802.11ax前瞻3：上行隨機接入（TF，TF-R）

敘言

在802.11ax之前，MAC的接入機制是典型的CSMA機制（即DCF中所采取的CSMA/CA）。在引入了OFDMA的需求以后，802.11ax的MAC層隨機接入機制也產生了變化，在協議中，代替傳統的CSMA思想，802.11ax采取了基于ALOHA思想設計了競爭協議。本節我們主要就是介紹802.11ax中所采取的TF（Trigger Frame）和TF-R（Trigger Frame for Random access）機制。

本節我們討論內容主要參考Draft 0.1中的相應描寫，和以下提案（依照時間順序）：

• IEEE 802.11⑴5/0365r0：UL MU Procedure
• IEEE 802.11⑴5/0880r2：Scheduled Trigger frames
• IEEE 802.11⑴5/0875r1：Random Access with Trigger Frames using OFDMA
• IEEE 802.11⑴5/1137：Triggered OFDMA Random Access Observations
• IEEE 802.11⑴5/1105r0：UL OFDMA-based Random Access Procedure
• IEEE 802.11⑴5/1047r0：Random RU selection process upon TF-R reception
• IEEE 802.11⑴5/1370r0：UL OFDMA Random Access Control
• IEEE 802.11⑴6/0582r3：Random Access RU Allocation in the Trigger Frame

以上的草案資源整理以下，【TF與TF-R相干草案】。

注：由于協議正在制定的進程中，所以會存在TBD（To Be Determined）的部份和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1個時刻只有1個用戶接入信道，而由于802.11ax采取OFDMA技術，其需求多個用戶可以同1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）這類上行傳輸的場景下的。TF機制是1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節部份，和草案（IEEE 802.11⑴5/0365r0），我們描寫協議中TF接入機制。

注：如果研讀過協議草案的可以發現，802.11協議指定是1個非常嚴謹的進程，其屬于1個個小草案漸漸疊加，1步1步往上設定的進程，比如在IEEE 802.11⑴5/0365r0草案中，僅僅是1個很簡單的TF的機制，并沒有設置1些具體內容。在TF機制基本思想通過以后，協議會在其上進1步設計，終究不斷修改才取得了終究的802.11協議版本。

TF是1種上行接入的傳輸框架，其定義了1個很簡單的進程：

• AP發送Trigger frame，宣稱這1輪接入開始。Trigger frame中，包括了節點上傳所使用的時頻資源（RU）信息。
• 根據Trigger frame中的唆使，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接收完全部數據后，反饋ACK，結束這1輪傳輸。

其中第1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），那末該RU就是供節點競爭的。后面的幾列包括了比如Coding Type和MCS值，這1塊細節較多，所以我們就不展開了。

以上就是1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，都是單個節點占據全部信道的。在TF中，多個節點基于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，就能夠立刻發起傳輸。而在TF中，只有當AP發送了TF幀以后，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是在發送完以后，立刻被反饋的。而在TF中，ACK實際上是等所有用戶都傳輸完以后，再1次反饋給所有接受者的。由于每個發送者可能發送的數據包長短不1，所以先發送完的，需要等待后發送完的。這1點實際上也是多用戶接入協議1個設計的公共問題。
• 使用處景不同：基于以上的幾點不同，我們還可以理解，TF機制本身就是在假定網絡是工作在基礎架構的情況下，進行的設計，其不好在IBSS網絡情況下工作。而傳統802.11中的DCF設計，是便可以在基礎架構模式下，也能夠在IBSS模式下工作的。

注：802.11ax中不是完全把DCF刪除，而是分時采取不同的模式。TF機制主要是用在上行接入這1部份的，有關我們這1節不進行展開。

TF-R（Trigger Frame for Random access）

TF-R是基于TF的進1步擴大，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節部份，和草案（IEEE 802.11⑴5/1105r0），我們描寫協議中TF-R接入機制。

初看上圖是比較復雜的，以下我們1步1步做解析。

TF-R是將原來時域競爭轉為頻率競爭（如左側紅色豎線上所示）。

TF-R是在我們前面所述的TF進程之前履行的，在每次接入時，AP首先發送TF-R幀，在該幀中的部份RU其相應AID=X，這個X代表這個RU是供節點競爭接入的。節點在辨認到TF-R幀以后，具體是采取OBO（UL-OFDMA Backoff）的機制競爭（我們所述TF-R的接入思想是基于Aloha而不是CSMA的主要緣由也在這里）。

Aloha和CSMA的核心區分在于LBT（Listen Before Talk）機制上：Aloha是沒有LBT的，而CSMA是基于LBT的。

在OBO中，每個節點首先從CWO（Contention Window for UL-OFDMA）窗口中，選擇1個隨機數并放入Backoff counter中。如上圖，STA1選擇的是10，STA2選擇的是4，STA3選擇的是0。然后節點比較，這1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小于RU的總數（比如STA3選擇為0，其小于3），那末節點就能夠發送數據，反之不行。那末該節點就隨機選擇1個RU（比如上圖，從3個中隨機選擇1個，即RU=3），然后在該RU上進行數據傳輸。

當RU=3被競爭以后，開始下1個的TF-R。此時節點首先要進行Backoff進程，即本地的Backoff counter要減去上1輪總的競爭RU數目（比如STA2選擇為4，那末要減去3，行將Backoff counter設置為1）。若新的1輪中節點的Backoff counter小于這1輪的可供競爭的RU數目（比如STA2現在Backoff counter為1，RU數目為2），那末該節點競爭成功，可以任意選擇1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的進程，若該TF幀中沒有這類RU，那末不會進行Backoff。

當RU資源被競爭好以后，AP發送TF幀，節點正式向AP反饋上行數據，其進程就和我們之前所述的TF進程1樣了。

注：Slot-Aloha的思想是用來判斷節點在這個時刻可不可以發送（參考我這里所提過的同步異步2：ALOHA中的同步異步），并沒有包括在哪一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，至于使用哪一個信道具體發送，那末這里是隨機的。這1塊可能有性能評估的問題，不過目前協議是這樣設定的。

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