无线局域网(wireless local area network, WLAN)以其低成本、易扩展性等特点成为无线网络不可或缺的组成部分[1]。然而, 随着移动互联网服务的日趋多样化和无线业务量的爆炸式增长, 传统的WLAN已经无法满足日益增长的需求[2], 难以保障服务质量(quality of service, QoS)[3]。为此, 近年来, 产业界和学术界致力于研究下一代WLAN关键技术[4-5]。2014年3月IEEE标准委员会正式批准了项目授权需求书(project authorization request, PAR)[6], 并成立了IEEE 802.11ax的工作组, 明确提出QoS保障是IEEE 802.11 ax的重要目标之一。
为了提高多址接入控制层(media access control, MAC)的效率, 学术界和工业界均关注在802.11ax中引入正交频分多址[7-8](orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)技术, OFDMA将一个信道划分为多个正交的子信道, 每个用户在一个或多个子信道上接入和传输。于是, 802.11ax引入OFDMA后可以实现多用户并行接入和传输, 从而接入开销得到大幅度减少, MAC效率得到大幅度提升。目前, IEEE 802.11ax标准草案已经将OFDMA作为关键技术[9-10]。
近年来, 基于OFDMA的下一代WLAN多址接入协议已有若干研究。2016年11月发布的802.11ax Draft 1.0提出了一种基于无线接入点(access point, AP)触发的OFMDA上行多址接入协议。具体而言, AP首先发送触发帧(Trigger Frame, TF), 在TF帧中明确标识调度资源单元和竞争资源单元, 所有节点(station, STA)在竞争资源单元上进行随机竞争接入。我们面向下一代WLAN提出了一种基于OFDMA的MAC协议:OMAX[11], 其核心思想是:所有STA为保持兼容性, 在全信道上执行载波侦听, 并基于所提出的快速退避机制尝试信道接入。在退避结束后, STA随机选择一个子信道执行并行接入与传输, 该协议显著提升了吞吐量和MAC效率。此外, 文献[12-13]也提出了基于OFDMA的MAC接入协议, 然而, 上述已有研究均未将QoS保障机制作为关注内容。我们近期提出了一种基于OFMDA面向QoS保障的MAC协议:RA-OFDMA[14]。该协议在接入阶段引入了区分业务类型, 将业务分为视频和背景2类。视频业务采用冗余接入(redundant access, RA)机制, 在信道接入时随机选择多个子信道发送请求发送帧(request to send, RTS), 从而增加了视频业务接入成功率。但是, 视频业务冗余接入, 增加了系统冲突概率, 导致背景业务出现被“饿死”的情况, 公平性难以得到保障。特别是在节点数较多的高密集场景下, 冲突的加剧显著地抑制了网络的吞吐量和MAC效率。
针对已有研究存在QoS没有得到很好保障和公平性差的2个问题, 本文提出了面向QoS的下一代WLAN OFDMA多址接入协议, 简称QoS-OFDMA。该协议在信道接入时引入2次随机竞争接入, 第1次随机竞争接入不区分业务优先级, 使得低优先级业务节点也能够得到传输机会, 从而保证了较好的公平性, 减缓了低优先级业务被“饿死”的问题; 第2次随机竞争接入只针对在第1次随机接入后发生碰撞的高优先级业务, 使得它们可以在数据传输阶段, 在尚未分配的子信道上进行接入和传输, 增加了高优先级业务节点的接入成功概率, 从而保障高优先级业务QoS的要求。通过仿真性能验证, 本文所提出的MAC协议与对照的RA-OFDMA协议和OMAX协议相比, 在能够很好地保障公平性的同时, 还使得高优先级业务吞吐量分别提升了22.05%和89.6%。据我们所知, 本文是首个针对基于OFDMA的下一代WLAN的将高优先级QoS保障和低优先级公平性综合考虑的协议。
1 系统模型本协议针对下一代WLAN的单个基本服务集(basic service set, BSS), 研究上行高优先级业务的QoS保障问题。如图 1所示, AP位于小区的几何中心, STA均匀随机地分布在AP的覆盖区域内。由于视频业务将要占据未来无线网络数据量的一大部分, 因此与文献[14]一致, 本文将用户的业务分为2类:高优先级业务(对应视频等实时性业务), 低优先级业务(对应网页等非实时性业务), 本文所设计的协议思想可以很容易地扩展为更多业务类型。由于上行接入对下一代WLAN MAC设计带来的挑战更大, 因此本文主要关注上行接入和传输。在BSS中, 与AP关联的STA中有l个上行高优先级业务用户(high priority user, HPU)和m个上行低优先级业务用户(low priority user, LPU)。HPU对应实时性的恒定速率(constant bit rate, CBR)业务, 该业务对传输时延等QoS要求较高。LPU对应非实时性的业务, 用户的业务产生服从泊松分布, 对QoS要求低, 因此可以容忍一定的传输时延。
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| 图 1 网络场景 |
如图 1所示:基于OFMDA的机制, 在AP侧维护子信道划分方法。对传统WLAN的20MHz全信道采用固定划分方式, 将整个信道带宽划分为N个子信道, 每个子信道由一组连续子载波组成。
2 QoS-OFDMA协议设计本协议设计目的是不引入额外开销的前提下, 既要保障高优先级业务QoS的要求, 又要使得低优先级业务能够较为公平地具有传输机会。因而本协议设计的基本思想是:针对高优先级业务用户, 由于这类用户对传输时延等参数敏感, 通过引入增加其数据传输机会的机制, 满足QoS的要求。同时, 为了不失公平性, 通过在随机接入时保障低优先级业务用户拥有同等的接入机会, 从而保证了一定的公平性。
如图 2所示, 协议总体分为3个阶段:第1次随机竞争阶段、资源分配阶段以及第2次随机竞争及数据传输阶段。
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| 图 2 面向QoS的OFDMA MAC协议 |
小区内的所有用户(包括HPU和LPU)采用传统的分布式协调功能(distributed coordination function, DCF), 用户在发送数据分组前, 必须要执行退避过程。首先检测全信道“忙/闲”状态, 当全信道空闲DIFS时长后开始执行退避过程。上行所有业务用户从(0~竞争窗(contention window, CW))中随机选取一个数作为退避值, 后续每空闲一个时隙, 退避计数值减1, 退避完成后均独立地随机选择一个子信道发送RTS进行接入。如图 2所示HPU-1~HPU-6以及LPU-1~ LPU-4均有数据待发送。在退避完成后, 各自独立随机选取一个子信道发送RTS帧进行随机接入。
为了保证后向兼容性, 本协议沿用全信道侦听策略, 即只有所有子信道(即全信道)都处于空闲状态, 用户才认为信道“空闲”; 否则, 只要有一个子信道处于“忙”状态, 则各用户均退避挂起。为了提高退避效率, 本协议采用时频二维快速退避机制, 具体退避过程如下, 当全信道空闲DIFS时后, 所有用户随机选取一个退避计数值, 每经过一个空闲时隙, 退避计数值减去子信道数N, 当退避计数值小于或者等于子信道数N时, 则退避完成并独立随机选择一个子信道发送RTS帧进行接入。
2.2 资源分配阶段第1次竞争阶段完成后, AP在子信道上成功接收到若干节点发送的RTS帧。对于这些节点, 无论是HPU还是LPU, AP均同等对待, 为其分配子信道资源。简单起见, 本文对正确接收到RTS帧的所有用户, 各分配一个子信道, 其它信道分配算法亦适用于本文所提协议架构。完成子信道分配后, AP产生组清除发送(group clear to send, G-CTS)帧, 并将计算得到的上行业务用户数据分组的传输时间、用户地址、子信道分配结果写入到G-CTS帧的相应字段。经过SIFS时长, AP在全信道上广播该G-CTS帧。所有发送RTS帧的上行业务用户均从全信道上接收AP发送的G-CTS帧。首先检查G-CTS帧中的地址字段是否含有自身的地址, 如果G-CTS帧中携带了自己的地址, 则该用户根据G-CTS帧中子信道分配结果获得自己发送数据的子信道。如果G-CTS帧中未包含自身的地址, 则说明本次随机竞争接入失败。
如图 2所示AP正确收到了HPU-2、HPU-3、LPU-2、LPU-3的RTS帧, 回复G-CTS帧为所有4个接入成功的节点分配信道资源分别为子信道1-4。HPU-1、HPU-4、HPU-5、HPU-6和LPU-1、LPU-4、发生了碰撞, 随机竞争接入失败, AP未成功收到它们的RTS帧。
对于第1次随机竞争失败的用户, 若竞争接入失败是LPU, 则根据二进制指数退避机制加倍自己的竞争窗, 等待下1次传输机会再次执行第1次随机竞争接入; 若竞争接入失败是HPU, 则执行第2次随机竞争接入。
2.3 第2次随机竞争及数据发送阶段对于第1次随机竞争成功的HPU及LPU, 根据G-CTS帧的指示, 经过SIFS时长后直接在对应的子信道上发送数据。
而第1次随机竞争阶段失败的HPU, 通过获取G-CTS帧中信道分配所获知的剩余子信道编号。等待SIFS时长后, 在分配剩余的信道中独立随机选择一个子信道直接发送DATA。
AP从各子信道上接收完成各用户的数据分组后, 根据数据分组中的校验字段检查各分组是否正确, 并将结果写入到G-ACK帧的相应字段。AP在等待SIFS时长后在全信道上广播该G-ACK帧。各个发送数据分组的用户接收G-ACK帧并检查自己的数据分组是否正确传输。如果自己的数据分组发送成功, 则用户将竞争窗设置为初始值; 否则, 该用户根据二进制指数退避机制加倍自己的竞争窗并在下一次传输机会重新进行第1次随机竞争接入。
如图 2所示接入成功的节点HPU-2、HPU-3、LPU-2、LPU-3收到G-CTS后经过短帧间隔时长(short inter frame space, SIFS)在指定的子信道1-4发送DATA。而由于HPU-1、HPU-4、HPU-5、HPU-6为高优先级用户且第1次随机竞争接入失败, 则允许它们经过SIFS时长后, 再次在剩余子信道5-N上随机选取一个子信道直接发送DATA。AP收到HPU1-HPU6和LPU2-LPU3的DATA后, 回复组确认(group acknowledgment, G-ACK)帧, 本轮数据传输结束。
2.4 用户处理流程STA有业务到达, 首先侦听信道, 当信道空闲分布式帧间隔(distributed inter-frame spacing, DIFS)时长后随机选择一个数开始执行退避过程。当退避完成, 独立随机选择一个子信道发送RTS帧进行接入。AP对接正确收到的RTS的STA分配子信道并回复G-CTS帧。接收到自己CTS的STA经过SIFS时长, 在调度分配的信道上发送DATA。未接收到自己CTS的STA, 若是低优先级STA, 则本次随机接入失败; 否则是高优先级的STA, 则进行第2次随机竞争接入, 当存在尚未分配的空闲信道, 则经过SIFS时长, 独立随机选择一个子信道发送DATA, 否则没有剩余空闲信道, 则本次随机接入失败。AP接收STA的数据, 对正确传输DATA的STA回复G-ACK帧确认, 本轮数据传输结束。
高优先级用户处理流程如图 3所示; 低优先级用户处理流程如图 4所示。
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| 图 3 HPU处理流程 |
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| 图 4 LPU处理流程 |
所提协议中, RTS和DATA帧结构同传统的WLAN中的帧结构, 不再赘述。为了能够支持该协议, 需要将传统的WLAN中CTS帧和ACK帧分别扩展为G-CTS和G-ACK。
如图 5所示, 在G-CTS帧增加接收地址域和调度信息域, 调度信息域共2个字节(16bits), 每比特对应一个子信道, 可以表示16个子信道的分配情况。调度信息比特置1表示对应的子信道分配给该接收地址的节点, 调度信息比特置0表示对应的子信道不分配给该接收地址的节点。
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| 图 5 G-CTS帧结构 |
如图 6所示, 在G-ACK帧中, 增加确认信息域, 由于是确认一组节点的数据, 因此将接收地址写成AP的地址, 表示对一组节点的数据进行确认。确认信息域长度同调度信息域, 也为2个字节(16bits), 比特置1表示从对应的子信道成功接收到了数据分组, 比特置0表示从对应的子信道接收数据分组失败。
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| 图 6 G-ACK帧结构 |
本文采用网络仿真软件NS2搭建了仿真平台。仿真场景中, 节点STA随机分布在10 m×10 m的网络中, AP位于网络的几何中心。单次仿真时间50 s, 最终结果为5次仿真结果的平均值。仿真中, 由于802.11ax协议草案中将20MHz的全信道划分为9个子信道, 因此子信道数设置为9个。高优先级节点数固定为5个, 低优先级节点数从30个开始, 每次仿真增加10个低优先级节点, 逐步增至80个。QoS-OFDMA协议和OMAX协议发送RTS帧个数为1, 而RA-OFDMA协议, 发送RTS帧的个数为2, 其他网络参数设置如表 1所示。
| 参数 | 取值 |
| 最小竞争窗CWmin | 15 |
| 最大竞争窗CWmin | 127 |
| 分布式帧间隔DIFS/μs | 34 |
| 短帧间间隔SIFS/μs | 16 |
| 时隙/μs | 9 |
| 全信道宽带/MHz | 20 |
| 数据包大小/B | 1 500 |
| 控制帧物理层速率/(Mb·s-1) | 6 |
| 数据帧物理层速率/(Mb·s-1) | 54 |
本文对比了QoS-OFDMA、RA-OFDMA和OMAX共3种MAC协议的高优先级吞吐量、低优先级吞吐量、系统吞吐量和冲突概率。
定义单位时间内网络中高优先级业务节点发送成功的载荷总量为高优先级吞吐量。如图 7所示, 由于RA-OFDMA协议中高优先级业务采用了冗余接入, 因此其高优先级吞吐量高于OMAX协议。由于QoS-OFDMA协议允许高优先级业务在分配剩余的信道上进行第2次随机竞争接入, 其高优先级业务吞吐量均要高于RA-OFDMA协议和OMAX协议。
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| 图 7 高优先级业务吞吐量 |
定义单位时间内网络中低优先级业务节点发送成功的载荷总量为低优先级吞吐量。如图 8所示, 由于RA-OFDMA协议高优先级绝对占优, 抑制了低优先级业务传输, 其低优先级吞吐量低于OMAX协议。而QoS-OFDMA协议在第1次随机竞争接入中, 不区分业务优先级, 使得低优先级业务也有均等的传输机会, 因此其低优先级吞吐量与OMAX协议基本相同(2条曲线重合)。
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| 图 8 低优先级业务吞吐量 |
定义单位时间内网络中所有节点发送成功的载荷总量为系统吞吐量。由于QoS-OFDMA协议在高优先级吞吐量和低优先级吞吐量均明显占优, 因此, 如图 9所示, QoS-OFDMA协议在系统吞吐量方面也明显高于RA-OFDMA协议和OMAX协议。
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| 图 9 系统吞吐量 |
定义网络中(所有节点发送RTS个数-AP收到RTS个数)/所有节点发送RTS个数为冲突概率。如图 10所示。
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| 图 10 冲突概率 |
随着低优先级节点数的增加, 网络负载量增加, 因而冲突概率也随之增加。RA-OFDMA协议由于引入了冗余接入, 因而该协议冲突概率最大。由于QoS-OFDMA协议大幅度提升了高优先级业务的成功发送概率, 节点每成功发送DATA, 则调整竞争窗CW至最小竞争窗, 这样就增加了高优先级节点的发送概率, 因而, QoS-OFDMA协议冲突概率略高于OMAX协议。
定义单位时间内网络中各个节点发送成功的载荷量为每个节点平均吞吐量。当高优先级节点为5个, 低优先级节点为60时, 仿真时间50 s, 统计每个节点各自平均吞吐量, 得出累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)曲线, 如图 11所示。由图可以明显观察出:QoS-OFDMA协议高优先级节点平均吞吐量均要高于RA-OFDMA协议和OMAX协议; QoS-OFDMA协议低优先级节点平均吞吐量与OMAX协议基本重合, 而RA-OFDMA协议的低优先级节点平均吞吐量最低。
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| 图 11 每个节点平均吞吐量CDF曲线 |
针对下一代WLAN中QoS保障和公平性问题, 本文提出了一种面向QoS的下一代WLAN OFDMA多址接入协议。通过引入2次随机竞争接入机制, 既保障了高优先级QoS要求, 又较好地保证了公平性。仿真结果表明, 该协议与RA-OFDMA协议和OMAX协议相比, 高优先级业务吞吐量分别提高了22.05%和89.6%, 系统吞吐量分别提高了47.39%和14.53%。后续研究将在多信道场景下,进一步保障高优先级业务QoS要求。
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