随着无线网络迅速发展，数据的需求量也越来越大。目前，无线局域网(wireless local area network, WLAN)已成为主要的无线数据承载方式之一，WLAN承载的数据量已达到(3~5)倍的蜂窝数据量。因此，为了应对WLAN数据呈爆炸式增长趋势，IEEE802.11标准委员会与2014年正式成立下一代WLAN标准802.11ax工作组，目前，802.11ax标准正处于制定的关键时期并与2017年5月颁布了最新802.11draf1.2版本[1]。
与此同时，需求的急剧增加使得高密集成为了下一代WLAN的主要特性之一。高密集场景使得冲突更为严重，导致MAC效率急剧下降，因此现有的WLAN所采用的多址接入协议-分布式协调功能(distributed coordination function, DCF)已经无法满足高密集的场景。另一方面，无线业务呈现多样化趋势，这使得业务对服务质量(quality of service, QoS)的要求必然也是多种多样，目前传统的增强型分布式信道接入(enhanced distributed channel access, EDCA)方式已不能很好地支持QoS多样化的要求。因此，下一代WLAN急需寻求既能显著提升媒介接入控制(media access control, MAC)效率，又能有效支撑多样化QoS要求的协议。也正因如此，IEEE 802.11ax标准委员会将高密集场景、提升至4倍区域吞吐量和高QoS保障作为标准的技术目标[2]。
近年来，学术界与工业界致力研究下一代WLAN的多址接入协议，并一致将正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)技术引入到下一代WLAN中作为关键技术之一。然而现有的基于OFDAM的下一代WLAN的MAC，文献[3-5]没有考虑QoS保障，文献[6-7]没有考虑如何支持多样化的QoS需求。2016年11月802.11ax draf 0.1标准框架[8]已经接受了由AP触发的基于OFDMA下一代WLAN的MAC，该协议框架也没有考虑如何支持多样化的QoS要求和高优先级业务的QoS保障。IEEE 802.11e为了保障高优先级业务的QoS，采用EDCA方式支持QoS优先级，提供有差别的服务，但是，EDCA将无线业务仅仅分为4类，对于QoS要求支持粒度较粗，无法有效支持现有业务QoS多样化的要求[9]。加之，下一代WLAN是高密集部署，冲突的加剧使得EDCA机制已经无法工作。
本文提出了一种基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入协议，简称QoS-OFDMA MAC。考虑后向兼容性的同时针对未来无线业务多样化QoS这一特性，提出并实现了基于优先级的QoS保障的调度算法。然后，为实现整个协议流程，设计了一整套完整的帧结构。最后通过仿真验证，该协议能够很好地支持多样化QoS的要求，同时提高了系统有效吞吐量。
本文的主要贡献概括如下：
1) 提出了一种基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入协议。并且该协议框架具有通用性，可以支持各种各样的调度算法。
2) 提出了顺序调度算法和基于优先级的QoS保障调度算法。
3) 搭建了系统级-链路级一体化仿真平台。通过仿真验证得出，基于OFDMA的MAC协议，通过引入QoS优先级调度算法，QoS-OFDMA MAC的系统有效吞吐量与顺序调度算法的OFDMA MAC和比例公平调度算法的OFDMA MAC相比，分别提高了57.8%和59%。
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)，研究上行各类业务多样化QoS保障的问题。如图 1所示，接入点(access point, AP)位于小区的几何中心，站点(station, STA)均匀随机地分布在AP的覆盖区域内。由于上行接入对下一代WLAN MAC设计具有很大的挑战，因此本文主要关注上行接入和传输。在BSS中，与AP关联了m个STAs，每个STA的业务产生服从泊松分布，每个业务有各自的数据包大小，带宽需求，延时敏感性等参数特性，因而每个STA对QoS的要求是多种多样的。下一代WLAN引入了OFDMA作为关键技术之一，将全信道划分为多个子信道，所有STA在子信道上接入和传输，即并行接入和并行传输。如图 1所示：基于OFMDA的机制，由AP维护子信道划分方法，对传统WLAN的20 MHz全信道采用固定划分为N个子信道，每个子信道由一组连续的子载波组成。
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| 图 1 网络场景 |
本协议设计的基本思想是：所有STA退避完成后，在多个子信道上并行接入，并将自己的业务类型和QoS的相关参数携带在请求发送(request to send, RTS)帧中。AP对接入成功的STA按照业务类型和QoS参数进行优先级排序，其排序原则是：首先根据业务优先级进行排序，为了保证后向兼容性，本文沿用IEEE 802.11e中EDCA业务优先级分类方法[10]，将无线业务分为4种优先级；同时为了很好地支持业务QoS多样化，对于同种优先级的业务，再根据QoS参数进行排序。最后，通过对已排序好的优先级队列执行QoS优先级调度算法，将STA调度至不同数据传输轮次或者不同子信道上传输数据。
如图 2所示，协议总体分为3个阶段：随机竞争阶段、资源分配阶段以及多轮数据传输阶段。
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| 图 2 面向QoS调度的OFDMA MAC协议 |
小区内的所有STA采用传统的DCF方式，在发送数据分组前，必须要执行退避过程。当全信道空闲分布式帧间隔(DCF Inter-frame Space，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。本协议为了提高退避效率，采用时频二维退避机制，每空闲一个时隙，退避计数值减去子信道个数[10]，如图 3所示，以划分4个子信道为例说明时频二维退避过程。当退避完成均独立随机地选择一个子信道发送RTS帧进行接入，RTS帧中携带业务类型和QoS相关参数，例如带宽需求、延时要求等参数。
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| 图 3 时频二维退避示例图 |
如图 2所示STA-1至STA-9均有数据待发送。退避完成后，各自独立随机地选取一个子信道发送RTS帧进行信道接入。
2.2 资源分配阶段随机竞争阶段完成后，AP在子信道上成功接收到STA的RTS帧，从RTS帧中获取STA的业务类型和QoS相关参数，对STA的业务进行由高至低的优先级排序。本协议以业务类型和带宽需求、延时要求作为QoS相关参数为例，说明优先级排序的原则。
首先按照业务类型的优先级由高至低排序，出于后向兼容性的考虑，本文沿用IEEE 802.11e中EDCA业务优先级分类方法[10]，即分为4种接入类别(access category, AC)：AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，分别代表语音(voice)类、视频(video)类、尽力而为(best Effort)类和背景(background)类。同时为了支持QoS多样化的需求，对于同一类优先级的业务，再按照(带宽需求/延时要求)的值进行排序，保证优先调度业务速率要求高且紧急的业务。其他QoS相关参数亦适用于本文所提优先级排序算法。
AP对接入成功的STA执行QoS优先级调度算法，遍历已排序的QoS优先级队列。对延时要求小于等于本轮数据传输结束时间的STA按照其带宽需求分配子信道，当本轮剩余子信道不能满足该STA的带宽需求时，则重新开辟新的一轮数据传输，若新的一轮数据传输结束时间满足该STA业务延时要求，则按照带宽需求为该STA分配子信道。凡是本轮数据传输结束时间不能满足STA业务延时要求的均不分配子信道。QoS优先级调度算法流程如图 4所示。
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| 图 4 QoS优先级调度算法流程图 |
AP对成功接入且符合延时要求的STA，调度至不同数据传输轮次或者不同的子信道上，分配满足其带宽需求的子信道数后，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、数据传输轮次、子信道分配结果写入到G-CTS帧的相应字段。经过短帧间隔(short inter frame space, SIFS)时长，AP在全信道上广播该G-CTS帧。所有发送RTS帧的STA均从全信道上接收G-CTS帧。首先检查G-CTS帧中的地址字段是否含有自己的地址，如果G-CTS帧中含有自己的地址，则说明本次随机竞争接入成功。如果G-CTS帧中未包含自己的地址，则说明本次随机竞争接入失败。如图 2所示AP正确收到了STA-1~STA-6和STA-9的RTS帧，执行QoS优先级调度算法，将STA调度至不同的数据传输轮次或者不同的子信道上。AP调度结果如表 1所示。STA-7、STA-8发生了碰撞，AP未成功收到它们的RTS帧，随机竞争接入失败。
| STA地址 | 数据传输轮次 | 子信道分配结果 |
| STA-1 | 1 | 子信道(1~3) |
| STA-2 | 1 | 子信道(4~6) |
| STA-3 | 1 | 子信道(7~N) |
| STA-4 | k | 子信道(1~3) |
| STA-5 | k | 子信道(4~5) |
| STA-6 | k | 子信道(6~N-1) |
| STA-9 | k | 子信道N |
对于随机竞争阶段成功的STA，从G-CTS帧中获得自己数据传输的轮次和分配的子信道。调度至第k(k≥1)轮的STA，经过(k-1)轮数据传输时长+SIFS时长，在指定的子信道上发送DATA。AP从各子信道上接收完成各STA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，并将结果写入到多用户块确认(multiuser block ACK, MBA)帧的相应字段。AP在等待SIFS时长后在全信道上广播该MBA帧。所有发送数据分组的STA接收MBA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STA将竞争窗设置为初始值；否则，该STA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随机竞争接入。
如图 2所示接入成功的站点STA-1~STA-3收到G-CTS后，根据G-CTS帧中的指示，经过SIFS时长在第一轮数据传输分配的子信道上发送DATA。AP收到STA-1~STA-3的DATA后，回复MBA帧，第一轮数据传输结束。接入成功的站点STA-4~STA-6及STA-9在第k轮数据传输分配的子信道上发送DATA。AP收到STA-4~STA-6及STA-9的DATA后，回复MBA帧，第k轮数据传输结束，即整个数据传输结束。
2.4 帧格式为了能够很好地支持该协议，需要将传统的WLAN中RTS帧增加QoS相关参数，即扩展为Q-RTS，同时将传统的CTS帧和ACK帧分别扩展为G-CTS和MBA。所提协议的DATA帧结构同传统的WLAN中的帧结构一样，本文不再赘述。如图 5所示，Q-RTS帧增加业务优先级域、带宽需求域和延时域。业务优先级域占2 b，映射802.11e的4种业务优先级；带宽需求域占8 b；延时域占16 b。
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| 图 5 Q-RTS帧结构 |
如图 6所示，在G-CTS帧增加接收地址域、轮次域和调度信息域。轮次域占8 b，调度信息域占16 b，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站点，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站点。
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| 图 6 G-CTS帧结构 |
如图 7所示，在MBA帧中增加确认信息域。由于是确认一组STA的数据，因此将接收地址写成AP地址，表示对一组站点的数据进行确认。MBA帧中的确认信息域长度同G-CTS帧中的调度信息域，也为16 b，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 7 MBA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，站点STA随机分布在10 m×10 m的网络中，AP位于网络的几何中心。出于后向兼容性考虑，本仿真中沿用IEEE 802.11e中EDCA业务优先级分类方法，将无线业务分为4类优先级。同时为了很好地支持多样化QoS要求，QoS相关参数的带宽需求，即子信道个数，均匀分布在[10, 20]；延时要求均匀分布[60, 800]μs；数据包大小固定为1 500 B。单次仿真时间50 s，最终结果为5次仿真结果的平均值。其他网络参数设置如表 2所示。
| 参数 | 取值 |
| 最小竞争窗 | 15 |
| 最大竞争窗 | 127 |
| MAC层包头持续时长/μs | 28 |
| 分布式帧间隔DIFS/μs | 34 |
| 短帧间间隔SIFS/μs | 167 |
| 时隙/μs | 9 |
| TXOP/μs | 3 |
| 全信道带宽/MHz | 20 |
| 数据包大小/B | 1 500 |
| 控制帧物理层速率/(Mb·s-1) | 6 |
采用QoS优先级(priority)算法的OFDMA MAC协议，称之为QoS-OFMDA MAC；采用比例公平(proportional fairness)算法的OFDMA MAC协议，称之为PF-OFMDA MAC；采用顺序调度(sequential scheduler)算法的OFDMA MAC协议，称之为SS-OFMDA MAC。本文对比了以上3种协议的有效吞吐量、延时、包成功发送概率性能指标，并同时与DCF单用户接入方式相对比，说明基于OFDMA MAC引入并行接入，并行传输带来了显著优势。
3.2.1 系统有效吞吐量定义单位时间内，网络中所有业务节点成功发送且符合延时要求的数据总量为系统有效吞吐量。如图 8所示，固定业务到达速率为1 Mb，节点个数从10开始，间隔为10，逐步增至200。由于QoS-OFDMA MAC优先调度紧急业务并实现了多轮数据传输，因此QoS-OFDMA MAC的系统有效吞吐量均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC。由图 8还可以得出：3种OFDMA MAC的有效吞吐量均高于DCF的有效吞吐量。如图 9所示，固定节点数为100个，变周期性业务速率。业务产生速率由200 kb/s开始，间隔为100 kb，逐步增至1 000 kb。同样可以得出QoS-OFDMA MAC的系统有效吞吐量均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC，并显著大于DCF的有效吞吐量。
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| 图 8 系统有效吞吐量(变节点数) |
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| 图 9 系统有效吞吐量(变业务速率) |
定义网络中所有业务节点成功发送数据包的个数/发送数据包的总数为数据包成功发送概率。如图 10所示，节点个数从10开始，间隔为10，逐渐增至200。随着节点数增加，冲突随之增加，数据包成功发送概率呈下降趋势。由于QoS-OFDMA MAC优先调度紧急业务，因此QoS-OFDMA MAC的数据包成功发送概率均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC。由图 10可以看出：传统DCF由于是单用户接入与传输，高密场景下冲突非常严重，因此数据包成功发送概率非常低。
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| 图 10 数据包成功发送概率 |
固定节点数为50个，周期性业务速率为100Kb，仿真实验统计数据包的延时性能。以数据包的实际到达时间/期望到达时间为横坐标，画出延时性能的累计分布函数(cumulative distribution function, CDF)曲线。如图 11所示，QoS-OFDMA MAC数据包延时收敛快，很快收敛至1；而SS- OFDMA MAC、PF- OFDMA MAC和DCF收敛慢，且存在很多数据包延时不符合业务延时要求。
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| 图 11 数据包延时CDF曲线 |
本文针对下一代WLAN提出了一种基于OFDMA面向QoS的新型多址接入协议。该协议在保证后向兼容性的同时，很好地支持了未来无线业务QoS多样化的需求。该协议框架具有良好的通用性，可以支持各类调度算法。仿真实验结果表明基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入协议能够很好地保障高QoS业务，同时提升了系统的有效吞吐量。
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