无线局域网(wireless local area network, WLAN)是无线网络业务最主要的承载方式之一[1]，通过Wi-Fi或家庭微基站传输的业务已占据无线网络业务的51%[1]。然而，现有的基于载波侦听冲突避免的媒体接入控制(media access control，MAC)协议在同一时刻只能由一个节点(station，STA)实现上行传输，不但限制MAC效率，而且在高密集场景[2-3]下将严重制约区域吞吐量(单位时间、单位面积内网络中所有节点发送的数据量)。因此，2014年下一代WLAN(IEEE 802.11ax)工作组正式成立，将显著提升区域吞吐量和MAC效率作为主要技术目标之一[2-3]。
多个节点并行接入是提升MAC效率的重要方式之一。其中，正交频分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技术已经得到学术界和产业界广泛的重视[2-10]。OFDMA技术将频域信道分成若干个正交的窄带子信道，使得多个STA可以在不同的子信道上同时并行接入与传输。OFDMA可以带来多节点并行接入增益(多节点同时接入信道)与多节点分集增益(节点在信道状态好的子信道上传输)，从而提升MAC效率。目前，OFDMA技术已经被下一代无线局域网标准草案所接纳[8]。近年来已有若干基于OFDMA的下一代WLAN多址接入协议。其中，IEEE 802.11ax草案[8]提出基于触发帧(trigger frame，TF)的OFDMA协议，接入点(access point，AP)发送TF，STA收到TF后执行退避过程，退避完成后以OFDMA方式随机选择一个子信道发送请求(request to send，RTS)帧，接入与数据传输均采用OFDMA方式。文献[6]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[7]根据传播延迟不同而将STA分成不同组，并针对上行传输提出一种基于AP中心调度的OFDMA MAC协议。然而，现有基于OFDMA的WLAN MAC协议存在一个共性问题：位于各个位置的STA同时接入和传输数据，从而引发发送端干扰范围扩散，制约区域吞吐量的提升，而且网络部署越密集，影响越大。
针对已有研究中采用OFDMA接入存在的干扰扩散问题，本文提出一种基于空间聚集群组的OFDMA多址接入协议(spatial clustering group based OFDMA，SCG-OFDMA)。SCG-OFDMA核心思想是：有数据发送的STA竞争到信道资源后，触发其周围同样有数据发送的STA，并与之形成空间聚集群组(spatial clustering group，SCG)，空间聚集群组内的节点采用OFDMA的方式并行接入与传输。SCG不需预先设定，在节点竞争接入过程中，根据接入条件实时动态地产生。
1 SCG-OFDMA协议 1.1 网络场景SCG-OFDMA工作在节点高密集部署场景[3]的下一代WLAN[8]。SCG动态地产生，不需预先设定，见图 1，虚线圆内表示某一个SCG的范围。
|
| 图 1 高密集网络场景模型 |
SCG-OFDMA协议的工作流程分为竞争信道阶段与SCG并行接入与传输阶段，见图 2。其中，请求多址接入帧(request to multiple，RTM)RTM-x与RTS-x的x为STA号，即STA x发送的RTM帧或RTS帧。
|
| 图 2 SCG-OFDMA协议时序示意 |
竞争信道阶段。需要发送上行数据的STA侦听全信道忙闲状态，并采用IEEE 802.11 n协议规定的退避方式进行退避。完成退避后，STA随机选择一个子信道发送RTM帧。图 2中STA1、STA10分别在子信道1、子信道2上发送RTM帧；成功接入的STA称为簇首，图 2中，STA1与STA10为簇首。STA30、STA40同时在子信道3上发送RTM帧，导致STA30与STA40发送的RTM帧产生碰撞。AP收到RTM1与RTM10后，记录簇首地址与小区标识等信息，后续分别调度SCG并行接入与传输。
SCG并行接入阶段。由于竞争信道阶段可能产生多个簇首，因此，SCG并行接入阶段可能有多个不同的SCG分别接入，由AP分别调度簇首。AP调度一个SCG的时序包含以下五个子阶段。
1) 触发SCG子阶段：AP在全信道上发送schedule帧，收到schedule帧的节点，在短帧间隔(short inter frame space，SIFS)后，在全信道上回复neighbor-trigger帧。图 2中，在SCG1并行接入阶段，簇首为STA1。STA1收到schedule帧后，则在SIFS后在全信道上回复neighbor-trigger-1，以触发SCG1内的STA随机接入。其中，schedule帧包含被调度的簇首地址，AP端信道状况测量信息。neighbor-trigger帧包含小区标识号与接收功率门限值，簇首端信道状况测量的反馈信息，用来指示SCG内STA同步与采用OFDMA技术接入。
2) SCG跟随子阶段：STA收到neighbor-trigger后，根据neighbor-trigger帧所含有的小区标识与接收功率门限值判断是否符合接入条件。即STA有上行数据发送、小区标识号与本小区标识号相等、接收neighbor-trigger帧的功率值大于等于接收功率门限值。若STA符合接入条件，则在SIFS后随机选择一个子信道发送RTS。否则，不接入。图 2中，SCG1并行接入阶段的STA2、STA3与STA4符合接入条件，随机选择子信道1、2与3，发送RTS-2、RTS-3与RTS-4。
3) SCG调度子阶段：AP收到neighbor-trigger，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，则在SIFS后回复清除发送帧(clear to send，CTS)，调度STA发送上行数据；如果AP未收到RTS，则本次形成SCG失败，AP在PIFS后，回复CTS调度簇首发送数据。其中，CTS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技术参数。
4) 传输子阶段：STA收到CTS后，根据其携带的调度信息，发送上行数据。图 2中，SCG1并行接入阶段的STA1、STA2、STA3与STA4被调度，分别在子信道1, 2, 3与4上发送上行数据DATA-1、DATA-2、DATA-3与DATA-4。
5) 反馈子阶段：AP收到上行数据后，回复确认与调度(block ACK，BA & schedule)聚合帧。若SCG未调度完毕，则返回子阶段1)，进行SCG2并行接入阶段；否则，本次SCG接入与传输过程结束，返回竞争信道阶段。
SCG-OFDMA协议工作在网络模型中的MAC层。假设物理层采用的OFDMA技术与算法[7]可以抑制信道出现的频率选择性衰落与干扰，功率控制技术[11]可以制约SCG内节点之间的相互干扰。由于网络的覆盖面积与STA总数在节点设备入网关联阶段可以获得，根据本文中的理论分析，可以预先计算出最优SCG接入半径。通过节点发送DATA帧与AP发送BA & schedule帧的交互，可以校准与更新接收邻居触发帧的功率门限值与最优SCG接入半径对应列表，从而保证SCG-OFDMA正常工作。
设计控制帧。RTM结构见图 3a)。使用预留帧的类型：type=01，subtype=0001；BSS ID指示发送该帧的STA所在小区标识。neighbor-trigger帧与RTM帧结构的不同之处是将目前的预留帧类型设置为subtype=0010，info.前半部分表示接收功率门限值，后半部分表示信道测量反馈信息。BA & schedule帧为确认与调度聚合帧，见图 3b)。使用预留帧类型：type=01，subtype=0011；schedule域首位置1标识该帧为调度帧，剩余位为信道测量信息，BA Info.为AP对接收到的数据进行确认。schedule帧与BA & schedule帧结构的不同之处是将BA Info域置为0。
|
| 图 3 RTM与BA & schedule帧结构 |
引理 若系统中存在M个OFDMA子信道, 网络中每一个节点随机接入任何一个子信道的概率为1/M, 则同时接入的节点个数为M或者M-1时, 平均成功接入网络节点数目达到最大值M/e, 其中, e为自然数。
引理证明 假设WLAN中存在n个非AP节点。当前时隙每个节点独立选择一个子信道, 并接入成功的概率为(1)式, 则平均接入成功的节点个数为(2)式。对(2)式中的变量n进行求导数, 并令导数为0, 得到极大值点为(3)式：
|
(1) |
|
(2) |
|
(3) |
对(3)式进行泰勒展开式, 经分析可知, (3)式中nopt属于区间(M-1, M)。将n为M-1与M分别代入(2)式, 可以得到2种情况下平均接入成功的节点个数分别为(4)式与(5)式, 通过整理化简(4)式与(5)式, 可知(4)式与(5)式等号右侧相等。工程应用中当M较大时, 利用重要极限公式(6), 由(5)式可推导出(7)式
|
(4) |
|
(5) |
|
(6) |
|
(7) |
即平均成功接入网络节点数目达到最大值, 最大值为M/e, e为自然数。引理证毕。
定理 若网络中接入节点的密度为d, OFDMA子信道数为M, 则存在一个最优SCG接入半径r(即以簇首节点为圆心, r为半径的圆内的节点构成SCG), 使得SCG平均成功接入网络的节点数最多, 其表达式为(10)式。
证明 假设WLAN覆盖面积为S, n个节点所在空间位置的投影点, 均匀随机分布在面积为S的平面圆域内, 则节点密度d为(8)式
|
(8) |
由于SCG-OFDMA在同一时刻只有一个SCG内的节点接入网络, 基于引理可知, 则存在节点个数为M的最优SCG, 假设其在平面上投影形成的圆域面积为Sr。则最优SCG接入半径r的表达式为(10)式
|
(9) |
|
(10) |
式中, d为网络节点密度, M为系统OFDMA子信道个数, π为圆周率。定理证毕。
2.2 网络吞吐量分析吞吐量定义:单位时间内网络中所有节点发送的数据量。假设WLAN中n个非AP节点一直有数据发送, 系统有M个OFDMA子信道。发送RTM时碰撞的时长Tcol为(11)式
|
(11) |
式中，TRTM为RTM传输时长, TDIFS为分布式帧间隔(distributed inter-frame space, DIFS)时长。i个簇首分别成功传输的总时长为(12)式, 其中, TSIFS为SIFS时长, TCTS(4)为SCG聚合确认帧传输时长[6], TDATA(4)为SCG数据帧传输时长[6], 同理, TBA & schedule为SCG聚合调度与确认帧传输时长
|
(12) |
i个STA在不同的OFDMA子信道上同时传输RTS成功的概率Psuc, 信道空闲概率Pidle, 信道空闲时长Tidle, 发送RTS碰撞概率Pcol的分析均采用文献[6]的方式。根据定理, 经过推导可得到, 在饱和业务下的网络吞吐量为(13)式
|
(13) |
式中, 假设SCG为以最优接入半径画圆形成的最优SCG, SCG跟随子阶段中跟随接入节点数目达到最大。(13)式中的(M/e+1)为在SCG跟随子阶段中平均一次跟随接入成功的节点个数与簇首总和, 即发送数据包的节点总数。E为传输的数据帧长度。
2.3 网络区域吞吐量分析区域吞吐量定义:单位时间、单位面积内网络中所有节点发送的数据量, 数值上等于吞吐量与发送端干扰区域的面积之比。发送端干扰区域定义:发送数据帧的节点载波侦听范围以为的区域。假设WLAN覆盖面积为S, n个节点所在空间位置的投影点, 均匀随机分布在面积为S的平面上, 以最优SCG接入半径r画圆的面积为Sr。根据吞吐量的分析, 可推导出, 区域吞吐量为(14)式
|
(14) |
式中, d为WLAN中节点密度, M为系统中OFDMA子信道个数。
3 仿真验证 3.1 仿真设置WLAN单小区面积为20 m×20 m，AP位于小区中间，所有非AP节点随机分布在小区中。采用网络仿真软件NS2仿真[12]。信道带宽为40 MHz，分为8个子信道，控制帧速率6 Mbit/s，PIFS时长25 μs。节点为饱和业务，节点载波侦听范围为50 m，其他参数与文献[6]一致，调度算法与文献[6]一致。由于IEEE 802.11ax首次引入OFDMA多用户接入技术[13-14]，基于OFDMA接入的SCG-OFDMA与OMAX协议有必要与DCF进行比较，以便验证OFDMA的性能。
3.2 吞吐量与传输速率的关系本仿真节点数设置为100。通过图 4看出，小区的吞吐量随着物理层传输数据速率的增加呈上升趋势。物理层传输数据速率为135 Mbit/s时，SCG-OFDMA的吞吐量分别高于OMAX 2.91%和DCF 40.94%。SCG-OFDMA的仿真曲线与理论分析曲线接近，验证理论分析的正确性。原因是物理层传输数据速率的提高减少传输数据占用的时间，单位时间内传输较多的数据量。
|
| 图 4 吞吐量与物理层速率的关系 |
通过图 5看出，小区的区域吞吐量随物理层传输数据速率的增加呈上升趋势。SCG-OFDMA的区域吞吐量仿真曲线与理论分析曲线接近，验证理论分析的正确性。物理层传输数据速率为135 Mbit/s时，SCG-OFDMA的区域吞吐量分别高于OMAX 15.98%和DCF 31.26%。主要原因是SCG-OFDMA使得同时传输的节点在空间上较为聚集，从而减少干扰扩散区域的面积，提升区域吞吐量。而DCF未采用多节点OFDMA技术接入。
|
| 图 5 区域吞吐量与物理层速率的关系 |
传输数据速率设为135 Mbit/s时，通过仿真给出SCG-OFDMA不同接入半径对吞吐量的影响。通过图 6看出，SCG-OFDMA吞吐量随着跟随接入半径的变化出现一个极大值。理论分析最优SCG接入半径值与仿真值接近。当节点数为120时，理论最优SCG半径为3.09 m，对应的仿真最优SCG半径为3 m。当节点数为100时，理论最优SCG半径为3.38 m，对应的仿真最优SCG半径为3.3 m。当节点数为80时，理论最优SCG半径为3.78 m，对应的仿真最优SCG半径为3.6 m。当节点数为60时，理论最优SCG半径为4.37 m，对应的仿真最优SCG半径为4.5 m。本文推导出的定理所述最优SCG接入半径为SCG-OFDMA跟随接入半径的设置提供参考，从而保证协议具有较好的吞吐量与区域吞吐量。
|
| 图 6 吞吐量与接入半径的关系 |
针对下一代WLAN的高密集场景特点与提升区域吞吐量的要求，本文提出的SCG-OFDMA，能够有效克服现有文献提出的OFDMA协议存在干扰扩散范围较大的问题。SCG-OFDMA分别与同样采用多用户OFDMA接入的OMAX协议和传统DCF协议进行了对比，通过理论分析与仿真验证，SCG-OFDMA在100个节点时，区域吞吐量与OMAX和DCF相比分别提升15.98%和31.26%，并且仿真结果与理论分析相吻合。
| [1] | Cisco. Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015-2020 Whitepaper[EB/OL].(2016-02-03)[2017-06-10]. http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html |
| [2] | Deng D J, Chen K C, Cheng R S. IEEE 802.11 ax: Next Generation Wireless Local Area Networks[C]//10th International Conference on Heterogeneous Networking for Quality, Reliability, Security and Robustness, Rhodes, Greece, 2014: 77-82 https://ieeexplore.ieee.org/document/6928663 |
| [3] | Bellalta B. IEEE 802.11 ax:High-Efficiency Wlans[J]. IEEE Wireless Communications, 2013, 23(1): 38-46. |
| [4] | Sun W, Lee O, Shin Y, et al. Wi-Fi Could Be Much More[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(11): 22-29. DOI:10.1109/MCOM.2014.6957139 |
| [5] | Li Bo, Qu Qiao, Yan Zhongjiang, Yang Mao. Survey on OFDMA Based MAC Protocols for the Next Generation WLAN[C]//2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops, New Orleans, LA, USA, 2015: 131-135 https://ieeexplore.ieee.org/document/7122542?arnumber=7122542 |
| [6] | Qu Qiao, Li Bo, Yang Mao, et al. An OFDMA Based Concurrent Multiuser MAC for Upcoming IEEE 802.11ax[C]//2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops, New Orleans, LA, USA, 2015: 136-141 https://ieeexplore.ieee.org/document/7122543 |
| [7] | Jung J, Lim J. Group Contention-Based OFDMA MAC Protocol for Multiple Access Interference-Free in WLAN Systems[J]. IEEE Trans on Wireless Communications, 2012, 11(2): 648-658. DOI:10.1109/TWC.2011.122211.102316 |
| [8] | Robert Stacey, Shahrnaz Azizi, Po-Kai Huang, et al. IEEE 802.11ax Proposed Draft Specification[EB/OL].(2017-06-30)[2017-07-30]. https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/16/11-16-0024-01-00ax-proposed-draft-specification.docx |
| [9] | Deng D J, Lien S Y, et al. On Quality-of-Service Provisioning in IEEE 802.11 ax WLANs[J]. IEEE Access, 2016, 4: 6086-6104. DOI:10.1109/ACCESS.2016.2602281 |
| [10] | Lee J, Kim C. An Efficient Multiple Access Coordination Scheme for OFDMA WLAN[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(3): 596-599. DOI:10.1109/LCOMM.2016.2633250 |
| [11] |
王静, 刘向阳, 杨洋, 等. LTE通信系统中D2D多播传输方案设计[J]. 西安电子科技大学学报, 2016, 43(3): 101-106.
Wang Jing, Liu Xiangyang, Yang Yang, et al. Design of the D2D Multicast Transmission Scheme in the LTE Communication System[J]. Journal of Xidian University, 2016, 43(3): 101-106. (in Chinese) DOI:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.018 |
| [12] | Lin W, Li B, Yang M, et al. Integrated Link-System Level Simulation Platform for the Next Generation WLAN-IEEE 802.11 ax[C]//Global Communications Conference, Washington DC, USA, 2016: 1-7 https://ieeexplore.ieee.org/document/7841905 |
| [13] | Deng D J, Lin Y P, Yang X, et al. IEEE 802.11ax:Highly Efficient WLANs for Intelligent Information Infrastructure[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(12): 52-59. DOI:10.1109/MCOM.2017.1700285 |
| [14] | Afaqui M Shahwaiz, Eduard Garcia Villegas, Elena Lopez Aguilera. IEEE 802.11ax:Challenges and Requirements for Future High Efficiency WiFi[J]. IEEE Wireless Communications, 2017, 24(3): 130-137. DOI:10.1109/MWC.2016.1600089WC |
