无线局域网是无线网络的重要组成部分。近年来，随着用户需求的不断增长，WLAN得到了高速发展。IEEE 802.11ax标准[1-3]预期将于2019年底或者2020年初发布。而IEEE 802.11标准委员会以及学术界已经开始开展IEEE 802.11be的关键技术研究工作和标准化推动工作[4-5]。IEEE 802.11be将超高吞吐量(extremely high throughput, EHT)作为其核心技术目标，例如支持虚拟现实、4K/8K超清视频等。
为了实现超高吞吐量，下一代WLAN：IEEE 802.11be拟引入2项核心关键技术：多频段(multi-band)能力[4]和AP协作技术[5]。其中多频段能力是指接入点(access point, AP)和站点(station, STA)都拥有多个独立的无线电(radio)，使其可以在多个频段(2.4 GHz/5 GHz/6 GHz)上同时工作，从而使用更大的带宽。AP协作技术是指多个AP之间通过相互协作使得无线资源可以得到更充分更优化的利用。然而，由于IEEE 802.11be于2019年初刚刚启动，因此如何联合多频段能力和AP协作技术来进一步显著提升WLAN系统性能的相关研究刚刚起步。
IEEE 802.11ax首次在WLAN中引入基于正交频分多址接入(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)的媒介接入控制(media access control)技术，可以显著提升MAC效率，已经得到广泛认可[6-12]。因此，IEEE 802.11be仍然将OFDMA作为MAC的关键技术。近年来，已有若干基于OFDMA的下一代WLAN多址接入协议的相关研究。针对STA上行传输，文献[8]提出一种基于OFDMA的多址接入协议(OMAX)，STA的退避过程和传统WLAN MAC保持一致。退避完成后，STA随机选择一个子信道发送RTS帧。接入与数据传输均采用OFDMA。文献[9]针对STA上行传输，提出一种基于AP中心调度的OFDMA MAC协议。文献[13-14]针对多个WLAN中网络覆盖不足的问题，由信道质量差的地区周边区域的多个AP之间形成一个AP协作集。位于协作集中的一个或多个AP同时为STA提供某些上行和下行服务，并且AP协作集可以规定能够支持的业务优先级类型。然而，上述OFDMA协议的现有研究并未利用IEEE 802.11be的多频段能力和AP协作技术，因此对于系统性能的提升是有限的，无法达到超高吞吐量技术要求。
针对下一代WLAN超高吞吐量的要求，本文提出了一种基于关联多小区的空间聚集群组OFDMA多址接入协议(spatial clustering group based OFDMA, SCG-OFDMA)，充分联合挖掘了下一代WLAN的2项关键技术：多频段能力和AP协作技术。其核心思想是：利用AP和STA的多频段能力，提出了位于多个小区重叠覆盖区域内的STA同时关联到多个小区，即多关联。利用AP协作技术，提出了STA在多个小区上执行并行退避以提升接入效率。即重叠覆盖区域内的STA关联到多个小区的信道进行并行退避，退避完成的STA触发与其空间位置接近的STA形成空间聚集群组(spatial clustering group, SCG)，采用OFDMA的方式接入与传输，从而增加重叠覆盖节点的接入机会，进而提升重叠覆盖节点的吞吐量。
1 关联多小区的SCG-OFDMA协议 1.1 网络重叠覆盖场景下一代WLAN[10]场景下节点高密集部署场景示例[3]如图 1所示，图中共有3个基本服务集(basic service set, BSS)，与此对应的共有3个AP，分别为AP1, AP2, AP3。节点A, B, C处于AP1, AP2, AP3共同覆盖的区域，称为重叠覆盖节点。下一代IEEE 802.11be使得节点具有多频段能力，因此重叠覆盖节点可以与多个AP进行关联和传输。另外，AP协作能力使得多个AP可以共同服务相同的节点。
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| 图 1 多小区重叠覆盖场景模型 |
本文所提协议充分挖掘了下一代WLAN的2项关键技术：多频段工作能力和AP协作技术。其核心思想是：利用AP和STA的多频段工作能力，提出了位于多个小区重叠覆盖区域内的STA同时关联到多个小区，即多关联。利用AP协作技术，提出了STA在多个小区上执行并行退避以提升接入效率。即STA同时侦听多个小区的信道忙、闲状态。在多个小区的信道上并行退避，在任意一个小区的信道上完成退避，则在该信道上接入与传输。最后，STA在完成信道接入后触发其周围同样有业务发送的节点，与之形成空间聚集群组，SCG以OFDMA的方式并行接入与传输，从而增加重叠覆盖节点的接入机会，进而提升重叠覆盖节点的吞吐量。
1.3 关联多小区的SCG-OFDMA协议描述关联多小区的SCG-OFDMA协议工作在多个小区重叠覆盖的节点，用于接入与传输。本文主要关注上行接入与传输的MAC协议设计。
关联多小区SCG-OFDMA协议分为并行退避阶段与接入信道阶段以及SCG并行接入与传输阶段, 如图 2~3所示。其中, 请求多址接入帧(request to access, RTA)RTA-x与请求发送帧(request to send, RTS)RTS-x的x为STA号, 即STA x发送的RTA帧或RTS帧。
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| 图 2 重叠覆盖节点多信道并行退避过程 |
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| 图 3 关联多小区SCG-OFDMA协议时序示意 |
并行退避阶段。位于多个小区重叠覆盖区域内的节点关联多个小区, 同时侦听多个小区的信道忙闲状态。一旦某个小区的信道出现空闲状态, 并且持续空闲分布式帧间隔(DCF inter-frame space, DIFS)时长, 按照IEEE 802.11 n协议规定的方式执行二进制指数退避过程。即假设竞争窗(contention window, CW)的值为C, STA在[0, C]内随机选择一个整数作为退避值置入退避计数器(back off, BO), 每当信道空闲一个时隙, BO减1, 如图 2所示。
图 2中重叠覆盖节点侦听主AP、从AP1、从AP2的信道忙闲状态, 并执行退避过程。重叠覆盖节点在从AP1关联的信道上最先完成退避, 即退避计数器的值先减到0。重叠覆盖节点在从AP1关联的信道上发送RTA控制帧, 如图 2所示。并行退避过程如算法1所示, 设eend和epause分别代表退避完成并发送RTA帧与退避暂停并挂起事件。Cj代表第j个BSS的最小退避竞争窗的值, BBSS代表节点关联的小区个数。
算法1 并行退避流程
输入 Cj, BBSS
输出:eend和epause
1) 初始化:
2) FOR j=1, 2, …, BBSS DO
3) Bj=rand(0, Cj),
4) END FOR
5) FOR i=1, 2, … DO
6) FOR j=1, 2, …, BBSS DO
7) IF the channel state of BSS j is idle THEN
8) Bj=Bj-1,
9) ELSE IF the channel state of BSS j is busy THEN
10) 返回epause
11) END IF
12) IF Bj=0 THEN
13) 返回eend
14) END IF
15) END FOR
16) END FOR
接入信道阶段。图 2中位于重叠覆盖区域内的某个STA在关联的从AP1的信道上BO先减至0, 完成退避过程, 并在从AP1的全信道上发送RTA帧。而在主AP、从AP2的信道上未完成退避过程。
SCG并行接入与传输阶段。SCG并行接入与传输阶段包含以下4个子阶段。4个子阶段分别为反馈需求子阶段, 调度STA子阶段, 传输数据子阶段, 确认接收子阶段。其中, 在反馈需求子阶段与调度STA子阶段, STA收到RTA帧与AP收到RTA帧的过程, 在时间序列上是重叠进行的, 分别表示主AP发出的RTA被STA和其他从AP接收到之后的处理机制。在这2个阶段完成之后, 传输数据子阶段与确认接收子阶段是先后进行工作的。对各个子阶段设备的响应与功能分别进行描述, 列举如下:
1) 反馈需求子阶段:重叠覆盖区域内的STA收到RTA帧之后。其他STA与AP的响应不同。根据RTA帧所携带的小区标识与接收功率门限值Pr判断是否符合接入条件。如图 3所示, 即STA位于多个小区重叠覆盖区域内、接收RTA帧的功率值大于等于接收功率门限值Pr, 有上行业务需要发送。若STA符合接入条件, 则在SIFS后随机选择一个子信道发送上行需求帧RTS。否则, 不接入。图 3中, STA5、STA3与STA4经过判断, 符合接入条件, 随机选择在子信道1、2与3上分别发送RTS-5、RTS-3与RTS-4帧反馈各自的接入需求。
2) 调度STA子阶段:图 3中, AP收到RTA帧之后, 等待点协调帧间隔(PCF inter frame space, PIFS)时长。在PIFS时长之内, 若AP收到RTS帧, 则在SIFS后回复触发帧(trigger frame, TF), 调度STA在相应的子信道上发送上行数据; 本文的调度采用随机调度算法, 即如果有N(大于等于1的整数)个STA成功发送RTS帧, 则将所有的子信道平均分成N组, 如果分不均匀时, 则舍弃小数部分, 取整数。每一组子信道随机分配给1个STA使用, 直至分配完毕为止, 每个STA都有了子信道组可供使用。值得指出的是本文提出的协议及其框架具有通用性, 支持各种调度算法。如果AP未收到RTS, 则本次形成SCG失败, AP在PIFS后, 回复触发帧(trigger frame, TF)调度簇首发送数据。其中, TF含有STA在某个子信道上传输数据、使用某个速率以及编码方式等参数。
3) 传输数据子阶段:STA收到TF后, 依据TF携带的调度信息, 发送上行数据。图 3中, STA1, STA5, STA3与STA4得到调度, 分别在子信道1, 2, 3与4上发送各自的上行数据DATA-1、DATA-5、DATA-3与DATA-4。
4) 确认接收子阶段:AP收到STA发送的上行数据后, 回复多用户块确认(multiuser block ACK, MBA)帧。本轮SCG接入与传输过程结束, 返回并行退避阶段。
关联多小区SCG-OFDMA协议工作在7层网络模型中的MAC层。假设物理层采用的OFDMA技术与算法[9]能够抑制信道出现的频率选择性衰落与干扰, 功率控制技术[15]能够抑制SCG内节点之间的相互干扰。由于网络的重叠覆盖面积与重叠覆盖STA总数在节点设备关联多小区阶段可以获得, 预先计算出SCG接收功率门限值[16]。通过重叠覆盖节点发送数据DATA帧与AP发送MBA帧的交互, 校准与更新接收邻居触发帧的接收功率门限值, 从而保证关联多小区SCG-OFDMA正常工作。
1.4 设计控制帧结构由于关联多小区SCG-OFDMA协议工作时需要控制帧携带控制信息, 需要重新设计控制帧结构。RTA结构, 如图 4所示。使用预留帧的类型为01, 子类型为0010;BSS号指示发送该帧的STA所在小区标识。信息域前半部分表示接收功率门限值Pr, 后半部分表示信道测量信息。MBA帧为数据确认帧, 如图 5所示。信息域为AP对接收到的数据帧进行确认。TF含有调度STA的地址与对应的子信道编号, 如图 6所示。
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| 图 4 RTA帧结构 |
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| 图 5 MBA帧结构 |
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| 图 6 TF帧结构 |
每个WLAN小区覆盖面积为20 m×20 m, AP位于小区中间, 非AP节点随机分布在小区中。重叠覆盖节点随机分布在6 m×6 m, 处于多个小区的覆盖范围之中, 具备多套收发侦听设备。采用网络仿真软件NS2[17], 搭建系统级一体化平台进行仿真。全信道带宽为20 MHz, 分为9个子信道。其他参数及调度算法与文献[8]一致。其他仿真参数如表 1所示。由于IEEE 802.11ax[1]首次引入OFDMA多用户接入技术[11], 基于OFDMA接入的SCG-OFDMA有必要与IEEE 802.11ax协议以及较新研究OMAX[8]协议作比较, 以验证本文所提方案的性能。
| 参数 | 取值 |
| 最小竞争窗 | 135 |
| 最大竞争窗 | 1 023 |
| MAC层分组头时长/μs | 28 |
| 分布式帧间隔DIFS/μs | 34 |
| 短帧间隔时长SIFS/μs | 16 |
| 时隙/μs | 9 |
| 信道带宽/MHz | 20 |
| 数据帧长度/B | 1 500 |
| 控制帧速率/(Mb·s-1) | 6 |
| 数据帧速率/(Mb·s-1) | 135 |
本仿真中每个小区非重叠覆盖节点数设置为80，分别采用IEEE 802.11ax的上行基于OFDMA随机接入(uplink OFDMA random access, UORA)协议[1]与OMAX协议[8]作比较。通过图 7看出，重叠覆盖节点的吞吐量随着重叠覆盖节点个数的增加呈上升趋势。重叠覆盖节点个数为5时，关联3个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量相比关联1个小区的SCG-OFDMA提升200.01%；关联2个小区场景下的SCG-OFDMA，重叠覆盖节点吞吐量高于IEEE 802.11ax UORA协议307.89%高于OMAX协议528.38%。关联1个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量相比关联1个小区的IEEE 802.11ax UORA提升100.19%，关联1个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量相比关联1个小区的OMAX提升200.37%。关联多个小区SCG-OFDMA由于采用了并行退避方式，可以在多个关联的小区上并行退避，退避完成后空间聚集群组以OFDMA的方式接入信道，提升了接入信道的效率，进而提升了重叠覆盖节点的吞吐量。而IEEE 802.11ax UORA与OMAX没有采用多关联与AP协作技术，随着重叠覆盖节点数增加，重叠覆盖节点吞吐量略微增加。
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| 图 7 重叠覆盖节点吞吐量 |
本仿真中每个小区非重叠覆盖节点数设置为80，并分别与IEEE 802.11ax UORA协议[1]和OMAX协议[8]作比较。通过图 8看出，重叠覆盖节点个数为5时，关联3个小区SCG-OFDMA的整网吞吐量相比关联1个小区的SCG-OFDMA提升216.51%。关联1个小区的SCG-OFDMA整网吞吐量相比IEEE 802.11ax UORA提升112.79%，关联1个小区的SCG-OFDMA的整网吞吐量相比OMAX提升245.80%。主要原因是关联多个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点由于采用并行退避方式进行退避，退避完成后SCG以OFDMA的方式接入信道，可以使用关联的多个小区的信道传输数据，提升了网络整体吞吐量。而IEEE 802.11ax UORA与OMAX没有采用多关联与AP协作技术，随着重叠覆盖节点数的增加，网络吞吐量略微增加。
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| 图 8 重叠覆盖节点的网络平均吞吐量 |
本仿真中每个小区非重叠覆盖节点数设置为80，由于只具备一套收发侦听设备，采用IEEE 802.11ax单用户(single user, SU)接入协议[1]。重叠覆盖节点数设置为10。
通过图 9看出，随着物理层速率增加，单位时间内传输的数据增加，从而重叠覆盖节点的吞吐量呈现不断上升的趋势。当物理层速率为135 Mb/s时，关联3个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量比关联1个小区的SCG-OFDMA提升47.28%，关联3个小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量相比IEEE 802.11ax SU提升373.22%。主要原因是采用关联多小区SCG-OFDMA在关联的多个小区信道上并行退避，完成退避后进行接入与传输。
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| 图 9 物理层速率对重叠覆盖节点吞吐量的影响 |
本仿真中每个小区非重叠覆盖节点数设置为80，由于只具备一套收发侦听设备，采用IEEE 802.11ax SU接入协议[1]。重叠覆盖节点数为10。通过仿真给出采用关联多小区SCG-OFDMA与IEEE 802.11ax SU的重叠覆盖节点与非重叠覆盖节点吞吐量的累积分布函数曲线。
通过图 10看出，关联多小区SCG-OFDMA的重叠覆盖节点吞吐量随着关联小区个数的增加呈减小的趋势，与非重叠覆盖节点吞吐量的差距呈逐渐减少的趋势。主要原因是采用关联多小区SCG-OFDMA在关联多个小区的信道上并行退避，退避完成后接入，对非重叠覆盖节点吞吐量的抑制作用减少。
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| 图 10 节点平均吞吐量累计分布函数 |
利用AP和STA的多频段能力，提出位于多个小区重叠覆盖区域内的STA同时关联到多个小区，即多关联。利用AP协作技术，提出STA在多个小区上执行并行退避过程。最后，STA在完成信道接入后触发其周围同样有业务需求的STA形成空间聚集群组，以OFDMA的方式并行接入与传输，能够显著提升重叠覆盖节点的吞吐量。仿真结果表明，本文提出的关联多个小区的SCG-OFDMA协议在关联2个小区的场景下，重叠覆盖节点吞吐量高于IEEE 802.11ax UORA协议353.41%以及OMAX协议558.33%。
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