802.11协议精读22：CCA (Clear Channel Assessment)

序言

在之前介绍802.11中DCF工作模式时，我们讨论过信道检测的部分问题。在802.11中，信道检测包含两个部分，物理载波监听和虚拟载波监听，其中物理载波通常我们所述为CCA (Clear Channel Assessment)机制，本文就关于CCA的机制做一些介绍。

Remark：由于本文部分内容比较细节，建议是先阅读《802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA》后，进而理解本文的一些内容。

802.11的需求

我们知道802.11协议是基于半双工的物理层进行设计的，半双工的物理层在设计时会有很多的细节问题需要考量，包含单根天线如何切换，如何识别收发时机等。有了这些基本因素的考量，我们才能够进一步设计802.11的MAC层协议，很多情况下，我们对802.11的MAC层协议理解不够彻底，也是因为对于其物理层的设计以及限制了解的不够多。基于此，我们首先谈谈在半双工情况下，802.11协议有什么需求：

• 需求1： 监听网络中是否有数据包正在发送，并该数据包的信号进行准确的截取。
  

该需求实际上是从下行的角度考虑的。我们首先考虑一个更简单的场景，一个AP发送，一个节点接收。节点仅仅接收数据包，没有任何的发送功能，从而就不需要引入CSMA/CA的竞争过程。

节点需要接收由AP发送过来的数据包，此时节点仅仅有一根天线接收无线信道，其需要从茫茫信号的海洋中，找到一个数据帧，并且准确的抓取到数据帧的头部以及尾部，然后保存下来进行解调。

• 需求2：监听信道是否空闲，避免发送数据包的时候发生冲突。
  

该需求的场景是从上行的角度考虑的。假设现在有一个AP负责收数据，有多个节点负责发送数据。此时，我们考虑采用CSMA/CA的机制，也就是所有节点发送之前都需要监听信道，即LBT (Listen Before Transmission)机制。

那么节点就需要先通过天线采集一小段信号，并从这段信号中分辨有没有人正在传输，无论传输的人是正在传输，还是刚刚开始传输，都需要监测到信道忙。

其实以上两点需求是作为发送方和接收方分别提出的，也是由于802.11协议本身是基于半双工的网络，并且是基于分布式的网络进行设计，也就是节点没有一个固定角色，有可能发送，也有可能接收。这样就会导致协议在设计的时候，需要同时考虑以上两个需求，并且引入到协议设计中。

CSMA/CA和半双工

CSMA/CA中很多细节设计，都是考虑到物理层半双工这样的原因。现在基于以上的需求，我们深入理解下。CSMA/CA的基本机制我们已经在《802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA》里面介绍过一次。

简单回顾下，在CSMA/CA过程中，每个节点首先监听DIFS时间，然后选择一个随机数进行倒数，其中倒数的时间的最小间隔我们称为一个slot（即图上的Slot Time）。首先倒数到0的节点可以发送数据包，而其他的节点会检测到信道是Busy的，所以就悬挂倒数计数器。当发送完数据帧后，等待SIFS时间后，接收AP反馈来的ACK。如果接收ACK成功，那么本轮传输完成，如果失败，那么重来一次竞争，然后再次发送。

展开这个过程：

• DIFS（Distributed Inter-frame Spacing）：其翻译成分布式时间间隙，实际上关于几种IFS的命名并不是特别好，没有从其物理意义上命名，而是从概念上命名了。其本质上实际上都是最基本的SIFS和Slot的一个组合。一个DIFS由一个SIFS时间，和两个Slot时间组成。
• SIFS（Short inter-frame space）：短时间间隙，在802.11n之前，这个是最短的时间间隙，其包含了aRXRFDelay（射频延迟）＋aRXPLCPDelay（物理层头部接收延迟）＋aMACProcessingDelay（MAC层处理延迟）+ aRxTxTurnaroundTime（发送接收天线转换时间）。
• Slot：可以理解成竞争过程Backoff的最小时间间隔，其包含aCCATime（CCA时间）＋aRxTxTurnaroundTime（发送接收天线转换时间）＋aAirPropagationTime（传播延迟）＋aMACProcessingDelay（MAC层处理延迟）。

我们用下图具体描述上述三个时间间隙之间的关系，

上图出自于802.11协议中的DCF timing relations一节 ，其中D1=aRXRFDelay（射频延迟）+aRXPLCPDelay（物理层头部接收延迟），D2=D1+aAirPropagationTime（传播延迟），M1=aMACProcessingDelay（MAC层处理延迟），Rx/Tx=aRxTxTurnaroundTime（发送接收天线转换时间），CCAdel=aCCATime（CCA时间）-D1。

SIFS通常两种用法，一种是用作RTS/CTS或者DATA/ACK之间的，另外一种是用在DIFS内的。上图我们仅仅关注的是DIFS内的用法。参考上图，SIFS时间内经过了D1，M1后，进行Rx/Tx的转化，这个Rx/Tx的转化从时间上是属于SIFS的一部分，从工作顺序上，已经属于Slot Time的一部分，在Slot Time部分中，节点首先是工作在接收状态，然后经过了D2的延迟后，开始监听信道，也就是CCA过程（即图上的CCAdel），在每一个Slot Time中，节点都会做一次CCA的检测，判断信道中有没有数据帧正在传输。在一个DIFS中，需要连续做两次Slot Time，也就是连续检测两次信道，如果都空闲的话，那么才可以进入backoff过程。若在Slot的CCA过程中，发现有数据正在传输，那么节点转入接收状态。当DIFS结束后，节点进行第一次的Backoff，此时，节点在做完CCA之后，如果信道是空闲的，那么backoff counter-1，如果此时恰好倒数到0，那么此次天线从Rx切换为Tx之后，那么直接进行数据发送了。

若SIFS用于DATA/ACK之间的话，那么在SIFS时间之前，节点是处于发送状态，其现在需要“等待”SIFS时间来接收对方反馈过来的ACK帧。当其经过D1和M1两个处理时间后，其需要切换为接收状态。当切换为接收状态后，其开始接收ACK。

在整个802.11的backoff和IFS中，实际上是不停的进行收发状态的切换，因此来实现我们前面所述的一些802.11中的需求。以上讨论中，已经出现了本文要讨论的主要目标CCA (Clear Channel Assessment)，以下我们具体展开CCA的具体内容。

CCA (Clear Channel Assessment)机制

前面我们讨论了，半双工的机制下802.11中的需求，因此在整个802.11过程中，就一直存在收发过程的切换，而且在Slot过程中的每一次切换，实际上都包含了一次信道检测CCA的机制。在协议中，CCA主要分成了两种方法，Energy Detection（能量检测）和Carrier sense（载波侦听）。

• 载波侦听（Carrier Sense）：载波侦听用作检测数据包的Preamble，可以识别一个数据包的起始边界。简单的说，802.11中的preamble部分采用特定的序列所构造，该序列对于发送方和接收方都是已知的，监听的节点会不断采样信道信号，用其做相关运算，其计算值需要与一个阈值进行判断。若大于，则认为检测到了一个信号，若小于则没有检测到。节点在识别到数据包头部以后，对数据包进行接收并进行解调，并通过解调出数据包内部的Length字段来识别数据包的终止边界。
• 能量检测（Energy Detection）：能量检测采用硬件积分能量，其无法识别数据包的边界，但是能够识别数据体中的能量，已经来自其他异构网络的能量（比如蓝牙设备，微波炉之类）。是直接用物理层接收的能量来判断是否有信号进行接入，若信号强度大于ED_threshold，则认为信道是忙，若小于ED_threshold，则认为信道是闲。

能量检测的阈值要大于载波监听，按照协议规定要大于20dBm。协议中规定，两种检测方式同时采用，且只要两者检测方式中，有一种判断信道是busy的话，那么就认为信道是busy的，只有两者都认为信道空闲时，那么再判断虚拟载波监听机制是否为0，以上条件都满足时，那么才可以进行backoff倒数。

在802.11中（以802.11a/g为例），载波侦听阈值为-82 dBm，能量检测阈值为-62 dBm。协议原文（参考2007第17.3.10.5 CCA sensitivity节）如下。

Remark：由于关联到primary channel和secondary channel的问题，本文不对802.11n以后的CCA进行展开，故只引用2007版本的协议。

在802.11协议中，并没有直接给出-82 dBm和-62 dBm阈值的计算方法，我们所知-82 dBm实际上和最小的MCS灵敏度（minimum modulation and coding rate sensitivity）是相等的。以笔者目前所知，可以有以下几种理解方式：

关于-62 dBm实际上是从RLAN时期开始就存在的了，这个是一个能量阈值，是根据发送功率所设定的，目前802.11协议中，关于能量检测的阈值默认是设置在-62 dBm，相比笔者在上一篇《802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA》所提的要大一些。这个阈值是假设区域内，干扰的发送功率是在100 mW以下或者EIRP是在 200mW 以下时，能量检测的一个阈值，该阈值可以被用作Energy detection的threshold以外，还可以用作DFS的threshold，在主动回避雷达干扰上也有所用到。

• 关于-82 dBm是基于识别Preamble的检测阈值，在802.11a中，检测preamble是通过数据帧的STF字段，参考之前一篇《802.11协议精读7：802.11a/g的发送过程与接收过程》

其中STF的t1-t7这个部分是用作载波侦听检测的，采用相关计算的方式，通常采用自相关。我们可以从-62 dBm是单个能量检测的阈值，又因为我们知道相关检测实际上是可以带来信号单位能量的增益的，这里一共相当于16*7=112个采样点，所以大约能提供20dB左右的增益，所以我们可以通过-62 dBm-20 dB=-82dBm这种方式来理解，也就是说载波侦听检测可以在更低的信号强度下识别出目标。

还有一种关于-82 dBm的理解方式，参考IEEE 802.11-17/1479r1《CCA sensitivity》一文，其中给出了如下的计算方法：

第一部分是Noise floor，也就是本底噪声，这个数值的计算我们在《802.11协议精读15：链路模型（基于Free-Space Path Loss）》介绍过，这里是采用通常16.25MHz下的本底噪声-102.1 dBm，这个和CWNA书中第3.4节以及第3.6节指出，一般2.4G信道的本地噪声为-110dBm 至-100dBm是相符合的。第二个部分是在最小MCS的接收灵敏度上所带来的一个信号的增益，然后是Noise figure (噪声指数)，这里是通常表述为RF接收放大所带来的增益，然后最后是Implementation marigin，实际上是实施中的一些裕度所带来的增益，这一块理解不多。最终计算出大约是-82.4 dBm，约等于-82 dBm。

其中关于Noise Figure（NF）和Implementation margins是早期802.11a协议中所指定的，目前我们就直接延续使用-82 dBm这个阈值了。