下一代WLAN中一種空間聚集群組的OFDMA接入?yún)f(xié)議

李勇, 李波, 楊懋, 閆中江, 屈橋

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710072)

無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)最主要的承載方式之一[1]， 通過(guò)Wi-Fi或家庭微基站傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)已占據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的51%[1]。然而，現(xiàn)有的基于載波偵聽(tīng)沖突避免的媒體接入控制(media access control，MAC)協(xié)議在同一時(shí)刻只能由一個(gè)節(jié)點(diǎn)(station，STA)實(shí)現(xiàn)上行傳輸，不但限制MAC效率，而且在高密集場(chǎng)景[2-3]下將嚴(yán)重制約區(qū)域吞吐量(單位時(shí)間、單位面積內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量)。因此，2014年下一代WLAN(IEEE 802.11ax)工作組正式成立，將顯著提升區(qū)域吞吐量和MAC效率作為主要技術(shù)目標(biāo)之一[2-3]。

多個(gè)節(jié)點(diǎn)并行接入是提升MAC效率的重要方式之一。其中，正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技術(shù)已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛的重視[2-10]。OFDMA技術(shù)將頻域信道分成若干個(gè)正交的窄帶子信道，使得多個(gè)STA可以在不同的子信道上同時(shí)并行接入與傳輸。OFDMA可以帶來(lái)多節(jié)點(diǎn)并行接入增益(多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道)與多節(jié)點(diǎn)分集增益(節(jié)點(diǎn)在信道狀態(tài)好的子信道上傳輸)，從而提升MAC效率。 目前，OFDMA技術(shù)已經(jīng)被下一代無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)草案所接納[8]。近年來(lái)已有若干基于OFDMA的下一代WLAN多址接入?yún)f(xié)議。其中，IEEE 802.11ax草案[8]提出基于觸發(fā)幀(trigger frame，TF)的OFDMA協(xié)議，接入點(diǎn)(access point，AP)發(fā)送TF，STA收到TF后執(zhí)行退避過(guò)程，退避完成后以O(shè)FDMA方式隨機(jī)選擇一個(gè)子信道發(fā)送請(qǐng)求(request to send，RTS)幀，接入與數(shù)據(jù)傳輸均采用OFDMA方式。文獻(xiàn)[6]提出一種基于OFDMA的多址接入?yún)f(xié)議(OMAX)，STA的退避過(guò)程和傳統(tǒng)WLAN MAC保持一致。退避完成后，STA隨機(jī)選擇一個(gè)子信道發(fā)送RTS幀。接入與數(shù)據(jù)傳輸均采用OFDMA。文獻(xiàn)[7]根據(jù)傳播延遲不同而將STA分成不同組，并針對(duì)上行傳輸提出一種基于AP中心調(diào)度的OFDMA MAC協(xié)議。然而，現(xiàn)有基于OFDMA的WLAN MAC協(xié)議存在一個(gè)共性問(wèn)題：位于各個(gè)位置的STA同時(shí)接入和傳輸數(shù)據(jù)，從而引發(fā)發(fā)送端干擾范圍擴(kuò)散，制約區(qū)域吞吐量的提升，而且網(wǎng)絡(luò)部署越密集，影響越大。

針對(duì)已有研究中采用OFDMA接入存在的干擾擴(kuò)散問(wèn)題，本文提出一種基于空間聚集群組的OFDMA多址接入?yún)f(xié)議(spatial clustering group based OFDMA，SCG-OFDMA)。SCG-OFDMA核心思想是：有數(shù)據(jù)發(fā)送的STA競(jìng)爭(zhēng)到信道資源后，觸發(fā)其周圍同樣有數(shù)據(jù)發(fā)送的STA，并與之形成空間聚集群組(spatial clustering group，SCG)，空間聚集群組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采用OFDMA的方式并行接入與傳輸。SCG不需預(yù)先設(shè)定，在節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入過(guò)程中，根據(jù)接入條件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生。

1 SCG-OFDMA協(xié)議

1.1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

SCG-OFDMA工作在節(jié)點(diǎn)高密集部署場(chǎng)景[3]的下一代WLAN[8]。SCG動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生，不需預(yù)先設(shè)定，見(jiàn)圖1，虛線圓內(nèi)表示某一個(gè)SCG的范圍。

圖1 高密集網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模型

1.2 SCG-OFDMA協(xié)議描述

SCG-OFDMA協(xié)議的工作流程分為競(jìng)爭(zhēng)信道階段與SCG并行接入與傳輸階段，見(jiàn)圖2。其中，請(qǐng)求多址接入幀(request to multiple，RTM)RTM-x與RTS-x的x為STA號(hào)，即STA x發(fā)送的RTM幀或RTS幀。

圖2 SCG-OFDMA協(xié)議時(shí)序示意

競(jìng)爭(zhēng)信道階段。需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)的STA偵聽(tīng)全信道忙閑狀態(tài)，并采用IEEE 802.11 n協(xié)議規(guī)定的退避方式進(jìn)行退避。完成退避后，STA隨機(jī)選擇一個(gè)子信道發(fā)送RTM幀。圖2中STA1、STA10分別在子信道1、子信道2上發(fā)送RTM幀；成功接入的STA稱為簇首，圖2中，STA1與STA10為簇首。 STA30、STA40同時(shí)在子信道3上發(fā)送RTM幀，導(dǎo)致STA30與STA40發(fā)送的RTM幀產(chǎn)生碰撞。AP收到RTM1與RTM10后，記錄簇首地址與小區(qū)標(biāo)識(shí)等信息，后續(xù)分別調(diào)度SCG并行接入與傳輸。

SCG并行接入階段。由于競(jìng)爭(zhēng)信道階段可能產(chǎn)生多個(gè)簇首，因此，SCG并行接入階段可能有多個(gè)不同的SCG分別接入，由AP分別調(diào)度簇首。AP調(diào)度一個(gè)SCG的時(shí)序包含以下五個(gè)子階段。

1) 觸發(fā)SCG子階段：AP在全信道上發(fā)送schedule幀，收到schedule幀的節(jié)點(diǎn)，在短幀間隔(short inter frame space，SIFS)后，在全信道上回復(fù)neighbor-trigger幀。圖2中，在SCG1并行接入階段，簇首為STA1。STA1收到schedule幀后，則在SIFS后在全信道上回復(fù)neighbor-trigger-1，以觸發(fā)SCG1內(nèi)的STA隨機(jī)接入。其中，schedule幀包含被調(diào)度的簇首地址，AP端信道狀況測(cè)量信息。neighbor-trigger幀包含小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)與接收功率門(mén)限值，簇首端信道狀況測(cè)量的反饋信息，用來(lái)指示SCG內(nèi)STA同步與采用OFDMA技術(shù)接入。

2) SCG跟隨子階段：STA收到neighbor-trigger后，根據(jù)neighbor-trigger幀所含有的小區(qū)標(biāo)識(shí)與接收功率門(mén)限值判斷是否符合接入條件。即STA有上行數(shù)據(jù)發(fā)送、小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)與本小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)相等、接收neighbor-trigger幀的功率值大于等于接收功率門(mén)限值。若STA符合接入條件，則在SIFS后隨機(jī)選擇一個(gè)子信道發(fā)送RTS。否則，不接入。圖2中，SCG1并行接入階段的STA2、STA3與 STA4符合接入條件，隨機(jī)選擇子信道1、2與3，發(fā)送RTS-2、RTS-3 與RTS-4。

3) SCG調(diào)度子階段：AP收到neighbor-trigger，等待點(diǎn)協(xié)調(diào)幀間隔(PCF inter frame space，PIFS)時(shí)長(zhǎng)。在PIFS時(shí)長(zhǎng)之內(nèi)，若AP收到RTS，則在SIFS后回復(fù)清除發(fā)送幀(clear to send，CTS)，調(diào)度STA發(fā)送上行數(shù)據(jù)；如果AP未收到RTS，則本次形成SCG失敗，AP在PIFS后，回復(fù)CTS調(diào)度簇首發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，CTS含有STA在某個(gè)子信道上傳輸數(shù)據(jù)、使用某個(gè)速率以及編碼方式等技術(shù)參數(shù)。

4) 傳輸子階段：STA收到CTS后，根據(jù)其攜帶的調(diào)度信息，發(fā)送上行數(shù)據(jù)。圖2中，SCG1并行接入階段的STA1、STA2、STA3與 STA4被調(diào)度，分別在子信道1,2,3與4上發(fā)送上行數(shù)據(jù)DATA-1、DATA-2、DATA-3與 DATA-4。

5) 反饋?zhàn)与A段：AP收到上行數(shù)據(jù)后，回復(fù)確認(rèn)與調(diào)度(block ACK，BA & schedule)聚合幀。若SCG未調(diào)度完畢，則返回子階段1)，進(jìn)行SCG2并行接入階段；否則，本次SCG接入與傳輸過(guò)程結(jié)束，返回競(jìng)爭(zhēng)信道階段。

SCG-OFDMA協(xié)議工作在網(wǎng)絡(luò)模型中的MAC層。假設(shè)物理層采用的OFDMA技術(shù)與算法[7]可以抑制信道出現(xiàn)的頻率選擇性衰落與干擾，功率控制技術(shù)[11]可以制約SCG內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾。由于網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積與STA總數(shù)在節(jié)點(diǎn)設(shè)備入網(wǎng)關(guān)聯(lián)階段可以獲得，根據(jù)本文中的理論分析，可以預(yù)先計(jì)算出最優(yōu)SCG接入半徑。通過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA幀與AP發(fā)送BA & schedule幀的交互，可以校準(zhǔn)與更新接收鄰居觸發(fā)幀的功率門(mén)限值與最優(yōu)SCG接入半徑對(duì)應(yīng)列表，從而保證SCG-OFDMA正常工作。

設(shè)計(jì)控制幀。RTM結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3a)。使用預(yù)留幀的類型：type=01，subtype=0001；BSS ID指示發(fā)送該幀的STA所在小區(qū)標(biāo)識(shí)。neighbor-trigger幀與RTM幀結(jié)構(gòu)的不同之處是將目前的預(yù)留幀類型設(shè)置為subtype=0010，info.前半部分表示接收功率門(mén)限值，后半部分表示信道測(cè)量反饋信息。BA & schedule幀為確認(rèn)與調(diào)度聚合幀，見(jiàn)圖3b)。使用預(yù)留幀類型：type=01，subtype=0011；schedule域首位置1標(biāo)識(shí)該幀為調(diào)度幀，剩余位為信道測(cè)量信息，BA Info.為AP對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。schedule幀與BA & schedule幀結(jié)構(gòu)的不同之處是將BA Info域置為0。

圖3 RTM與BA & schedule幀結(jié)構(gòu)

2 數(shù)學(xué)分析

2.1 最優(yōu)接入半徑推導(dǎo)

引理若系統(tǒng)中存在M個(gè)OFDMA子信道,網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)接入任何一個(gè)子信道的概率為1/M,則同時(shí)接入的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為M或者M(jìn)-1時(shí),平均成功接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到最大值M/e,其中,e為自然數(shù)。

引理證明 假設(shè)WLAN中存在n個(gè)非AP節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前時(shí)隙每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立選擇一個(gè)子信道,并接入成功的概率為(1)式,則平均接入成功的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為(2)式。對(duì)(2)式中的變量n進(jìn)行求導(dǎo)數(shù),并令導(dǎo)數(shù)為0,得到極大值點(diǎn)為(3)式：

(1)

(2)

(3)

對(duì)(3)式進(jìn)行泰勒展開(kāi)式,經(jīng)分析可知,(3)式中nopt屬于區(qū)間(M-1,M)。將n為M-1與M分別代入(2)式,可以得到2種情況下平均接入成功的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為(4)式與(5)式,通過(guò)整理化簡(jiǎn)(4)式與(5)式,可知(4)式與(5)式等號(hào)右側(cè)相等。工程應(yīng)用中當(dāng)M較大時(shí),利用重要極限公式(6),由(5)式可推導(dǎo)出(7)式

(4)

(5)

(6)

(7)

即平均成功接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到最大值,最大值為M/e,e為自然數(shù)。引理證畢。

定理若網(wǎng)絡(luò)中接入節(jié)點(diǎn)的密度為d,OFDMA子信道數(shù)為M,則存在一個(gè)最優(yōu)SCG接入半徑r(即以簇首節(jié)點(diǎn)為圓心,r為半徑的圓內(nèi)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成SCG),使得SCG平均成功接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多,其表達(dá)式為(10)式。

證明假設(shè)WLAN覆蓋面積為S,n個(gè)節(jié)點(diǎn)所在空間位置的投影點(diǎn),均勻隨機(jī)分布在面積為S的平面圓域內(nèi),則節(jié)點(diǎn)密度d為(8)式

d=n/S

(8)

由于SCG-OFDMA在同一時(shí)刻只有一個(gè)SCG內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò),基于引理可知,則存在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為M的最優(yōu)SCG,假設(shè)其在平面上投影形成的圓域面積為Sr。則最優(yōu)SCG接入半徑r的表達(dá)式為(10)式

M=d·Sr=d·π·r2

(9)

(10)

式中,d為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度,M為系統(tǒng)OFDMA子信道個(gè)數(shù),π為圓周率。定理證畢。

2.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析

吞吐量定義:單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量。假設(shè)WLAN中n個(gè)非AP節(jié)點(diǎn)一直有數(shù)據(jù)發(fā)送,系統(tǒng)有M個(gè)OFDMA子信道。發(fā)送RTM時(shí)碰撞的時(shí)長(zhǎng)Tcol為(11)式

Tcol=M·TRTM+TDIFS

(11)

式中，TRTM為RTM傳輸時(shí)長(zhǎng),TDIFS為分布式幀間隔(distributed inter-frame space,DIFS)時(shí)長(zhǎng)。i個(gè)簇首分別成功傳輸?shù)目倳r(shí)長(zhǎng)為(12)式,其中,TSIFS為SIFS時(shí)長(zhǎng),TCTS(4)為SCG聚合確認(rèn)幀傳輸時(shí)長(zhǎng)[6],TDATA(4)為SCG數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)長(zhǎng)[6],同理,TBA&schedule為SCG聚合調(diào)度與確認(rèn)幀傳輸時(shí)長(zhǎng)

Tsuc(i)=TDIFS+M·TRTS+TCTS+i·

[TRTS+M·TRTS+TCTS(4)+

TDATA(4)+TBA&schedule]+(i·5+1)·TSIFS

(12)

i個(gè)STA在不同的OFDMA子信道上同時(shí)傳輸RTS成功的概率Psuc,信道空閑概率Pidle,信道空閑時(shí)長(zhǎng)Tidle,發(fā)送RTS碰撞概率Pcol的分析均采用文獻(xiàn)[6]的方式。根據(jù)定理,經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得到,在飽和業(yè)務(wù)下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為(13)式

(13)

式中,假設(shè)SCG為以最優(yōu)接入半徑畫(huà)圓形成的最優(yōu)SCG,SCG跟隨子階段中跟隨接入節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到最大。(13)式中的(M/e+1)為在SCG跟隨子階段中平均一次跟隨接入成功的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與簇首總和,即發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。E為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀長(zhǎng)度。

2.3 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域吞吐量分析

區(qū)域吞吐量定義:單位時(shí)間、單位面積內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量,數(shù)值上等于吞吐量與發(fā)送端干擾區(qū)域的面積之比。發(fā)送端干擾區(qū)域定義:發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)載波偵聽(tīng)范圍以為的區(qū)域。假設(shè)WLAN覆蓋面積為S,n個(gè)節(jié)點(diǎn)所在空間位置的投影點(diǎn),均勻隨機(jī)分布在面積為S的平面上,以最優(yōu)SCG接入半徑r畫(huà)圓的面積為Sr。根據(jù)吞吐量的分析,可推導(dǎo)出,區(qū)域吞吐量為(14)式

(14)

式中,d為WLAN中節(jié)點(diǎn)密度,M為系統(tǒng)中OFDMA子信道個(gè)數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真設(shè)置

WLAN單小區(qū)面積為20 m×20 m，AP位于小區(qū)中間，所有非AP節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在小區(qū)中。采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2仿真[12]。信道帶寬為40 MHz，分為8個(gè)子信道，控制幀速率6 Mbit/s，PIFS時(shí)長(zhǎng)25 μs。節(jié)點(diǎn)為飽和業(yè)務(wù)，節(jié)點(diǎn)載波偵聽(tīng)范圍為50 m，其他參數(shù)與文獻(xiàn)[6]一致，調(diào)度算法與文獻(xiàn)[6]一致。由于IEEE 802.11ax首次引入OFDMA多用戶接入技術(shù)[13-14]，基于OFDMA接入的SCG-OFDMA與OMAX協(xié)議有必要與DCF進(jìn)行比較，以便驗(yàn)證OFDMA的性能。

3.2 吞吐量與傳輸速率的關(guān)系

本仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為100。通過(guò)圖4看出，小區(qū)的吞吐量隨著物理層傳輸數(shù)據(jù)速率的增加呈上升趨勢(shì)。物理層傳輸數(shù)據(jù)速率為135 Mbit/s時(shí)，SCG-OFDMA的吞吐量分別高于OMAX 2.91%和DCF 40.94%。SCG-OFDMA的仿真曲線與理論分析曲線接近，驗(yàn)證理論分析的正確性。原因是物理層傳輸數(shù)據(jù)速率的提高減少傳輸數(shù)據(jù)占用的時(shí)間，單位時(shí)間內(nèi)傳輸較多的數(shù)據(jù)量。

圖4 吞吐量與物理層速率的關(guān)系

3.3 區(qū)域吞吐量與傳輸速率的關(guān)系

通過(guò)圖5看出，小區(qū)的區(qū)域吞吐量隨物理層傳輸數(shù)據(jù)速率的增加呈上升趨勢(shì)。SCG-OFDMA的區(qū)域吞吐量仿真曲線與理論分析曲線接近，驗(yàn)證理論分析的正確性。物理層傳輸數(shù)據(jù)速率為135 Mbit/s時(shí)，SCG-OFDMA的區(qū)域吞吐量分別高于OMAX 15.98%和DCF 31.26%。主要原因是SCG-OFDMA使得同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在空間上較為聚集，從而減少干擾擴(kuò)散區(qū)域的面積，提升區(qū)域吞吐量。 而DCF未采用多節(jié)點(diǎn)OFDMA技術(shù)接入。

圖5 區(qū)域吞吐量與物理層速率的關(guān)系

3.4 驗(yàn)證最優(yōu)SCG接入半徑

傳輸數(shù)據(jù)速率設(shè)為135 Mbit/s時(shí)，通過(guò)仿真給出SCG-OFDMA不同接入半徑對(duì)吞吐量的影響。通過(guò)圖6看出，SCG-OFDMA吞吐量隨著跟隨接入半徑的變化出現(xiàn)一個(gè)極大值。理論分析最優(yōu)SCG接入半徑值與仿真值接近。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為120時(shí)，理論最優(yōu)SCG半徑為3.09 m，對(duì)應(yīng)的仿真最優(yōu)SCG半徑為3 m。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時(shí)，理論最優(yōu)SCG半徑為3.38 m，對(duì)應(yīng)的仿真最優(yōu)SCG半徑為3.3 m。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為80時(shí)，理論最優(yōu)SCG半徑為3.78 m，對(duì)應(yīng)的仿真最優(yōu)SCG半徑為3.6 m。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為60時(shí)，理論最優(yōu)SCG半徑為4.37 m，對(duì)應(yīng)的仿真最優(yōu)SCG半徑為4.5 m。本文推導(dǎo)出的定理所述最優(yōu)SCG接入半徑為SCG-OFDMA跟隨接入半徑的設(shè)置提供參考，從而保證協(xié)議具有較好的吞吐量與區(qū)域吞吐量。

圖6 吞吐量與接入半徑的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)下一代WLAN的高密集場(chǎng)景特點(diǎn)與提升區(qū)域吞吐量的要求，本文提出的SCG-OFDMA，能夠有效克服現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的OFDMA協(xié)議存在干擾擴(kuò)散范圍較大的問(wèn)題。SCG-OFDMA分別與同樣采用多用戶OFDMA接入的OMAX協(xié)議和傳統(tǒng)DCF協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證，SCG-OFDMA在100個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，區(qū)域吞吐量與OMAX和DCF相比分別提升15.98%和31.26%，并且仿真結(jié)果與理論分析相吻合。