锐捷网络802.11ax产品的研究、设计以及成果

2017-09-13 12:20 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:sunziyi

  【PConline 干货铺】前文说到,802.11ax作为致力提升无线使用效率和用户真实体验的标准,定义了很多和以往协议截然不同的技术规格;而事实上,规格的制定离实用仍有一定距离,各厂商还需为之设计大量算法。本文中,笔者将阐述锐捷网络在设计802.11ax设备时,在时频资源分配、空间信道预测、高密组网空间复用,以及稳定运行的软件平台与智能的大规模天线上正在进行的研究和已经取得的成果。

灵活的OFDMA资源块调度方案

  802.11ax中引入了OFDMA技术,将原先的整段频谱划分为粒度更小的资源块来给用户使用,比如在一个20MHz的频率资源中最多可以分为9个RU给9个用户同时使用。由于空间信道的频率选择特性,每个用户在各个RU上的信道状态(CSI)各不相同,从而可以通过调度算法进行用户和RU的匹配来获取多用户多RU的分集增益。

  OFDMA调度算法不仅需要获取用户在不同RU上的CSI,当AP根据该CSI信息完成用户和RU的映射后,还需要将调度信息广播给STA以使得各个STA可以从对应的RU中解出自己的信息,或者根据调度信息在相应RU上进行数据传送。802.11ax中定义了HE-SIG-B字段来传输下行的调度信息,并定义了Trigger帧来传输上行的调度信息,如下图所示。

HE-SIG-B字段格式
HE-SIG-B字段格式

Trigger帧格式
Trigger帧格式

  一般的,OFDMA的调度算法可以表示为一个最优化模型,根据限制条件最大化某个目标函数,如下公式所示为“满足每个用户最低吞吐下最大化目标函数 f(X) 的优化模型。

  其中 Xi,j = 1代表用户 i 使用 RUj,反之不使用; f(X) 为优化的目标函数,比如若目标是最大化总吞吐,那么

  基于该优化模型,锐捷针对不同的业务需求限制如视频业务等以及相应的优化目标如吞吐,丢包等建立了多项最优化数学模型,并引入松弛+线性规划算法以及自研多个启发式贪婪算法,从而提高802.11ax的OFDMA技术的实用性。

快速的MU-MIMO信道预测

  802.11ac Wave2使用的MU-MIMO技术,通过空间复用使频谱资源的利用率成倍提升,802.11ax中保留了该项技术,同时与OFDMA进行了有效结合。通过在数据传输前获取AP与用户间通信的信道状态(CSI),进而预编码实现频谱资源的空间复用。

  但是由于在动态环境下CSI老化较快,使得准确获取用户CSI较为困难,也导致在复杂的动态环境下MU-MIMO性能下降。经测试,视距条件下获得MU增益可容忍的CSI偏差< -21.6dB。对照下图中场景实测的CSI时延偏差(10ms延时),可见在静态场景时可获得MU增益,而动态场景时则MU增益无法保证。同时在实际应用中又由于获取CSI的操作开销较大,系统无法频繁执行(通常20-60ms执行一次)。

10ms时延条件下实测CSI偏差,15s-45s时
10ms时延条件下实测CSI偏差,15s-45s时

  针对以上问题,锐捷设计了一种信道预测方案,目的是通过预测的方式减少时延导致的CSI偏差。鉴于时域预测可以较方便过滤部分噪声干扰,预测方案采用时序分析的自回归滑动平均模型(ARMA)。模型基本描述为:

  其中,前p项为p阶自回归模型,为模型参数,后q项为q阶滑动平均模型,为误差项,为模型参数。通过样本序列自相关与偏相关系数的计算,ARMA模型识别以及参数估计可自适应完成。针对一组场景中实测CSI的预测效果如下图所示。

基于信道预测的估计值与真实值对比
基于信道预测的估计值与真实值对比

  基于该信道预测方案,在针对802.11ac的场景验证中,MU-MIMO性能得到了10%~30%的提升。在802.11ax的技术革新中,锐捷提出了预测性能升级的2.0方案。升级方案基于对大量场景CSI的数据挖掘,采用深度神经网络训练预测模型,从而进一步提高MU-MIMO技术的可用性。

智能的高密组网SR算法

  802.11ax除了对物理层进行了改进,还提出了一项重要的高密度组网技术,空间复用(SR)技术,通过在HE-SIG-A中引入BSSColor从而可以更快的识别出报文是否来自本BSS并执行相应的干扰管理政策从而提高空间的并发率。

  如下图的一个隐藏节点弱干扰场景,AP2和AP1都在空口发包但是AP2早几十微秒发包。

一个隐藏节点弱干扰场景
一个隐藏节点弱干扰场景

  对于802.11ax之前的终端,虽然收到的AP1功率远超过AP2,但是终端由于先同步上AP2的报文,它需要解析完整AP2的报文才会得知目的地址是否自己,这导致终端错失了AP1的同步而引发重传,如下图。

传统802.11协议弱干扰下误同步干扰场景
传统802.11协议弱干扰下误同步干扰场景

  但是,对于802.11ax的终端,如下图所示,它可以快速的解析出该报文的BSS不匹配从而判断目的地址不是自己,并将报文舍弃,这时关联AP1的报文将被同步并正确解析。

802.11ax中弱干扰下误同步干扰场景
802.11ax中弱干扰下误同步干扰场景

  所以,通过BSSColor在物理层帧头来快速判断目的地址,802.11ax提高了设备的抗干扰接收水平。

  值得注意的是,虽然802.11ax中定义了BSS color从而使得无线厂商的设备可以更快的识别是否是自己的报文,但是由于该技术仅仅作用于接收报文时,所以相当于提高了接收的抗干扰水平。如果仅仅靠BSSColor,对于高密度组网的抗干扰并行发送并没有非常大的提升,所以802.11ax中除了制定了BSSColor以外,开放了设备的CCA门限接口,如下图右侧,设备商可以对不同的BSS,如自己的BSS和干扰的BSS,制定了不同的CCA门限,从而在其他AP发包的时候可以自主的选择是否叠加发包从而提高高密度组网下的并发率。

  所以对于802.11ax的抗干扰并发增益的获取,并不单纯依赖标准制定的一些接口就可以完成,AP还需要强大的环境感知+动态DCCA算法来判断收到非本BSS的干扰报文时,自己是否可以叠加发包。锐捷在802.11ax芯片还未面世时,就详细分析了802.11ax的SR技术,并将该技术移植到现有的802.11ac协议中,提出了业界领先的Pre-ax算法,该算法通过收集同频AP的强度,用户在各个AP上的RSSI,从而动态的调整CCA的门限,实现高密度组网下的高并发。在802.11ax的AP设计中,该算法将会根据协议提供的接口进行进一步的优化,从而可以得到更好的干扰管理的效果以及更高的并发复用性能。

稳定的新形态SDK平台

  伴随着无线方案的迅速迭代,SDK也随之频繁变更和升级换代,这种密集变化及较短的开发周期,使得SDK往往成为AP系统中的质量短板。

  针对SDK的这种突出问题,RGOS改变了SDK的运行形式:利用CPU及Linux协同提供的空间物理隔离支持,使SDK以进程形式运行于用户空间。

锐捷网络SDK架构
锐捷网络SDK架构

  这种运行形式可带来以下益处:

  1. 提高系统可靠性,借助于进程的物量空间隔离,有效地将故障范围隔离在SDK进程空间范围内,而当SDK运行于内核空间时,SDK的严重故障经常导致整个系统崩溃;

  2. 提高系统可用性,在隔离故障范围的同时,SDK进程可以利用RGOS的进程重启机制,迅速恢复运行,在采用了进程状态备份的系统中,可以做到业务中断时间小于50毫秒,并且用户不感知服务状态的变化,而SDK运行于内核空间时,故障恢复通常需要重启整个系统,会造成分钟级别的业务中断;

  3. 在线升级的便利,SDK运行于内核时,它与内核耦合较紧,多数情况下不能随时卸载,升级时需要重新启动系统;而当运行于用户空间时,它与内核之间不存在直接耦合,可采用重新启动SDK进程的方式完成在线升级;

  与普通用户空间驱动方案相比,RGOS的SDK的进程具有以下特色:

  1. 保持性能。通过充分利用CPU提供的内存管理手段,以及Linux提供的IPC(进程间通信),使得SDK在用户空间运行时,响应延迟及吞吐量等关键指标与它在内核时运行时持平。

  2. 软件重用。保持SDK代码形态不变,使得同一套代码,既可以以内核模块形式在内核运行,也可以以进程形式运行于用户空间,以适应不同的产品方案要求;

  3. 管理面及控制面无感知。除了与SDK紧密耦合的数据面外,系统的其它部分不感知SDK运行状态的变化,从而保留了原有的结构形式及操作方式。

精细的大规模天线设计

  802.11ax的一个射频最多可以支持8路空口通道,也就至少需要8个天线;考虑到当前5G终端的占比增大,产品可能进行5G:2.4G为8:4的设计,从而整机需要增加到12根天线。如何在有限的空间内,实现12组天线的精细化设计,实现 MU-MIMO的效率最大化,是一个较大的挑战。

  锐捷网络采用3D天线设计理念,所有天线分布在一个立体空间,进行多层分布,增加天线间的隔离;并采用多极化设计,进一步将天线间的隔离度加大,从而对不同方向的用户能够有效的进行多用户信号传输。

  如下图所示为多组合成的4天线方向图,每种颜色代表一个天线,每个天线事实上存在多种辐射方式。为了辨识方便,波瓣的宽度表示得比实际小,实际上每个波瓣之间并不存在空隙。

四个天线组合成的方向图
四个天线组合成的方向图

  通过这种天线设计,当多台STA随机分布时,理论上只要STA之间的角度距离大于30度,就能保证天线的波瓣能够分别指向这几个STA,进而发挥出MU-MIMO的最好效果。

  同时,在接收状态时,由于入射能量方向的不确定,传统的天线设计中往往在接收时切换为全向天线模式。但是802.11ax中增加了上行MU-MIMO技术,通过Trigger报文可以分配接下来进行上行传输的用户,所以锐捷网络在天线设计中单独针对该类型的上行报文进行了天线波束辐射图的选择优化。

  多年以来,每一代新协议的产生总难免经历 营销式宣传 → 期望值抬高 → 预期破灭 → 理智宣传 → 合理预期 → 协议稳定运行 的周期过程。不同的是,随着时代的发展,开始有一些企业理智地地去缩短这个周期,从技术分解、适用场景以及预期数据等方面给出前沿的报告,并针对其中核心问题的难度、现状及自身正在优化的方向等进行全面的信息共享。锐捷网络的本系列802.11ax技术详解就是希望能区别于已有的概念性科普文,抹去802.11ax神话般的宣传,还原它一个朴实而又真实的面貌,并揭示其中的核心难点和优化方向,从而与大家共同推动802.11ax的价值最大化,从而建立良好的WLAN生态圈。

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