Od OFDM dla jednego użytkownika do OFDMA
W klasycznym systemie OFDM zasoby wszystkich podnośnych mogą zostać przydzielone jednej transmisji w danym przedziale czasu. Takie rozwiązanie dobrze obsługuje pojedynczego użytkownika przesyłającego duży blok danych, jednak przy wielu użytkownikach generujących małe, częste pakiety powoduje oczekiwanie na kolejne okazje transmisji. Przy krótkich pakietach część przydzielonych podnośnych pozostaje niewykorzystana przez resztę przedziału, mimo że kanał jest zarezerwowany dla jednej transmisji. Dostęp do kanału jest wtedy organizowany przez wielodostęp czasowy (TDMA).
OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) rozszerza OFDM o wielodostęp. Pozwala wielu użytkownikom transmitować w tym samym kanale, ponieważ przydziela różne podzbiory podnośnych różnym użytkownikom w tym samym przedziale czasu. Podział odbywa się przy zachowaniu ortogonalności podnośnych, dlatego przydzielone transmisje mogą współistnieć w jednym kanale.
Analogia: Ruch na Autostradzie
Autostradę z 12 pasami można potraktować jako model kanału. OFDM przydzielałby wszystkie pasy jednej dużej ciężarówce na krótką chwilę, następnie kolejnemu pojazdowi. Mały samochód wysyłający niewielką paczkę zajmowałby wtedy całą autostradę. OFDMA dzieli zasoby między pojazdy: dwa pasy otrzymuje mały samochód, sześć pasów średniej wielkości furgonetka, a cztery pasy autobus. Wszystkie jadą w tym samym czasie. Przydział pasów obrazuje równoczesne wykorzystanie różnych podnośnych, a zmiana przydziału odpowiada kolejnym szczelinom czasowym.
Jednostki zasobów w OFDMA
OFDMA dzieli dostępne podnośne na zdefiniowane grupy zwane . Mechanizm harmonogramowania w punkcie dostępowym Wi-Fi (AP) dynamicznie przydziela jednostki RU wielu użytkownikom w transmisji w górę, od użytkownika do sieci, oraz w transmisji w dół, od sieci do użytkownika, w tej samej szczelinie czasowej. W 5G NR gNB realizuje analogiczne harmonogramowanie za pomocą bloków zasobów i fizycznych bloków zasobów, zgodnie z numerologią NR i regułami alokacji. W Wi-Fi rozmiar RU określa liczbę podnośnych dostępnych dla stacji i pozwala obsłużyć zarówno mały pakiet, jak i większy strumień.
Siatka czasowo-częstotliwościowa pokazuje różnicę między sposobami przydziału zasobów. W systemie OFDM z harmonogramowaniem TDMA użytkownicy zajmują zasoby kolejno. W OFDMA wielu użytkowników transmituje równolegle, każdy w przydzielonej części widma. Wspólna szczelina czasowa zawiera osobne RU dla poszczególnych użytkowników.
Korzyści z podziału podnośnych
Drobnoziarnisty przydział podnośnych pozwala dopasować zasoby do liczby użytkowników, wielkości pakietów i wymagań czasowych. Mechanizm harmonogramowania może wykorzystać nieużywane podnośne w tym samym okresie, zamiast czekać na zakończenie całej transmisji.
- Wydajność dla małych pakietów: OFDMA odpowiada środowiskom, w których wielu użytkowników wysyła małe pakiety, na przykład rozmowy VoIP, dane z czujników IoT i wiadomości w komunikatorach. Wspólna transmisja tych pakietów ogranicza narzut dostępu i lepiej wykorzystuje dostępne widmo.
- Mniejsze opóźnienia i rywalizacja: Równoczesne transmisje ograniczają oczekiwanie na całkowicie wolny kanał oraz procedury rywalizacji o dostęp. Krótsze oczekiwanie jest przydatne w grach, wideokonferencjach i innych aplikacjach czasu rzeczywistego.
- Obsługa jakości usług (QoS): Mechanizm harmonogramowania może przydzielić więcej jednostek RU użytkownikowi przesyłającemu wideo 4K, a małą jednostkę RU o krótkim czasie oczekiwania użytkownikowi prowadzącemu rozmowę VoIP. Przydział może więc uwzględniać wymagania obu aplikacji.
- Praca w gęstych środowiskach: Koordynacja transmisji i ograniczenie rywalizacji poprawiają wykorzystanie sieci w zatłoczonych miejscach, takich jak stadiony, lotniska i sale wykładowe, gdzie wiele urządzeń konkuruje o czas antenowy.
Zastosowania OFDMA
OFDMA jest stosowane w kilku współczesnych standardach bezprzewodowych. W każdym przypadku łączy wielodostęp z modulacją wielopodnośną OFDM, natomiast szczegóły alokacji wynikają z danego standardu:
- Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax): Standard definiuje OFDMA dla transmisji w dół i w górę. Punkt dostępowy przydziela stacjom jednostki RU, co ogranicza narzut rywalizacji przy ruchu wielu użytkowników.
- 4G LTE (Long-Term Evolution): OFDMA jest używane do transmisji w dół. Dla transmisji w górę używana jest zmodyfikowana wersja zwana , aby oszczędzać baterię w urządzeniach mobilnych.
- 5G NR (New Radio): W 5G NR zasoby OFDM są przydzielane w transmisji w dół i w górę. 3GPP przewiduje skalowalne odstępy między podnośnymi oraz DFT-s-OFDM dla wybranych transmisji uplink, co pozwala obsługiwać usługi od masowego IoT po rozszerzoną mobilną łączność szerokopasmową.