IEEE802.11ah RAW分組研究

蔣美佳

摘要：IEEE 802.11ah主要針對(duì)大范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)，提供高達(dá)1公里的傳輸范圍，一個(gè)接入點(diǎn)（AP）可處理大約8，000個(gè)節(jié)點(diǎn)。802.11ah標(biāo)準(zhǔn)提出了一個(gè)基于組的競(jìng)爭(zhēng)方案來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)性能下降問(wèn)題，但是它不能很好的解決這一問(wèn)題，所以，研究者對(duì)RAW分組機(jī)制進(jìn)行了大量的改進(jìn)，來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

關(guān)鍵詞：802.11ah，AP，RAW分組機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)性能

1.概述

RAW 機(jī)制旨在減少信道訪問(wèn)沖突。RAW對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，通過(guò)僅允許特定時(shí)間內(nèi)特定節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道來(lái)減少信道競(jìng)爭(zhēng)。RAW 工作機(jī)制描述如圖1所示，由圖1可知，信道時(shí)間被分為不同的時(shí)間間隔，每個(gè)間隔被分配給一個(gè)RAW分組，每個(gè)RAW分組包含一定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)。帶有 RAW 參數(shù)信息的 信標(biāo) RPS 規(guī)定了每個(gè)分組所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)、起始時(shí) 間及時(shí)長(zhǎng)。此外，每個(gè) RAW 分組被進(jìn)一步均勻劃分為多個(gè)時(shí)隙（slot），因此，RPS 還包含時(shí)隙數(shù)量、時(shí)隙格式和時(shí)隙持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器等，時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)計(jì) 算如式（1）所示。

D=500 μs+C×120 μs ? ? ?（1）

其中，C表示時(shí)隙持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)子字段，若時(shí)隙格式子域被設(shè)置為1或0，則相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間計(jì) 數(shù)器包含 y = 11 bit 或 y = 8 bit，時(shí)隙的數(shù)量子域 包含（14–y）bit。根據(jù)時(shí)隙格式子域的取值分配時(shí) 隙時(shí)長(zhǎng)，如果時(shí)隙數(shù)量不超過(guò) 8，則每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)不超過(guò) 246.14 ms;如果時(shí)隙數(shù)量不超過(guò)64，則每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)不超過(guò) 31.1 ms。

2.原始RAW機(jī)制存在的問(wèn)題

IEEE 802.11ah主要針對(duì)大范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)，提供高達(dá)1公里的傳輸范圍，一個(gè)接入（AP）可處理大約8，000個(gè)節(jié)點(diǎn)。首先，與傳統(tǒng)的802.11a/b/g/n/ac網(wǎng)絡(luò)相比，802.11ah網(wǎng)絡(luò)具有更多的隱藏對(duì)。會(huì)導(dǎo)致包經(jīng)常碰撞，數(shù)據(jù)包很難傳輸成功。其次，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道，在包退避等待上會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的浪費(fèi)。在一定的程度上都降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。所以RAW分組機(jī)制對(duì)802.11ah很有幫助，802.11ah標(biāo)準(zhǔn)提出了一個(gè)基于組的競(jìng)爭(zhēng)方案中對(duì)節(jié)點(diǎn)分組只通過(guò)節(jié)點(diǎn)AID進(jìn)行操作，沒(méi)有考慮其他的一些因素，比如，距離、信號(hào)強(qiáng)度、速率等。本文將對(duì)提出的不同RAW分組方案進(jìn)行分析。

3.RAW分組機(jī)制優(yōu)化

IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)在MAC層引入了基于分組的限制接入窗口（RAW，restricted access window）機(jī)制[1]，將傳感節(jié)點(diǎn)劃分多個(gè)組，并為每個(gè)組分配 一個(gè) RAW時(shí)隙，屬于同一個(gè)時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道，在一定程度上減少了節(jié)點(diǎn)間的碰撞。然而，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未充分發(fā)揮 RAW 分組性能優(yōu)勢(shì)，僅簡(jiǎn)單地將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配到固定數(shù)量的RAW組中。RAW 優(yōu)化相關(guān)研究如表1所示.

因此，文獻(xiàn)[4-7]假設(shè)分組數(shù)目已知，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)劃分到不同的 RAW 分組以減少隱藏節(jié)點(diǎn)。Wang 等[7]提出一種建立在概率論的基礎(chǔ)上的，用來(lái)評(píng)估設(shè)備在發(fā)送一個(gè)原始數(shù)據(jù)包時(shí)可能陷入的各種狀態(tài)的傳輸概率的一種適應(yīng)RAW大小的訪問(wèn)窗口算法，尋找RAW 分組中最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，優(yōu)化能源效率。但該算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)一定概率主動(dòng)選擇其所屬RAW 時(shí)隙，違反了 HaLow 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該問(wèn)題同時(shí)也存在于文獻(xiàn)[8-9]的方案中。Nawaz 等[9]認(rèn)為IEEE802.11ah標(biāo)準(zhǔn)中將一個(gè) RAW分組中的節(jié)點(diǎn)平均分配給若干個(gè)子時(shí)隙，可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于平均值的情況，而每個(gè)時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)卻是一樣的，就會(huì)造成信道的利用不充分。因此，提出了一個(gè)模型，其中整個(gè)原始幀被分為兩個(gè)子幀，每個(gè)子幀由幾個(gè)原始槽組成。分組根據(jù)其大小被組織到集合中，每個(gè)集合被分配到一個(gè)子框架中。最后根據(jù)組的大小在每個(gè)子幀中選擇一個(gè)RAW時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間。

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種服務(wù)質(zhì)量（QoS，quality of service）感知調(diào)度算法，通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)分組，滿足QoS節(jié)點(diǎn)的需求。Chang 等[11] 認(rèn)為分組的性能與設(shè)備的異構(gòu)流量需求密切相關(guān)，并提出了一種負(fù)載均衡的分組算法來(lái)提高各分組的信道利用率。假設(shè)AP已知各節(jié)點(diǎn)的流量，并且明確RAW分組數(shù)目，將流量均勻分配到不同的RAW分組中。更進(jìn)一步地，Chang 等[12] 提出了一種流量感知的傳感器分組算法，提高了所有組的通道利用率，從而能夠服務(wù)于更多的設(shè)備。根據(jù)兩個(gè)極端情況（即飽和狀態(tài)和每個(gè) RAW 分組發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包）的吞吐量結(jié)果，推導(dǎo)出了一個(gè)回歸模型，以此確定任意流量下RAW分組數(shù)目和時(shí)長(zhǎng)。然而，建模時(shí)未考慮RAW時(shí)隙長(zhǎng)度有限這一約束。其分組方法也并未考慮 到 RAW 分組的實(shí)現(xiàn)方法，僅僅提出了優(yōu)化 RAW 分組的方法。同時(shí)，該方法分組時(shí)采用固定的分組數(shù)，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的上行流量強(qiáng)度有可能因時(shí)間而改變，算法應(yīng)該適應(yīng)這些變化。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確流量強(qiáng)度能夠由AP隨時(shí)得到，這在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中并不能現(xiàn)實(shí)。文獻(xiàn)[12]假設(shè) RAW 分組的數(shù)量及其持續(xù)時(shí)間已知，只需解決節(jié)點(diǎn)的分組問(wèn)題。

文獻(xiàn)[13]假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸具有一定的頻率，并可能隨時(shí)間變化，提出了一種流量自適應(yīng) RAW 實(shí)時(shí)優(yōu)化算法（TAROA）。TAROA算法在每個(gè)目標(biāo)信標(biāo)傳輸時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，首先，基于AP在上一個(gè)信標(biāo)間隔期間獲得的傳輸信 息來(lái)估計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸頻率，然后，根據(jù)估計(jì)的傳輸頻率以及飽和狀態(tài)下 RAW 參數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系，確定RAW分組數(shù)目及時(shí)長(zhǎng)。Tian等[14]提出了一種實(shí)時(shí)流量自適應(yīng) RAW 分組優(yōu)化算法，接入點(diǎn)（AP，access point）通過(guò)檢測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在前一個(gè)信標(biāo)內(nèi)的傳輸信息來(lái)確定在下一個(gè)信標(biāo)內(nèi)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的資源量。該分組算法可以提高動(dòng)態(tài)異構(gòu)無(wú)線傳感器中的上行鏈路吞吐量，但并未解決RAW分組依賴節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)符連續(xù)的問(wèn)題，其分組數(shù)由相鄰 節(jié)點(diǎn) AID 的連續(xù)性決定，這可能導(dǎo)致分組數(shù)過(guò)多，RAW分組的時(shí)間開銷增大。文獻(xiàn)[2-3]在 增強(qiáng)的TAROA的基礎(chǔ)上，建立了關(guān)于RAW的代理模型，并基于該模型而不是飽和狀態(tài)來(lái)確定最優(yōu)的RAW分組。文獻(xiàn)[2]實(shí)現(xiàn)了對(duì)吞吐量的優(yōu)化，而文獻(xiàn)[3]則同時(shí)支持對(duì)吞吐量和功耗的優(yōu)化。

4.總結(jié)

隨著對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，提高互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定以及低消耗、信號(hào)覆蓋面廣是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，這也將促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。IEEE802.11ah的RAW分組技術(shù)的改進(jìn)優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的性能，同時(shí)，IEEE802.11ah技術(shù)憑借其自身的信號(hào)傳輸穩(wěn)定、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)將作為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，在未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)一席之地，為未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展指明了方向。

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（作者單位：揚(yáng)州大學(xué)）