802.11ax前瞻2：OFDMA資源塊 - RU

敘言

在802.11ax協議中，由于引入了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實際上是鑒戒LTE的，但是沒有LTE資源塊那末復雜（比如RE，RB，CP，REG，CCE這些），802.11ax中僅唯一RU（Resource unit）的概念，故本節我們主要敘述802.11中子載波分配，和RU的設置。本節我們討論內容主要參考Draft 0.1中的相應描寫，和部份提案中的內容。

注：由于協議正在制定的進程中，所以會存在TBD（To Be Determined）的部份和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1共有4個節點，分別以4種色彩進行標識。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辨別出來的。每個時間片斷，1個用戶完全占據全部的子載波，并且發送1個完全的數據包（如圖中紅色部份標出的WLAN Packet）。
  
• OFDMA工作模式（右圖）：用戶是根據時頻資源塊RU辨別出來的。我們首先將全部信道的資源分成1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個RU上的，故從總的時頻資源上來看，每個時間片上，有可能有多個用戶同時發送。
  

OFDMA相比OFDM1般有兩點好處：

• 資源的更細膩分配。特別是在部份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。由于初始的802.11是占據全部信道的，如果有1個QOS數據包需要發送，其1定要等之前的發送者釋放完全個信道才行，所以會存在較長的延遲。在OFDMA的情況下，由于1個發送者只占據部份信道，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）中的相干敘述。

在802.11ax中，1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1個固定值，我們羅列以下

• 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，1般是7*12個RE。,

圖中，1共定義了6中RU類型，分別是26，52，106，242，484和996個子載波。

注：筆者目前還沒有肯定是不是存在不同類似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是不是可以共存，這點有待后續理解。筆者比較偏向理解，不同的RU是可以共存的。這樣設計的好處在于可以更有效的分配頻率資源，比如在20M的信道條件下，1共可以存在9個26-subcarrier的RU，故需要9個人競爭才可以占據全部信道，否則就會有資源浪費（在802.11ax中，目前筆者理解每個發送者每次只能夠競爭1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。

由于我們在802.11ax簡介中也提到了，在該協議中，相同的信道帶寬采取的FFT的點數增加4倍。比如原來20M信道采取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是小于總子載波數256的，所以圖中數值是公道的。

DC，Null Sub-carriers and Guard Sub-carriers

在前面RU的計算結果中，20M信道1共應當有256個子載波，而實際RU總共只使用了234個，二者相差了22個子載波。這些子載波是用來做保護間隔的：包括了DC，Null Sub-carriers和Guard Sub-carriers，以下圖：

圖中分別羅列了RU為26,52,106個子載波的情況，我們具體解釋以下：

DC保護：以中心子載波為核心，1共有7個子載波作為DC保護的，即DC的保護帶寬1共是7*78.125kHz=546.875kHz，與原來的1個DC保護（即312.5kHz）是比較接近的。

Guard Sub-carriers：保護子載波這里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，其選取了左側的6個子載波和右側的5個子載波作為保護，這點設計是和802.11a的載波設計是1樣的，只是子載波的帶寬不1樣而已。

Null Sub-carriers：在1些初期的書里面，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，1般是1個子載波。

下面這張彩圖可能更清晰1些：

那末這里1共消耗了6+1+1+7+1+1+5=22個子載波，是和之前計算相等的。

Pilot Sub-carriers

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，導頻子載波的分配以下：

其中紅色的直線即代表導頻子載波的位置，其導頻資源是均勻散布在全部信道上的。比如在RU為26個子載波的情況下，每個RU中都包括了2個pilot，在RU為52個子載波的情況下，每個RU包括4個pilot。通過這些pilot的設置，在傳輸進程中，接收方才可以有效地估計信道，并完成解調的工作。

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