密集用戶場景下802.11ax WiFi網(wǎng)絡(luò)的干擾控制優(yōu)化

王冰穎，方旭明

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756)

0 引 言

近年來，隨著用戶日益增長的服務(wù)需求，無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN)終端設(shè)備不斷增加，無線環(huán)境變得越來越復(fù)雜，環(huán)境的變化對無線保真(wireless fidelity, WiFi)設(shè)備的干擾影響是無法準(zhǔn)確度量的，給干擾分析和干擾抑制帶來了難度。而無線網(wǎng)絡(luò)的干擾管理研究主要依靠干擾協(xié)調(diào)和協(xié)同傳輸，干擾消除或者干擾對齊一般難以實(shí)現(xiàn)。IEEE802.11ax協(xié)議為解決密集場景下的覆蓋問題，提出了多項(xiàng)多用戶介質(zhì)訪問控制(multi user medium access control, MU-MAC)增強(qiáng)技術(shù)[1]，為協(xié)調(diào)干擾、協(xié)同傳輸以及提高并發(fā)能力提供了新的解決思路，相關(guān)文獻(xiàn)對此進(jìn)行了大量研究。在干擾協(xié)調(diào)方面，802.11ax打破了傳統(tǒng)的802.11協(xié)議使用固定載波偵聽門限(carrier sense threshold, CST)的慣例，并且為頻譜資源的豐富和資源塊(resource unit, RU)劃分提供了更多的調(diào)度可能。在協(xié)同傳輸方面，一般需要共享數(shù)據(jù)資源，協(xié)同波束的傳輸更需要大量天線和信道探測開銷。而對于WiFi功率控制，802.11標(biāo)準(zhǔn)中對具體實(shí)現(xiàn)并沒有明確規(guī)定，屬于開放問題。我們認(rèn)為，其中的關(guān)鍵問題是如何利用設(shè)備的功率協(xié)調(diào)干擾，同時(shí)盡可能簡化傳遞的信息和算法。

功率協(xié)調(diào)的本質(zhì)可以抽象為一個(gè)搜索優(yōu)化問題，而通過啟發(fā)式算法協(xié)調(diào)功率提升系統(tǒng)性能的研究也并不少見。文獻(xiàn)[2]利用一種啟發(fā)式算法解決基站操作關(guān)聯(lián)，但只涉及簡單的基站開閉。文獻(xiàn)[3-5]在其他無線網(wǎng)絡(luò)中研究使用啟發(fā)式算法改善系統(tǒng)能效，但在已知范圍內(nèi)少有將WiFi網(wǎng)絡(luò)干擾管理和啟發(fā)式算法兩者結(jié)合在一起的。實(shí)際上，我們可以將無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題建模為馬爾可夫決策過程(Markov decision process, MDP)，以描述系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。但是，由于MDP具有許多變量，求解較為困難，因此，我們探索用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來求解。

無論是啟發(fā)式算法還是強(qiáng)化學(xué)習(xí)都需要一個(gè)計(jì)算中心，現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)主要使用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得無線資源的管理效率很低，而中心控制式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以使用全局信息來對接入點(diǎn)(access point, AP)和用戶設(shè)備(user equipment, UE) 進(jìn)行統(tǒng)一管理，對無線資源的管理效率更高[6-7]。因此，本文針對802.11ax基于中心的架構(gòu)，假設(shè)本文研究對象密集WiFi網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)控制中心器可以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制算法。

本文針對WiFi密集用戶網(wǎng)絡(luò)場景的干擾管理進(jìn)行研究，考慮場景中存在一個(gè)可以計(jì)算和暫時(shí)控制周圍接入點(diǎn)的中心接入點(diǎn)，把多接入點(diǎn)的干擾管理問題抽象成一個(gè)多目標(biāo)的資源分配問題，根據(jù)提出的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，通過改進(jìn)遺傳算法(genetic algorithm，GA)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)(reinforcement learning, RL)協(xié)調(diào)功率來控制干擾，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量前提下，通過感知系統(tǒng)容量的上升實(shí)現(xiàn)干擾最小化。

1 問題場景與建模

1.1 密集用戶網(wǎng)絡(luò)場景

下一代IEEE中有提案提到將AP分為主從AP，本文主要將主控接入點(diǎn)(master access point，MAP)作為控制中心，服務(wù)訪問點(diǎn)(slave access point，SAP)作為主要服務(wù)用戶的AP，在一個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)AP同時(shí)工作，工作在5 GHz頻段，用戶隨機(jī)均勻分布，移動性較低，用戶分布如圖1。

圖1 密集用戶場景示意圖Fig.1 Dense user scenario diagram

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)由若干AP和若干用戶組成，AP共享頻譜，其中單個(gè)AP服務(wù)N個(gè)UE。用戶受到的同頻干擾主要來自于其他AP的能量泄露。所以，對應(yīng)的UE的信噪比為

SINRij=

(1)

(1)式中：Pt,ij是第j個(gè)UE對應(yīng)的第i個(gè)AP的發(fā)射功率；Gt,ij是第j個(gè)UE對應(yīng)的AP的發(fā)射天線增益；Gr,ij是第j個(gè)UE的接收天線增益；Gh,ij是第i個(gè)UE與提供服務(wù)的AP之間的信道增益，包括大尺度衰落和小尺度衰落；Pt,ab→ij·Gt,ab→ij·Gr,ab→ij·Gh,ab→ij代表其他APa與用戶b之間的通信鏈路對APi與用戶j通信鏈路產(chǎn)生的干擾。為了簡化方便，本文只考慮下行鏈路的吞吐率為

(2)

(2)式中：C表示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐率；Rij表示第i個(gè)AP第j個(gè)UE對應(yīng)的吞吐率；Bij是第j個(gè)UE對應(yīng)的第i個(gè)AP的帶寬。

1.2 干擾優(yōu)化目標(biāo)

本文關(guān)注的是降低WiFi網(wǎng)絡(luò)間的同頻干擾，同頻干擾的優(yōu)化實(shí)質(zhì)上是提高用戶服務(wù)滿意度，而對于用戶來說，AP發(fā)射功率在滿足傳輸需要的同時(shí)盡可能少地受到來自其他AP的干擾。但用戶需要的服務(wù)速率越高，往往要求的發(fā)射信號強(qiáng)度越高，AP的發(fā)射功率都增加時(shí)干擾也會增強(qiáng)，且用戶使用設(shè)備也需要低功耗來維持長時(shí)間的使用，則在提升容量性能和縮小功耗的問題上，可能是一種博弈。由于干擾信號較小且難以測量，干擾優(yōu)化的目的主要是提升系統(tǒng)吞吐性能，將系統(tǒng)吞吐率提升設(shè)為干擾優(yōu)化的主要目標(biāo)。

由于802.11ax的物理層是基于正交頻分復(fù)用技術(shù) (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)考慮到無線硬件是線性功率放大器件，長期處于極值的狀態(tài)可能會加大損耗，降低使用壽命或?qū)е滦盘柺д鎇8]，為可持續(xù)地使用功率放大器件，需要使其穩(wěn)定在線性區(qū)間內(nèi)，因此，對平均功率作出如下約束

(3)

為系統(tǒng)性能平滑，一般對于單個(gè)AP，每次功率調(diào)整的步長不宜太大。若P0為調(diào)整前的功率值，則最小功率調(diào)整步長為

(4)

綜上，為了在系統(tǒng)總功耗最小的情況下實(shí)現(xiàn)最大的用戶滿意度，得到最優(yōu)的系統(tǒng)能效，建立優(yōu)化模型表示為

(5)

(5)式中：Pt,i是第i個(gè)AP的發(fā)射功率；P0,i是第i個(gè)AP調(diào)整前的發(fā)射功率；Pt,max是AP發(fā)射功率最大值。

2 干擾優(yōu)化算法

2.1 基于改進(jìn)的遺傳算法的干擾優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化模型，不難看出干擾優(yōu)化被抽象成有關(guān)發(fā)射功率的尋優(yōu)問題，根據(jù)信噪比公式可知在帶寬、天線增益等參數(shù)固定的情況下，發(fā)射功率和吞吐率完全是正相關(guān)的，但理想的優(yōu)化目標(biāo)也希望發(fā)射功率盡可能小。本文采用遺傳算法綜合考慮系統(tǒng)的干擾情況和業(yè)務(wù)滿足能力，參考小生境算法的思想[9]，在遺傳過程中同時(shí)并行搜索結(jié)果，使其合成精英種群，加強(qiáng)全局搜索能力，以AP的隨機(jī)發(fā)射功率作為遺傳算法的初始解，每次迭代后在種群中選擇一定比例優(yōu)秀的結(jié)果，然后，同時(shí)讓他們迭代若干次，記錄每一次的最優(yōu)結(jié)果，直到解集趨于穩(wěn)定。

遺傳算法的核心是其目標(biāo)函數(shù)，從(5)式可以看出，約束C1和C2會和核心目標(biāo)最大化吞吐率有一定沖突，同時(shí)約束C1和C2待優(yōu)化的目標(biāo)也是發(fā)射功率，求最小值也相當(dāng)于求負(fù)的最大值，因此，將目標(biāo)函數(shù)定義為適應(yīng)度f(Sl)，表示為

(6)

(6)式中：CSl為基因Sl對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐率；Cmax為802.11ax協(xié)議下系統(tǒng)的吞吐率最大值。

可以根據(jù)對目標(biāo)的期盼程度對影響權(quán)重參數(shù)α,β,γ進(jìn)行調(diào)整。α主要表征吞吐率影響，α越大表示對算法推算的吞吐率期望高，必要時(shí)可以犧牲一定的功率代價(jià)；β,γ分別表征對系統(tǒng)平滑過渡和平均功率的期望。期望f(Sl)>0，同時(shí),由于吞吐率為核心目標(biāo)，經(jīng)過我們反復(fù)分析和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α=0.4,β=0.6,γ=0.6;α=1,β=0.6,γ=0.4;α=1,β=0.4,γ=0.6等設(shè)定參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的吞吐率提升不足1%，而只有當(dāng)參數(shù)α∈(0.5,1],β∈[0,0.5],γ∈[0,0.5],α>β+γ時(shí)，系統(tǒng)性能處于較為理想的范圍。一組AP的發(fā)射功率構(gòu)成基因Sl，表示為

Sl={Pt,1,…,Pt,M}s.t.Pt,i∈[0,Pt,max]

(7)

基于當(dāng)前場景，優(yōu)化目標(biāo)的改進(jìn)遺傳算法步驟如下。

步驟1隨機(jī)化生成一組AP發(fā)射功率作為初始解S0，1～N_SS個(gè)包含初始解的種群大小為Nind的子種群SS，子種群合并為S，設(shè)置最大迭代次數(shù)genMax，精英比例Px等參數(shù);

步驟2對每個(gè)子SS執(zhí)行遺傳算法，計(jì)算種群SS中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值f(Sl);

步驟3降序排列適應(yīng)度值f(Sl)，選擇數(shù)量為genMax·Px的優(yōu)異個(gè)體放入集合SG;

步驟5重復(fù)步驟2，步驟3，直到迭代得到S中最優(yōu)解Sl-best。

2.2 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的干擾優(yōu)化

強(qiáng)化學(xué)習(xí)已被證明是通信和計(jì)算系統(tǒng)中資源分配的有效解決方案之一。通過與環(huán)境交互的即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)反饋，RL代理可以相應(yīng)地生成(接近)最佳控制動作[10]。Q學(xué)習(xí)[11](Q-learning, QL)是一種典型的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，同遺傳算法相比，學(xué)習(xí)算法更加簡單，不存在種群的概念，僅根據(jù)反饋調(diào)整單個(gè)目標(biāo)。根據(jù)遺傳算法的設(shè)置，發(fā)射功率的狀態(tài)是離散的，調(diào)整發(fā)射功率的動作也是離散的，并且狀態(tài)執(zhí)行動作時(shí)會不連續(xù)地更改。因此，本文將QL用于當(dāng)前場景干擾優(yōu)化，假設(shè)：①當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)S：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)AP的發(fā)射功率的設(shè)定值，S={S0,…Sl,…}，其中，Sl是本次觀測的初始狀態(tài)推測出的轉(zhuǎn)移狀態(tài)，與遺傳算法中的個(gè)體相同；②動作空間A：一次對于發(fā)射功率的調(diào)整，由于這種調(diào)整的可能性比較多，且隨著AP數(shù)目變化，將其定為數(shù)目為K的隨機(jī)動作α，其中,α∈A，α與Sl規(guī)模相同，α中元素有0,±δ這3種值，δ為調(diào)整步長；③反饋信號rt：由適應(yīng)值f(Sl)與上一次的差值決定，可直觀的體現(xiàn)本次策略調(diào)整相比于上一次的好壞，保證了策略更新的優(yōu)化。其中策略更新的規(guī)則為

Qt+1(Sl,a)=(1-σ)Qt(Sl,a)+

(8)

(8)式中：Qt+1(Sl,a)是下一次Q值表中對應(yīng)狀態(tài)Sl；Sl’是當(dāng)前觀察到的狀態(tài)；α’是觀察時(shí)選擇的動作；σ∈(0,1]為學(xué)習(xí)率，σ=1/(1+Nα(x))，Nα(x)是迭代x次后選擇動作的次數(shù)，隨著迭代次數(shù)趨于無窮，若Q值經(jīng)歷無數(shù)多次更新，最終收斂于最優(yōu)策略；τ∈(0,1)為時(shí)間折現(xiàn)因子，是一個(gè)常數(shù)，它體現(xiàn)了未來回報(bào)相對當(dāng)前回報(bào)的重要性，τ值越高表示當(dāng)前回報(bào)越高。

基于當(dāng)前場景優(yōu)化目標(biāo)的學(xué)習(xí)算法步驟如下。

步驟1隨機(jī)化生成一組AP發(fā)射功率作為初始狀態(tài)S0，1～K個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的動作集A;

步驟2獲取當(dāng)前狀態(tài)下的Qmax值，根據(jù)Qmax值選擇行為a;

步驟3計(jì)算執(zhí)行行為a后的適應(yīng)值f(Sl);

步驟4根據(jù)適應(yīng)值f(Sl)與上一次的差值判斷干擾改善情況，決定反饋值rt;

2)預(yù)加載結(jié)束后開始正式加載至試件破壞，加載過程時(shí)間不少于15 min，因此加載速度定在80 kN/min；

步驟5根據(jù)(8)式更新Q值表;

步驟6重復(fù)步驟2—5，直到得到S中最優(yōu)狀態(tài)Sl-best。

由于期望狀態(tài)是吞吐率和發(fā)射功率的一個(gè)折中，算法期望通過采取合適的行為將初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到一個(gè)更好的狀態(tài)，因此，在有限的迭代中找到最好的折衷態(tài)即可。

3 仿真結(jié)果與分析

使用MATLAB對所提的干擾管理方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)1.1節(jié)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)場景，以及對1.2節(jié)優(yōu)化目標(biāo)使用所提算法對系統(tǒng)干擾進(jìn)行優(yōu)化，在適應(yīng)度函數(shù)中對一些條件進(jìn)行約束，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)對優(yōu)勢基因進(jìn)行選擇，得到隨迭代次數(shù)變化的情況，本文的仿真結(jié)果也與其他應(yīng)用于無線場景中的啟發(fā)式算法[12-13]進(jìn)行了對比。仿真依據(jù)802.11ax協(xié)議，假設(shè)無干擾情況下滿足最大調(diào)制編碼策略(modulation and coding scheme, MCS)的速率對應(yīng)的功率為最大發(fā)射功率，滿足MCS7的功率為平均發(fā)射功率，工程上可按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置，其他相關(guān)參數(shù)[14-15]如表1。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameter values

圖2對比了固定AP數(shù)和UE數(shù)時(shí)使用遺傳算法，自適應(yīng)調(diào)整概率的遺傳算法(adaptive genetic algorithm ，AGA)，改進(jìn)遺傳算法(improved genetic algorithm ，IGA)，粒子群算法(particle swarm optimization ，PSO)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法情況下隨著迭代次數(shù)變化的平均吞吐率仿真，仿真中的平均吞吐率是包含了一定的通信和計(jì)算開銷，反映了各算法執(zhí)行的吞吐率水平。從圖 2中可知，優(yōu)化算法的迭代次數(shù)和系統(tǒng)平均吞吐率基本成正比，QL得到的吞吐率在迭代會有一定的波動，總體呈上升趨勢，且在第14次反超改進(jìn)遺傳算法，第18次迭代時(shí)達(dá)到吞吐率峰值，相比遺傳算法、自適應(yīng)遺傳算法、PSO、改進(jìn)遺傳算法分別提升約3%，2%，2%，1‰。相比于其他論文中應(yīng)用的啟發(fā)式算法可以看出，改進(jìn)的遺傳算法可以更加快速地反應(yīng)，吞吐率在第2次迭代時(shí)有明顯提升，之后又下降是因?yàn)樗阉鞯降陌l(fā)射功率值太高，雖然吞吐率明顯提升，但適應(yīng)度并不高，之后被其他搜索結(jié)果取代，搜索第5次后基本趨于穩(wěn)定，隨著迭代次數(shù)的增加，其提升效果趨于穩(wěn)定，如果迭代次數(shù)足夠大，可能結(jié)果與其他啟發(fā)式算法趨同。

圖2 用戶平均吞吐率對比Fig.2 User average throughput comparison

圖3和圖4分別是不同算法下隨著迭代次數(shù)變化的適應(yīng)度值趨勢和適應(yīng)度的累計(jì)分布函數(shù)(cumulative distribution function，CDF)，從圖3可以看出，應(yīng)用QL算法和改進(jìn)遺傳算法整體提高了適應(yīng)度，即在提升吞吐的情況下盡可能滿足了減小發(fā)射功率穩(wěn)定平均功率的限制，綜合考慮了使用情況，結(jié)果趨向于收斂，反映了對單次功率調(diào)整能力要求較小，便于硬件的保護(hù)，延長使用壽命。圖 4對不同的適應(yīng)度CDF進(jìn)行了對比，可以看出，應(yīng)用QL算法調(diào)整基站發(fā)射功率能夠比較快速地提升適應(yīng)度，滿足系統(tǒng)期望的目的，而改進(jìn)遺傳算法前期反應(yīng)速度比較快，且搜索比較全面，但結(jié)果與其他優(yōu)化算法差別不大，總的來說，所提算法保證了用戶的通信質(zhì)量且易于實(shí)現(xiàn)。

圖3 不同算法適應(yīng)度對比Fig.3 Fitness comparison under different algorithms

圖4 適應(yīng)度累積分布函數(shù)對比Fig.4 Cumulative distribution functions of fitness

4 結(jié)束語

本文針對密集用戶場景下802.11ax網(wǎng)絡(luò)，同頻設(shè)備功率損耗大并且相互之間干擾嚴(yán)重的情況，基于本文中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種干擾協(xié)調(diào)方案。仿真結(jié)果表明，一定條件下額外的開銷是值得的，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法和改進(jìn)遺傳算法在考慮了基站對功率的調(diào)節(jié)能力和持久服務(wù)能力下能提升系統(tǒng)吞吐率，達(dá)到期望目的。值得一提的是，所提方案需要?jiǎng)討B(tài)地協(xié)調(diào)干擾，基站之間需要交互彼此的發(fā)射功率信息和協(xié)調(diào)調(diào)度用戶，無疑增加了信令開銷和計(jì)算開銷。