什么是空口切片？
空口切片通过整网级协同资源分配，将空口时域按周期进行划分，重新定义空口队列的优先级，来预留一部分时域资源给关键业务，从而为关键业务提供高可靠和确定性时延的网络。空口切片满足了医疗、工业等场景下传统无线网络无法满足的时延边界要求。
为什么需要空口切片
工业领域生产制造企业正在经历一场快速的数字化转型变革，工业网络整体向IP化演进，部分场景已经开始无线化。举个例子，自动化中用到的PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器技术，可通过控制机械臂来实现自动化生产，在下发作业任务和采集信息时，需要超高的可靠性来保障生产业务，并且有时延边界的要求，一旦超出可能导致生产中断。
为了解决丢包和时延的问题，华为推出了空口切片技术。空口切片在多AP场景下对上下行空口资源进行预留，提升网络的可靠性，来满足医疗、工业等场景下的时延诉求。在无线局域网中，空口可以理解为AP和STA上的虚拟逻辑口，是看不见摸不着的，空口之间建立的链路称为无线链路，STA和AP之间可以通过无线链路互通。
空口切片技术中的切片是指将一个时域周期划分为高可靠时间切片和普通时间切片，把关键业务数据分配到高可靠时间切片并优先进行调度。空口切片技术可以为工业生产制造、医疗等场景中的关键业务提供确定性时延及高可靠的网络。
空口切片的主要优势如下：
- 确定性时延：空口切片通过重新定义空口队列的优先级，将优先级最高的高可靠切片队列预留给高可靠业务；通过对时域进行切片，将一个时域周期划分为高可靠时间切片和普通时间切片；通过对有同频干扰的AP分组并将不同组放到不同时域下，保障网络的确定性时延。
- 高可靠性：空口切片的干扰可视化技术能够让空口及时感知网络中出现的干扰和重传，及时预警和纠正，保障网络可靠性。
空口切片的关键技术
空口切片通过高可靠切片队列、AP间时间同步、时域切片、鲁棒性调度等技术为特定业务提供了带宽预留和确定性时延的能力，并通过干扰可视化技术来快速排查同频AP干扰的影响。
高可靠切片队列
空口切片特性重新定义了空口队列的优先级，在最高优先级的位置增加了HR（High Reliability）高可靠切片队列。在新的队列设计下，优先级最高的HR队列被留给了类似PLC等高可靠业务场景，来保证最先调度该类业务。
队列ID |
空口切片队列 |
|---|---|
7 |
HR（高可靠切片） |
6 |
HR（高可靠切片） |
5 |
VO（语音类） |
4 |
VO（语音类） |
3 |
VI（视频类） |
2 |
BE（尽力而为）/BK（背景业务） |
1 |
BE（尽力而为）/BK（背景业务） |
0 |
VI（视频类） |
时域切片
同频AP之间存在干扰
在这种情况下，我们通过整网级协同资源分配，将空口时域按周期进行划分，并为指定AP预留一部分时域资源。比如将组1{AP1，AP3}分到时间切片1、组2{AP2}分到时间切片2，组1在发包的时候，组2静默等待，反之亦然；其余时间供自由竞争。像这样将同频AP组划分到不同的时间片内可以避免同频AP之间的冲突，提高了发包的可靠性；而周期性地对AP预留资源可以提供确定性的传输时延。
协同资源分配
时间同步
为了确保时域切片时，同频AP不会因为时间不同步而产生冲突，需要进行AP间的时间同步。时间同步的原理是通过AP间相互测量Beacon报文，来计算时间偏差，进而实现同步。AP以目标信标帧传输时间为周期发送Beacon报文，并将高精度发送时间戳填入Beacon。相邻的同频AP接收到该时间戳，通过设备SN号与本地测量的接收时间戳对齐，并补偿通道时延，来达到时间同步的目的。我们以2个AP为例，来介绍下时间同步。
AP间时间同步机制
AP1周期发送Beacon。AP1在
时间差公式：
由于AP1在
在大规模组网中，根据组网拓扑或AP的位置指定主AP作为全网时钟的基准。由主AP发送Beacon广播其高精度时间戳和层级，主AP覆盖范围内的所有同频AP利用Beacon携带的信息完成时间同步和层级更新，第二层AP通过本AP测量发送链路时间戳补偿同主AP的时间差计算时间戳，并保存SN及时间戳,，填入下一个Beacon中，下一层级AP根据接收链路时间戳计算同主AP的时间差；其余AP依次逐层完成时间同步。
大规模组网时钟同步
鲁棒性调度
Wi-Fi报文在空口传输时往往选择较高的速率进行传输以获取较大的吞吐率。然而报文发送速率越高，需要的信噪比SNR（Signal-to-Noise Ratio）也越高。换句话说，传输速率越高，抗干扰能力就越差，高速率会增加传输失败的可能性，重传又会增加时延。针对工业控制设备业务流量较小的特点，鲁棒性调度通过以下改进点来降低时延：
- 优选低速调制和编码方案MCS（Modulation and Coding Scheme）：使用更加稳定的速率进行报文发送，增加传输的可靠性。
- 增强发射功率：增加其报文的发射功率，让对端设备有足够的SNR来正确解调报文。
- 硬件重传：使用硬件重传技术，降低因报文重传导致的时延。
- 限制发包时长：在控制类应用和质检类应用共存时，华为空口切片技术可以动态的进行确定不同应用类流量的单次发包时长，进而减小控制类应用流量的发送等待时延。
干扰可视化
WLAN网络信道接入机制的两大关键技术是空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）和分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function）。其中，CCA技术用来评估空口的繁忙情况，DCF技术用来实现空口竞争的随机退避机制，当网络节点较少时，这种去中心化的接入机制带来了成本的降低和效率的提升。然而，随着网络规模的扩大，这种机制会引起各种各样的问题（包括不限于隐藏节点、冲突、空口接入等待时间过长等问题），并最终带来网络时延的不确定性。我们将上述问题称之为WLAN网络的干扰。干扰可视化可以通过如下基本原理来识别网络干扰、进行网络优化。
- 识别网络干扰： 在AP间高精度时间同步的基础上，将同频AP空口的收发包特征（包括发包方向、时戳、类型、速率、时延、重传次数等）汇总在中心节点，结合可视化工具，绘制出多AP的“空口指纹”，可以清晰呈现多个同频AP之间是如何进行空口竞争的，是否存在冲突干扰，以及干扰的严重程度。
- 网络优化：基于干扰的识别，系统调整相关空口参数，进行闭环控制；如果无法闭环，会产生告警，进行预警，保留空口干扰信息，帮助运维人员找到问题根源，进行网络优化。
空口切片的典型应用场景
空口切片可以运用到各类生产场景中，如医疗互联场景，工业互联场景等。在实际应用中，空口会通过客户终端设备CPE（Customer Premise Equipment）来识别关键业务，CPE安装于有线设备上，其作用类似于无线网卡，可下挂一个或多个有线终端设备，通过转换无线Wi-Fi信号和有线信号，帮助有线终端接入WLAN。
医疗互联场景
医院新建物联专网承载医疗业务，应对医疗数据采集困难的挑战。医疗物联终端无线化，需要Wi-Fi提供不同服务水平协议SLA（Service Level Agreement），为关键终端或应用预留带宽。例如护士需要使用监护仪、呼吸机等监测患者体征信息用于及时掌握患者的病情；医生在移动查房时需要随时调用医学影像存档与通讯系统PACS（Picture Archiving and Communication System）的影像资料。这些设备需要经常移动到不同房间使用，以提升设备利用率。空口切片技术可以为这些重要终端提供高可靠、低时延的无线网络。
医疗互联场景典型组网
工业互联场景
在工业互联场景中，机械臂、码垛机等设备在PLC控制系统的管理下进行自动化生产。在服务器下发作业任务和采集信息时，需要超高的可靠性来保障生产业务，并且要求时延不能超出时延边界。采用空口切片技术，为关键业务预留带宽资源，满足高可靠性和低时延要求。
工业互联场景典型组网
- 作者： 王明慧
- 最近更新： 2023-04-27
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