802.11ax前瞻3:上行隨機(jī)接入(TF TF-R)機(jī)制

在802.11ax以前,MAC的接入機(jī)制是典型的CSMA機(jī)制(即DCF中所采用的CSMA/CA)。在引入了OFDMA的需求之后,802.11ax的MAC層隨機(jī)接入機(jī)制也發(fā)生了變化,在協(xié)議中,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CSMA思想,802.11ax采用了基于ALOHA思想設(shè)計了競爭協(xié)議。本節(jié)我們主要就是介紹802.11ax中所采用的TF(Trigger Frame)以及TF-R(Trigger Frame for Random access)機(jī)制。
本節(jié)我們討論內(nèi)容主要參考Draft 0.1中的相應(yīng)描述,以及如下提案(按照時間順序):
IEEE 802.11-15/0365r0:UL MU ProcedureIEEE 802.11-15/0880r2:Scheduled Trigger framesIEEE 802.11-15/0875r1:Random Access with Trigger Frames using OFDMAIEEE 802.11-15/1137:Triggered OFDMA Random Access ObservationsIEEE 802.11-15/1105r0:UL OFDMA-based Random Access ProcedureIEEE 802.11-15/1047r0:Random RU selection process upon TF-R receptionIEEE 802.11-15/1370r0:UL OFDMA Random Access ControlIEEE 802.11-16/0582r3:Random Access RU Allocation in the Trigger Frame
以上的草案資源整理如下
注:由于協(xié)議正在制定的過程中,所以會存在TBD(To Be Determined)的部分以及不斷更新的協(xié)議內(nèi)容,筆者未必跟上最新的協(xié)議進(jìn)程,如果有錯漏的地方,還請見諒。
TF(Trigger Frame)接入機(jī)制
802.11ax與傳統(tǒng)的DCF所需求的MAC層機(jī)制是不同的。傳統(tǒng)的DCF同一個時刻只有一個用戶接入信道,而由于802.11ax采用OFDMA技術(shù),其需求多個用戶可以同一時間接入信道(選擇的RU是正交的)。
本節(jié)我們所介紹的TF機(jī)制,主要是用在UL MU (Uplink Multi-users)這種上行傳輸?shù)膱鼍跋碌?。TF機(jī)制是一個上行傳輸?shù)目蚣?,其具體的隨機(jī)接入的方法是TF-R機(jī)制。參考draft 0.1中,第10.3.2.11.4節(jié)部分,以及草案(IEEE 802.11-15/0365r0),我們描述協(xié)議中TF接入機(jī)制。
注:如果研讀過協(xié)議草案的可以發(fā)現(xiàn),802.11協(xié)議指定是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程,其屬于一個個小草案慢慢疊加,一步一步往上設(shè)定的過程,比如在IEEE 802.11-15/0365r0草案中,僅僅是一個很簡單的TF的機(jī)制,并沒有設(shè)置一些具體內(nèi)容。在TF機(jī)制基本思想通過以后,協(xié)議會在其上進(jìn)一步設(shè)計,最終不斷修改才獲得了最終的802.11協(xié)議版本。
TF是一種上行接入的傳輸框架,其定義了一個很簡單的過程:
AP發(fā)送Trigger frame,宣稱這一輪接入開始。Trigger frame中,包含了節(jié)點(diǎn)上傳所使用的時頻資源(RU)信息。根據(jù)Trigger frame中的指示,節(jié)點(diǎn)選擇其對應(yīng)的RU位置,進(jìn)行OFDMA的接入。多個節(jié)點(diǎn)同時向AP發(fā)送上行PPDU。AP接收完全部數(shù)據(jù)后,反饋ACK,結(jié)束這一輪傳輸。在草案(IEEE 802.11-15/1105r0)中,TF幀不僅僅指定了什么節(jié)點(diǎn)發(fā),還指定了節(jié)點(diǎn)的發(fā)送一系列參數(shù),如下圖:
其中第一列是該RU被分配給那個用戶(具體是指定用戶的AID),如果AID設(shè)置為RA(協(xié)議中RA的AID號還沒給定,即TBD),那么該RU就是供節(jié)點(diǎn)競爭的。后面的幾列包含了比如Coding Type以及MCS值,這一塊細(xì)節(jié)較多,所以我們就不展開了。
以上就是一個TF的接入框架,筆者總結(jié)其與傳統(tǒng)的802.11相比有以下不同:
單節(jié)點(diǎn)接入和多節(jié)點(diǎn)接入:傳統(tǒng)的802.11中,都是單個節(jié)點(diǎn)占據(jù)整個信道的。在TF中,多個節(jié)點(diǎn)基于OFDMA,同時接入信道。發(fā)起者不同:在傳統(tǒng)的802.11中,節(jié)點(diǎn)只要競爭到信道,就可以立刻發(fā)起傳輸。而在TF中,只有當(dāng)AP發(fā)送了TF幀之后,節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)起上行接入競爭。ACK反饋時機(jī)不同:在傳統(tǒng)802.11中,ACK是在發(fā)送完之后,立刻被反饋的。而在TF中,ACK實(shí)際上是等所有用戶都傳輸完之后,再一次反饋給所有接受者的。由于每一個發(fā)送者可能發(fā)送的數(shù)據(jù)包長短不一,所以先發(fā)送完的,需要等待后發(fā)送完的。這一點(diǎn)實(shí)際上也是多用戶接入?yún)f(xié)議一個設(shè)計的公共問題。使用場景不同:基于以上的幾點(diǎn)不同,我們還可以理解,TF機(jī)制本身就是在假定網(wǎng)絡(luò)是工作在基礎(chǔ)架構(gòu)的情況下,進(jìn)行的設(shè)計,其不好在IBSS網(wǎng)絡(luò)情況下工作。而傳統(tǒng)802.11中的DCF設(shè)計,是即可以在基礎(chǔ)架構(gòu)模式下,也可以在IBSS模式下工作的。
注:802.11ax中不是完全把DCF刪除,而是分時采用不同的模式。TF機(jī)制主要是用在上行接入這一部分的,有關(guān)我們這一節(jié)不進(jìn)行展開。
TF-R(Trigger Frame for Random access)
TF-R是基于TF的進(jìn)一步擴(kuò)展,是在TF機(jī)制中,引入了競爭的機(jī)制,其基本思想是Slot-Aloha。參考draft 0.1中,第25.5.2.6.1節(jié)部分,以及草案(IEEE 802.11-15/1105r0),我們描述協(xié)議中TF-R接入機(jī)制。
初看上圖是比較復(fù)雜的,以下我們一步一步做解析。
TF-R是將原來時域競爭轉(zhuǎn)為頻率競爭(如左邊紅色豎線上所示)。
TF-R是在我們前面所述的TF過程之前執(zhí)行的,在每一次接入時,AP首先發(fā)送TF-R幀,在該幀中的部分RU其相應(yīng)AID=X,這個X代表這個RU是供節(jié)點(diǎn)競爭接入的。節(jié)點(diǎn)在識別到TF-R幀之后,具體是采用OBO(UL-OFDMA Backoff)的機(jī)制競爭(我們所述TF-R的接入思想是基于Aloha而不是CSMA的主要原因也在這里)。
Aloha和CSMA的核心區(qū)別在于LBT(Listen Before Talk)機(jī)制上:Aloha是沒有LBT的,而CSMA是基于LBT的。
在OBO中,每一個節(jié)點(diǎn)首先從CWO(Contention Window for UL-OFDMA)窗口中,選擇一個隨機(jī)數(shù)并放入Backoff counter中。如上圖,STA1選擇的是10,STA2選擇的是4,STA3選擇的是0。然后節(jié)點(diǎn)比較,這一輪TF-R幀中,可供競爭的RU slot的數(shù)目,比如上圖RU數(shù)目為3。若Backoff counter小于RU的總數(shù)(比如STA3選擇為0,其小于3),那么節(jié)點(diǎn)就可以發(fā)送數(shù)據(jù),反之不行。那么該節(jié)點(diǎn)就隨機(jī)選擇一個RU(比如上圖,從3個中隨機(jī)選擇1個,即RU=3),然后在該RU上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
當(dāng)RU=3被競爭之后,開始下一個的TF-R。此時節(jié)點(diǎn)首先要進(jìn)行Backoff過程,即本地的Backoff counter要減去上一輪總的競爭RU數(shù)目(比如STA2選擇為4,那么要減去3,即將Backoff counter設(shè)置為1)。若新的一輪中節(jié)點(diǎn)的Backoff counter小于這一輪的可供競爭的RU數(shù)目(比如STA2現(xiàn)在Backoff counter為1,RU數(shù)目為2),那么該節(jié)點(diǎn)競爭勝利,可以任意選擇一個RU(比如選擇RU=1)。只有當(dāng)TF幀中,有被用來Random Access的RU的時候(即TF-R幀),其才會觸發(fā)OBO的過程,若該TF幀中沒有這種RU,那么不會進(jìn)行Backoff。
當(dāng)RU資源被競爭好以后,AP發(fā)送TF幀,節(jié)點(diǎn)正式向AP反饋上行數(shù)據(jù),其過程就和我們之前所述的TF過程一樣了。
注:Slot-Aloha的思想是用來判斷節(jié)點(diǎn)在這個時刻可不可以發(fā)送,并沒有包含在哪個位置具體傳輸?shù)臋C(jī)制。故OBO主要是用來判斷,節(jié)點(diǎn)能不能發(fā)的,至于使用哪個信道具體發(fā)送,那么這里是隨機(jī)的。這一塊可能有性能評估的問題,不過目前協(xié)議是這樣設(shè)定的。
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