可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)研究設(shè)計

高笛煙，黃澤豪

（福州大學(xué) 梅努斯國際工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們期望更便捷地接入互聯(lián)網(wǎng)，從而獲得更多的信息和服務(wù)。通信行業(yè)研究人員希望解決傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)在地理位置和連接方式等方面的局限性，為用戶提供更好的服務(wù)［1］。在此背景下，無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）應(yīng)運而生。無線局域網(wǎng)主要由四種主要的實體元件組成，即接入點（Access Point，AP）、工作站（Station，STA）、無線媒介（Wireless Medium）以及分布式系統(tǒng)（Distribution System，DS）。在基礎(chǔ)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過AP 轉(zhuǎn)發(fā)，彼此之間無法直接通信。雖然會占用較多資源，但可以有效提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和易管控性。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，信息、社交、娛樂等應(yīng)用也出現(xiàn)了爆炸式的增長，大量的圖像、音頻、視頻等多媒體信息都要通過無線局域網(wǎng)進行傳輸，這對現(xiàn)有的無線帶寬資源造成了前所未有的挑戰(zhàn)［2］。

在采用IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 中，各站點之間的信道資源共享方式、站點發(fā)送/接收的時間等都取決于介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層的訪問機制。因此，MAC 層的訪問效率直接關(guān)系到整個無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能［3］。本文主要針對可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)展開設(shè)計與研究，以改善網(wǎng)絡(luò)在高密度情況下的吞吐量，從而實現(xiàn)更好的服務(wù)品質(zhì)。

1 可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)設(shè)計

1.1 無線局域網(wǎng)業(yè)務(wù)分類

當(dāng)前，無線局域網(wǎng)中的業(yè)務(wù)根據(jù)其重要性可以分成話音、視頻、盡力而為以及背景類這四種。其中，話音業(yè)務(wù)具有一定的業(yè)務(wù)流，具有低的服務(wù)速度，但是存在巨大的延遲和延遲抖動［4］。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高，因此，一般的視頻業(yè)務(wù)都有很好的緩沖區(qū)，相對于話音業(yè)務(wù)，所能容許的時延和時延抖動更大。盡力而為和背景類業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)需求不高，但當(dāng)有足夠的資源時，為了保障其他業(yè)務(wù)的服務(wù)品質(zhì)，應(yīng)該將多余的資源分配給盡力而為和背景類業(yè)務(wù)，以提高整體的吞吐量［5］。

以上四種無線控制器（Access Controller，AC）業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求各不相同。如果四種AC 業(yè)務(wù)都從全部資源單元（Resource Units，RU）中隨機選取一個RU 進行傳輸，那么不同的AC 業(yè)務(wù)就會在同一RU 內(nèi)發(fā)生沖突。AP 在統(tǒng)計訪問結(jié)果時，僅能估算出全部AC 接入的STA 總數(shù)，不能知道每個AC 對應(yīng)的STA 數(shù)目，因此不能精確地分配RU和調(diào)節(jié)它們的接入概率［6］。本課題將RU 分為RU_VO，RU_VI，RU_BE 及RU_BK 四種類型，分別對應(yīng)于AC_VO，AC_VI，AC_BE 及AC_BK。也就是說，每個AC 的通信服務(wù)僅能通過它相應(yīng)的RU 進行數(shù)據(jù)傳輸。AP 可以根據(jù)每一種RU 的接入狀況來估算相應(yīng)的AC 的STA 數(shù)目，由此調(diào)節(jié)RU 的分布和AC 傳輸?shù)母怕剩跘C］，以便迅速、精確地分配資源，從而保證服務(wù)質(zhì)量［7］。

1.2 可自適應(yīng)選擇接入機制的傳輸流程

為了更好地利用WLAN 多信道傳輸?shù)奶匦?，保證其上行接入的質(zhì)量，提高系統(tǒng)的資源利用率，保證用戶接入的公平性，本課題設(shè)計了無線局域網(wǎng)的可自適應(yīng)選擇接入機制，具體傳輸流程［8］如圖1 所示，主要包括4 個步驟，分別介紹如下。

圖1 可自適應(yīng)選擇接入機制的傳輸流程

1.2.1 步驟1

AP 在退避結(jié)束之后，傳送一個觸發(fā)幀，以接入信道，并觸發(fā)一個上行接入流程。假設(shè)這一次是一個上行訪問。AP 所傳送的觸發(fā)幀中包括了RU 所分配的情形和每一種AC 的傳輸概率τ［AC］，假設(shè)在這一時刻，AP 所擁有的RU 總數(shù)是Mi，所有這些都將進行隨機接入。當(dāng)Mi＜4 時，AP 不能為每個AC 指定特定的RU，因為RU 的總數(shù)太小，所以這個傳輸過程使用了一個區(qū)別優(yōu)先權(quán)的UORA機制［9］。當(dāng)Mi≥4 時，可以為每個類型的AC 指定專門的RU，具體可以分成兩個不同的情形。

（1）在該上行接入是在系統(tǒng)開始之后的首個上行接入或第i-1 次上行接入時，系統(tǒng)的RU 總數(shù)Mi-1＜4。因為不能獲得每一個AC 中的STA 數(shù)量信息，所以AP 盡量將RU 平均分配給每一個AC。也就是給每個AC 分配［Mi/4］個RU，剩下的RU 分配給AC_VO。每個類型AC 的傳輸概率τ［AC］都是1。AP 利用觸發(fā)幀將每個AC 的RU 分配結(jié)果和τ［AC］發(fā)送至所有STA［10］。

（2）當(dāng)Mi-1≥4 時，也就是在步驟3 中獲得1［AC］和Mi-1［AC］。［AC］表示的是AP 對所保留的AC 每一次訪問STA 數(shù)目的估算，它的初始值都是0。AP利用和Mi-1［AC］更新。設(shè)Mleft為Mi個RU 中暫時末被分配的RU 數(shù)量，Mleft的初始值為Mleft=Mi。AP 首先給每一個AC 指定一個RU，以確保每一個AC 至少有一個RU，則Mleft=Mi-4［11］。

1.2.2 步驟2

STA 在收到觸發(fā)幀之后且它具有要發(fā)送的上行業(yè)務(wù)時，也有兩種不同的情形。

（1）如果AP 將特定RU 指派給該業(yè)務(wù)的AC，則STA 首先使用均勻分布從［0，1］中隨機選擇一個隨機數(shù)字.如果該隨機數(shù)字大于τi［AC］，STA就不執(zhí)行上行接入。當(dāng)它小于或等于τi［AC］時，STA 從其指定的RU 中隨意選取一個RU，在SIFS時隙之后，在所選擇的RU 中進行上行通信［12］。

（2）如果AP 沒有將特定RU 指派給該業(yè)務(wù)的AC，也就是總RUMi＜4 的情況下，STA 利用UORA 機制進行上行接入，該機制有差別的優(yōu)先級。

1.2.3 步驟3

AP 收到上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按照Mi不同的大小分別進行處理。

（1）在Mi≥4 的時候，RU 被分成了每個AC 各自專有的RU。AP 分別計算每個AC 特定類 型RU 的總數(shù)Mi［AC］，成功傳送STA 的數(shù)量nsi［AC］，RU 沖突的次數(shù)mci［AC］［13］。AP根據(jù)所取得的RU 統(tǒng)計值估算每個AC 的STA 數(shù)［AC］進行估計：

若mci［AC］=0 且nsi［AC］=0，?。跘C］=0；

若mci［AC］不等于Mi［AC］，也就是AC的所有RU 并未發(fā)生沖突時，就用似然法求出L(M,ns,mc;n)=Ps(M,n,ns,mc)，并取搜索范圍為從nsi［AC］+2mci［AC］至nsi［AC］+7mci［AC］，計算出使L(M,ns,mc;n)最大的值作為［AC］；

若mci［AC］等 于mi［AC］，則表示AC 的所有RU 都會產(chǎn)生沖突，所以不能用似然函數(shù)L(M,ns,mc;n)來估算它的使用者數(shù)目，因此把［AC］設(shè)為-1，表示它的規(guī)模是不確定的，不能估算它的用戶數(shù)。

（2）在Mi＜4 的情況下，所有的STA 都使用了UORA 的區(qū)別優(yōu)先權(quán)機制，此時，AP 按照UORA 的優(yōu)先權(quán)來處理。

1.2.4 步驟4

AP 在SIFS 時隙之后，傳送一個多使用者回應(yīng)幀，以確認(rèn)已成功收到數(shù)據(jù)包。AP 在下一個上行接入期間再次回到步驟1［15］。

2 可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)仿真分析

2.1 仿真流程

本課題通過MATLAB 軟件進行可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)的仿真分析，仿真具體過程如圖2 所示。仿真過程中，總RU 數(shù)目M≥4 且不改變，各STA 始終在服務(wù)等待傳輸?shù)臓顟B(tài)下，業(yè)務(wù)大小都是相同的，也就是說，系統(tǒng)是飽和的。設(shè)置每個STA 僅傳送一種AC 業(yè)務(wù)，即STA 就是該AC業(yè)務(wù)的一部分。

圖2 可自適應(yīng)選擇接入機制仿真流程

2.2 仿真結(jié)果分析

RU 組態(tài)策略在可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)，可以調(diào)整多個AC 的優(yōu)先權(quán)，并且在相同的RU 數(shù)量下，其性能也基本一致。本文通過仿真試驗，證明采用可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)是可行的，只有一個AC 提供STA 傳送業(yè)務(wù)。

在仿真過程時，通過RU 的平均使用率來間接地體現(xiàn)出系統(tǒng)的平均吞吐量。設(shè)置10 個RU，UORA 的OCWmin=7。在可自適應(yīng)選擇接入機制中，僅設(shè)置具有10 個RU 的AC_VO 業(yè)務(wù)，也就是M［AC］=10。圖3 表示RU 在UORA 機制中OCWmax等于31，63 和127 以及使用可自適應(yīng)選擇接入機制的情況下，RU 的平均使用率對比。圖3 所示的綠點為RU 的最大平均利用率，其中M是10。

圖3 UORA 機制與可自適應(yīng)選擇接入機制單AC 的RU 的平均利用率對比

從圖3 可以看出，當(dāng)STA 數(shù)量小于10 時，由于可自適應(yīng)選擇接入機制下STA 的發(fā)送概率為1，因此，相比于OCWmax的UORA 機制，當(dāng)STA 數(shù)量相同時，RU 的平均使用率高于UORA 機制。當(dāng)STA 數(shù)為9 時，RU 的平均使用率最大值出現(xiàn)于可自適應(yīng)選擇接入機制下。隨著STA 數(shù)量的不斷增長，可自適應(yīng)選擇接入機制接入STA 的數(shù)量超過M-1=9，因此需要調(diào)整接入概率來限制STA的訪問。在傳輸概率τ［AC］＜1 的情況下，RU 平均使用率要稍低于η_max·(M［AC］/M)。由于仿真中設(shè)定M［AC］=M，所以在圖3 中，在STA 數(shù)量超過9 時，RU 平均使用率略低于理論最高值η_max。UORA 機制在STA 數(shù)目不多的情況下，其RU 的平均使用率較大，而在STA 數(shù)目較多時，其平均使用率降低的幅度更大。而當(dāng)OCWmax較大時，在STA 數(shù)目很少的情況下，其平均使用率很低。采用可自適應(yīng)選擇接入機制，可以將平均使用率控制在最大的區(qū)間，從而提高系統(tǒng)的運行效率，并通過發(fā)送概率來調(diào)整STA 接入，以確保用戶的公平性。

之后，RU 的總數(shù)量被設(shè)定為M=20，AC_VO，AC_VI，AC_BE 僅有一個STA，對AC_BK RU 的RU和AC_BK 的STA 數(shù)目進行模擬和分析。在UORA的優(yōu)先指派中，當(dāng)優(yōu)先級高、優(yōu)先度低的服務(wù)數(shù)量不多時，不能合理地分配優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)，從而導(dǎo)致資源的浪費。在可自適應(yīng)選擇接入機制中，AP 按照每個AC 的STA 數(shù)量來指定RU，從而使AP 能夠按照真實業(yè)務(wù)負載適當(dāng)?shù)臑樗铇I(yè)務(wù)指派RU。

當(dāng)AC_BK STA 的數(shù)量變化時，圖4 中標(biāo)注的線為AC_VO，AC_VI，AC_BE 的RU 平均值的變化?？梢姡珹C_BK 在三種較高級別的AC 中的平均利用率沒有明顯的差異。因為三個AC 的STA 都是1，AP 在估算3 個AC 的STA 后，僅有1 個RU 被指定，因此，每個AC 的RU 都是1/20=0.05。紫色實線是AC_BK RU 的平均使用曲線，其中AP 最初將5個RU 指派給每個AC。由于AC_BK 的估算STA 數(shù)目增加，AP 向AC_BK 分配了步驟1 中的過剩RU，由此最有可能進行傳輸，并最大限度地利用RU。在圖4 中，如果AC_BK 的STA 數(shù)目大于17，RU 的平均利用率低于由綠色虛線部分代表的17 個RU 時，由于AP 的發(fā)送概率受到了約束，模擬結(jié)果顯示，可自適應(yīng)選擇接入機制可以更有效地利用RU。

圖4 M=20 時AC_BK 的RU 的平均利用率與其STA 數(shù)量的關(guān)系

3 結(jié)語

自適應(yīng)算法能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的狀況，有效地在無線局域網(wǎng)中選擇最優(yōu)的傳輸速率，從而提高系統(tǒng)的吞吐能力。本課題進行了可自適應(yīng)選擇接入機制的無線局域網(wǎng)設(shè)計，并對其進行了仿真分析，驗證了可自適應(yīng)選擇接入機制在理論以及實際方面的性能。結(jié)果表明，可自適應(yīng)選擇接入機制可以有效提高RU 資源利用效率，可以為不同類型的業(yè)務(wù)提供優(yōu)良的服務(wù)，提高總體服務(wù)質(zhì)量。