銳捷802.11ax產品的研究、設計及成果
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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準，定義了很多和以往協議截然不同的技術規格;而事實上，規格的制定離實用仍有一定距離，各廠商還需為之設計大量算法。本文中，筆者將闡述銳捷網絡在設計802.11ax設備時，在時頻資源分配、空間信道預測、高密組網空間復用，以及穩定運行的軟件平臺與智能的大規模天線上正在進行的研究和已經取得的成果。
1、靈活的OFDMA資源塊調度方案
802.11ax中引入了OFDMA技術，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(CSI)各不相同，從而可以通過調度算法進行用戶和RU的匹配來獲取多用戶多RU的分集增益。
OFDMA調度算法不僅需要獲取用戶在不同RU上的CSI，當AP根據該CSI信息完成用戶和RU的映射后，還需要將調度信息廣播給STA以使得各個STA可以從對應的RU中解出自己的信息，或者根據調度信息在相應RU上進行數據傳送。802.11ax中定義了HE-SIG-B字段來傳輸下行的調度信息，并定義了Trigger幀來傳輸上行的調度信息，如下圖所示。
圖1 HE-SIG-B字段格式
圖2 Trigger幀格式
一般的，OFDMA的調度算法可以表示為一個***化模型，根據限制條件***化某個目標函數，如下公式所示為“滿足每個用戶***吞吐下***化目標函數 f(X) 的優化模型。
其中 Xi,j = 1代表用戶 i 使用 RUj，反之不使用; f(X) 為優化的目標函數，比如若目標是***化總吞吐，那么
基于該優化模型，銳捷針對不同的業務需求限制如視頻業務等以及相應的優化目標如吞吐，丟包等建立了多項***化數學模型，并引入松弛+線性規劃算法以及自研多個啟發式貪婪算法，從而提高802.11ax的OFDMA技術的實用性。
2、快速的MU-MIMO信道預測
802.11ac Wave2使用的MU-MIMO技術，通過空間復用使頻譜資源的利用率成倍提升，802.11ax中保留了該項技術，同時與OFDMA進行了有效結合。通過在數據傳輸前獲取AP與用戶間通信的信道狀態(CSI)，進而預編碼實現頻譜資源的空間復用。
但是由于在動態環境下CSI老化較快，使得準確獲取用戶CSI較為困難，也導致在復雜的動態環境下MU-MIMO性能下降。經測試，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)，可見在靜態場景時可獲得MU增益，而動態場景時則MU增益無法保證。同時在實際應用中又由于獲取CSI的操作開銷較大，系統無法頻繁執行(通常20-60ms執行一次)。
圖 3 10ms時延條件下實測CSI偏差，15s-45s時為動態場景
針對以上問題，銳捷設計了一種信道預測方案，目的是通過預測的方式減少時延導致的CSI偏差。鑒于時域預測可以較方便過濾部分噪聲干擾，預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：
其中，前p項為p階自回歸模型，為模型參數，后q項為q階滑動平均模型，為誤差項，為模型參數。通過樣本序列自相關與偏相關系數的計算，ARMA模型識別以及參數估計可自適應完成。針對一組場景中實測CSI的預測效果如下圖所示。
圖 4 基于信道預測的估計值與真實值對比
基于該信道預測方案，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的技術革新中，銳捷提出了預測性能升級的2.0方案。升級方案基于對大量場景CSI的數據挖掘，采用深度神經網絡訓練預測模型，從而進一步提高MU-MIMO技術的可用性。
3、智能的高密組網SR算法
802.11ax除了對物理層進行了改進，還提出了一項重要的高密度組網技術，空間復用(SR)技術，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并執行相應的干擾管理政策從而提高空間的并發率。
如下圖的一個隱藏節點弱干擾場景，AP2和AP1都在空口發包但是AP2早幾十微秒發包。
圖5 一個隱藏節點弱干擾場景
對于802.11ax之前的終端，雖然收到的AP1功率遠超過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，這導致終端錯失了AP1的同步而引發重傳，如下圖。
圖6 傳統802.11協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，這時關聯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備可以更快的識別是否是自己的報文，但是由于該技術僅僅作用于接收報文時，所以相當于提高了接收的抗干擾水平。如果僅僅靠BSSColor，對于高密度組網的抗干擾并行發送并沒有非常大的提升，所以802.11ax中除了制定了BSSColor以外，開放了設備的CCA門限接口，如下圖右側，設備商可以對不同的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發包的時候可以自主的選擇是否疊加發包從而提高高密度組網下的并發率。
所以對于802.11ax的抗干擾并發增益的獲取，并不單純依賴標準制定的一些接口就可以完成，AP還需要強大的環境感知+動態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包。銳捷在802.11ax芯片還未面世時，就詳細分析了802.11ax的SR技術，并將該技術移植到現有的802.11ac協議中，提出了業界領先的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，從而動態的調整CCA的門限，實現高密度組網下的高并發。在802.11ax的AP設計中，該算法將會根據協議提供的接口進行進一步的優化，從而可以得到更好的干擾管理的效果以及更高的并發復用性能。
4、穩定的新形態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周期，使得SDK往往成為AP系統中的質量短板。
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協同提供的空間物理隔離支持，使SDK以進程形式運行于用戶空間。
圖 8 銳捷網絡SDK架構
這種運行形式可帶來以下益處：
1. 提高系統可靠性，借助于進程的物量空間隔離，有效地將故障范圍隔離在SDK進程空間范圍內，而當SDK運行于內核空間時，SDK的嚴重故障經常導致整個系統崩潰;
2. 提高系統可用性，在隔離故障范圍的同時，SDK進程可以利用RGOS的進程重啟機制，迅速恢復運行，在采用了進程狀態備份的系統中，可以做到業務中斷時間小于50毫秒，并且用戶不感知服務狀態的變化，而SDK運行于內核空間時，故障恢復通常需要重啟整個系統，會造成分鐘級別的業務中斷;
3. 在線升級的便利，SDK運行于內核時，它與內核耦合較緊，多數情況下不能隨時卸載，升級時需要重新啟動系統;而當運行于用戶空間時，它與內核之間不存在直接耦合，可采用重新啟動SDK進程的方式完成在線升級;
與普通用戶空間驅動方案相比，RGOS的SDK的進程具有以下特色：
1. 保持性能。通過充分利用CPU提供的內存管理手段，以及Linux提供的IPC(進程間通信)，使得SDK在用戶空間運行時，響應延遲及吞吐量等關鍵指標與它在內核時運行時持平。
2. 軟件重用。保持SDK代碼形態不變，使得同一套代碼，既可以以內核模塊形式在內核運行，也可以以進程形式運行于用戶空間，以適應不同的產品方案要求;
3. 管理面及控制面無感知。除了與SDK緊密耦合的數據面外，系統的其它部分不感知SDK運行狀態的變化，從而保留了原有的結構形式及操作方式。
5、精細的大規模天線設計
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;考慮到當前5G終端的占比增大，產品可能進行5G：2.4G為8:4的設計，從而整機需要增加到12根天線。如何在有限的空間內，實現12組天線的精細化設計，實現 MU-MIMO的效率***化，是一個較大的挑戰。
銳捷網絡采用3D天線設計理念，所有天線分布在一個立體空間，進行多層分布，增加天線間的隔離;并采用多極化設計，進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
通過這種天線設計，當多臺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，進而發揮出MU-MIMO的***效果。
同時，在接收狀態時，由于入射能量方向的不確定，傳統的天線設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，通過Trigger報文可以分配接下來進行上行傳輸的用戶，所以銳捷網絡在天線設計中單獨針對該類型的上行報文進行了天線波束輻射圖的選擇優化。
結語 多年以來，每一代新協議的產生總難免經歷 營銷式宣傳 → 期望值抬高 → 預期破滅 → 理智宣傳 → 合理預期 → 協議穩定運行 的周期過程。不同的是，隨著時代的發展，開始有一些企業理智地地去縮短這個周期，從技術分解、適用場景以及預期數據等方面給出前沿的報告，并針對其中核心問題的難度、現狀及自身正在優化的方向等進行全面的信息共享。銳捷網絡的本系列802.11ax技術詳解就是希望能區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化方向，從而與大家共同推動802.11ax的價值***化，從而建立良好的WLAN生態圈。
重磅來襲：
1、802.11ax協議的技術特點及原理簡析：《我是802.11ax，我比哥哥強不少，真的!》
