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前文說到，802.11ax作為致力提升無線使用效率和用戶真實體驗的標(biāo)準(zhǔn)，定義了很多和以往協(xié)議截然不同的技術(shù)規(guī)格；而事實上，規(guī)格的制定離實用仍有一定距離，各廠商還需為之設(shè)計大量算法。本文中，筆者將闡述銳捷網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計802.11ax設(shè)備時，在時頻資源分配、空間信道預(yù)測、高密組網(wǎng)空間復(fù)用，以及穩(wěn)定運行的軟件平臺與智能的大規(guī)模天線上正在進(jìn)行的研究和已經(jīng)取得的成果。
1 靈活的OFDMA資源塊調(diào)度方案
802.11ax中引入了OFDMA技術(shù)，將原先的整段頻譜劃分為粒度更小的資源塊來給用戶使用，比如在一個20MHz的頻率資源中最多可以分為9個RU給9個用戶同時使用。由于空間信道的頻率選擇特性，每個用戶在各個RU上的信道狀態(tài)（CSI）各不相同，從而可以通過調(diào)度算法進(jìn)行用戶和RU的匹配來獲取多用戶多RU的分集增益。
OFDMA調(diào)度算法不僅需要獲取用戶在不同RU上的CSI，當(dāng)AP根據(jù)該CSI信息完成用戶和RU的映射后，還需要將調(diào)度信息廣播給STA以使得各個STA可以從對應(yīng)的RU中解出自己的信息，或者根據(jù)調(diào)度信息在相應(yīng)RU上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。802.11ax中定義了HE-SIG-B字段來傳輸下行的調(diào)度信息，并定義了Trigger幀來傳輸上行的調(diào)度信息，如下圖所示。
圖1 HE-SIG-B字段格式
圖2 Trigger幀格式
一般的，OFDMA的調(diào)度算法可以表示為一個最優(yōu)化模型，根據(jù)限制條件最大化某個目標(biāo)函數(shù)，如下公式所示為“滿足每個用戶最低吞吐下最大化目標(biāo)函數(shù) f(X) 的優(yōu)化模型。
其中 Xi,j = 1代表用戶 i 使用 RUj，反之不使用； f(X) 為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，比如若目標(biāo)是最大化總吞吐，那么
基于該優(yōu)化模型，銳捷針對不同的業(yè)務(wù)需求限制如視頻業(yè)務(wù)等以及相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)如吞吐，丟包等建立了多項最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并引入松弛+線性規(guī)劃算法以及自研多個啟發(fā)式貪婪算法，從而提高802.11ax的OFDMA技術(shù)的實用性。
2 快速的MU-MIMO信道預(yù)測
802.11ac Wave2使用的MU-MIMO技術(shù)，通過空間復(fù)用使頻譜資源的利用率成倍提升，802.11ax中保留了該項技術(shù)，同時與OFDMA進(jìn)行了有效結(jié)合。通過在數(shù)據(jù)傳輸前獲取AP與用戶間通信的信道狀態(tài)（CSI），進(jìn)而預(yù)編碼實現(xiàn)頻譜資源的空間復(fù)用。
但是由于在動態(tài)環(huán)境下CSI老化較快，使得準(zhǔn)確獲取用戶CSI較為困難，也導(dǎo)致在復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境下MU-MIMO性能下降。經(jīng)測試，視距條件下獲得MU增益可容忍的CSI偏差< -21.6dB。對照下圖中場景實測的CSI時延偏差（10ms延時），可見在靜態(tài)場景時可獲得MU增益，而動態(tài)場景時則MU增益無法保證。同時在實際應(yīng)用中又由于獲取CSI的操作開銷較大，系統(tǒng)無法頻繁執(zhí)行（通常20-60ms執(zhí)行一次）。
圖 3 10ms時延條件下實測CSI偏差，15s-45s時為動態(tài)場景
針對以上問題，銳捷設(shè)計了一種信道預(yù)測方案，目的是通過預(yù)測的方式減少時延導(dǎo)致的CSI偏差。鑒于時域預(yù)測可以較方便過濾部分噪聲干擾，預(yù)測方案采用時序分析的自回歸滑動平均模型（ARMA）。模型基本描述為：
我是802.11ax，我離上場還有多遠(yuǎn)？
其中，前p項為p階自回歸模型，為模型參數(shù)，后q項為q階滑動平均模型，為誤差項，為模型參數(shù)。通過樣本序列自相關(guān)與偏相關(guān)系數(shù)的計算，ARMA模型識別以及參數(shù)估計可自適應(yīng)完成。針對一組場景中實測CSI的預(yù)測效果如下圖所示。
圖 4 基于信道預(yù)測的估計值與真實值對比
基于該信道預(yù)測方案，在針對802.11ac的場景驗證中，MU-MIMO性能得到了10%~30%的提升。在802.11ax的技術(shù)革新中，銳捷提出了預(yù)測性能升級的2.0方案。升級方案基于對大量場景CSI的數(shù)據(jù)挖掘，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練預(yù)測模型，從而進(jìn)一步提高M(jìn)U-MIMO技術(shù)的可用性。
3 智能的高密組網(wǎng)SR算法
802.11ax除了對物理層進(jìn)行了改進(jìn)，還提出了一項重要的高密度組網(wǎng)技術(shù)，空間復(fù)用（SR）技術(shù)，通過在HE-SIG-A中引入BSSColor從而可以更快的識別出報文是否來自本BSS并執(zhí)行相應(yīng)的干擾管理政策從而提高空間的并發(fā)率。
如下圖的一個隱藏節(jié)點弱干擾場景，AP2和AP1都在空口發(fā)包但是AP2早幾十微秒發(fā)包。
圖5 一個隱藏節(jié)點弱干擾場景
對于802.11ax之前的終端，雖然收到的AP1功率遠(yuǎn)超過AP2，但是終端由于先同步上AP2的報文，它需要解析完整AP2的報文才會得知目的地址是否自己，這導(dǎo)致終端錯失了AP1的同步而引發(fā)重傳，如下圖。
圖6 傳統(tǒng)802.11協(xié)議弱干擾下誤同步干擾場景
但是，對于802.11ax的終端，如下圖所示，它可以快速的解析出該報文的BSS不匹配從而判斷目的地址不是自己，并將報文舍棄，這時關(guān)聯(lián)AP1的報文將被同步并正確解析。
圖7 802.11ax中弱干擾下誤同步干擾場景
所以，通過BSSColor在物理層幀頭來快速判斷目的地址，802.11ax提高了設(shè)備的抗干擾接收水平。
值得注意的是，雖然802.11ax中定義了BSS color從而使得無線廠商的設(shè)備可以更快的識別是否是自己的報文，但是由于該技術(shù)僅僅作用于接收報文時，所以相當(dāng)于提高了接收的抗干擾水平。如果僅僅靠BSSColor，對于高密度組網(wǎng)的抗干擾并行發(fā)送并沒有非常大的提升，所以802.11ax中除了制定了BSSColor以外，開放了設(shè)備的CCA門限接口，如下圖右側(cè)，設(shè)備商可以對不同的BSS，如自己的BSS和干擾的BSS，制定了不同的CCA門限，從而在其他AP發(fā)包的時候可以自主的選擇是否疊加發(fā)包從而提高高密度組網(wǎng)下的并發(fā)率。
所以對于802.11ax的抗干擾并發(fā)增益的獲取，并不單純依賴標(biāo)準(zhǔn)制定的一些接口就可以完成，AP還需要強大的環(huán)境感知+動態(tài)DCCA算法來判斷收到非本BSS的干擾報文時，自己是否可以疊加發(fā)包。銳捷在802.11ax芯片還未面世時，就詳細(xì)分析了802.11ax的SR技術(shù)，并將該技術(shù)移植到現(xiàn)有的802.11ac協(xié)議中，提出了業(yè)界領(lǐng)先的Pre-ax算法，該算法通過收集同頻AP的強度，用戶在各個AP上的RSSI，從而動態(tài)的調(diào)整CCA的門限，實現(xiàn)高密度組網(wǎng)下的高并發(fā)。在802.11ax的AP設(shè)計中，該算法將會根據(jù)協(xié)議提供的接口進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而可以得到更好的干擾管理的效果以及更高的并發(fā)復(fù)用性能。
4 穩(wěn)定的新形態(tài)SDK平臺
伴隨著無線方案的迅速迭代，SDK也隨之頻繁變更和升級換代，這種密集變化及較短的開發(fā)周期，使得SDK往往成為AP系統(tǒng)中的質(zhì)量短板。
針對SDK的這種突出問題，RGOS改變了SDK的運行形式：利用CPU及Linux協(xié)同提供的空間物理隔離支持，使SDK以進(jìn)程形式運行于用戶空間。
圖 8 銳捷網(wǎng)絡(luò)SDK架構(gòu)
這種運行形式可帶來以下益處：
1. 提高系統(tǒng)可靠性，借助于進(jìn)程的物量空間隔離，有效地將故障范圍隔離在SDK進(jìn)程空間范圍內(nèi)，而當(dāng)SDK運行于內(nèi)核空間時，SDK的嚴(yán)重故障經(jīng)常導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰；
2. 提高系統(tǒng)可用性，在隔離故障范圍的同時，SDK進(jìn)程可以利用RGOS的進(jìn)程重啟機制，迅速恢復(fù)運行，在采用了進(jìn)程狀態(tài)備份的系統(tǒng)中，可以做到業(yè)務(wù)中斷時間小于50毫秒，并且用戶不感知服務(wù)狀態(tài)的變化，而SDK運行于內(nèi)核空間時，故障恢復(fù)通常需要重啟整個系統(tǒng)，會造成分鐘級別的業(yè)務(wù)中斷；
3. 在線升級的便利，SDK運行于內(nèi)核時，它與內(nèi)核耦合較緊，多數(shù)情況下不能隨時卸載，升級時需要重新啟動系統(tǒng)；而當(dāng)運行于用戶空間時，它與內(nèi)核之間不存在直接耦合，可采用重新啟動SDK進(jìn)程的方式完成在線升級；
與普通用戶空間驅(qū)動方案相比，RGOS的SDK的進(jìn)程具有以下特色：
1. 保持性能。通過充分利用CPU提供的內(nèi)存管理手段，以及Linux提供的IPC（進(jìn)程間通信），使得SDK在用戶空間運行時，響應(yīng)延遲及吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)與它在內(nèi)核時運行時持平。
2. 軟件重用。保持SDK代碼形態(tài)不變，使得同一套代碼，既可以以內(nèi)核模塊形式在內(nèi)核運行，也可以以進(jìn)程形式運行于用戶空間，以適應(yīng)不同的產(chǎn)品方案要求；
3. 管理面及控制面無感知。除了與SDK緊密耦合的數(shù)據(jù)面外，系統(tǒng)的其它部分不感知SDK運行狀態(tài)的變化，從而保留了原有的結(jié)構(gòu)形式及操作方式。
5 精細(xì)的大規(guī)模天線設(shè)計
802.11ax的一個射頻最多可以支持8路空口通道，也就至少需要8個天線；考慮到當(dāng)前5G終端的占比增大，產(chǎn)品可能進(jìn)行5G：2.4G為8:4的設(shè)計，從而整機需要增加到12根天線。如何在有限的空間內(nèi)，實現(xiàn)12組天線的精細(xì)化設(shè)計，實現(xiàn) MU-MIMO的效率最大化，是一個較大的挑戰(zhàn)。
銳捷網(wǎng)絡(luò)采用3D天線設(shè)計理念，所有天線分布在一個立體空間，進(jìn)行多層分布，增加天線間的隔離；并采用多極化設(shè)計，進(jìn)一步將天線間的隔離度加大，從而對不同方向的用戶能夠有效的進(jìn)行多用戶信號傳輸。
如下圖所示為多組合成的4天線方向圖，每種顏色代表一個天線，每個天線事實上存在多種輻射方式。為了辨識方便，波瓣的寬度表示得比實際小，實際上每個波瓣之間并不存在空隙。
圖9 四個天線組合成的方向圖
通過這種天線設(shè)計，當(dāng)多臺STA隨機分布時，理論上只要STA之間的角度距離大于30度，就能保證天線的波瓣能夠分別指向這幾個STA，進(jìn)而發(fā)揮出MU-MIMO的最好效果。
同時，在接收狀態(tài)時，由于入射能量方向的不確定，傳統(tǒng)的天線設(shè)計中往往在接收時切換為全向天線模式。但是802.11ax中增加了上行MU-MIMO技術(shù)，通過Trigger報文可以分配接下來進(jìn)行上行傳輸?shù)挠脩簦凿J捷網(wǎng)絡(luò)在天線設(shè)計中單獨針對該類型的上行報文進(jìn)行了天線波束輻射圖的選擇優(yōu)化。
結(jié)語
多年以來，每一代新協(xié)議的產(chǎn)生總難免經(jīng)歷 營銷式宣傳 → 期望值抬高 → 預(yù)期破滅 → 理智宣傳 → 合理預(yù)期 → 協(xié)議穩(wěn)定運行 的周期過程。不同的是，隨著時代的發(fā)展，開始有一些企業(yè)理智地地去縮短這個周期，從技術(shù)分解、適用場景以及預(yù)期數(shù)據(jù)等方面給出前沿的報告，并針對其中核心問題的難度、現(xiàn)狀及自身正在優(yōu)化的方向等進(jìn)行全面的信息共享。銳捷網(wǎng)絡(luò)的本系列802.11ax技術(shù)詳解就是希望能區(qū)別于已有的概念性科普文，抹去802.11ax神話般的宣傳，還原它一個樸實而又真實的面貌，并揭示其中的核心難點和優(yōu)化方向，從而與大家共同推動802.11ax的價值最大化，從而建立良好的WLAN生態(tài)圈。