有資源浪費（在802.11ax中，目前筆者理解每一個發送者每次只能夠競爭一個信道）。所以在發送者數量不足的情況下，只有通過不均等的分配，才可以更加有效的利用信道資源。

由於我們在802.11ax簡介中也提到了，在該協議中，相同的信道帶寬採用的FFT的點數增加4倍。比如原來20M信道採用64點的FFT（即64個子載波），現在就變成了256點的FFT（即256個子載波）。參考上圖中（CWB20，26-subcarrier RU）的RU的數量，我們計算26*9=234是小於總子載波數256的，所以圖中數值是合理的。

DC，Null Sub-carriers and Guard Sub-carriers

在前面RU的計算結果中，20M信道一共應該有256個子載波，而實際RU總共只使用了234個，兩者相差了22個子載波。這些子載波是用來做保護間隔的：包含了DC，Null Sub-carriers以及Guard Sub-carriers，如下圖：

圖中分別列舉了RU為26,52,106個子載波的情況，我們具體解釋如下：

DC保護：以中心子載波為核心，一共有7個子載波作為DC保護的，即DC的保護帶寬一共是7*78.125kHz=546.875kHz，與原來的一個DC保護（即312.5kHz）是比較接近的。

Guard Sub-carriers：保護子載波這裡指的是信道之間的保護子載波了（比如20MHz信道之間的保護），如上圖所示，其選取了左邊的6個子載波以及右邊的5個子載波作為保護，這點設計是和802.11a的載波設計是一樣的，只是子載波的帶寬不一樣而已。

Null Sub-carriers：在一些早期的書裡面，比如《MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB》，其中是將Guard Sub-carriers和Null Sub-carriers等價看待的。不過在802.11ax中，Null子載波是指的RU之間的保護間隔，一般是1個子載波。

下面這張彩圖可能更清晰一些：

那麼這裡一共損耗了6+1+1+7+1+1+5=22個子載波，是和之前計算相等的。

Pilot Sub-carriers

最後我們介紹一下在802.11ax中，導頻子載波（Pilot）的設計。導頻子載波是用來做信道估計的，利用估計出的信道係數完成解調的工作。由於802.11ax還是一個分散式接入的工作，所以Pilot是包含在每一個RU內部的。這點也是與LTE的不同，LTE中，下行一般是用CRS（Cell-specific Reference Signals）信道，即特殊的導頻圖案（即時頻圖案）做參考信號，上行是在時隙內（即時域上這個時間片資源）上放置DMRS（Demodulation Reference Signal）用作解調參考信號的。

在802.11中，始終是用特定的子載波作為導頻子載波，從而完成信道估計的功能，在802.11ax中，導頻子載波的分配如下：

其中紅色的直線即代表導頻子載波的位置，其導頻資源是均勻分布在整個信道上的。比如在RU為26個子載波的情況下，每一個RU中都包含了2個pilot，在RU為52個子載波的情況下，每一個RU包含4個pilot。通過這些pilot的設置，在傳輸過程中，接收方才可以有效地估計信道，並完成解調的工作。

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