基于OFDMA-WLAN系統的上行MAC協議研究

楊 帆,趙菊敏,游理釗,閆 科

(1.電子科技大學 計算機科學與工程學院,成都 611731;2.成都社區大學 教學中心,成都 610051;3.太原理工大學 信息工程學院,太原 030024;4.香港中文大學 訊息工程學系,香港 999077)

?

基于OFDMA-WLAN系統的上行MAC協議研究

楊 帆1,2,趙菊敏3,游理釗4,閆 科1

(1.電子科技大學 計算機科學與工程學院,成都 611731;2.成都社區大學 教學中心,成都 610051;3.太原理工大學 信息工程學院,太原 030024;4.香港中文大學 訊息工程學系,香港 999077)

基于OFDMA-WLAN系統提出了一種改進的上行MAC協議,用以提高IEEE 802.11無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)在大量站點(stations, STAs)存在時的信道利用率和吞吐量。在OFDMA-WLAN系統存在多個子信道時,該協議使多個STA同時在時域與頻域上按照CSMA/CA方式發送信道接入的請求幀,在不需要額外增加信道與射頻的基礎上,解決了隨機接入帶來的靜默問題。數值分析結果表明,與現有的基于OFDMA的上行MAC協議FICA相比,本協議較好地提高了系統的信道利用率和吞吐量。

信道接入; 正交頻分多址;無線局域網;媒體訪問控制;協議

無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)已被廣泛應用于多個領域,如室內高速數據連接[1]、物聯網[2]、運營商數據分流[3]等。無線設備數量的急速增長導致海量WiFi 站點(stations, STAs)的出現,這給 WLAN的進一步發展帶來了巨大挑戰。由于第4代移動通信(4G或Beyond 3G) 需要解決信道接入的效率和吞吐量問題,使用于多用戶的正交頻分多址接入技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA)成為了移動通信時代的核心技術。OFDMA定義了多個子信道,多個STA在多個信道上并行地發送數據。隨著IEEE 802.11數據傳輸率的提高,加上現有無線設備數目的急增,在可用頻帶日趨緊張的情況下如何提高信道的利用率,是目前無線局域網領域極具挑戰性的研究問題。一方面,IEEE 802.11工作組試圖在WLAN中制定更高數據傳輸速率的多用戶動態接入標準[2],把OFDMA 技術納入IEEE 802.11WLAN的研究之中[3];另一方面,已有不少研究人員提出了改進的媒體控制層(Media Access Control, MAC)協議[4-6]。本文重點關注基于OFDMA-WLAN系統的上行MAC協議,這里“上行”的含義是指多個STA利用正交的信道資源同時給AP發送數據的過程。

已有大量研究工作提出了各種上行MAC協議,如基于多信道的CSMA/CA隨機接入協議[7],以及基于RTS/CTS的半集中控制協議[6,8-9]。文獻[7]提出了一種基于多信道CSMA/CA的上行隨機接入協議,接入STA不僅在時域上載波監聽空閑時隙,而且在頻域上載波監聽空閑信道,通過時域、頻域二維的退避,降低隨機接入的沖突概率；但是,這種隨機接入帶來了靜默(muteness)的問題[10],即在多個信道上的STA發送的數據長度不同。由于802.11支持多種物理層發送速率而且每個STA發送的數據長度不同,這就導致AP不能及時回復ACK給STA,浪費了可用的信道資源,因此需要對WLAN做出較大的改動。現有的基于RTS/CTS的半集中控制協議[6,8-9]無法充分利用分集增益,沒有充分利用信道資源。筆者克服上述協議的缺點,基于文獻[6]提出了一種改進的上行MAC協議。該協議針對文獻[6]改進了隨機接入的過程,釋放了目前高密度WiFi 站點對傳統WLAN的MAC層產生的壓力,使AP能夠識別接入STA的ID與具體請求信息,也能進行細化的信道測量過程。通過數值分析表明,本文改進的協議在存在大量STA時仍然具有良好的性能,與現有的半集中控制協議相比,在信道利用率和吞吐量等方面均有較大提高。

1 協議模型

WiFi 網絡利用射頻(Radio Frequency, RF)技術進行通信,各個用戶共享無線信道,由于高密度WiFi 站點STAs的存在,需要解決信道接入的效率問題。IEEE 802.11標準定義了兩種信道接入方法，即分布式協調功能(Distributed Coordination Function, DCF)與點協調功能(Point Coordination Function, PCF)。DCF與PCF協議在面對海量設備時接入性能差,主要表現在每次只允許一個STA信道接入,裁決無沖突接入STA的信道時間開銷過大,有效數據傳輸的信道時間比例小。隨機接入協議不適合OFDMA-WLAN系統,其節點不具備全雙工的能力,即接入STA無法同時發送數據,AP無法同時在各個子載波上接收數據的同時發送ACK。半集中控制的協議FICA[6]可以實現同步發送與接收、快速裁決且允許多個STA同時接入,能提高海量設備下的WiFi網絡性能。

由于本文的協議是在文獻[6]的基礎上改進的,有必要簡要介紹文獻[6]提出的上行MAC協議FICA:FICA是基于OFDMA技術,針對高速WLAN定義的一種MAC協議,它將WLAN的帶寬分為多個正交的窄帶信道。FICA在物理層定義了請求/許可/Data/ACK的傳輸次序并基于CSMA隨機接入。基于脈沖信號檢測的方法,也是FICA協議對請求/許可的流程的改進對DATA/ACK傳輸方式的具體實現。FICA基于請求/許可的裁決流程,提出了基于M-RTS及M-CTS協議流程,重新定義了RTS與CTS,即節點不需要發送完整的數據包,只需在劃分的子信道上某個子載波上發送脈沖競爭該信道;節點可以在多個子信道上發送脈沖信號競爭該信道,競爭的脈沖信號定義為M-RTS;AP在全部信道上識別請求競爭的信號,然后發送M-CTS分配信道資源;節點根據分配的信道資源發送數據;最后AP發送ACK。因為從M-RTS中無法獲取STA的請求信息,M-CTS在分配信道資源時無法平衡各個STA的發送時間,所以這種信道接入方法存在靜默的問題。

圖1[6] FICA協議Fig.1 FICA protocol

圖1[6]描述了FICA協議。該協議將全部帶寬分為4個正交的子信道(subchannel，SC),每個子信道包括4個子載波。請求/許可信號是以子載波為基本單位;Data/ACK傳輸是以子信道為基本單位。接入STA在多信道上發送請求M-RTS(以圖1[6]中的第4個子信道為例,第1,2,4號子載波上有請求信號),接收STA在多信道上同時發送許可信息M-CTS(以第4個子信道為例,許可在第1號子載波上發送信號的STA接入該信道),然后接入STA根據許可信息在多信道上同時發送DATA,最后接收STA在多信道上同時發送ACK。

FICA協議除了在信道接入時有靜默的問題外,信道接入效率不高的缺點主要表現在:一是接收STA無法重新分配請求沖突的信道,導致信道資源浪費;二是基于脈沖信號的請求/許可方式是一種直接的資源分配方案,無法利用OFDMA的多用戶分集增益特性。

為了解決上述的問題,筆者提出了一種適用于OFDMA的上行MAC協議,包括如下4個步驟:請求,許可,數據傳輸,ACK。筆者基于OFDMA-WLAN系統改進的上行MAC協議,沿用了FICA的請求/許可/Data/ACK的協議流程,集中解決的技術問題是提高OFDMA信道接入的效率與傳輸吞吐量。在數據傳輸時,允許接入的STA按照調度信息進行數據傳輸,并與調度信息的生成與請求/許可過程密切相關。本協議針對FICA協議的信道接入效率不高問題進行了兩個方面的改進。

1) 請求過程以數據包而不是信號作為基本單位。為了避免DCF或者PCF方法的協議開銷,請求接入節點在時域、頻域二維利用CSMA/CA發送請求接入數據包。為了避免隨機接入帶來的靜默問題,本協議定義一個最大的退避窗口,這個窗口值由AP來控制,并通過控制幀廣播給所有連接到該AP的STAs。

2) 可擴展的許可過程。由于AP可以在請求過程中得到請求接入節點的請求信息,AP可以將全部的信道資源分配出去,包括閑置的信道與閑置的時隙(如果接入STA發送的數據長度不同);如果調度信息不能充分利用系統信道資源,則會導致吞吐量的下降。為了提高OFDMA接入的性能,AP可以引入信道測量過程,測量允許接入STA的信道參數以獲取最優的信道分配方案。

改進后的協議模型如圖2所示。模型描述了改進協議的一個實例，全部帶寬通過OFDMA技術分為4個信道,包括5個接入STA[A,B,C,D,E]和一個接收STA AP。其中，SYNC幀是接收STA發送的同步發送幀;QTS幀是接入STA發送的請求幀;GTS幀是接收STA發送的許可幀;WB幀是接收STA發送的窗口廣播幀;DATA幀是接入STA發送的數據幀;ACK是接收STA發送的確認幀;DIFS,SIFS與IEEE 802.11標準中的定義一致;CIFS是同步幀間隔,用來實現多STA同步傳輸,與具體的同步實現有關;W是系統最大的退避窗口,a Slot Time是退避階段的時隙長度。本文改進協議的核心思想是:利用OFDMA的多信道進行隨機請求接入;根據幀結構,可識別請求STA的ID;AP根據多信道的請求結果分配資源,提高信道利用率與傳輸吞吐量。

圖2 改進的協議模型Fig.2 Improved protocol model

2 本文協議的基本判斷原則和具體流程

圖3 協議流程的基本判斷原則Fig.3 Basic judgement rules of protocol process

根據上面的協議模型,給出本文協議的基本判斷原則以及具體流程描述。 本文改進協議的基本原則如圖3所示:對于退避窗口W來說,當W

2.1 隨機請求

1) 接入STA根據信道個數(N)與退避窗口(W)隨機選擇(退避值時隙w, 信道k)發送請求幀,在選擇的信道k上,在每個退避時隙做載波監聽;其中退避時隙的長度是信道上OFDM符號長度的整數倍,確保不同信道之間不會產生ICI,影響OFDMA系統性能。

2) 如果某個時隙沒有監聽到載波,則將時隙退避值w減1。如果時隙退避值w=0,則在信道k上發送請求幀。發送結束之后,在信道k上接收。

2.2 許可

1) 接收STA在所有NK個信道上接收請求幀,根據退避窗口W確定停止接收的時刻(假如請求幀最早可能發送的時刻是T,請求幀的長度是P,當前退避退避窗口為W,退避時隙長度τ為一個時隙,即τ=a Slot Time,那么接收STA在T+P+W*τ時刻停止接收)。

2) 接收STA識別沖突的信道個數與空閑的信道個數,根據接收情況調整退避窗口W,若沖突的信道個數大于αW,空閑的信道個數小于βW,則指數增加退避窗口值為min{ωW,Wmax};若沖突信道數小于αW,空閑信道數大于βW,則指數減少退避窗口值為max{W/ω,Wmin},否則保持退避窗口值不變。

3) 接收STA收集所有的接入請求,然后給識別出來的接入STA分配接入的信道與傳輸時隙。分配的策略可以根據請求的信道來分配,也可以根據歷史傳輸記錄來分配;傳輸時隙的長度可以根據接入STA的數據量來確定,允許多個接入STA無沖突共享使用同一個信道。

4) 接收STA在所有無沖突的信道上發送許可幀,即如果該信道成功接收到接入STAs的請求,則在該信道上給STAs回復許可幀。許可幀中包含新的退避窗口信息,給STAs分配信道與傳輸時隙。對于沖突的信道,則發送窗口廣播幀,包含新的窗口信息。

2.3 數據傳輸

收到許可幀的接入STA根據許可幀中調度信息,選擇相應的信道與時隙傳輸Data;發送STA在子信道k發送結束之后,沒有收到許可幀,但是收到窗口廣播幀,更新窗口大小,在下一輪接入過程根據新的窗口大小重新退避。

2.4 確認傳輸

接收STA在相應的信道給接入STA發送ACK,該ACK可能是Block ACK,因為信道上可能存在多個STA在不同時隙無沖突發送。如果該ACK不是Block ACK,那么確認傳輸。

本文改進的上行MAC協議優點:一是在所有的信道上采用時域退避機制;二是為了傳輸數據,站點STA在多個空閑的信道中隨機選擇一個信道,同時在協議的具體流程中發揮OFDMA-WLAN系統的特點,即多個STA在時域與頻域上按照CSMA/CA方式發送接入請求幀,AP同時接收多個子信道上的請求幀然后發送許可幀,收到許可的STA根據許可幀中的調度信息發送數據幀,AP同時接收多個子信道上的數據幀并回復確認幀。為了避免長時間時域競爭,采用時域、頻域二維信道競爭,利用 OFDMA技術使多個STA在不同時刻接入的信道競爭轉移到子載波上,而不是只在時域上競爭,這樣提高了信道接入的概率和系統的吞吐量。

3 性能分析

在OFDMA-WLAN系統中,本文將改進的協議與FICA[6]協議作性能分析對比。

首先,本文從協議的角度解決了FICA協議靜默的問題。以圖2所示的改進的協議為例,從上一輪信道接入的ACK幀或者AP發送的SYNC幀開始,接入STA根據ACK幀或者SYNC幀,經過DIFS間隔之后開始進入隨機接入過程:A選擇了信道1第1個時隙發送QTS；B選擇了信道2第2個時隙發送QTS；C選擇了信道3第1個時隙發送QTS；D選擇了信道4第2個時隙發送QTS；E選擇了信道4第2個時隙發送QTS。AP在所有4個信道上接收數據：在信道1接收到A的請求；信道2上接收到B的請求；信道3上接收到C的請求；信道4上的QTS請求幀發送沖突,AP無法識別請求。由于沖突的信道個數是1,小于窗口指數增加的閾值,空閑的信道個數為0,所以AP保持退避窗口的值不變。由于信道4發生沖突,AP選擇將這個信道分配給A,允許A在信道1與4上傳輸。AP分別在信道1,2,3上給A,B,C發送許可幀。其中給A的許可幀允許A在信道1與4上傳輸,給B的許可幀允許B在信道2上傳輸,給C的許可幀允許C在信道3上傳輸；然后,A,B,C分別在信道1,4和2,3上發送數據。AP在信道1與4上給A發送ACK確認收到DATA,在信道2上給B發送ACK確認收到DATA,在信道3上給C發送ACK確認收到數據。因此,本文解決了FICA協議中的靜默問題。

其次,繼FICA協議之后,為了解決文獻[6-7]中存在的靜默問題,文獻[8]提出了改進FICA協議的btFICA協議。但是,btFICA協議假設存在多個帶外信道用于發送忙音(busy tone),每個傳輸信道都有一個忙音信道,用于發送/接受ACK信號,與數據傳輸信道互不干擾。這種設計需要增加一個額外的信道與射頻(Radio Frequency,RF)來避免靜默的問題,加大了系統的實現復雜度。與文獻[8]不同的是,本協議不需要增加額外的RF設計,通過改進協議的具體流程來降低系統實現的復雜度。

最后,本文還解決了文獻[6, 8]提出的上行MAC協議存在的另外一個問題,即AP無法獲取STA的請求信息(比如包長大小)和信道信息,使得信道的利用率低的問題,提高了信道接入的概率和系統的吞吐量。本文改進的協議使AP根據請求與信道信息,提出OFDMA-WLAN的信道接入方案,可以充分利用提高信道利用率和系統吞吐量。使用數值分析方法,參照文獻[6]的參數設計(見表1),并運用文獻[7]的基于時域與頻域二維的馬爾科夫模型的算法,得到圖4所示的吞吐量的比較分析結果。具體計算方法簡要介紹如下:

改進協議的理論模型基于信道選擇沖突概率變化的模型[7],在系統的吞吐量一定的條件下,接入STA根據信道個數(N)與退避窗口(W)隨機選擇(退避值時隙w, 信道k)發送請求幀,為了便于在理論上分析本文所提出的MAC協議的性能,這里僅考慮飽和情況下的系統吞吐量,即在上行情況下STA總有數據向AP傳輸。本協議流程有4個階段(隨機請求、許可、數據傳輸、確認),其中隨機請求(random request,RR)和數據傳輸(data transmission,DT)階段是按照CSMA/CA并使用二進制指數退避的方式進行的。

關于吞吐量的問題,作以下假設:一旦觀察到一個空閑的時隙,每個STA獨立地以相同的概率去嘗試發送隨機請求;不管以前的沖突次數是多少,每次數據傳輸都以最小概率產生碰撞。如果某個時隙沒有監聽到載波,則將時隙退避值w減1。如果時隙退避值w=0,則在信道k上發送請求幀。發送結束之后,在信道k上接收。接收STA在所有NK個信道上接收請求幀,根據退避窗口W確定停止接收的時刻。假如請求幀最早可能發送的時刻是T,請求幀的長度是P,當前退避窗口為W,退避時隙長度τ為a Slot Time,那么接收STA在T+P+W*a Slot Time時刻停止接收。通過以上分析,可以計算出系統上行的平均吞吐量,其值由協議流程的4個階段,即隨機請求、許可、數據傳輸、確認數據傳輸的總量和整個上行的時長來決定,因此吞吐量的計算問題通過理論分析得以量化。

為了獲取直觀的信息,本文將最大用戶或站點的數目取為100個,使用表1的參數來計算數值結果,結果表明:采用本協議的流程,參與競爭的STA可以在很短時間內完成競爭,通過OFDMA技術獲得STA分集增益,通過調度算法分配子載波給合適的STA,提高系統總的性能,使吞吐量得到較大提高(圖4)。

表1 參數設置

圖4 吞吐量比較Fig.4 Throughput comparison

關于信道接入概率的問題,假設在每一個時間步,當一個信道k被選擇,它以概率P避免沖突,以概率1-P從STA中隨機選擇一個用戶,我們來計算概率分布P(t),t=0,1,…,T,這里P(t)表示一個STA在時間窗口W內試圖傳輸的最大概率,t表示時間,顯然有:

省略推導過程,根據文獻[11]的概率計算公式可以將改進協議的4個步驟抽象為二維的馬爾科夫鏈,計算信道接入的概率。將改進的協議與已經采用OFDMA接入技術的一些隨機接入系統進行對比(如LTE的下行采用OFDMA,WiMAX上下行均采用OFDMA),分析發現:為了利用OFDMA技術提供的多STA分集增益,LTE/WiMAX這些系統通常需要確保多個STA發送的時間差在可容忍的范圍內,并劃分專用信道收集STA信道狀態信息CSI,調用調度算法確定STA相應的資源塊與調度次序。這些方案需要復雜的基礎架構(比如蜂窩網)作為支持,不適合簡單的WiFi網絡架構。根據現有的IEEE 802.11 ac標準,AP一次只能和一個客戶端通訊,雖然當接入設備少的時候數據傳輸率不是個問題,但是當接入的設備增加到數十、上百個的時候,其80 MHz的頻寬和傳輸總量被大量設備分割,大部分設備都在等待與AP通訊,浪費802.11 ac高達80 MHz的系統帶寬。仿真結果如圖5所示:由于子載波個數很多,本文改進的協議利用時域、頻域二維的信道競爭方式,能容納更多的競爭STA,它在信道接入的概率上比FICA協議有較大提高,比上述已經采用OFDMA隨機接入技術的系統有更大的信道接入概率。

綜上所述,基于OFDMA的無線局域網存在多個子信道,通過多個STA在時域與頻域上按照CSMA/CA方式發送接入請求幀,AP同時接收多個子信道上的請求幀然后發送許可幀,收到許可的STAs根據許可幀中的調度信息發送數據幀,AP同時接收多個子信道上的數據幀并回復確認幀的步驟,與現有的基于OFDMA的上行MAC協議FICA相比,本協議提高了信道利用率和吞吐量。

圖5 信道接入的概率比較Fig.5 Comparison of channel access probability

4 結論及展望

針對存在高密度STA的無線局域網場景,提出了一種新的基于OFDMA技術的上行MAC協議。該協議的核心思想是:利用OFDMA的多信道進行隨機請求接入;根據幀結構,可識別請求STA的 ID;AP根據多信道的請求結果分配信道,不僅解決了隨機接入帶來的靜默問題,還提高了信道的利用率與系統吞吐量。未來的研究工作包括:

1) 設計簡單高效的擴展資源分配流程。可用的資源分配協議流程有基于隨機分配、基于信道測量與基于歷史記錄。隨機請求接入實現簡單但性能有待提高,基于信道測量雖然性能好但實現過程復雜,未來基于歷史記錄的設計有望在實現復雜度與性能上達到均衡的目的。

2) 考慮多速率的WLAN。OFDM物理層根據信道情況支持多種傳輸速率,目前本文的理論分析只考慮單傳輸速率,在未來研究工作中,我們將進一步考慮不同接入速率的應用場景,解決如何在該協議框架下實現速率自適應傳輸問題。

[1] PERAHIA E,GONG M X.Gigabit wireless LANs:an overview of IEEE 802.11ac and 802.11ad[J].Mobile Computing and Communications Review,2011，15(3):23-33.

[2] LIU Xiulong,LI Keqiu,MIN Geyong,et al.Completely pinpointing the missing rFID tags in a time-efficient way[J].IEEE Transaction on Computers,2015,64(1):87-96.

[3] VALENTIN S,FREITAG T,KARL H.Integrating multiuser dynamic OFDMA into IEEE 802.11 WLANs-LLC/MAC extensions and system performance[C]∥IEEE.International Conference on Communications,Beijing,China,2008:3328-3334.

[4] SEN S,CHOUDHURY R R,NELAKUDITI S.No time to countdown:migrating backoff to the frequency domain[C]∥ACM.ACM MOBICOM,New York,USA,2011:241-252.

[5] MAGISTRETTI E,CHINTALAPUDI K K,RADUNOVIC B,et al.WiFi-Nano: reclaiming WiFi efficiency through 800ns slots[C]∥ACM.ACM MOBICOM,New York,USA,2011:37-48.

[6] TAN K,FANG J,ZHANG Y,et al.Fine-grained channel access in wireless LAN[C]∥ACM.ACM SIGCOMM Coference,New York,USA,2010:147-158.[7] KWON H,SEO H,KIM S,et al.Generalized CSMA/CA for OFDMA Systems:protocol design,throughput analysis,and implementation issues[J].IEEE Transaction on Wireless Communications,2009,8(8):4176-4187.

[8] ZARINNI F,DAS S R.BTFICA MAC protocol for high data rate WLANs[C]∥Proceedings of ICCCN,Munieh,Germany,2012:1-9.

[9] LEE S,KIM G.D-Fi:A diversity-aware Wi-Fi using an OFDM-based Bloom filter[C]∥Proceedings of ICNP,Austin,USA,2012:1-10.

[10] BIANCHI G.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,18(3):535-547.

[11] ZHOU G,HUANG C,YAN T,et al.MMSN:multi-frequency media access control for wireless sensor networks[C]∥IEEE.IEEE Internation Conference on Computer Communications,Barcelona,Spain,2006:1-13.

(編輯：賈麗紅)

Research on Uplink MAC Protocol Based on OFDMA-WLAN System

YANG Fan1,2,ZHAO Jumin3,YOU Lizhao4,YAN Ke1

(1.UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China; 2.ChengduCommunityUniversity,Chengdu610051,China; 3.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 4.TheChineseUniversityofHongKong,Hongkong999077,China)

In order to improve the efficiency and throughput of channel access for high-density WiFi stations in IEEE 802.11WLAN, this paper proposes an uplink MAC protocol based on OFDMA-WLAN. The proposed protocol has a good performance when multiple stations transmit their request frames according to CSMA/CA in both time-domain and frequency-domain. It can solve the muteness problem without increasing extra channel and radio frequency.Compared with the existing uplink MAC protocol called FICA,the protocol in this paper significantly improves the channel usage efficiency and the throughput.

channel access; orthogonal frequency division multiple access (OFDMA); wireless local area network (WLAN); media access control (MAC); protocol

1007-9432(2016)03-0355-06

2015-09-14

國家自然科學基金項目：面向移動社會網絡的多尺度交叉感知計算理論與關鍵技術(61133016)

楊帆(1970-),女,四川榮縣人,副教授,博士,主要從事無線局域網、物聯網安全及無線射頻識別技術研究，(E-mail)yangfan126cn@uestc.edu.cn

趙菊敏,教授,主要從事通信信號處理及無線傳感器網絡研究，(E-mail)zhaojumin@tyut.edu.cn

TP393.0;TP393.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.015