专题研讨: 802.11ax中上下行OFDMA过程

随着近两年Wi-Fi 6逐渐步入消费者的视线中，Wi-Fi的市场也会从平稳发展的状态开始由于设备厂家的积极参与而步入繁荣。众所周知，802.11ax规范中引入了OFDMA，因此导致终端接入无线网络的机制以及无线空口抓包的方式发生了变化，今天我们就主要来探讨一下在802.11ax中上下行Multiple User OFDMA的整个过程。

传统的802.11ac以及更早期的无线协议都是基于时分的系统，AP和所有的用户在使用无线网络是都是只需要遵循CSMA/CA的机制进行信道竞争，所以在每个时隙上只存在AP或一个用户使用整个信道带宽的情况。而802.11ax中OFDMA的介入，使得频谱资源按照不同的子载波数量进行更加详细的划分成单独的RU，这样导致在同一时隙上多个用户可以使用不同的RU进行接入信道，从而提高传输效率。

 

新的寻址方式，意味着新的交互过程，接下来我们详细来分析上下行的过程。

1. 下行MU-OFDMA

•  802.11ax AP向802.11ax终端们进行多用户下行传输。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可以给多个目标终端发送MU-RTS帧，这是一种类型的触发帧，该文的最后我们会介绍802.11ax存在哪些类型的触发帧。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），所有的终端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终端之间进行OFDMA传输时，信道时必须保证空闲的。

• 当接收到MU-RTS后，终端需要向AP反馈CTS用于确认。

• 当收到来自于802.11ax终端的CTS后，802.11ax AP将进行一次下行的MU-OFDMA数据（报文类型HE MU PPDU）传输。由于AP已经将信道划分成了多个RU，当终端在自己对应的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，然后终端并行反馈Block-ACK。这里反馈ACK还可以采用Automatic Block-ACK机制。

 

AP下发的一个HE MU PPDU帧我们可以简化成下面这种模式，此时信道上只有单个数据帧在传输，其中在Pre HE preamble上的HE-SIG-B字段中，接收数据的station会找到对应的RU allocation，从而接收到属于自己的数据。那具体每个station所使用多大的RU资源，是由AP根据station需要接收的数据大小来分配。

2. 上行MU-OFDMA

上行MU-OFDMA过程相比下行MU-OFDMA过程会更复杂一些，AP依旧会起到主导作用，通过使用多种触发帧来调度station进行上行数据传输如下图所示。

• 802.11ax AP通过竞争获取信道后，发起一次TXOP传输时间，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 ），其用于请求终端的Buffer信息。

• 当终端收到BSRP以后，其会反馈BSR（Buffer Status Reports）信息，该信息用于辅助AP进行UL-OFDMA中RU资源的分配。其中BSR包含的信息有终端的AID，数据长度，QoS类型等等。

• AP根据终端上报的信息开始创建RU的调度信息，如资源块起始时间，终端与RU的对应关系（RU mapping），每个终端使用的RU数量，MCS，power level等等信息。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，所有的终端（包含802.11ax和非802.11ax）都可以接收。非802.11ax的终端会通过接收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。

• 所有终端收到RTS后使用并行的RU回复CTS给AP。

• AP发送一个basic trigger frame（Trigger#3），告知终端所有以上的调度信息以及同步所有终端。

• 终端按照分配的RU资源，MCS，power level进行上行数据传输，此时终端所使用的数据帧格式为HE TB PPDU (Trigger Based frame)，并且要求所有的终端开始发送和结束发送必须完全同步，不同步的部分在数据帧中使用PAD进行填充。

• 当上行UL-OFDMA传输完成后，AP会向终端们反馈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。

每个Station上行发送的一个HE TB PPDU帧我们可以简化成下面这种模式，此时信道上会有多个数据帧同时传输，但是是使用不同的RU资源块，所以AP在并行收到数据后进行解码就可以得到每个station的数据。那具体每个station所使用多大的RU资源，是由AP根据station上报的数据大小来分配。

另外，针对上文中我们引入的一些概念再进行简单的介绍：

• 触发帧（Trigger frame）

协议中定义了多种触发帧类型，如下图，每种触发帧应用于不同的场景，部分触发帧的功能还请参考上述中的MU-OFDMA流程。

• HE-SIG-B

HE-SIG-B是HE MU PPDU帧Pre HE Preamble中所特有的字段，且存在于HE MU PPDU帧中，所以这也告知用户对于下行MU数据需要重点查看的部分。下图是HE MU PPDU详细的帧结构。

• AID

AID为Association ID, 802.11ax中AP对于RU资源分配都是基于终端的AID，而且在802.11ax ODFMA抓包中我们也需要指定AID进行抓包，这也是与传统抓包方式的一个重要的区别。每个终端在关联上AP后都会得到一个特定的AID，但是若station漫游到另外一个AP上会得到一个新的AID。查看终端AID的方式，我们可以通过抓取AP广播的Basic Trigger frame得到每个终端的AID。

 

User Info from Basic Trigger frame

 

以上是本期的针对WiFi 6 技术中最重要的特性OFDMA的探讨，以后我们会有更多WiFi6 技术特点的深入探讨。

 

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