WiFi6之OFDMA分析
时间:07月03日 人气:...

WiFi6有两个重要的概念,MU-MIMO(Multi-UserMultiple-Input Multiple-Output,多用户-多输入多输出)和OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址技术)。

如果拿货车运输货物举例,MU-MIMO可以理解为将原来的单车道变成多车道来提高效率,OFDMA可以理解为将货车里的货物进行合并减少货车数量从而提高效率,下面我从网上找了几张图片来解释说明。

MU-MIMO

如今,每个家庭需要连接Wi-Fi的设备越来越多,在同一个Wi-Fi网络内,在电视上看个高清电影很可能会让正在看直播的手机卡顿。在饭店吃饭时,Wi-Fi信号明明满格,但网速慢到难以忍受。这是为什么呢? 原因很简单:根据802.11ac标准,AP(路由器、热点)一次只能和一个STATION通讯。 在同一时刻,如果大量设备接入到同一个Wi-Fi网络,网络就会变慢变卡,就好比100辆车同一时间挤在一条马路上行驶,开得动?

有什么办法可以改变这个问题呢?答案是MU-MIMO

引入MU-MIMO技术就可以改变Wi-Fi网络的运行方式,改善网络资源利用率,显著提高网络总吞吐量和总容量,将STATION上网速度大幅提升。 MU-MIMO是指在无线通信系统里,一个基站同时服务于多个移动STATION,基站之间充分利用天线的空域资源与多个用户同时进行通信。

WiFi 5在下行用了MU-MIMO技术,WiFi 6 则延续了WiFi 5 所带来的MU-MIMO (多用户多输入多输出系统)WiFi 6 支持完整版的MU-MIMO 技术支持上下行可以一次同时支撑8 STATION设备上行/下行传输更多数据,WiFi5 的两倍。WiFi 6AP利用多天线同时跟多个STATION设备进行沟通,做到一心多用。比起过去只能单天线单设备同时通信的设计,MU-MIMO更能胜任提升网络速率,连接更多设备的需求。

OFDMA

与WiFi 5采用OFDM(正交频分复用技术)技术不同,WiFi6借用了蜂窝网络采用的OFDMA,多个STATION可同时并行传输,不必排队等待、相互竞争,从而提升效率和降低时延。举个例子,原来一个时间段只能有一个载波去传输一个数据包,采用OFDMA 后就相当于在一个时间段可以有多个载波同时传输多个数据包。

打个比方来说:我们把数据看做是货物,WiFi是运输货物的货车,OFDMA技术就相当于用货车运用货物的方式了。前一代WiFi5技术使用的OFDM技术,等于是将网页、视频、消息等不同的“货物”,分开运输,每一次运输的货物只有一种,因此其他没有上车的货物就需要进行等待,也就很浪费时间。但是WiFi6使用的OFDMA技术则是用一辆车将所有的货物全都装上车,一车运走,不管是网页还是视频还是消息,这些数据都不需要等待,效率自然就更高了不少。对应到现实生活的网络使用中,也就能够提高WiFi的速度以及降低延时。

但是如此一来,也会有一个问题产生,有时候“货物”太多了,一辆车根本运不走,这种时候如果能够提升货车的数量,一切问题就都好解决了,MU-MIMO技术应运而生。高带宽的应用,往往带来大量的数据,需要更大的容量,MU-MIMO技术能够为每一个用户都提供高速连接,原本可能只有一辆货车,将所有的货物全都装车运走,但现在货物太多,一辆车运不走,那就加到三辆、五辆甚至是更多辆车,即便是大量的数据,也能够同时运走,不影响效率,同样能够得到快速的网络体验以及超低的延时。

虽然OFDMA和MU-MIMO都是允许多个设备同时传输的技术,但它们却截然不同。OFDMA可以在低吞吐量或小包应用(如物联网传感器)的高密度环境中提供帮助,而MU-MIMO可以帮助实现高吞吐量应用。OFDMA技术是对MU-MIMO的补充。

 OFDMAMU-MIMO作为WiFi 6的核心技术,通过分别在频率空间和物理空间上提供多路并发技术,带来了网络性能与速度的极大提升,全面优化用户体验,重新定义了WiFi的速度与激情。

OFDMA在使用中又分为UL/DL-OFDMA,其中ULDL更为复杂,下面根据协议和从知乎大神徐方鑫的文章进行一些简单分析。

上行OFDMA接入机制(UL-OFDMA)

在802.11ax中,UL-OFDMA的接入机制也是基于触发帧(Trigger Frames)的,AP可以控制信道并调度上行OFDMA(UL-OFDMA)的接入,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。

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STATION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)。

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STATION反馈缓存情况(即Buffer Status Report BSR)。BSR中包含了STATION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STATION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)。

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STATION的Buffer信息。当STATION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STATION(包含802.11ax和非802.11ax)都可以接收。非802.11ax的STATION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STATION的反馈,即STATION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STATION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STATION增加或者减少发送功率,这样有利于多STATION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STATION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。

下行OFDMA接入机制(DL-OFDMA)

802.11ax AP首先需要通过竞争(即CSMA/CA的竞争过程),竞争胜利后,其发起一个TXOP传输时间,相当于这一段TXOP时间内,信道都是被AP所预约占据的,其余所有节点都会被延迟。如下图所示:

一旦802.11ax AP获得了TXOP传输时间,AP可以给多个目标STATION发送MU-RTS帧,这也是一种类型的触发帧。该MU-RTS帧有以下两个目的:

·预约信道(Reserve the mediumMU-RTS采用传统的OFDM技术,在整个20MHz信道上进行传输,所有的节点(包含802.11ax节点和传统的802.11节点)都可以接收。其功能和传统的RTS是类似的。通过该MU-RTS帧中的Duration/ID字段,该帧设置其余所有节点的NAV定时器,在预约时间内(即定时器设置的时间),所有的STATION都处于被动接收状态,不会主动竞争信道。NAV定时器设置的时间值用于DL-OFDMA的数据帧交换。在802.11ax AP向802.11ax STATION之间进行OFDMA传输时,信道时必须保证空闲的。

·RU分配(RU allocationMU-RTS还被用来同步802.11ax STATION的RU分配。MU-RTS由于时一种触发帧(Trigger Frames),触发帧内部包含了RU分配对应的字段。802.11ax AP通过MU-RTS作为触发帧,告诉每一个STATION其被分配的时频资源(即对应的RU)。当接收到MU-RTS后,STATION需要向AP反馈CTS用于确认。

当收到来自于802.11ax STATION的CTS后,802.11ax AP将执行一次下行的OFDMA数据传输(如图里传输Multi-user DL-PPDU部分)。由于AP已经将信道划分成了多个RU,当STATION在自己对应的RU上接收数据,并校验成功后,其需要向AP反馈ACK。该ACK还是通过Block-ACK的形式进行反馈的。具体为当传输完成后,AP会等待SIFS时间,然后发送BAR帧(Block ACK Request)向节点请求Block-ACK,然后STATION并行反馈Block-ACK。这里反馈ACK还可以采用Automatic Block-ACK(即AutoBA,Auto Block-Ack )机制。

当本轮的DL-OFDMA传输完成后,所有节点(包含AP和STATION)都需要进行下一次竞争。若802.11ax AP竞争成功,那么可以执行新的一次DL-OFDMA传输。后面的就以此类推。

目前市面上号称支持OFDMAWiFi6路由器和手机等都很不完善,很难按照协议的描述抓到完整的过程,下面我以抓到的basic trigger帧举个例子,其它的待以后深入研究了再补充

可以看到basic trigger帧的样子为:

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