[New WiFi] OFDMA in 802.11ax

在 802.11ax 的通訊協定中,
一個最重要的變化, 就是引入了 OFDMA 的通訊標準,
如果我們回顧 802.11 的實體層通訊協定,
從第一個世代的 DSSS 為主的架構 (802.11b, 802.11g),
到第二個世代以 MIMO-OFDM 的架構 (802.11n, 802.11ac),
802.11ax 作為下一個世代的 WiFi 通訊 (或者, 按照新的命名方式為WiFi6),
引入 OFDMA 將改變一些 WiFi 的基本想法,

在說明 OFDMA 之前, 我們先說明 OFDM 和 OFDMA 的不同,
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) 是一種調變技術,
簡單來說, 此調變技術將訊號放在不同的載波 (sub-carrier) 上傳送,
在過去的 WiFi 架構下, 採用 OFDM 只是改變了某一段時間的封包傳送方式,
但是, 在時間的分配上, 仍採取不同使用者競爭的方式,
此分散式競爭方式, 簡單來說, 就是使用者透過一個存取機率,
來爭搶傳送的資源, 並避免互相的干擾,
當取得通訊資源後, 使用者就可以在一定時間內進行資料傳輸.

來自: http://www.ni.com/white-paper/53150/zht/

但是, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 則打破了此規則,
OFDMA 進一步將 OFDM 中的載波分配給使用者,
換言之, 多個使用者可以在同一個時間使用通訊資源,

來自: https://blogs.arubanetworks.com/solutions/why-ofdma-is-a-magical-feature-in-802-11ax-standard/

為什麼要使用 OFDMA 取代 OFDM 呢?
最直接的理由就是可以省下通訊資源,
當多個使用者的封包集合一起傳送, 就可以減少競爭的次數,
以上圖為例, 原本要競爭3次通道, 透過 OFDMA 就減少至一次,
同時, preamble 的 overhead 也會減少.
這樣的架構特別適用於 IoT 以及 QoS 的服務,
因為此類服務通常都有大量的裝置, 以及少量而持續的通訊需求,
透過 OFDMA 將可以解決大量裝置對於通道資源的爭搶.

在 802.11ax 中不只下行 (downlink), 包括上行 (uplink) 也適用 OFDMA,
雖然, 可預見的是上行的 OFDMA 因為牽涉到使用者同步, 會更加困難,
也不一定每一家廠商都會實作此功能,
同時, OFDMA 的架構也會影響原有的競爭機制,

來自: https://arxiv.org/pdf/1702.05397.pdf

在第一張圖 (a) 中, 是原有的 WiFi 競爭機制,
第二張圖 (b), 為 OFDMA 下, 下行的資料傳輸, 其中, BACK 為 Block ACK,
值得注意的是為了 hidden node 問題, CTS 為每個裝置都必須進行,
第三張圖 (c), 為 OFDMA 下, 上行的資料傳輸, 有兩點需要注意,
第一, 雖然資料是由裝置傳送至 WiFi AP, 但是, 通道的競爭仍是由 WiFi AP 發起.
第二, 加入一個 Trigger 的封包, 推測應該是用來同步不同裝置.

通訊協定的修改, 通常是互相關聯的過程,
比如說, 在 802.11ax 採用 OFDMA 下, 也減少了 sub-carrier 的間距 (1/4),
換句話說, 載波的數量將會上升 4 倍, 能夠更好的在 OFDMA 下進行多工.