一種WiFi多信道聚合的高速同步回傳方法

薛 青 方旭明

?

一種WiFi多信道聚合的高速同步回傳方法

薛 青 方旭明*

(西南交通大學信息科學與技術學院 成都 610031)

為滿足瘋狂增長的數據業務需求，近年來蜂窩基站的部署越來越趨于小型化和密集化，這就對回傳技術性能提出了更高的要求。該文將WiFi作為5G網絡中的一種無線回傳技術，提出一種基于WiFi多信道聚合的高速同步回傳方案。現有WiFi協議(如IEEE 802.11n/ac)采用靜態或動態信道綁定技術可將多個具有連續頻譜的信道聚合為單一寬信道，從而提高網絡容量。但是，靜態綁定方式不夠靈活，動態綁定方式在密集用戶分布下也很難發揮其優勢。該文則通過在單一網絡節點上配置多射頻實現非連續頻譜的WiFi多信道聚合，其在擴展傳輸帶寬，提升網絡性能的同時，也可以有效克服802.11n/ac中信道綁定方式的弊端。方案主要包括3部分：多節點聯合信道掃描、多信道同步收發控制及干擾檢測。理論分析和仿真結果表明，所提非連續頻譜的WiFi多信道聚合方案的回傳性能優于802.11n/ac中連續頻譜聚合方案，且多信道同步傳輸能有效抑制回傳網絡中的鄰道干擾。最后，由搭建的原型驗證系統證明了所提方案的可行性及有效性。

5G；多信道回傳；同步傳輸；鄰道干擾

1 引言

為了提升數據服務能力，近年來城市內蜂窩基站越來越趨于小型化和密集化部署，這就使得連接蜂窩基站的回傳鏈路更加密布。雖然有線回傳鏈路(如，銅、光纖等)具有可靠的穩定性，但由于其基礎設施的建設及維護需要投入大規模的人力物力及財力，并且有線回傳鏈路的安裝會涉及私有房產和土地敷設等問題，若未來5G網絡中全部回傳鏈路均布設為有線線纜顯然是不可取的。在這種背景下，使用無線回傳鏈路來取代部分有線線纜成為一種有效可行的方案。這其中又以成本低廉、易于實現的WiFi技術最受青睞[1]。因此，本文致力于研究如何利用WiFi技術實現5G網絡中的高速無線回傳。

IEEE 802.11n/ac[2,3]利用靜態/動態信道綁定技術(Channel Bonding, CB)[4]實現了多個連續20 MHz信道的聚合。雖然CB可大幅提升傳輸速率，但其也存在一定的不足：靜態CB靈活性不夠且存在由于部分頻段質量不佳而導致系統整體性能下降的問題；動態CB雖具靈活性，但在用戶密集場景下一般很難找到幾個連續的空閑信道。文獻[5]對各無線網絡中CB技術進行了歸納并指出了其存在的缺陷。文獻[6]通過將信道劃分為更窄的子信道使頻譜聚合更具靈活性，但實現復雜度高。為克服連續頻譜信道聚合的不足，提高頻譜利用率，部分研究者對如何實現非連續頻譜信道的聚合進行了探討，但其中大多數方案的可操作性不強。如文獻[7]提出的非連續頻譜CB方案需對WiFi協議中幀結構及MAC作一定的修改，不易實現。同時，現有WiFi協議中AP/STA采用單射頻單信道配置，而隨著無線用戶對QoS及QoE要求的提高，利用單信道進行回傳已越來越難滿足這一需求。隨著無線射頻收發器硬件成本的降低和相關技術的發展，在同一個AP/STA上裝備多射頻利用多信道傳輸正在逐漸成為可以接受的提高5G網絡性能的技術選擇。目前絕大多數考慮利用多射頻多信道的研究均是針對無線Mesh網絡的，而對其在回傳網絡中的應用研究甚少。

本文第2節介紹了5G WiFi多信道聚合的高速回傳系統架構；第3節詳細描述了所提高速同步回傳方案，包括：多節點聯合信道掃描、多信道同步控制及基于系統吞吐量及信道占空比信息的多信道干擾檢測；最后，本文所提方案進行了性能仿真并通過搭建的原型驗證系統測試了其有效性及可行性。

2 WiFi多信道回傳系統架構

對于5G網絡中P2P WiFi多信道回傳系統，假設AP與STA上均可配置個射頻器(如，張無線網卡)，每個射頻器分別工作在5 GHz頻段的不同WiFi信道上，并且兩節點不具有移動性。為便于說明，本文將AP與STA均看作個位于同一位置的虛似節點(virtual AP/STA, vAP/vSTA)且各vAP/vSTA上均只配置有一個射頻器，如圖1所示，其中，各vAP與vSTA保持一一對應的關系。

圖1 5G網絡中WiFi多信道回傳系統架構

由于回傳網絡中vAP/vSTA是集中布置的，若不進行有效的收發控制，當多信道同傳時會產生嚴重的鄰道干擾(Adjacent Channel Interference, ACI)[11,12]，致使吞吐率下降。本文通過將同一節點上的多個虛擬節點控制在相同的收發狀態來抑制這種干擾。另外，由于WiFi網絡采用CSMA/CA機制，即只有當節點檢測到信道處于空閑時才能發送信息，那么，一個處于發送狀態的虛擬節點(如，vAP1)可能會引起同一節點上的另一虛擬節點(如，vAP2)的“假載波偵聽”。如當vAP1-vSTA1在信道A上通信時，可能會有部分能量泄露到vAP2-vSTA2所在信道B上，導致vAP2判定信道B處于忙碌狀態從而延遲發送，而實際上此時信道B是空閑的。本文通過多信道同步傳輸來避免出現這種情況，以提高頻譜的利用率。

3 WiFi多信道聚合的高速同步回傳方案

3.1 多節點聯合信道掃描機制

由于5G回傳網絡中AP與STA所處地理位置不同，其所處電磁環境也不同，那么二者對于同一信道進行掃描的結果可能會有差異。因此，為了能選擇到對AP與STA都有較好傳輸性能的回傳信道，區別與WiFi協議中單節點掃描，本文中信道掃描是由AP與STA聯合實現的，如算法1所述。

算法1 聯合信道掃描

(1)判斷本次是否為初始化掃描。若是，則執行下一步；若否，則轉向步驟(3)；

(2)vAP1與vSTA1分別對5 GHz頻段上所有信道(個數記為)進行掃描，并記錄信道的掃描數據,與；轉向步驟(4)；

(2)

從而可得AP與STA各自的信道掃描列表list A與list B；

(5)若步驟(1)中判斷為是，則執行下一步；若否，則轉向步驟(8)；

(7)vSTA1連接vAP1并上傳list B；轉向步驟(9)；

(8)STA通過vSTA1以外的虛擬節點(如vSTA2)上傳list B；

End if

End for

在AP與STA完成初始化聯合信道掃描得到list D后，由AP為回傳網絡進行統一的信道分配：

3.2 多信道同步傳輸機制

3.2.1 ACI分析 本文將5G多信道回傳網絡中同一AP/STA上多個vAP/vSTA的收發狀態不同的傳輸稱為異態傳輸，相應地，若收發狀態相同則為同態傳輸，其中ACI的影響如圖2所示。

在各種信道模型中，TGn信道模型[13]中的Model F適用于大范圍(室內、室外)場景，其路徑損耗可表示為

(8)

圖2 ACI對多信道回傳的影響示例

在5G多信道回傳網絡中，一般一條鏈路的發射功率要遠大于另一條鏈路的接收功率，即，那么異態傳輸時的ACI勢必遠大于同態傳輸時。換而言之，同態傳輸性能要優于異態傳輸。

3.2.2 多信道同步控制 本文通過對5G多信道回傳網絡進行同步收發控制來防止同態傳輸時的“假載波偵聽”現象。通過對處于發送狀態的各vAP/vSTA進行時鐘同步校準，可以很容易實現多信道同步發送；對于多信道的同步接收問題，本文從兩個方面著手進行了研究，以下行為例：

(1)根據不同信道的傳輸能力來控制多信道數據分流(如圖3(a))；

(2)利用幀聚合[14]的思想進行多信道數據對齊(如圖3(b))。

信道的傳輸能力可由其所選MCS所對應的PHY數據速率(記為,)來衡量，即wlan與wlan的數據分流比例。在一個同步周期內，為使各信道發送一個聚合幀的時間相等，即(,)，應對回傳網絡中各信道的幀聚合長度進行控制。首先，將滿足條件的信道作為參考信道，按其最大聚合能力完成本周期內數據的聚合，計算其傳輸時間；然后，令()，依次估算其余各回傳信道的幀聚合長度。

注意：一個回傳周期內最后的BACK Req幀與BACK幀(如圖3(b))所攜帶的信息與WiFi協議中相應幀有所區別，需在原有幀結構的基礎上進行擴展或修改。這兩個幀攜帶有本回傳周期內數據發送/接收結束的標識位，也是下一同步回傳周期準備開始的標志。

3.3 多信道干擾檢測機制

本文通過周期性統計5G回傳網絡中的系統吞吐量及各工作信道的占空比狀態，評估各信道質量并監測回傳網絡是否受到外界干擾，如算法2所述。由于5G網絡中無線數據業務需求巨大，本文假設各工作信道均為滿負載傳輸。

算法2 多信道干擾檢測

(2)計算各信道占空比：

(在監測時間內, 忙時占的百分比) (9)

(接收狀態時間所占百分比) (10)

(發送狀態時間所占百分比) (11)

End for

End if

End for

End if

圖3 多信道同步控制示意圖

(6)本次干擾檢測結束。

當判定有多個信道可能受到了干擾時，優先切換對系統增益貢獻最小的信道。這樣可以避免隨機信道跳頻或多信道同時跳頻對回傳系統穩定性的影響，也可以防止產生跳頻的“乒乓效應”。

4 5G多信道同步回傳方案性能評估

4.1 性能仿真

本部分對采用異態傳輸方式與同步方式的5G多信道回傳性能作了仿真對比分析，以為例，參數如表1所示。仿真中假設,,且(此值為在原型驗證系統上獲得的經驗值)，。同時，由IEEE 802.11n/ac信道頻譜掩模(spectral mask)可知，對于兩個鄰頻信道，有；對于非鄰頻信道，有。

若回傳信道為鄰頻信道，圖4給出了其在不同傳輸場景(異態、同步)下的系統吞吐量隨傳輸距離的變化情況。可知，當一定時，同步傳輸要比異態傳輸高得多。例如，對于主信道編號分別為36與44的兩個40 MHz信道，當時，若為同步傳輸，則；若為異態傳輸，則。若回傳信道為非鄰頻信道，隨的變化情況如圖5所示。易知，各曲線變化特征與工作在鄰頻信道時一致，即多信道同步傳輸性能要遠優于異態傳輸。

表1 多信道回傳仿真參數

4.2 原型驗證系統測試

為了對所提WiFi多信道高速回傳方案的有效性及可行性進行驗證，我們搭建了原型測試系統并組織了多次外場測試。表2給出了外場測試環境及主要設備信息。其中，PC機作為回傳節點，無線網卡看作vAP/vSTA，定向天線用于收發vAP-vSTA的無線信號，筆記本電腦用于模擬外界干擾以測試干擾檢測及跳頻性能。所提方案在本系統中是通過圖6所示5大功能模塊來實現的。

本文針對不同信道帶寬(20 MHz與40 MHz)從以下幾方面進行了外場測試：

(1)單信道傳輸性能；

(2)兩鄰道異態、同步傳輸性能；

(4)跳頻性能。

圖4 回傳網絡吞吐量隨傳輸距離的變化圖(假設且工作在鄰頻信道上) 圖5 回傳網絡吞吐量隨傳輸距離的變化圖(假設且工作在非鄰頻信道上)

表2 外場測試環境及設備

測試中，數據傳輸采用UDP協議。表3對部分外場測試數據進行了歸納，表中40 MHz帶寬的信道編號均為其主信道編號。由測試數據可知：

(1)對于兩鄰道而言，同步傳輸性能要優于異態傳輸；

(2)以同一信道為基準，非相鄰信道同步傳輸性能要優于鄰道的傳輸性能；

(3)跳頻時間約20 ms且系統恢復穩定時間小于5 s，當時，跳頻最低速率大于120 Mbps。

圖6 原型驗證系統功能模塊信息交互示意圖

由于天氣(如下雨、刮風)變化、電磁環境變化或定向天線擺放不同等，導致每次外場測試結果不盡相同，表3中所示為一般測試結果。

5 結束語

本文將WiFi技術作為5G網絡的一種無線回傳技術，實現了多(非連續)信道聚合的高速回傳。所提方案通過多節點聯合信道掃描算法使所分配信道更適用于回傳網絡，通過數據分流及數據對齊方法來控制多信道的同步傳輸，從而抑制ACI，并通過一種新的鏈路質量評估指標(即信道占空比)來進行多信道的干擾監測。最后，仿真結果及外場測試數據表明了所提方案確實具有可行性及有效性。

表3 外場測試數據表

[1] TIPMONGKOLSILP O, ZAGHLOUL S, and JUKAN A. The evolution of cellular backhaul technologies: Current issues and future trends[J].&, 2011, 13(1): 97-113. doi: 10.1109/SURV.2011. 040610.00039.

[2] IEEE. IEEE Std 802.11nTM-2009 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) SpecificationsAmendment 5: Enhancements for Higher Throughput[S]. New York, IEEE Inc., 2009.

[3] IEEE. IEEE P802.11acTM/D7.0-2013 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) SpecificationsAmendment 4: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz[S]. New York, IEEE Inc., 2013.

[4] PARK M. IEEE 802.11ac: Dynamic bandwidth channel access[C]. IEEE International Conference on Communications, Kyoto, Japan, 2011: 1-5.

[5] BUKHARI S H R, REHMANI M H, and SIRAJ S. A survey of channel bonding for wireless networks and guidelines of channel bonding for futuristic cognitive radio sensor networks[J].&, 2016, 18(2): 924-948. doi: 10.1109/COMST.2015.2504408.

[6] HUANG P, YANG X, and XIAO L. Dynamic channel bonding: enabling flexible spectrum aggregation[J]., 2016, 15(12): 3042-3056. doi: 10.1109/TMC. 2016.2524573.

[7] ZHANG W, KWAK K S, WANG H,. A practical MAC protocol supporting discontinuous channel bonding[C]. IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas, NV, USA, 2013: 510-511.

[8] WU D, YANG S H, BAO L,. Joint multi-radio multi- channel assignment, scheduling, and routing in wireless mesh networks[J]., 2014, 20(1): 11-24. doi: 10. 1007/s11276-013-0568-y.

[9] WONG H O and ANG A H. Channel allocation in multi- radio multi-channel wireless mesh networks: A categorized survey[J].&, 2015, 9(5): 1642-1661. doi: 10.3837/tiis.2015.05. 005.

[10] 張劼, 鐘朗, 李廣軍, 等. 基于節點優先級的無線Mesh網絡資源分配[J]. 電子科技大學學報, 2016, 45(1): 54-59. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.008.

ZHANG Jie, ZHONG Lang, LI Guangjun,. Node- priority based resource allocation in wireless mesh networks [J]., 2016, 45(1): 54-59. doi: 10.3969/j.issn. 1001-0548.2016.01.008.

[11] NACHTIGALL J, ZUBOW A, and REDLICH J P. The impact of adjacent channel interference in multi-radio systems using IEEE 802.11[C]. International Wireless Communications and Mobile Computing Conference, Crete Island, Greece, 2008: 874-881.

[12] ZUBOW A and SOMBRUTZKI R. Adjacent channel interference in IEEE 802.11n[C]. Wireless Communications and Networking Conference, Shanghai, China, 2012: 1163-1168.

[13] PERAHIA E and STACEY R. Next Generation Wireless LANs: Throughput, Robustness, and Reliability in 802.11n [M]. New York, Cambridge University Press, 2008: 46.

[14] CHOSOKABE Y, UWAI T, NAGAO Y,. A channel adaptive hybrid aggregation scheme for next generation wireless LAN[C]. Wireless Communications and Networking Conference Workshops, New Orleans, LA, USA, 2015: 153-158.

High-speed Synchronous Backhaul Method with Aggregation of Multiple WiFi Channels

XUE Qing FANG Xuming

(,,610031,)

As the substantial growth of data traffic over the past few years, the deployment of cellular base stations tends to be smaller and denser which puts forward higher requirements for backhaul techniques. In this study, WiFi is taken as a backhaul technique in 5G networks, and then a high-speed synchronous backhaul solution is proposed with aggregation of multiple WiFi channels of which the spectrum is non-continuous. Although IEEE 802.11n/ac can achieve channel aggregation with static/dynamic channel bonding scheme, the spectrum of these channels must be continuous. Moreover, static channel bonding is not flexible enough and dynamic channel bonding rarely has chance to be implemented when devices are deployed densely. The proposed solution can not only extend transmission bandwidth and improve network capacity of 5G backhaul networks, but also overcome defects of channel bonding in 802.11n/ac. Both analytical results and simulations show that the performance of the proposed solution is better than the traditional channel bonding and it can reduce adjacent channel interference among multiple channels in 5G backhaul networks. Meanwhile, the effectiveness and feasibility of the proposed solution are proved by the prototype verification system.

5G; Multi-channel backhaul; Synchronous transmission; Adjacent channel interference

TN929.5

A

1009-5896(2017)02-0335-07

10.11999/JEIT160375

2016-04-19；改回日期：2016-08-25；

2016-10-21

方旭明 xmfang@swjtu.edu.cn

國家自然科學基金(61471303)，歐盟 FP7 QUICK項目(PIRSES-GA-2013-612652)

The National Natural Science Foundation of China (61471303), EU FP7 QUICK Project (PIRSES-GA-2013- 612652)

薛 青： 女，1988年生，博士生，研究方向為5G WLAN關鍵技術、毫米波網絡無線資源優化等.

方旭明： 男，1962年生，教授，博士生導師，研究方向為軌道交通移動通信系統、無線網絡資源管理等.