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　　前文說(shuō)到，802.11ax作為致力提升無(wú)線使用效率和用戶真實(shí)體驗(yàn)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(shí)上，規(guī)格的制定離實(shí)用仍有一定距離,，各廠商還需為之設(shè)計(jì)大量算法,。本文中，筆者將闡述銳捷網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)802.11ax設(shè)備時(shí),，在時(shí)頻資源分配,、空間信道預(yù)測(cè)、高密組網(wǎng)空間復(fù)用,，以及穩(wěn)定運(yùn)行的軟件平臺(tái)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(lái)給用戶使用,，比如在一個(gè)20MHz的頻率資源中最多可以分為9個(gè)RU給9個(gè)用戶同時(shí)使用,。由于空間信道的頻率選擇特性，每個(gè)用戶在各個(gè)RU上的信道狀態(tài)（CSI）各不相同,，從而可以通過(guò)調(diào)度算法進(jìn)行用戶和RU的匹配來(lái)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(gè)STA可以從對(duì)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(lái)傳輸下行的調(diào)度信息,，并定義了Trigger幀來(lái)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(gè)最優(yōu)化模型,，根據(jù)限制條件最大化某個(gè)目標(biāo)函數(shù)，如下公式所示為“滿足每個(gè)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(duì)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(xiàng)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(gè)啟發(fā)式貪婪算法，從而提高802.11ax的OFDMA技術(shù)的實(shí)用性,。

　　2  快速的MU-MIMO信道預(yù)測(cè)

　　802.11ac Wave2使用的MU-MIMO技術(shù),，通過(guò)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(xiàng)技術(shù)，同時(shí)與OFDMA進(jìn)行了有效結(jié)合,。通過(guò)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(shí)現(xiàn)頻譜資源的空間復(fù)用。

　　但是由于在動(dòng)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(dòng)態(tài)環(huán)境下MU-MIMO性能下降。經(jīng)測(cè)試,，視距條件下獲得MU增益可容忍的CSI偏差< -21.6dB,。對(duì)照下圖中場(chǎng)景實(shí)測(cè)的CSI時(shí)延偏差（10ms延時(shí)），可見(jiàn)在靜態(tài)場(chǎng)景時(shí)可獲得MU增益,，而動(dòng)態(tài)場(chǎng)景時(shí)則MU增益無(wú)法保證,。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中又由于獲取CSI的操作開(kāi)銷較大，系統(tǒng)無(wú)法頻繁執(zhí)行（通常20-60ms執(zhí)行一次）,。

　　圖 3　10ms時(shí)延條件下實(shí)測(cè)CSI偏差,，15s-45s時(shí)為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

　　針對(duì)以上問(wèn)題，銳捷設(shè)計(jì)了一種信道預(yù)測(cè)方案,，目的是通過(guò)預(yù)測(cè)的方式減少時(shí)延導(dǎo)致的CSI偏差,。鑒于時(shí)域預(yù)測(cè)可以較方便過(guò)濾部分噪聲干擾，預(yù)測(cè)方案采用時(shí)序分析的自回歸滑動(dòng)平均模型（ARMA）,。模型基本描述為：

　　我是802.11ax,，我離上場(chǎng)還有多遠(yuǎn)？

　　其中,，前p項(xiàng)為p階自回歸模型,，為模型參數(shù)，后q項(xiàng)為q階滑動(dòng)平均模型,，為誤差項(xiàng)，為模型參數(shù),。通過(guò)樣本序列自相關(guān)與偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,，ARMA模型識(shí)別以及參數(shù)估計(jì)可自適應(yīng)完成。針對(duì)一組場(chǎng)景中實(shí)測(cè)CSI的預(yù)測(cè)效果如下圖所示,。

　　圖 4　基于信道預(yù)測(cè)的估計(jì)值與真實(shí)值對(duì)比

　　基于該信道預(yù)測(cè)方案,，在針對(duì)802.11ac的場(chǎng)景驗(yàn)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(cè)性能升級(jí)的2.0方案。升級(jí)方案基于對(duì)大量場(chǎng)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(cè)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(duì)物理層進(jìn)行了改進(jìn)，還提出了一項(xiàng)重要的高密度組網(wǎng)技術(shù),，空間復(fù)用（SR）技術(shù),，通過(guò)在HE-SIG-A中引入BSSColor從而可以更快的識(shí)別出報(bào)文是否來(lái)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(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)弱干擾場(chǎng)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(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)弱干擾場(chǎng)景

　　對(duì)于802.11ax之前的終端，雖然收到的AP1功率遠(yuǎn)超過(guò)AP2,，但是終端由于先同步上AP2的報(bào)文,，它需要解析完整AP2的報(bào)文才會(huì)得知目的地址是否自己，這導(dǎo)致終端錯(cuò)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(chǎng)景

　　但是，對(duì)于802.11ax的終端,，如下圖所示,，它可以快速的解析出該報(bào)文的BSS不匹配從而判斷目的地址不是自己，并將報(bào)文舍棄,，這時(shí)關(guān)聯(lián)AP1的報(bào)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(chǎng)景

　　所以，通過(guò)BSSColor在物理層幀頭來(lái)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(wú)線廠商的設(shè)備可以更快的識(shí)別是否是自己的報(bào)文,，但是由于該技術(shù)僅僅作用于接收?qǐng)?bào)文時(shí),，所以相當(dāng)于提高了接收的抗干擾水平。如果僅僅靠BSSColor,，對(duì)于高密度組網(wǎng)的抗干擾并行發(fā)送并沒(méi)有非常大的提升,，所以802.11ax中除了制定了BSSColor以外，開(kāi)放了設(shè)備的CCA門限接口,，如下圖右側(cè),，設(shè)備商可以對(duì)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(shí)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(duì)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(qiáng)大的環(huán)境感知+動(dòng)態(tài)DCCA算法來(lái)判斷收到非本BSS的干擾報(bào)文時(shí)，自己是否可以疊加發(fā)包,。銳捷在802.11ax芯片還未面世時(shí),，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(guò)收集同頻AP的強(qiáng)度,，用戶在各個(gè)AP上的RSSI，從而動(dòng)態(tài)的調(diào)整CCA的門限,，實(shí)現(xiàn)高密度組網(wǎng)下的高并發(fā),。在802.11ax的AP設(shè)計(jì)中，該算法將會(huì)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(tái)

　　伴隨著無(wú)線方案的迅速迭代，SDK也隨之頻繁變更和升級(jí)換代,，這種密集變化及較短的開(kāi)發(fā)周期,，使得SDK往往成為AP系統(tǒng)中的質(zhì)量短板。

　　針對(duì)SDK的這種突出問(wèn)題,，RGOS改變了SDK的運(yùn)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(yùn)行于用戶空間。

　　圖 8　銳捷網(wǎng)絡(luò)SDK架構(gòu)

　　這種運(yùn)行形式可帶來(lái)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(yùn)行于內(nèi)核空間時(shí),，SDK的嚴(yán)重故障經(jīng)常導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰,；

　　2. 提高系統(tǒng)可用性，在隔離故障范圍的同時(shí),，SDK進(jìn)程可以利用RGOS的進(jìn)程重啟機(jī)制,，迅速恢復(fù)運(yùn)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(shí)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(yùn)行于內(nèi)核空間時(shí),，故障恢復(fù)通常需要重啟整個(gè)系統(tǒng),，會(huì)造成分鐘級(jí)別的業(yè)務(wù)中斷；

　　3. 在線升級(jí)的便利,，SDK運(yùn)行于內(nèi)核時(shí)，它與內(nèi)核耦合較緊,，多數(shù)情況下不能隨時(shí)卸載,，升級(jí)時(shí)需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)；而當(dāng)運(yùn)行于用戶空間時(shí),，它與內(nèi)核之間不存在直接耦合,，可采用重新啟動(dòng)SDK進(jìn)程的方式完成在線升級(jí),；

　　與普通用戶空間驅(qū)動(dòng)方案相比，RGOS的SDK的進(jìn)程具有以下特色：

　　1. 保持性能,。通過(guò)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(yùn)行時(shí),，響應(yīng)延遲及吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)與它在內(nèi)核時(shí)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行，也可以以進(jìn)程形式運(yùn)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(wú)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(yùn)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(jì)

　　802.11ax的一個(gè)射頻最多可以支持8路空口通道,，也就至少需要8個(gè)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(jì),，從而整機(jī)需要增加到12根天線,。如何在有限的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)12組天線的精細(xì)化設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn) MU-MIMO的效率最大化,，是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

　　銳捷網(wǎng)絡(luò)采用3D天線設(shè)計(jì)理念,，所有天線分布在一個(gè)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(jì),，進(jìn)一步將天線間的隔離度加大，從而對(duì)不同方向的用戶能夠有效的進(jìn)行多用戶信號(hào)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(gè)天線，每個(gè)天線事實(shí)上存在多種輻射方式,。為了辨識(shí)方便,，波瓣的寬度表示得比實(shí)際小，實(shí)際上每個(gè)波瓣之間并不存在空隙,。

　　圖9　四個(gè)天線組合成的方向圖

　　通過(guò)這種天線設(shè)計(jì),，當(dāng)多臺(tái)STA隨機(jī)分布時(shí),，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(gè)STA,，進(jìn)而發(fā)揮出MU-MIMO的最好效果,。

　　同時(shí)，在接收狀態(tài)時(shí),，由于入射能量方向的不確定,，傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中往往在接收時(shí)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(guò)Trigger報(bào)文可以分配接下來(lái)進(jìn)行上行傳輸?shù)挠脩?，所以銳捷網(wǎng)絡(luò)在天線設(shè)計(jì)中單獨(dú)針對(duì)該類型的上行報(bào)文進(jìn)行了天線波束輻射圖的選擇優(yōu)化。

　　結(jié)語(yǔ)

　　多年以來(lái),，每一代新協(xié)議的產(chǎn)生總難免經(jīng)歷 營(yíng)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(yùn)行 的周期過(guò)程,。不同的是，隨著時(shí)代的發(fā)展,，開(kāi)始有一些企業(yè)理智地地去縮短這個(gè)周期,，從技術(shù)分解、適用場(chǎng)景以及預(yù)期數(shù)據(jù)等方面給出前沿的報(bào)告,，并針對(duì)其中核心問(wèn)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(gè)樸實(shí)而又真實(shí)的面貌，并揭示其中的核心難點(diǎn)和優(yōu)化方向,，從而與大家共同推動(dòng)802.11ax的價(jià)值最大化,，從而建立良好的WLAN生態(tài)圈。