Wi-Fi 6(802.11ax)解析26：Wi-Fi 6的一些理念（基本思想+接入机制）

在专栏里面，之前已经写过一些Wi-Fi 6的技术特点了。虽然有一段时间没有继续写Wi-Fi 6，但是其技术特点是绝对不止现在展开的这些内容的，所以实际上还是有很多细节内容可以继续拿出来记录一下。

在研习Wi-Fi协议的技术特点上，笔者自己经验而言，可以总结为两点。

• 第一点，就是协议是为了某一个目的或者设计理念所服务的。比如说802.11e的协议，目前专栏里面已经把主要内容都写了一下了。802.11e的主要目的是为了QoS，所以其设计的很多机制都是与QoS有关的。比如节能机制APSD，如果单纯仅仅是对比trigger一次请求多次反馈和poll的区别的话，那么还是和QoS没有关联上，理解就不够深入。或者我们可以说，协议设计的过程中，中心思想其实还是挺明确的，很多时候都是围绕中心思想来做很多的外围设计。所以在理解协议的过程中，对于中心思想的讨论个人感觉是比较重要的。
• 第二点，就是细节处理上。802.11协议是一个把兼容性看的很重的协议，这也是该协议成功的原因之一。但是兼容性一重，在协议演进的过程中，我们俗称的“牵一发动全身”的现象就比较明显，造成协议看起来会有很多个别修修补补的地方。

所以这篇文章，实际上是想谈谈Wi-Fi 6的设计理念的。很多情况下，当设计理念好理解之后，其他的很多技术特点也就是比较顺理成章好想通了。

Wi-Fi 6的理念

本节，我们用一个交通的示例来谈一谈Wi-Fi 6的理念。感觉个话题本身比较大，所以可以用更直观一点的场景来讨论下。下面这张图就比较直观的解释现在的问题：

David Chen，Ruckus WiFi6 趨勢戰情報

在整个Wi-Fi协议诞生之初，千挑万选出来了CSMA/CA作为其底层MAC机制。整个CSMA/CA就好比是一条马路，很多个车子去争这条马路通行。那么基本思想就是，开之前看下路有没有空，空了就随机数几秒，看看有没有别的车先开出去。如果没有，那么自己就开出去了。在最初的Wi-Fi协议中，比如802.11a/b/g，这个马路是单车道的。在后来的Wi-Fi协议，比如802.11n/ac中，马路升级了，车道变宽了（也就是支持更大带宽的模式），还支持多车道了（也就是MIMO和MU-MIMO模式的引入）。但是这个路怎么走，本质上还是大家一起随机去争抢，换言之，还是CSMA/CA机制的改良版本。久而久之，随着路的宽度和车道越来越大，现在发现，哎呀，车道利用率太低了哎，这样子不行。

所以到802.11ax（Wi-Fi 6）里面，就开始调整交通思路了。给安排一个交警来指挥指挥交通（交警就是AP），让大家依序排队传。不过，由于大家还有很多人没有学习过新的交通法规，所以交警来了以后，仅仅能指挥新的学习过交通法规的车（也就是Wi-Fi 6的节点）。但是那些老的车还是遵循老的路子，看到车道空了，随机等一下就打算开上去。所以这个时候交警给就时不时去把车道先占下来（本质上是说TXOP了），交警往中间一站，其他人一看。好吧，车道有人的，那么就乖乖停在本地，等什么时候交警撤了，那么随机按老路子抢着开。

到Wi-Fi 6和7以后（也就是802.11ax和802.11be之后），不仅仅这个车道自己变宽了，交通的十字路口还变多了（对应网络更加密集）。所以好吧，现在只有引入多个交警一起上了。不过这些交警虽然受过统一的规范训练（也就是标准规范），但是没有更高一级的领导到场做全局的处理。都是交警自己根据当前的路口情况做判断，最多交警和交警之间互通个小信息，大家做点小协商，统一控制下。这个时候，就可以搞点部分路段的一路绿灯，或者车辆分流之类的操作了（也就是多AP协作）。

大致整个协议目前的一个流程思路，就可以大致类比为以上一个马路争行的问题。不过看了以上的这些描述，其实一个很直接的想法，就是直接搞一个交通局，然后建一点红绿灯，把整个交通指挥下不就得了。其实按道理这样搞确实效率最高，通信网络（3G/4G/5G）本质就是有中心指挥的，比如RLC子层去做RRM之类的。但是Wi-Fi穷哎，成本实际上是有限制的，毕竟Wi-Fi不是针对发达地区专门建设，其更多的是欠发展地区，所以一旦要求一定要建红绿灯，那么这个钱就给算到成本上。设备成本一高，那么产品价格也就高了哎。

Wi-Fi 6的理念如何体现（接入机制）

其实从802.11e时代开始，协议已经从功能上逐渐开始分离节点和AP的角色了。一开始仅仅是上下行机制相同，仅仅体现在参数不同上。到后来Wi-Fi 5的版本开始，上下行的机制开始也出现不同，比如ac的下行MU-MIMO。到Wi-Fi 6以后尤是这样。所以协议中AP的节点的角色，也从一开始的平等对待，逐渐转变成了不对等的两类型节点。那么现在我们要讨论的东西是引入管控，也就是前面所说的交警的角色。所以也需要分上下行两类场景分别讨论。

Wi-Fi 6的下行

• 针对于下行节点而言，此时发送者仅仅是AP。那么由于下行数据都是缓存在AP身上的，换言之，AP知道所有节点的下行缓存情况，所以其本身就是具备下行的全局信息的。因此，其很容易就可以实现对于下行传输的资源配置。另外，关于信道竞争的过程也比较好处理。因为此时发送者仅仅是AP，那么AP自己去抢信道，抢到自己就去发送下行帧即可。

Nokia_Behind Wi-Fi Success strory

如上图所示，这个实际上可以当做一个下行的OFDMA接入过程。OFDMA里面一个很重要的环节就是资源分配，而在下行接入过程里面，这个资源分配实际上是标注在数据帧的Preamble里面的。这个Preamble格式实际上还是有些复杂的，一方面要指定OFDMA自身的一个RU格式，比如说多大的RU，然后还需要指定RU的分配情况。基这两个功能，其实都是在HE-SIG-B里面定的。

Ruijie-WiFi6 (802.11ax) Technology

如上图所示，就是一个HE-MU模式下的PPDU结构，其本质实际上就是多了HE-SIG-B这个字段。在802.11ax里面有4种PPDU格式，不过到了802.11be里面又重新设定为一种统一的格式了，其实就是MU格式。所以我们这里也仅仅关注下MU格式即可。HE-SIG-B里面又分成两个部分

Ruijie-WiFi6 (802.11ax) Technology

实际上就是Common Info和User Info两个部分，主要就是处理RU的格式定义，以及RU的资源分配的。简单点而言，就是告诉每一个节点，在这个OFDMA的帧里面，哪一个部分是对应其的内容，然后让节点在对应的位置取数据即可。至于细节，这里还是有很多内容的，比如RU的格式具体应该怎么定这些，以后再写文章论述吧。

那么AP发送下行数据的时候，实际上就是根据本地的缓存情况，对OFDMA的RU资源做一个分配，并把这个标注在Preamble里面告诉节点，然后节点根据这个分配进行数据接收即可。当接收完数据之后，AP会发送一个MU-BAR，让节点进行Block ACK的反馈。要注意，在Wi-Fi 6里面，上行也是按照MU的模式进行Block ACK的反馈。而对比Wi-Fi 5的时候，比如Wi-Fi 5的下行MU-MIMO，其Block ACK就不是MU模式的，而是时分的，如下图所示：

cambridge那本书

802.11ac（Wi-Fi 5）里面这一块ACK的反馈有好几种方式，但是无一例外的都是SU的模式，换言之占整个信道时间的。而Wi-Fi 6里面这一块需要注意，关于ACK的反馈，本质上是上行MU的接入，简单点就当做上行OFDMA的接入方式也行。我们也可以把这个当成引子，来看一下上行接入的情况。

Wi-Fi 6的上行

针对于上行节点而言，此时发送者是除了AP以外的其他节点。那么现在问题就比较多了，

• 1）接入机制问题。在下行模式或者传统的节点接入模式中，都是单节点接入的。那么当网络从单借点接入转向多节点MU模式的接入（MU可以是OFDMA也可以是MU-MIMO），这个时候接入机制应该如何处理呢，是否核心还在在竞争接入的机制上。
• 2）缓存情况获取或者说如何优化资源分配的问题。上行的数据都是在节点自己身上的，此时AP是不知道节点的缓存情况的。没有缓存情况，AP就无法做中心式资源分配的计算，因此，这个缓存情况是必须要知道的。因此，上行接入要解决缓存情况这个信息获取的方法。
• 3）多用户传输的典型PHY问题，远近效应，同步问题之类的。目前远近效应和同步在笔者学习过的实际落地的标准里面，感觉是具有通性的。只要是有多用户同时接入的case，在商业标准中都是要对此进行一定的处理考量的。远近效应讲简单点就是要约束节点发送信号到接收端的功率，做功率控制，要在同一个level上，不能差异太大。否则可能就会造成用户间的干扰，影响正交性。同步讲简单点就是要求各个节点发送的内容要同时达到接收方，这个时候可以做TA时间提前，也可以加到保护间隔做缓冲。总之是要在同步时间内都到达才行，否则也会造成一些用户间干扰，同样也会影响正交性。

那么在Wi-Fi 6的协议中，目前把这个上行接入的机制设定为了一种新的MAC层机制，即TUA（Trigger Uplink Access）机制。

IEEE 802.11ax Standard

其实个人观点而言，TUA机制实际上就是用来总体解决上面这些问题的，其实算起来是一种比较折中，然后效果比较合适的方法了。TUA的核心是Trigger，以及Trigger所发起传输机制。那么围绕Trigger来说下前面三个问题

第一个问题，接入机制问题。其实这个问题的理解就要对应要一开始所说的“理念”了，Wi-Fi 6以前，其实核心思路都还是完全分布式，每一辆车自己争抢车道。而到Wi-Fi 6以后，就需要引入一个交警对交通进行指挥了。

Ruijie-WiFi6 (802.11ax) Technology

在无线局域网中，我们希望引入的交警是对网络有一定的控制权力的。换言之，交警不在的时候，那么大家可以随便去抢信道，然后交警只要在了，那么就需要听从指挥了。对应协议中的机制，这个交警实际上就是通过TXOP来实现的，其本质其实还是对NAV机制，也就是虚拟载波机制的灵活应用。当AP竞争信道并成为胜利者之后，其就可以发送一个Trigger帧。这个Trigger实际上开启了一段TXOP时间，当其他的节点接收到该Trigger后，就会进入NAV模式，换言之，在这个TXOP时间内，节点检测信道都会为“忙”的结果，从而无法主动竞争了，只能够被动反馈。被动反馈，其实被动反馈其实就对应到听从指挥了。

Ruijie-WiFi6 (802.11ax) Technology

Trigger帧是802.11ax新引入的一个帧类型，可以看下其帧结构，然后和前面在Wi-Fi 6下行中的Preamble里面的HE-SIG-B部分做一个对比，总体而言是一样的，只有个别字段的设置和含义上会存在一些区别。在Trigger帧中，AP同样的会把RU的格式指定好，然后同样为每一个RU分配好对应的节点。然后节点遵循RU的分配进行接入。

紧接着，这里讨论第二个问题。也就是RU资源分配的问题。我们这里知道上行接入的节点和对应资源是AP通过Trigger所分配的。那么AP在分配这些资源的时候，一方面要注意不要有资源浪费，一方面要保持一定的公平性。所以AP一定是需要引入一些关于节点的额外信息，才可以进行这份资源分配的计算的。在下行过程中，AP具有全局信息，所以很容易就可以执行分配算法。在上行过程中，本质上，AP还是需要知道一定的信息，否则无法执行分配算法。所以在802.11ax，也就是Wi-Fi 6中，一个比较重要的过程就是Buffer State Information的传递。

目前在协议中给出了两种Buffer信息，也就是BSR信息的反馈方式。一种是显式的BSRP过程，其中是通过BSR Control这个字段来传递信息。另外一种是隐式的过程，是利用帧中QoS Control部分的Queue Size部分来传递BSR信息。在以前的专栏里面其实关于这两个部分都有写过。我们这里实际上更感兴趣一些后者。

我们可以设想一下，如果想要AP不间断的执行这种资源分配式的接入。比如说AP下行帧，AP-Trigger上行接入，然后继续AP下行帧。。。。以此类推。在这样的接入过程中，如果都是数据交互，那么效率就会有很大的提高。而一种简单的思想就是在每一次数据传输中，都携带上一部分的控制信息，比如这里所说的Buffer State信息。那么在802.11协议中，实际上802.11e引入的QoS Control部分的中就有一个部分正好引入了这个buffer信息，那么就正好可以使用上了。

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那么在协议中，如果是节点发送的QoS Data，其中的QoS Control的B8-B15为就可以被解析成Queue size的功能，那么现在就可以通过这个部分，对节点缓存的buffer情况做一个反馈。换言之，每一次节点的接入过程中，都会跟AP更新一下当前的缓存情况，那么AP就可以实时掌握这些信息，并且利用这些信息为下一次的资源分配进行计算了。

那么以上过程里面还需要引入竞争吗？因为在802.11协议中，接入的一个基本思想或者机制一直都是竞争接入的机制，所以很常见的在理解Wi-Fi 6接入过程里面时候都会先去找竞争，看看竞争部分有什么改良，然后就仅仅关注竞争部分，而没有进行整体把握了。那么其实在我们前面的论述中，实际上AP的调度分配更为重要，如果这个时候是一个静态的网络环境（也就是节点数固定，所有的节点都和AP关联上，没有新的节点加新来的时候），那么实际上这个竞争机制是没有什么必要性的。但是无线网络的环境，比如说拓扑环境是在变化的。所以必定还会存在一些节点加入和离开的过程，而这些过程中，我们还是需要引入竞争机制的，毕竟AP现在还没有和节点建立连接关系，所以就不好直接做资源分配了。

那么竞争过程应该怎么做呢？这里就有两种选择了，一种是CSMA/CA，单独用整个信道和AP建立关联关系。那么在OFDMA这种MU的模式下，这个资源利用率不高。资源利用率最高的方式无疑就是在MU这种接入方式里面做随机竞争，然后仅仅只有部分的RU来进行这样类似关联关系的建立。换言之，把竞争过程压在了部分RU上。所以在协议中，这个部分就形成的UORA机制。目前Trigger的格式给出了一个限制，也就是整个接入过程都是根据RU分配来做的。要在这个框架内引入竞争机制。所以在UORA中，就搞了几个特殊的RU分配，也就是将RU分配到几个不存在的AID（也就是不存在的节点上），这些AID就代表了竞争机制。为啥米要搞几个AID呢，因为还有多种case，比如AP已经和节点建立的关联关系，AP还没有和节点建立关联关系等等。所以不同情况可以不同对待。至于具体的UORA机制，以前的专栏有写过，这里就不继续展开了。

那么最后就是第三个问题，也就是同步和远近效应问题的处理。这个处理实际上还是在Trigger帧进行处理的，也就是Trigger功能其实挺多的。

对于同步问题的处理，那么具体到OFDMA里面，实际上就是要求不同节点的帧都需要在CP时间内到达，其实就是为了保证一个信号的完整周期性，避免OFDM解调过程中周期不完整出现ICI问题。在LTE里面，这边是通过RACH信道上面去测TA，然后可以做一些TA时间提前量的辅助，然后再适当的调节下CP时间大小即可。

Nokia_Behind Wi-Fi Success story

那么在Wi-Fi 6这一块比较简单，毕竟覆盖范围小，所谓通信的delay spread就比较少。所以解决同步问题最简单粗暴的方法就是单纯的增加CP时间。

802.11ax standard

那么在Trigger帧的Common info部分，就有这个字段来设置CP时间的（实际上对应协议中是GI部分，GI的保护间隔里面填充的是CP），具体的控制bit的位置如上图所示。

那么远近效应也一样，发生远近效应的原因是各个节点的位置不同。如果采用相同的发送功率的话，不同的路径衰落会导致接收方最终接收信号时，每一个节点对应的功率不同。那么可能就会因为远近效应发生一些用户载波间的干扰。

litepoint, Wi-Fi 6 OFDMA Pre-correction Test Solution

那么解决方案还是在Trigger中，通过Trigger来做一个发送功率控制。但是AP是不知道节点对应的衰减情况的，所以这个发送功率控制，实际上是AP把自己所期望接收的功率发出去，然后让节点自己去估计自己的衰减情况，然后调节自身的发送功率。

802.11ax standard

这个字段在draft时期被称为UL Target RSSI，最终版名字写的更直接一点，就是期望接收的功率。那么AP通过这样就可以对节点的功率进行一定的控制，这样就可以避免远近效应的问题了。

那么大致以上就阐述了Wi-Fi 6的一些基本理念，还有在接入过程中理念如何体现的。那么还有一些其他case会对这个理念进行体现，比如TWT节能，多BSS场景之类的，那么后面再对这些case进行阐述。

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