802.11ax前瞻3：上行隨機接入（TF，TF-R）

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序言

在802.11ax以前，MAC的接入機制是典型的CSMA機制（即DCF中所採用的CSMA/CA）。在引入了OFDMA的需求之後，802.11ax的MAC層隨機接入機制也發生了變化，在協議中，代替傳統的CSMA思想，802.11ax採用了基於ALOHA思想設計了競爭協議。本節我們主要就是介紹802.11ax中所採用的TF（TriggernFrame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）機制。

本節我們討論內容主要參考Draft 0.1中的相應描述，以及如下提案（按照時間順序）：

IEEE 802.11-15/0365r0：UL MU Procedure
IEEE 802.11-15/0880r2：Scheduled Trigger frames
IEEE 802.11-15/0875r1：Random Access with Trigger Frames using OFDMA
IEEE 802.11-15/1137：Triggered OFDMA Random Access Observations
IEEE 802.11-15/1105r0：UL OFDMA-based Random Access Procedure
IEEE 802.11-15/1047r0：Random RU selection process upon TF-R reception
IEEE 802.11-15/1370r0：UL OFDMA Random Access Control
IEEE 802.11-16/0582r3：Random Access RU Allocation in the Trigger Frame

以上的草案資源整理如下，【TF與TF-R相關草案】。

註：由於協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議內容，筆者未必跟上最新的協議進程，如果有錯漏的地方，還請見諒。

TF（Trigger Frame）接入機制

802.11ax與傳統的DCF所需求的MAC層機制是不同的。傳統的DCF同一個時刻只有一個用戶接入信道，而由於802.11ax採用OFDMA技術，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）。

本節我們所介紹的TF機制，主要是用在UL MU （Uplink Multi-users）這種上行傳輸的場景下的。TF機制是一個上行傳輸的框架，其具體的隨機接入的方法是TF-R機制。參考draft 0.1中，第10.3.2.11.4節部分，以及草案（IEEE 802.11-15/0365r0），我們描述協議中TF接入機制。

註：如果研讀過協議草案的可以發現，802.11協議指定是一個非常嚴謹的過程，其屬於一個個小草案慢慢疊加，一步一步往上設定的過程，比如在IEEE 802.11-15/0365r0草案中，僅僅是一個很簡單的TF的機制，並沒有設置一些具體內容。在TF機制基本思想通過以後，協議會在其上進一步設計，最終不斷修改才獲得了最終的802.11協議版本。

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發送Trigger frame，宣稱這一輪接入開始。Trigger frame中，包含了節點上傳所使用的時頻資源（RU）信息。
根據Trigger frame中的指示，節點選擇其對應的RU位置，進行OFDMA的接入。多個節點同時向AP發送上行PPDU。
AP接收完全部數據後，反饋ACK，結束這一輪傳輸。

在草案（IEEE 802.11-15/1105r0）中，TF幀不僅僅指定了什麼節點發，還指定了節點的發送一系列參數，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設置為RA（協議中RA的AID號還沒給定，即TBD），那麼該RU就是供節點競爭的。後面的幾列包含了比如Coding Type以及MCS值，這一塊細節較多，所以我們就不展開了。

以上就是一個TF的接入框架，筆者總結其與傳統的802.11相比有以下不同：

單節點接入和多節點接入：傳統的802.11中，都是單個節點佔據整個信道的。在TF中，多個節點基於OFDMA，同時接入信道。
發起者不同：在傳統的802.11中，節點只要競爭到信道，就可以立刻發起傳輸。而在TF中，只有當AP發送了TF幀之後，節點才可以發起上行接入競爭。
ACK反饋時機不同：在傳統802.11中，ACK是在發送完之後，立刻被反饋的。而在TF中，ACK實際上是等所有用戶都傳輸完之後，再一次反饋給所有接受者的。由於每一個發送者可能發送的數據包長短不一，所以先發送完的，需要等待後發送完的。這一點實際上也是多用戶接入協議一個設計的公共問題。
使用場景不同：基於以上的幾點不同，我們還可以理解，TF機制本身就是在假定網路是工作在基礎架構的情況下，進行的設計，其不好在IBSS網路情況下工作。而傳統802.11中的DCF設計，是即可以在基礎架構模式下，也可以在IBSS模式下工作的。

註：802.11ax中不是完全把DCF刪除，而是分時採用不同的模式。TF機制主要是用在上行接入這一部分的，有關我們這一節不進行展開。

TF-R（Trigger Frame for Random access）

TF-R是基於TF的進一步擴展，是在TF機制中，引入了競爭的機制，其基本思想是Slot-Aloha。參考draft 0.1中，第25.5.2.6.1節部分，以及草案（IEEE 802.11-15/1105r0），我們描述協議中TF-R接入機制。

初看上圖是比較複雜的，以下我們一步一步做解析。

TF-R是將原來時域競爭轉為頻率競爭（如左邊紅色豎線上所示）。

TF-R是在我們前面所述的TF過程之前執行的，在每一次接入時，AP首先發送TF-R幀，在該幀中的部分RU其相應AID=X，這個X代表這個RU是供節點競爭接入的。節點在識別到TF-R幀之後，具體是採用OBO（UL-OFDMA Backoff）的機制競爭（我們所述TF-R的接入思想是基於Aloha而不是CSMA的主要原因也在這裡）。

Aloha和CSMA的核心區別在於LBT（Listen Before Talk）機制上：Aloha是沒有LBT的，而CSMA是基於LBT的。

在OBO中，每一個節點首先從CWO（Contention Window for UL-OFDMA）窗口中，選擇一個隨機數並放入Backoff counter中。如上圖，STA1選擇的是10，STA2選擇的是4，STA3選擇的是0。然後節點比較，這一輪TF-R幀中，可供競爭的RU slot的數目，比如上圖RU數目為3。若Backoff counter小於RU的總數（比如STA3選擇為0，其小於3），那麼節點就可以發送數據，反之不行。那麼該節點就隨機選擇一個RU（比如上圖，從3個中隨機選擇1個，即RU=3），然後在該RU上進行數據傳輸。

當RU=3被競爭之後，開始下一個的TF-R。此時節點首先要進行Backoff過程，即本地的Backoff counter要減去上一輪總的競爭RU數目（比如STA2選擇為4，那麼要減去3，即將Backoff counter設置為1）。若新的一輪中節點的Backoff counter小於這一輪的可供競爭的RU數目（比如STA2現在Backoff counter為1，RU數目為2），那麼該節點競爭勝利，可以任意選擇一個RU（比如選擇RU=1）。只有當TF幀中，有被用來Random Access的RU的時候（即TF-R幀），其才會觸發OBO的過程，若該TF幀中沒有這種RU，那麼不會進行Backoff。

當RU資源被競爭好以後，AP發送TF幀，節點正式向AP反饋上行數據，其過程就和我們之前所述的TF過程一樣了。

註：Slot-Aloha的思想是用來判斷節點在這個時刻可不可以發送（參考我這裡所提過的同步非同步2：ALOHA中的同步非同步），並沒有包含在哪個位置具體傳輸的機制。故OBO主要是用來判斷，節點能不能發的，至於使用哪個信道具體發送，那麼這裡是隨機的。這一塊可能有性能評估的問題，不過目前協議是這樣設定的。

本文為原創文章，如需轉載須註明出處和原文鏈接。

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