802.11ax前瞻3：上行随机接入（TF，TF-R）

叙言

在802.11ax之前，MAC的接入机制是典型的CSMA机制（即DCF中所采取的CSMA/CA）。在引入了OFDMA的需求以后，802.11ax的MAC层随机接入机制也产生了变化，在协议中，代替传统的CSMA思想，802.11ax采取了基于ALOHA思想设计了竞争协议。本节我们主要就是介绍802.11ax中所采取的TF（Trigger Frame）和TF-R（Trigger Frame for Random access）机制。

本节我们讨论内容主要参考Draft 0.1中的相应描写，和以下提案（依照时间顺序）：

• 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

以上的草案资源整理以下，【TF与TF-R相干草案】。

注：由于协议正在制定的进程中，所以会存在TBD（To Be Determined）的部份和不断更新的协议内容，笔者未必跟上最新的协议进程，如果有错漏的地方，还请见谅。

TF（Trigger Frame）接入机制

802.11ax与传统的DCF所需求的MAC层机制是不同的。传统的DCF同1个时刻只有1个用户接入信道，而由于802.11ax采取OFDMA技术，其需求多个用户可以同1时间接入信道（选择的RU是正交的）。

本节我们所介绍的TF机制，主要是用在UL MU （Uplink Multi-users）这类上行传输的场景下的。TF机制是1个上行传输的框架，其具体的随机接入的方法是TF-R机制。参考draft 0.1中，第10.3.2.11.4节部份，和草案（IEEE 802.11⑴5/0365r0），我们描写协议中TF接入机制。

注：如果研读过协议草案的可以发现，802.11协议指定是1个非常严谨的进程，其属于1个个小草案渐渐叠加，1步1步往上设定的进程，比如在IEEE 802.11⑴5/0365r0草案中，仅仅是1个很简单的TF的机制，并没有设置1些具体内容。在TF机制基本思想通过以后，协议会在其上进1步设计，终究不断修改才取得了终究的802.11协议版本。

TF是1种上行接入的传输框架，其定义了1个很简单的进程：

• AP发送Trigger frame，宣称这1轮接入开始。Trigger frame中，包括了节点上传所使用的时频资源（RU）信息。
• 根据Trigger frame中的唆使，节点选择其对应的RU位置，进行OFDMA的接入。多个节点同时向AP发送上行PPDU。
• AP接收完全部数据后，反馈ACK，结束这1轮传输。

其中第1列是该RU被分配给那个用户（具体是指定用户的AID），如果AID设置为RA（协议中RA的AID号还没给定，即TBD），那末该RU就是供节点竞争的。后面的几列包括了比如Coding Type和MCS值，这1块细节较多，所以我们就不展开了。

以上就是1个TF的接入框架，笔者总结其与传统的802.11相比有以下不同：

• 单节点接入和多节点接入：传统的802.11中，都是单个节点占据全部信道的。在TF中，多个节点基于OFDMA，同时接入信道。
• 发起者不同：在传统的802.11中，节点只要竞争到信道，就能够立刻发起传输。而在TF中，只有当AP发送了TF帧以后，节点才可以发起上行接入竞争。
• ACK反馈时机不同：在传统802.11中，ACK是在发送完以后，立刻被反馈的。而在TF中，ACK实际上是等所有用户都传输完以后，再1次反馈给所有接受者的。由于每个发送者可能发送的数据包长短不1，所以先发送完的，需要等待后发送完的。这1点实际上也是多用户接入协议1个设计的公共问题。
• 使用处景不同：基于以上的几点不同，我们还可以理解，TF机制本身就是在假定网络是工作在基础架构的情况下，进行的设计，其不好在IBSS网络情况下工作。而传统802.11中的DCF设计，是便可以在基础架构模式下，也能够在IBSS模式下工作的。

注：802.11ax中不是完全把DCF删除，而是分时采取不同的模式。TF机制主要是用在上行接入这1部份的，有关我们这1节不进行展开。

TF-R（Trigger Frame for Random access）

TF-R是基于TF的进1步扩大，是在TF机制中，引入了竞争的机制，其基本思想是Slot-Aloha。参考draft 0.1中，第25.5.2.6.1节部份，和草案（IEEE 802.11⑴5/1105r0），我们描写协议中TF-R接入机制。

初看上图是比较复杂的，以下我们1步1步做解析。

TF-R是将原来时域竞争转为频率竞争（如左侧红色竖线上所示）。

TF-R是在我们前面所述的TF进程之前履行的，在每次接入时，AP首先发送TF-R帧，在该帧中的部份RU其相应AID=X，这个X代表这个RU是供节点竞争接入的。节点在辨认到TF-R帧以后，具体是采取OBO（UL-OFDMA Backoff）的机制竞争（我们所述TF-R的接入思想是基于Aloha而不是CSMA的主要缘由也在这里）。

Aloha和CSMA的核心区分在于LBT（Listen Before Talk）机制上：Aloha是没有LBT的，而CSMA是基于LBT的。

在OBO中，每个节点首先从CWO（Contention Window for UL-OFDMA）窗口中，选择1个随机数并放入Backoff counter中。如上图，STA1选择的是10，STA2选择的是4，STA3选择的是0。然后节点比较，这1轮TF-R帧中，可供竞争的RU slot的数目，比如上图RU数目为3。若Backoff counter小于RU的总数（比如STA3选择为0，其小于3），那末节点就能够发送数据，反之不行。那末该节点就随机选择1个RU（比如上图，从3个中随机选择1个，即RU=3），然后在该RU上进行数据传输。

当RU=3被竞争以后，开始下1个的TF-R。此时节点首先要进行Backoff进程，即本地的Backoff counter要减去上1轮总的竞争RU数目（比如STA2选择为4，那末要减去3，行将Backoff counter设置为1）。若新的1轮中节点的Backoff counter小于这1轮的可供竞争的RU数目（比如STA2现在Backoff counter为1，RU数目为2），那末该节点竞争成功，可以任意选择1个RU（比如选择RU=1）。只有当TF帧中，有被用来Random Access的RU的时候（即TF-R帧），其才会触发OBO的进程，若该TF帧中没有这类RU，那末不会进行Backoff。

当RU资源被竞争好以后，AP发送TF帧，节点正式向AP反馈上行数据，其进程就和我们之前所述的TF进程1样了。

注：Slot-Aloha的思想是用来判断节点在这个时刻可不可以发送（参考我这里所提过的同步异步2：ALOHA中的同步异步），并没有包括在哪一个位置具体传输的机制。故OBO主要是用来判断，节点能不能发的，至于使用哪一个信道具体发送，那末这里是随机的。这1块可能有性能评估的问题，不过目前协议是这样设定的。

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