802.11ax前瞻3：上行随机接入(TF TF-R)机制

在802.11ax以前，MAC的接入机制是典型的CSMA机制（即DCF中所采用的CSMA/CA）。在引入了OFDMA的需求之后，802.11ax的MAC层随机接入机制也发生了变化，在协议中，代替传统的CSMA思想，802.11ax采用了基于ALOHA思想设计了竞争协议。本节我们主要就是介绍802.11ax中所采用的TF（Trigger Frame）以及TF-R（Trigger Frame for Random access）机制。

本节我们讨论内容主要参考Draft 0.1中的相应描述，以及如下提案（按照时间顺序）：

IEEE 802.11-15/0365r0：UL MU ProcedureIEEE 802.11-15/0880r2：Scheduled Trigger framesIEEE 802.11-15/0875r1：Random Access with Trigger Frames using OFDMAIEEE 802.11-15/1137：Triggered OFDMA Random Access ObservationsIEEE 802.11-15/1105r0：UL OFDMA-based Random Access ProcedureIEEE 802.11-15/1047r0：Random RU selection process upon TF-R receptionIEEE 802.11-15/1370r0：UL OFDMA Random Access ControlIEEE 802.11-16/0582r3：Random Access RU Allocation in the Trigger Frame

以上的草案资源整理如下

注：由于协议正在制定的过程中，所以会存在TBD（To Be Determined）的部分以及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同一个时刻只有一个用户接入信道，而由于802.11ax采用OFDMA技术，其需求多个用户可以同一时间接入信道（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）这种上行传输的场景下的。TF机制是一个上行传输的框架，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节部分，以及草案（IEEE 802.11-15/0365r0），我们描述协议中TF接入机制。

注：如果研读过协议草案的可以发现，802.11协议指定是一个非常严谨的过程，其属于一个个小草案慢慢叠加，一步一步往上设定的过程，比如在IEEE 802.11-15/0365r0草案中，仅仅是一个很简单的TF的机制，并没有设置一些具体内容。在TF机制基本思想通过以后，协议会在其上进一步设计，最终不断修改才获得了最终的802.11协议版本。

TF是一种上行接入的传输框架，其定义了一个很简单的过程：

AP发送Trigger frame，宣称这一轮接入开始。Trigger frame中，包含了节点上传所使用的时频资源（RU）信息。根据Trigger frame中的指示，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，结束这一轮传输。在草案（IEEE 802.11-15/1105r0）中，TF帧不仅仅指定了什么节点发，还指定了节点的发送一系列参数，如下图：

其中第一列是该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），那么该RU就是供节点竞争的。后面的几列包含了比如Coding Type以及MCS值，这一块细节较多，所以我们就不展开了。

以上就是一个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，都是单个节点占据整个信道的。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，就可以立刻发起传输。而在TF中，只有当AP发送了TF帧之后，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是在发送完之后，立刻被反馈的。而在TF中，ACK实际上是等所有用户都传输完之后，再一次反馈给所有接受者的。由于每一个发送者可能发送的数据包长短不一，所以先发送完的，需要等待后发送完的。这一点实际上也是多用户接入协议一个设计的公共问题。使用场景不同：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，是即可以在基础架构模式下，也可以在IBSS模式下工作的。

注：802.11ax中不是完全把DCF删除，而是分时采用不同的模式。TF机制主要是用在上行接入这一部分的，有关我们这一节不进行展开。

TF-R（Trigger Frame for Random access）

TF-R是基于TF的进一步扩展，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节部分，以及草案（IEEE 802.11-15/1105r0），我们描述协议中TF-R接入机制。

初看上图是比较复杂的，以下我们一步一步做解析。

TF-R是将原来时域竞争转为频率竞争（如左边红色竖线上所示）。

TF-R是在我们前面所述的TF过程之前执行的，在每一次接入时，AP首先发送TF-R帧，在该帧中的部分RU其相应AID=X，这个X代表这个RU是供节点竞争接入的。节点在识别到TF-R帧之后，具体是采用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的主要原因也在这里）。

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

在OBO中，每一个节点首先从CWO（Contention Window for UL-OFDMA）窗口中，选择一个随机数并放入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，这一轮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），那么节点就可以发送数据，反之不行。那么该节点就随机选择一个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被竞争之后，开始下一个的TF-R。此时节点首先要进行Backoff过程，即本地的Backoff counter要减去上一轮总的竞争RU数目（比如STA2选择为4，那么要减去3，即将Backoff counter设置为1）。若新的一轮中节点的Backoff counter小于这一轮的可供竞争的RU数目（比如STA2现在Backoff counter为1，RU数目为2），那么该节点竞争胜利，可以任意选择一个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的过程，若该TF帧中没有这种RU，那么不会进行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，其过程就和我们之前所述的TF过程一样了。

注：Slot-Aloha的思想是用来判断节点在这个时刻可不可以发送，并没有包含在哪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，至于使用哪个信道具体发送，那么这里是随机的。这一块可能有性能评估的问题，不过目前协议是这样设定的。