WIFI6之OFDMA – 小飞侠

OFDMA技术是在OFDM技术基础上按照频分的方式进行多用户接入的方式，即OFDMA技术可以拆解为： OFDM+FDMA，因此对于OFDMA技术的介绍需要从OFDM技术和FDMA技术两个角度来进行。

1. OFDM技术

OFDM技术是一种正交频分多路复用技术，即将整个信号带宽在频域划分为多个不同的子载波，同时在调制不同的子载波时，保持任意两个子载波之间是正交的。如何做到这一点呢？

首先定义OFDM的符号速率，即设定每个子载波上所传输的符号周期保持一致，都为T；那么OFDM的符号速率就是 1/T.

然后将每个子载波的中心频率都定义为OFDM符号速率的整数倍，即每个子载波的频率

$f_n=\frac{n}{T}$

这样第n个子载波上所传输的信号就可以表示为：

$s_n(t)=e^{j2{\pi}f_nt}=e^{j2{\pi}\frac{nt}{T}}$

基于这样的设计，不同的子载波上所发送的信号就具有正交性，即在OFDM符号周期内，不同的子载波信号之间互相关为0。

$cor(n_1,n_2)=\int_{0}^{T}s_{n1}(t)s_{n2}(t)dt=\int_{0}^{T}e^{j2{\pi}\frac{(n_1-n_2)t}{T}}dt$

从频谱上看，正交性体现在每个子载波能量峰值位置正好是其他子载波能量零点位置，如下图所示：

在当前信号处理水平下，发送端的正交调制和接收端的正交解调都采用FFT来进行处理。因此OFDM调制解调的核心就在于FFT运算。

因此基于OFDM技术，无线空口从时域和频域两个维度划分成了一个二维的矩阵，矩阵的每个框都都对应于一个信号的传输单元，上面可以承载一个调制符号。

2.OFDMA技术

OFDMA技术是在OFDM的基础上的一种频分多用户复用技术。在OFDM技术上，频域的所有子载波都是作为一个整体，同一时间只会分配给一个用户，在OFDMA技术中，会将不同的子载波单元分配给不同的用户，从而使不同的用户可以在时域并发接入信道。

在WIFI6中，将频域可用的子载波按照RU的粒度来进行划分，每26个子载波作为一个RU，并以此作为用户子载波分配的最小资源。在不同的带宽模式下，RU的分配方式不同，在协议中对RU的分配做了详细的定义。

2.1 OFDMA技术的优势

在WIFI6中引入OFDMA技术后有两个方面的收益：

增加网络所支持的用户容量

通过RU的划分，即使在20M带宽下，能够划分出9个RU，每个RU分配给不同的用户进行使用，即可以支持到9个用户共享频域资源进行接入，因此可以显著提高网络所支持的用户容量。
降低多用户场景下的网络回环时延

通过使用频分多用户接入，所有用户在时域上的传输时间可以重叠，即可以使网络中每个用户的交互回环时间都可以做到最小。

如下图所示，在WIFI5中所有用户通过CSMA竞争的方式来抢占信道，这样在多用户的情况下，每个用户在同AP的交互中都会因为被其他用户抢占信道，导致交互流程存在中断和延迟。而且随着用户数的增加，这个延迟也会相应的增大。

在使用OFDMA技术之后，多个用户可以在同一时间使用空口资源，一方面AP可以在同一个PPDU中发送多个用户的数据帧；另一方面不同的用户可以在同一个PPDU时隙内同时向AP发送各自的数据包。这样在多用户情况下的交互时延并不会因为其他用户的影响而导致传输时延增加。特别是对于时延敏感的游戏场景，传输的数据包都是小包，这样OFDMA技术就特别适合。

3.OFDMA引入的约束

3.1 频偏约束

在使用OFDMA技术后，所有用户按照频分的方式来进行多用户接入，即AP侧所接收到的信号是所有用户的信号在时域叠加后的信号。由于不同用户的载频同AP的载频都存在不同的频率偏差，这样在AP侧时域无法对齐到某一个用户的载频上。这样在AP侧所接收到用户的信号可以表示为

$y(n)=\sum_{u=0}^{U}\sum_{k\in{K_u}}s_ke^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}$

其中N为一个OFDM符号的样点数，n为时域采样序号。

即在AP侧进行OFDM解调时，每个用户都有一个不同的残留频偏值，这样导致不同子载波之间不再保持正交性，即会引入子载波间干扰。

基于上述的表达式，可以得到OFDM解调后的k0子载波上的解调信号可以表示为：

$Y(k_0)=\sum_{0}^{N}{\sum_{u=0}^{U}\sum_{k\in{K_u}}s_ke^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}}=I(0)s_{k0}+\sum_{u=0}^{U}\sum_{k\in{K_u}}I(k-k_0)s_k$

其中I(k) 表示间隔为k的两个载波之间的载波间干扰，数值同频偏值相关。

$I(k) = \sum_{0}^{N}e^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}=\frac{e^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)}-1}{e^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}-1}=e^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{N-1}{N}}\frac{e^{j{\pi}({\Delta}f_u+k)}-e^{-j{\pi}({\Delta}f_u+k)}}{e^{j{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}-e^{j{\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N}}}=e^{j*2{\pi}({\Delta}f_u+k)}*N*\frac{sinc({\pi}({\Delta}f_u+k))}{sinc({\pi}({\Delta}f_u+k)\frac{n}{N})}$

可见由于残留频偏的引入，会导致两方面的影响，一方面是解调的子载波在频域无法采样到该子载波的峰值位置；另一方面子载波之间不再正交，不同的子载波之间会存在子载波间干扰。

3.2 功率约束

在使用OFDMA技术后，所有用户所发送的信号在时域是重叠的，这样在AP侧进行接收时会按照所有用户时域合并的总能量来进行AGC调整，因此如果不同用户的信号到达AP侧的能量存在能量差异，则会导致不同用户受AP接收机底噪以及量化噪声的影响不同。

如上图所示，由于每个不同用户的发送功率以及路损差异，从而导致AP侧接收到不同用户的能量存在差异，即usr2的信号功率p1，usr1的信号功率p3，usr3的信号功率p2。由于AP接收机的底噪在频域是平坦的，因此AP所接收到不同用户能量的差异就会导致每个用户信号的SNR存在差异，即AP所接收到usr1信号的SNR就会显著低于usr2信号的SNR。可见由于AP所接收到不用用户信号能量的差异，会导致接收机底噪成为限制信号弱用户的SNR瓶颈。

综上所述，需要对不同用户的发送功率进行调整，通过测量不同用户的路损，并由此来调整不同用户的发送功率，以使每个用户到达AP侧信号的能量尽可能相近。为了实现这一目标，在WIFI6协议中约定，在AP侧需要对接收到每个用户的功率进行测量，当调度几个用户按照OFDMA的方式进行发送时，会根据为每个用户所分配的RU大小，计算AP对每个用户的期望接收功率，同实际接收功率进行对比计算出功率调整量 power_offset，并通过trigger frame将这个power offset指示到每个用户。所有用户在进行OFDMA帧发送时，再按照AP为自己指定的power_offset，计算自己的发送功率，并以该功率值进行发送。

3.3 定时约束

在使用OFDMA技术后，所有用户所发送的信号在时遇上会存在偏差，但是在AP侧只能按照一个定时来开FFT window，并基于此来进行采样和FFT变换。如下图所示：

基于上述的处理方式，如果不同用户的定时差异过大，会导致AP侧在进行OFDM解调时不可避免的引入符号间干扰。即不考虑空口传输的多径时延扩展时，如果不同用户的定时误差超过GI长度，则会导致AP在进行FFT处理时不可避免的引入符号间干扰。

在考虑空口传输的多径时延扩展时，不同用户的定时误差+多径时延扩展超过GI长度时，就会引入符号间干扰。

因此需要不同用户的信号到达AP侧的时间尽可能接近，即让用户间的定时误差尽可能小，以避免多用户时延差影响GI的抗多径时延扩展能力。为了实现这一目标，在WIFI6协议中约定，所有用户的发送时间以AP侧所发送的trigger frame时间为基准。如下图所示，所有用户在收到AP发送的trigger frame后，间隔SIFS后发送OFDMA PPDU。

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_39028066/article/details/119856810