802.11中的Tone和subcarrier的细微差别

上一篇我们汇总了802.11-2024版本的更新内容：一起来学802.11物理层测试标准—2024版修订内容，802.11ax是其中很重要的更新内容之一。而11ax的一个重要物理层技术特性，就是使用了OFDMA（orthogonal frequency division multiple access）。OFDMA是一种基于OFDM的多址接入方案，它将不同的子载波子集分配给不同的用户，并且允许同时向一个或多个用户或从一个或多个用户传输数据。

与OFDM类似，OFDMA也使用多个子载波，但子载波被分成若干组，每组称为一个RU（Resource Uint）。RU由不同数量的tone所组成。那么tone和subcarrier（子载波）有什么相同和不同呢？今天我们就来了解一下，Tone跟subcarrier为何在很多情况下可以等同，而它们的细微差别又是什么。

01 one和Subcarrier的等同性

凡是涉及到OFDM调制的系统，无论是5G还是Wi-Fi，都离不开subcarrier的概念。在5G中，我们时常提起的SCS：subcarrier spacing，子载波间隔，有15kHz、30kHz、120kHz等等。在Wi-Fi中，subcarrier的概念依然存在：802.11a、11n、11ac都使用312.5kHz的子载波间隔，而11ax的HE部分（不包含pre-HE，如下图）由于使用了更多的FFT点数，所以子载波间隔变成为4倍小的78.125kHz。通过缩小子载波间隔，在相同带宽内可容纳更多子载波，从而支持更精细的资源分配。这也是11ax物理层的根本变化。

那么tone和subcarrier为什么说可以等同呢？

因为在标准中出现了tone和subcarrier混用的情况：

在我们之前学习的Wi-Fi中的IoT标准—802.11ah中提到，在S1G的物理层支持的tone spacing为31.25kHz，原文如下：

The S1G PHY provides support for 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz, and 16 MHz contiguous channel widths. A tone spacing of 31.25 kHz is used in all the bandwidths.

在其他的制式中，例如11ac，使用的是0.3125 MHz的Subcarrier frequency spacing：

ΔF: Subcarrier frequency spacing 0.3125 MHz。

11ax使用的是78.125 kHz的subcarrier spacing：

Data field OFDM symbols in an HE PPDU shall use a DFT period of 12.8 ?s and subcarrier spacing of 78.125 kHz.

类似于5G中的RB（Resource Block），在术语定义中RU是这样被定义的：资源单位（RU）由 26、52、106、242、484、996 或 2×996 个子载波组成的一组子载波，作为用于传输的子载波分配。

resource unit (RU): A group of 26, 52, 106, 242, 484, 996, or 2×996 subcarriers as an allocation of subcarriers for transmission.

但在11ax的物理层定义中子载波和资源分配章节中，为 DL 和 UL 传输定义的 RU 为： 26-tone RU、52-tone RU、106-tone RU、242-tone RU、484-tone RU、996-tone RU 和 2×996-tone RU：

The RUs defined for DL and UL transmission are as follows: 26-tone RU, 52-tone RU, 106-tone RU, 242- tone RU, 484-tone RU, 996-tone RU, and 2×996-tone RU.

可知：tone spacing和subcarrier spacing的意义相同，都是子载波间隔。26-tone RU与26-subcarrier RU的意义相同，它们俩就是相同概念的不同表述方式。标准本身存在混用。subcarrier是较为专业的技术术语，tone就好象工程别称。从中文字面意义理解，一个子载波（subcarrier）不就是一个音调（tone）嘛，都是单音sin函数。所以tone和subcarrier本质上可以等同。

02 Tone和Subcarrier的差异性

但在使用的过程中，tone和subcarrier也存在细微的差异。subcarrier更多强调的是物理层最基本的资源单元，例如多少频率带宽被划分为多少个子载波；而tone更多强调了被子载波调制和加载的内容，是信号处理操作所对应的数据，例如pilot tone或者DC tone。

以下是11ac中对Pilot subcarriers的一段原文表述，给出了在不同带宽下，在具体哪些subcarrier上承载了对应数量的pilot tone。

In a 20 MHz transmission, 4 pilot tones shall be inserted in subcarriers k ∈ {– 7, 21, – 7, 21}. In a 40 MHz transmission, 6 pilot tones shall be inserted in subcarriers –53, –25, –11, 11, 25, and 53. In an 80 MHz transmission, 8 pilot tones shall be inserted in subcarriers –103, –75, –39, –11, 11, 39, 75, and 103. In a 160 MHz transmission, the 80 MHz pilot mapping is replicated in the two 80 MHz subchannels of the 160 MHz transmission. Specifically, 16 pilot tones shall be inserted in subcarriers –231, –203, –167, –139, –117, –89, –53, –25, 25, 53, 89, 117, 139, 167, 203, and 231.