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[技术交流] Wi-Fi 6(802.11ax)解析11:触发帧(Trigger Frames)和MAC接入机制

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发表于 2021-10-14 09:18:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
  序言

  802.11ax相对比传统的802.11协议,其在MAC层上的改变是比较大的。其基本思想已经从强调分布式的场景,逐渐变成了强调中心式,高密度,优化资源分配上了。但是802.11协议是工作在ISM频段上,其无法通过换一个新的频段,来制作一个完全全新的协议。所以在802.11中,为了兼容前后不同的工作机制,需要做一些更细节的设计,保证兼容性。本文就针对802.11ax中的接入机制和其新引入的触发帧机制(Trigger Frames)做一个简单介绍。

  本文参考自:
  ●802.11ax and Medium Contention
  ●What are OFDMA Trigger Frames?

  802.11ax中的MAC层接入机制

  802.11ax提升效率的秘诀之一就是OFDMA技术。OFDMA是OFDM技术的多用户版本,在诸如LTE等的其他无线技术中已经被广泛采用。在OFDMA中,信道被细分称更小的单元,称为资源单元(Resource Units,RU) 。通过细分信道,OFDMA通过分配不同的RU给多终端,从而允许多个终端执行并行传输,同时接入无线网络。即总结而言,OFDMA是一种多用户传输技术。
  如上图所示,在802.11ax中,1个802.11ax AP将1个20 MHz信道划分为多个资源单元(RU),每一个RU被分配给不同的终端,802.11ax AP同时向这些终端进行下行传输。同时,802.11ax AP还可以同步调度802.11终端,让其执行并行的上行传输。在802.11ax中,竞争的规则还是存在的(即CSMA/CA)的规则,任何节点(包括AP)在发送之前都需要竞争。在此技术上,AP通过利用竞争(比如利用更高优先级的竞争参数)获得信道后,通过TXOP(transmission opportunity )技术占据信道一段时间,从而达到控制信道接入的目的,因此802.11ax中AP具有一定的控制能力。一旦AP竞争并获得了TXOP是时间,AP可以控制高达9个802.11ax的终端进行上行传输或者下行传输(指的是在20MHz信道带宽下,最多可以承载9个RU,每一个RU为26个子载波,具体数目可查《802.11ax draft》的Table 26-7)。针对于不同的TXOP,其RU的数量也是不一样的。对于上行接入(UL-OFDMA),AP采用触发帧机制(Trigger Frames),向802.11ax的终端进行调度和RU资源的分配。
  在802.11ax中,还存在一个OMI机制,这个机制是为了解决802.11终端是采用竞争接入信道(即单用户接入)还是采用OFDMA调度接入信道的(即多用户接入)。在之前一篇文章中《802.11ax前瞻10:Operating Mode Indication (OMI)》,我们介绍过OMI机制。在OMI中,终端可以向AP发送信息,通知AP其支持的上下行所支持的最大空间流数目以及信道带宽。如上图所示,802.11ax终端采用OM控制字段(在数据帧或者管理帧中),来指示传输模式或者接收模式的变化。比如802.11ax终端可以在单用户接入或者多用户接入模式间切换。

  802.11ax中的触发帧机制(Trigger Frames)?

  802.11ax的多用户传输是基于OFDMA技术。在其进行上行传输(UL-OFDMA)或者下行传输(DL-OFDMA)传输的时候,都需要利用触发帧(Trigger Frames)来实现多用户通信间,调度信息的交换。触发帧也用户MU-MIMO间帧的交换。
  触发帧包含了多种子类型,其在802.11ax中提供了很多重要的功能。上图列举了802.11ax中触发帧具体对应的子类型。

  在OFDMA信道接入中,触发帧中包含了有关RU资源分配的信息。RU资源分配的信息,分别存放在帧中的PHY和MAC层头部中,比如RU分配的信息会在802.11触发帧的PHY头部中HE-SIG-B字段内找到,也会到触发帧的Payload中的user information字段找到。
  上图为UL-OFDMA的触发帧交换过程。对于UL-OFDMA,802.11ax AP发送触发帧告知终端,发送上行链路时(即UL-OFDMA),在每一个指定的RU上,其使用多少个空间流以及其对应的调制编码方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)。这些信息分布在触发帧的Payload中的user information字段(即其中SS Allocation和UL-MCS)内。
  AP还可以通过触发帧来调整802.11ax终端的发送功率。在触发帧内的UL Target RSSI子字段上,其按照dBm标注了AP所期待的接收功率(通过所有天线接收到的总功率)。这个功率也是根据RU来分配的,每一个RU分配的字段都有对应的UL Targer RSSI字段。UL Target RSSI字段采用0-90的数值来映射-110dBm到-20dBm,并且其数值127代表其时采用最大功率来发送的。基于触发帧的信息,802.11ax终端在其能力范围内调整功率,由于终端的能力不同,所以这个功率时一个期望功率,当终端的硬件或者地方监管限制(比如说法定的无线电的发射功率限制),那么可能终端就无法调节。

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