高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)媒體競(jìng)爭(zhēng)接入優(yōu)化

劉廣鐘 董宇航

摘要：針對(duì)目前體育場(chǎng)、客運(yùn)站、辦公區(qū)等高密度節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（wireless local area networks， WLAN）接入緩慢和上下行數(shù)據(jù)傳輸不平衡的特點(diǎn)，基于物理層的正交頻分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）和多用戶(hù)多輸入多輸出（multi-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技術(shù)，提出有序混合競(jìng)爭(zhēng)的媒體訪問(wèn)控制（media access control， MAC）協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)初次隨機(jī)篩選一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)完成同步上行傳輸，而剩余節(jié)點(diǎn)參加下一輪的混合競(jìng)爭(zhēng)，增加競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)接入的有序性，以提高高密度節(jié)點(diǎn)環(huán)境下的系統(tǒng)性能。根據(jù)該協(xié)議特性建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)改變模型參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示該協(xié)議能夠有效改善高密度節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入WLAN的性能。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）; 媒體訪問(wèn)控制（MAC）; 多用戶(hù)多輸入多輸出（MU-MIMO）技術(shù);高密度節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2018-03-05

修回日期：2018-05-04

作者簡(jiǎn)介：

劉廣鐘（1962—），男，江蘇徐州人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和水聲通信，（E-mail）gzhliu@shmtu.edu.cn

Abstract：Under the current high-density node environment， such as stadiums， passenger stations， and office zones， accessing wireless local area networks （WLAN） is slow， and the transmission between uplink data and downlink data is unbalanced. In view of the above defects， based on the orthogonal frequency-division multiple access （OFDMA） of the physical layer and the multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology， an ordered hybrid competitive media access control （MAC） protocol is proposed. In the protocol， the simultaneous uplink data transmission is achieved by initially selecting a certain number of nodes randomly， and the remaining nodes participate in the next round of hybrid competition to increase the orderliness of the competition node access and improve the system performance under the high-density node environment. A mathematical model is established according to the characteristics of the protocol， the model is simulated by changing the model parameters， and the results show that this protocol can improve the performance of high-density nodes accessing WLAN in competition.

Key words：wireless local area networks （WLAN）; media access control （MAC）; multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology; high-density node

0 引 言

體育場(chǎng)、客運(yùn)站、辦公區(qū)等場(chǎng)景存在高密度工作站（station， STA）[1]，而高密度STA接入接入點(diǎn)（access point，AP）會(huì)造成入口擁擠，因此，為滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)流量的實(shí)時(shí)信息反饋需求，急需提高傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)802.11的上行傳輸性能。YEON等[2]提出的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)幀聚合和分段算法主要考慮了AP的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)隊(duì)列調(diào)整和節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)接入信道的時(shí)機(jī)，STA通過(guò)前一次發(fā)送情況閉環(huán)反饋信道質(zhì)量，并根據(jù)信道質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整聚合幀大小，以減少多數(shù)據(jù)幀差錯(cuò)重傳的退避控制開(kāi)銷(xiāo)和每個(gè)數(shù)據(jù)幀成功傳輸反饋的確認(rèn)幀數(shù)量。該算法雖利用幀聚合的方式動(dòng)態(tài)減少控制開(kāi)銷(xiāo)，但對(duì)于高密度節(jié)點(diǎn)高數(shù)據(jù)傳輸率的情況，系統(tǒng)的整體吞吐量提升有限。吳銳驍[3]研究了超高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制（medium access control， MAC）層高級(jí)信道接入技術(shù)，通過(guò)AP集中管理和控制信道接入去除傳統(tǒng)802.11協(xié)議中站點(diǎn)隨機(jī)回退式的自由競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)匯集站點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)信息把站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的過(guò)程放到無(wú)線(xiàn)控制器內(nèi)，將不同的幀間距時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)一替換為短幀間距時(shí)長(zhǎng)，減少幀傳輸之間的時(shí)延，提高信道利用率，在多站點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，避免了碰撞的發(fā)生，優(yōu)化了站點(diǎn)接入。楊帆等[4]提出了基于非合作博弈的資源分配算法，在正交頻分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）中不同質(zhì)量的信道通過(guò)資源分配算法由AP公平分配給多個(gè)STA，資源分配的理想狀態(tài)是所有用戶(hù)通過(guò)非合作博弈公平地得到不同質(zhì)量的信道資源。該算法動(dòng)態(tài)調(diào)整信道分配概率，并通過(guò)降低非合作博弈的最小代價(jià)，最大化系統(tǒng)功效。

考慮到部分節(jié)點(diǎn)的有序接入能緩解擁堵?tīng)顩r，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的物理層（physical layer， PHY）目前采用的OFDMA技術(shù)，在利用正交頻分多路復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing， OFDM）對(duì)信道進(jìn)行子載波化后，在部分子載波上加載數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[5]。該技術(shù)在給定時(shí)間內(nèi)為不同的STA分配相應(yīng)的子信道，允許同時(shí)由多個(gè)STA上傳數(shù)據(jù)給AP。AP通過(guò)收集相關(guān)的頻率和用戶(hù)差異信息將通信質(zhì)量較差的STA剔除，把讓出的信道分配給通信質(zhì)量?jī)?yōu)良的STA，從而提高系統(tǒng)的靈活性和信道利用率[6]。搭配OFDMA的多子信道數(shù)據(jù)傳輸，多用戶(hù)多輸入多輸出（multiple-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技術(shù)利用多根天線(xiàn)與多個(gè)STA同時(shí)通信，可以提高通信質(zhì)量，同時(shí)極大地提升基本服務(wù)集的吞吐量，對(duì)于高密度節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景非常適用。[7]上行MU-MIMO：不同用戶(hù)使用相同的時(shí)頻資源進(jìn)行上行發(fā)送（單天線(xiàn)發(fā)送），從接收端來(lái)看，這些數(shù)據(jù)流可以看作來(lái)自一個(gè)用戶(hù)終端的不同天線(xiàn)，從而構(gòu)成了一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)。本文基于OFDMA和MU-MIMO物理層技術(shù)，提出有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議模型。

1 MAC層技術(shù)

1.1 有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議

針對(duì)基本服務(wù)集內(nèi)多STA與同一AP的數(shù)據(jù)傳輸特性，根據(jù)多數(shù)據(jù)包接收（multiple packet receiving， MPR）[8]技術(shù)，本文提出有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議。該協(xié)議主要解決多STA多數(shù)據(jù)幀上行傳輸問(wèn)題。

該MAC層技術(shù)只要對(duì)目前的STA和AP的MAC協(xié)議做少量修改，就可以完成既定目標(biāo)。假定基于MU-MIMO物理層技術(shù)的AP擁有b根天線(xiàn)，可以同時(shí)進(jìn)行b個(gè)STA數(shù)據(jù)幀上傳。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)主要使用基于載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（carrier sense multiple access/collision detect， CSMA/CA）的基礎(chǔ)協(xié)議和可以發(fā)送（clear to send， CTS）/請(qǐng)求發(fā)送（request to send， RTS）控制幀的兩次握手協(xié)議，本文主要根據(jù)兩次握手協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

在現(xiàn)實(shí)的車(chē)站運(yùn)輸場(chǎng)景下，當(dāng)人流量過(guò)大時(shí)需要想辦法解決流量入口的有序性問(wèn)題并減少?zèng)_突。本文基于這種思路，在同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)上傳數(shù)據(jù)的眾多STA中選取一個(gè)子集，并在子集中提取AP所允許同時(shí)上傳的STA數(shù)量，完成數(shù)據(jù)同步上行傳輸，對(duì)被從子集中甩出的無(wú)法上傳數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)（稱(chēng)為過(guò)剩節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行標(biāo)記，減少其競(jìng)爭(zhēng)窗口值，使其計(jì)時(shí)器在退避計(jì)時(shí)中優(yōu)先減少到0，得到優(yōu)先接入機(jī)會(huì)。

1.2 對(duì)控制幀的修改

在傳統(tǒng)802.11協(xié)議中，為解決隱藏和暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，需要在STA與AP之間使用RTS和CTS控制幀進(jìn)行兩次握手。RTS是STA將要發(fā)送的數(shù)據(jù)先告知周?chē)?jié)點(diǎn)，CTS是AP收到STA的RTS后返回的告知整個(gè)基本服務(wù)集的控制幀，兩個(gè)控制幀中都包含預(yù)估的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間，使基本服務(wù)集中的STA能夠被通知，避免碰撞，完成有序競(jìng)爭(zhēng)。

為減少多個(gè)上傳STA的控制開(kāi)銷(xiāo)，對(duì)AP回復(fù)STA的CTS和確認(rèn)字符（acknowledgement， ACK）控制幀做部分修改，修改后的控制幀分別稱(chēng)為G-CTS和G-ACK[9]，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。STA使用RTS控制幀直接進(jìn)行信道搶占，對(duì)傳統(tǒng)802.11協(xié)議的RTS控制幀不做修改，因?yàn)锳P要對(duì)多個(gè)STA進(jìn)行控制，G-CTS包含已經(jīng)被選中同步上行傳輸?shù)腷個(gè)STA地址，可以通知這b個(gè)STA進(jìn)行同步上傳，即起到通知節(jié)點(diǎn)和時(shí)間同步的作用。G-ACK協(xié)議中有被選中子集的N個(gè)STA地址，用于確認(rèn)b個(gè)STA是否已經(jīng)成功傳輸數(shù)據(jù)和告知過(guò)剩STA設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)窗口值Cwgs（該競(jìng)爭(zhēng)窗口初始值是小于傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)窗口初始值的）。

1.3 有序混合競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

多STA數(shù)據(jù)幀同步上行傳輸包括兩種情況：第一種是初次啟動(dòng)或者空閑后的數(shù)據(jù)傳輸，第二種是連續(xù)飽和流量競(jìng)爭(zhēng)中的數(shù)據(jù)傳輸。使用有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議的多STA競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程見(jiàn)圖1。

第一種情況一定在第二種情況之前發(fā)生：首先，無(wú)任何特殊標(biāo)記的STA發(fā)出RTS控制幀競(jìng)爭(zhēng)接入有b個(gè)天線(xiàn)資源的AP。AP利用MPR不斷接收STA發(fā)出的RTS控制幀并記錄在隊(duì)列內(nèi)，當(dāng)收到N個(gè)RTS控制幀之后，經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的判斷時(shí)間，AP馬上發(fā)出G-CTS控制幀廣播通知所有STA立即停止發(fā)送RTS控制幀，且通知被選中發(fā)送數(shù)據(jù)的b個(gè)STA準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

在AP不斷接收競(jìng)爭(zhēng)STA發(fā)出的RTS控制幀的同時(shí)，程序隨機(jī)在已經(jīng)排入隊(duì)列的STA中進(jìn)行選擇。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量為M，且M

如果b

如果M>N，那么AP就可以在N個(gè)STA中選擇b個(gè)允許傳輸數(shù)據(jù)的STA，Q記錄數(shù)為b，過(guò)剩STA將退避計(jì)時(shí)器掛起，而被選中的STA立即開(kāi)始同步上傳數(shù)據(jù)。同步上傳的數(shù)據(jù)幀大小不一，AP會(huì)根據(jù)最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)束上行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，并立即發(fā)出G-ACK控制幀通知所有STA（剛剛發(fā)送數(shù)據(jù)的b個(gè)STA被告知其數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，其余N-b個(gè)STA被告知其為過(guò)剩節(jié)點(diǎn)）。各過(guò)剩節(jié)點(diǎn)將其初始競(jìng)爭(zhēng)窗口值變成Cwgsmin（

與初始競(jìng)爭(zhēng)階段不同，接下來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)階段被稱(chēng)為混合競(jìng)爭(zhēng)階段，競(jìng)爭(zhēng)STA中包括普通節(jié)點(diǎn)和過(guò)剩節(jié)點(diǎn)，各STA在優(yōu)先級(jí)上存在一定的差別，過(guò)剩節(jié)點(diǎn)有一定的同步上行傳輸優(yōu)勢(shì)。

以上為傳輸條件理想情況，在STA上傳數(shù)據(jù)的過(guò)程中，AP會(huì)將收到的不同源IP地址數(shù)量與Q記錄的數(shù)量進(jìn)行比較，如果在AP發(fā)送G-CTS控制幀時(shí)信道發(fā)生異常、部分STA接收控制幀異常或者上傳數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生丟包，則AP無(wú)法得到與Q記錄相同的STA數(shù)量，AP會(huì)在一個(gè)短幀間間隙后重新發(fā)送一次G-CTS控制幀而不是G-ACK，接收到該控制幀的STA會(huì)立即響應(yīng)。如果第二次AP確認(rèn)得到與Q記錄相同的STA數(shù)量，則AP發(fā)出G-ACK并繼續(xù)運(yùn)行。如果第二次仍然無(wú)法確認(rèn)得到與Q記錄相同的STA數(shù)量，則停止廣播控制幀，AP不做任何響應(yīng)，各STA會(huì)進(jìn)行超時(shí)重傳，盡可能減少網(wǎng)絡(luò)延遲。

圖2描述了M個(gè)STA（S1～SM）進(jìn)行同步上行數(shù)據(jù)傳輸競(jìng)爭(zhēng)的情況，其中：S1到S3完成競(jìng)爭(zhēng)成功同步傳輸數(shù)據(jù);SM在子集中沒(méi)有被選中，被標(biāo)記成過(guò)剩節(jié)點(diǎn)，并繼續(xù)參與下一階段的混合競(jìng)爭(zhēng);BBO代表信道占用;Difs代表分布式幀間間隙（distributed interframe space）。

1.4 系統(tǒng)吞吐量模型

首先計(jì)算在一個(gè)時(shí)隙中至少有一個(gè)STA傳輸

2 系統(tǒng)性能評(píng)估

2.1 性能測(cè)試準(zhǔn)備

在無(wú)數(shù)據(jù)包丟失、無(wú)信號(hào)干擾、無(wú)路徑衰減、無(wú)數(shù)據(jù)包超時(shí)重傳的理想環(huán)境[13]下對(duì)高密度STA場(chǎng)景進(jìn)行仿真。分別觀察仿真場(chǎng)景下競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M分別為2、5、10、30、50時(shí)的情況。系統(tǒng)所使用的固定參數(shù)值見(jiàn)表2，其中G-CTS和G-ACK長(zhǎng)度為“基本控制幀+要告知的地址個(gè)數(shù)×地址長(zhǎng)度”。

有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值需要考慮，分別為第一階段選取的子集中STA數(shù)量N和混合競(jìng)爭(zhēng)過(guò)剩節(jié)點(diǎn)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值Cwgsmin。根據(jù)仿真觀察有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議模型對(duì)提升系統(tǒng)吞吐量的效果，以下仿真均是在飽和流量情況下進(jìn)行的。

2.2 子集中STA數(shù)量N的系統(tǒng)性能評(píng)估

保持AP天線(xiàn)數(shù)量b=6不變，N的數(shù)量從4變化到15，觀察系統(tǒng)吞吐量隨N的變化情況。由圖3可知：除競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M=2時(shí)的曲線(xiàn)之外，M為其他值時(shí)的曲線(xiàn)顯示系統(tǒng)吞吐量都隨N的增大先增大后減小，在N=13附近達(dá)到峰值。這說(shuō)明子集中STA數(shù)量N不是越大越好，最優(yōu)解在N=13附近，更大的N會(huì)使第二混合階段的幀碰撞增加，從而造成系統(tǒng)吞吐量減少。

2.3 過(guò)剩節(jié)點(diǎn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值的系統(tǒng)性能評(píng)估

保持AP天線(xiàn)數(shù)量b=6不變，第一階段子集中STA數(shù)量N=13，改變不同的過(guò)剩節(jié)點(diǎn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗

口值Cwgsmin，觀察不同競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。由圖4可知：除競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M=2的曲線(xiàn)之外，M為其他值的曲線(xiàn)顯示系統(tǒng)吞吐量都隨Cwgsmin的增大先緩慢增大后緩慢減小，分別在Cwgsmin為22和24時(shí)取得最大值。這說(shuō)明調(diào)整Cwgsmin對(duì)系統(tǒng)性能非常重要：Cwgsmin過(guò)小會(huì)導(dǎo)致過(guò)剩節(jié)點(diǎn)容易選取相同的退避值，造成數(shù)據(jù)幀碰撞，影響系統(tǒng)吞吐量;隨著Cwgsmin的不斷增大，STA競(jìng)爭(zhēng)逐漸沒(méi)有差別，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

HEGDE等[14]提出了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)服務(wù)增強(qiáng)協(xié)議（簡(jiǎn)稱(chēng)ADWISER），該協(xié)議要求STA競(jìng)爭(zhēng)接入介質(zhì)必須受中央控制節(jié)點(diǎn)調(diào)度，這樣能夠減輕信道之間的相互干擾和信道上下行傳輸?shù)牟还叫?，并增?qiáng)AP的數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列和中央調(diào)度控制。本文用OHC與ADWISER做對(duì)比試驗(yàn)。

2.4 有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型與ADWISER模型的系統(tǒng)性能比較

為驗(yàn)證有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型的性能，通過(guò)仿真比較采用混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)與采用ADWISER模型時(shí)系統(tǒng)性能的差異。對(duì)于有序混合競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵參數(shù)取值為：子集中STA數(shù)量N=13，參數(shù)過(guò)剩節(jié)點(diǎn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值Cwgsmin=23.

固定數(shù)據(jù)傳輸率為13 Mbit/s，采用有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型和ADWISER模型仿真時(shí)的其他參數(shù)相同，見(jiàn)表2。通過(guò)改變競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M，比較采用兩種模型時(shí)的系統(tǒng)吞吐量。由圖5可知：在M不斷增大的情況下，采用有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)系統(tǒng)吞吐量始終保持較低的下降速度，優(yōu)于采用ADWISER模型時(shí)的結(jié)果;當(dāng)采用有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)，天線(xiàn)數(shù)量越多系統(tǒng)的吞吐量指標(biāo)越好。這說(shuō)明有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型能夠更好地適應(yīng)較多STA競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景。

保持競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量M=20不變，讓各STA不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過(guò)同步不斷增大各STA的數(shù)據(jù)傳輸率，比較采用混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)與采用ADWISER模型時(shí)系統(tǒng)性能的差異。由圖6可知：隨著各STA數(shù)據(jù)傳輸速率的增大，采用ADWISER模型時(shí)系統(tǒng)的吞吐量增長(zhǎng)速率明顯低于采用混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)系統(tǒng)的吞吐量增長(zhǎng)速率;當(dāng)采用有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)，

天線(xiàn)數(shù)量越多系統(tǒng)的吞吐量指標(biāo)越好。這說(shuō)明隨著數(shù)據(jù)傳輸速率增大，采用有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)系統(tǒng)能夠保持更好的性能，且更能夠適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的高數(shù)據(jù)傳輸速率環(huán)境。

3 結(jié) 論

本文提出的有序混合競(jìng)爭(zhēng)媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議旨在提升高密度工作站（STA）場(chǎng)景下的上行多數(shù)據(jù)幀同步傳輸質(zhì)量。為量化有序混合競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議，建立了有關(guān)競(jìng)爭(zhēng)窗口的系統(tǒng)吞吐量數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真高密度STA分布式隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入信道場(chǎng)景，改變不同的參數(shù)值和競(jìng)爭(zhēng)STA數(shù)量，觀察系統(tǒng)吞吐量的變化情況。仿真表明，有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型對(duì)較多STA競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景系統(tǒng)性能提升較明顯，說(shuō)明了有序混合競(jìng)爭(zhēng)模型的有效性。

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（編輯 賈裙平）