OFDMA 802.11ax

Стандарт IEEE 802.11ax значительно улучшил существующий стандарт 802.11ac [2]. Одним из ключевых усовершенствований является OFDMA, который представляет собой расширение технологии цифровой модуляции с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) в многопользовательскую среду. Принцип OFDMA заключается в эффективном использовании доступного частотного пространства. OFDMA разделяет полосу пропускания канала на множество взаимоисключающих поддиапазонов, называемых RU. Посредством разделения полосы пропускания канала множество пользователей могут одновременно получить доступ к радиоинтерфейсу. В результате одновременная передача небольших кадров множеству пользователей возможна одновременно. Например, обычный канал 20 МГц может быть разделен максимум на девять подканалов. Впоследствии, используя OFDMA, точка доступа 802.11ax может одновременно передавать небольшие кадры на девять станций 802.11ax. Одновременная передача кадров не только сокращает избыточные служебные данные в MAC, но также минимизирует служебные данные конкуренции. В OFDMA выделение RU полностью контролируется точкой доступа. Стандарт 802.11ax определяет два типа передач OFDMA, а именно передачу OFDMA нисходящей линии связи (DL) и восходящей линии связи (UL).

Сравнение OFDM и OFDMA

Этот раздел иллюстрирует различие между OFDM и OFDMA. На этом рисунке точка доступа 802.11n/ac/ax передает DL на 4 станции OFDM независимо во времени. Вся полоса пропускания канала используется для связи DL между точкой доступа и одной станцией OFDMA. То же самое справедливо для любой передачи по восходящей линии связи от одного клиента 802.11n/ac/ax к точке доступа 802.11n/ac/ax.

На этом рисунке показано, что при использовании OFDMA точка доступа 802.11ax разделяет полосу пропускания канала на RU для множества станций OFDMA на непрерывной основе для одновременных передач DL. Посредством разделения полосы пропускания канала OFDMA эффективно использует доступный частотный спектр, что приводит к уменьшению конкуренции MAC и заголовка преамбулы PHY.

Точка доступа 802.11ax также может координировать со станциями OFDMA 802.11ax для одновременных передач по восходящей линии связи.

Модель сети 802.11ax с OFDMA

В этом примере показана связь DL OFDMA в сети 802.11ax с одной точкой доступа и четырьмя станциями. Эти станции расположены линейно с точкой доступа, расположенной в начале. Эти станции реализуют множественный доступ с измерением несущей с предотвращением коллизий (CSMA/CA) с физическим измерением несущей. Физическое обнаружение несущей использует механизм оценки свободного канала (CCA), чтобы определить, занята ли среда перед передачей. Этот пример является усовершенствованием по сравнению с примером измерения MAC 802.11 и пропускной способности приложений. Усовершенствования связаны с добавлением поддержки OFDMA 802.11ax DL в блоках библиотеки MAC и PHY. Тем не менее, Node Position Allocator (NPA), Visualizer и Application Traffic Generator блоки такие же, как в примере измерения MAC 802.11 и пропускной способности приложений.

Компоненты узла WLAN показаны на этом рисунке. Информация извлекается нажатием кнопки со стрелкой для каждого узла на приведенном выше рисунке.

Конфигурация приложения

В этом примере используются те же блоки прикладного уровня (генератор трафика и приемник трафика), что и в примере измерения MAC 802.11 и пропускной способности приложений. Можно добавить или удалить любое количество блоков приложений с различными параметрами конфигурации, такими как Packet Size, Packet Interval, Destination Name, и Access Category (AC). Несколько приложений с одним и тем же AC могут быть включены одновременно с различными Destination Names. Чтобы добавить или удалить приложения, введите Applications блок подсистемы узла двойным щелчком по нему. На этом рисунке показаны приложения внутри Applications блок подсистемы.

На этом рисунке показаны параметры конфигурации приложения. Дважды щелкните по Application Traffic Generator для извлечения этих параметров.

Конфигурация MAC

Ограничения модели с форматом HE-MU-OFDMA:

Когда PHY Tx Format является HE-MU-OFDMA, Ack Policy, RTS Threshold, и Number of Transmit Chains параметры отключены.

Результаты моделирования

Для измерения пропускной способности сети выполняется моделирование для следующих двух сценариев:

Результаты пропускной способности, полученные с помощью этих имитаций, строятся как функция количества станций DL для конфигураций OFDM (HE-SU) и OFDMA (HE-MU-OFDMA).

Конфигурация моделирования

Создайте сеть 802.11ax с девятью станциями и одной точкой доступа. В точке доступа добавьте девять Application Traffic Generator блоки, генерирующие данные для девяти станций. Для включения станций в качестве передатчиков сконфигурируйте AppState из Application Traffic Generator блокировать до вкл. Сконфигурируйте точки доступа/станции с использованием значений, указанных в этой таблице.

Моделирование сети для HE-SU и HE-MU-OFDMA форматирование путем изменения количества приложений, включенных как 1, 2, 4, 6, 8 и 9 для каждого моделирования. В конце каждого прогона моделирования значения пропускной способности для каждого узла извлекаются из statistics.mat и суммируют, чтобы получить общую пропускную способность.

Результаты графика пропускной способности для конфигураций OFDM и OFDMA.

AP в качестве датчика

Этот код отображает конфигурации OFDM и OFDMA, используя только AP в качестве передатчиков:

figure;

% Number of DL stations
numStations = [1 2 4 6 8 9];

% Throughput results for OFDMA configuration (Mbps)
throughputOFDMA = [32.64 46.08 59.52 55.68 72.96 82.08];

% Throughput results for OFDM configuration (Mbps)
throughputOFDM = [33.76 33.76 33.76 33.76 33.76 33.76];

% Plot throughput obtained from OFDM simulations
plot(numStations, throughputOFDM,'-o');
% Retain OFDM throughput plot
hold on;
% Plot throughput obtained from OFDMA simulations
plot(numStations, throughputOFDMA,'-x');
grid on;
xlabel('Number of DL Stations');
ylabel('Throughput (Mbps)');
legend('OFDM', 'OFDMA', 'Location', 'northeastoutside');
title('Downlink Throughput at AP');

ПА и станции в качестве передатчиков

Этот код отображает конфигурации OFDM и OFDMA с использованием точек доступа и станций в качестве передатчиков:

figure;

% Number of DL stations
numStations = [1 2 4 6 8 9];

% Throughput results for OFDMA configuration (Mbps)
throughputOFDMA = [20.8 27.52 32.64 29.76 40.96 38.88];
% Throughput results for OFDM configuration (Mbps)
throughputOFDM = [21.44 16.64 10.72 8.16 8 7.2];

% Plot throughput obtained from OFDM simulations
plot(numStations, throughputOFDM,'-o');
% Retain OFDM throughput plot
hold on;
% Plot throughput obtained from OFDMA simulations
plot(numStations, throughputOFDMA,'-x');
grid on;
xlabel('Number of DL Stations');
ylabel('Throughput (Mbps)');
legend('OFDM', 'OFDMA', 'Location', 'northeastoutside');
title('Downlink Throughput at AP');

Вышеприведенные графики показывают сравнение пропускной способности 802.11ax OFDM и OFDMA. Поскольку OFDMA уменьшает конкуренцию MAC и служебные данные преамбулы PHY, пропускная способность, полученная с помощью OFDMA, больше, чем пропускная способность, полученная с использованием OFDM. Когда только точка доступа сконфигурирована в качестве передатчика, пропускная способность DL не показывает изменений для OFDM. Однако, когда и точка доступа, и станции сконфигурированы как передатчики, пропускная способность DL показывает устойчивое снижение. Это происходит потому, что точка доступа получает меньше возможностей для передачи по мере увеличения числа передающих станций в сети.

Этот пример позволяет моделировать связь DL OFDMA в многорежимной сети IEEE 802.11ax. Поддержка DL OFDMA добавляется к блокам библиотеки PHY и MAC. Конфигурация прикладного уровня позволяет включать несколько приложений с одним и тем же AC с использованием различных станций назначения. Стратегия циклического планирования используется для выбора станций для следующей передачи. Назначение RU фиксировано в зависимости от количества пользователей. Графики подтверждают, что пропускная способность в точке доступа с OFDMA больше, чем пропускная способность, полученная с использованием OFDM.

Дальнейшие исследования

Станции планирования для передачи

В этом примере используется алгоритм циклического планирования для выбора станций для следующей передачи.

Распределение RU

При передаче индекс распределения определяет назначение RU. Индекс распределения определен в таблице 27-24 [1]. Для каждого подканала 20 МГц 8-битный индекс описывает количество RU, размер RU и количество пользователей, передаваемых на каждом RU. В этом примере назначение RU станциям DL фиксировано на основе количества пользователей, как показано в этой таблице. На обоих вышеуказанных участках падение пропускной способности для OFDMA от четырех станций до шести станций может быть связано с размером RU. Время передачи короче в 52-тоновом RU по сравнению с 26-тоновым RU. При передаче кадра MU все PSDU в кадре MU дополняются для выравнивания в одно и то же время передачи. Наличие 26-тонового RU для шести пользователей приводит к увеличению времени передачи, тем самым вызывая падение пропускной способности между четырьмя и шестью пользователями.

Модель, используемая в этом примере, реализует четыре станции (индекс 112 распределения). Можно изменить алгоритм планирования станции и назначение RU, обновив вспомогательную функцию roundRobinScheduler, используемую EDCA MAC блок.

Приложение

В примере используются следующие помощники:

Ссылки