基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入?yún)f(xié)議

周潤(rùn), 李波, 楊懋, 閆中江

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院, 陜西 西安　710129)

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)的需求量也越來越大。目前，無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)已成為主要的無(wú)線數(shù)據(jù)承載方式之一，WLAN承載的數(shù)據(jù)量已達(dá)到(3～5)倍的蜂窩數(shù)據(jù)量。因此，為了應(yīng)對(duì)WLAN數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)趨勢(shì)，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)與2014年正式成立下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)802.11ax工作組，目前，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)正處于制定的關(guān)鍵時(shí)期并與2017年5月頒布了最新802.11draf1.2版本[1]。

與此同時(shí)，需求的急劇增加使得高密集成為了下一代WLAN的主要特性之一。高密集場(chǎng)景使得沖突更為嚴(yán)重，導(dǎo)致MAC效率急劇下降，因此現(xiàn)有的WLAN所采用的多址接入?yún)f(xié)議-分布式協(xié)調(diào)功能(distributed coordination function,DCF)已經(jīng)無(wú)法滿足高密集的場(chǎng)景。另一方面，無(wú)線業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，這使得業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)的要求必然也是多種多樣，目前傳統(tǒng)的增強(qiáng)型分布式信道接入(enhanced distributed channel access,EDCA)方式已不能很好地支持QoS多樣化的要求。因此，下一代WLAN急需尋求既能顯著提升媒介接入控制(media access control,MAC)效率，又能有效支撐多樣化QoS要求的協(xié)議。也正因如此，IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)將高密集場(chǎng)景、提升至4倍區(qū)域吞吐量和高QoS保障作為標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)目標(biāo)[2]。

近年來，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界致力研究下一代WLAN的多址接入?yún)f(xié)議，并一致將正交頻分多址(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)技術(shù)引入到下一代WLAN中作為關(guān)鍵技術(shù)之一。然而現(xiàn)有的基于OFDAM的下一代WLAN的MAC，文獻(xiàn)[3-5]沒有考慮QoS保障，文獻(xiàn)[6-7]沒有考慮如何支持多樣化的QoS需求。2016年11月802.11ax draf 0.1標(biāo)準(zhǔn)框架[8]已經(jīng)接受了由AP觸發(fā)的基于OFDMA下一代WLAN的MAC，該協(xié)議框架也沒有考慮如何支持多樣化的QoS要求和高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS保障。IEEE 802.11e為了保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS，采用EDCA方式支持QoS優(yōu)先級(jí)，提供有差別的服務(wù)，但是，EDCA將無(wú)線業(yè)務(wù)僅僅分為4類，對(duì)于QoS要求支持粒度較粗，無(wú)法有效支持現(xiàn)有業(yè)務(wù)QoS多樣化的要求[9]。加之，下一代WLAN是高密集部署，沖突的加劇使得EDCA機(jī)制已經(jīng)無(wú)法工作。

本文提出了一種基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入?yún)f(xié)議，簡(jiǎn)稱QoS-OFDMA MAC。考慮后向兼容性的同時(shí)針對(duì)未來無(wú)線業(yè)務(wù)多樣化QoS這一特性，提出并實(shí)現(xiàn)了基于優(yōu)先級(jí)的QoS保障的調(diào)度算法。然后，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)協(xié)議流程，設(shè)計(jì)了一整套完整的幀結(jié)構(gòu)。最后通過仿真驗(yàn)證，該協(xié)議能夠很好地支持多樣化QoS的要求，同時(shí)提高了系統(tǒng)有效吞吐量。

本文的主要貢獻(xiàn)概括如下：

1)提出了一種基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入?yún)f(xié)議。并且該協(xié)議框架具有通用性，可以支持各種各樣的調(diào)度算法。

2)提出了順序調(diào)度算法和基于優(yōu)先級(jí)的QoS保障調(diào)度算法。

3)搭建了系統(tǒng)級(jí)-鏈路級(jí)一體化仿真平臺(tái)。通過仿真驗(yàn)證得出，基于OFDMA的MAC協(xié)議，通過引入QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，QoS-OFDMA MAC的系統(tǒng)有效吞吐量與順序調(diào)度算法的OFDMA MAC和比例公平調(diào)度算法的OFDMA MAC相比，分別提高了57.8%和59%。

1　系統(tǒng)模型

本協(xié)議針對(duì)下一代WLAN的單個(gè)基本服務(wù)集(basic service set,BSS)，研究上行各類業(yè)務(wù)多樣化QoS保障的問題。如圖1所示，接入點(diǎn)(access point,AP)位于小區(qū)的幾何中心，站點(diǎn)(station,STA)均勻隨機(jī)地分布在AP的覆蓋區(qū)域內(nèi)。由于上行接入對(duì)下一代WLAN MAC設(shè)計(jì)具有很大的挑戰(zhàn)，因此本文主要關(guān)注上行接入和傳輸。在BSS中，與AP關(guān)聯(lián)了m個(gè)STAs，每個(gè)STA的業(yè)務(wù)產(chǎn)生服從泊松分布，每個(gè)業(yè)務(wù)有各自的數(shù)據(jù)包大小，帶寬需求，延時(shí)敏感性等參數(shù)特性，因而每個(gè)STA對(duì)QoS的要求是多種多樣的。下一代WLAN引入了OFDMA作為關(guān)鍵技術(shù)之一，將全信道劃分為多個(gè)子信道，所有STA在子信道上接入和傳輸，即并行接入和并行傳輸。如圖1所示：基于OFMDA的機(jī)制，由AP維護(hù)子信道劃分方法，對(duì)傳統(tǒng)WLAN的20 MHz全信道采用固定劃分為N個(gè)子信道，每個(gè)子信道由一組連續(xù)的子載波組成。

圖1　網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

2　QoS-OFDMA多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)

本協(xié)議設(shè)計(jì)的基本思想是：所有STA退避完成后，在多個(gè)子信道上并行接入，并將自己的業(yè)務(wù)類型和QoS的相關(guān)參數(shù)攜帶在請(qǐng)求發(fā)送(request to send,RTS)幀中。AP對(duì)接入成功的STA按照業(yè)務(wù)類型和QoS參數(shù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，其排序原則是：首先根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，為了保證后向兼容性，本文沿用IEEE 802.11e 中EDCA業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分類方法[10]，將無(wú)線業(yè)務(wù)分為4種優(yōu)先級(jí)；同時(shí)為了很好地支持業(yè)務(wù)QoS多樣化，對(duì)于同種優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，再根據(jù)QoS參數(shù)進(jìn)行排序。最后，通過對(duì)已排序好的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列執(zhí)行QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，將STA調(diào)度至不同數(shù)據(jù)傳輸輪次或者不同子信道上傳輸數(shù)據(jù)。

如圖2所示，協(xié)議總體分為3個(gè)階段：隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)階段、資源分配階段以及多輪數(shù)據(jù)傳輸階段。

圖2　面向QoS調(diào)度的OFDMA MAC協(xié)議

2.1　隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)階段

小區(qū)內(nèi)的所有STA采用傳統(tǒng)的DCF方式，在發(fā)送數(shù)據(jù)分組前，必須要執(zhí)行退避過程。當(dāng)全信道空閑分布式幀間隔(DCF Inter-frame Space，DIFS)時(shí)長(zhǎng)后開始執(zhí)行退避過程，上行所有業(yè)務(wù)用戶從(0～競(jìng)爭(zhēng)窗(contention window,CW))中隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)作為退避值，后續(xù)每空閑一個(gè)時(shí)隙，退避計(jì)數(shù)值減1。本協(xié)議為了提高退避效率，采用時(shí)頻二維退避機(jī)制，每空閑一個(gè)時(shí)隙，退避計(jì)數(shù)值減去子信道個(gè)數(shù)[10]，如圖3所示，以劃分4個(gè)子信道為例說明時(shí)頻二維退避過程。當(dāng)退避完成均獨(dú)立隨機(jī)地選擇一個(gè)子信道發(fā)送RTS幀進(jìn)行接入，RTS幀中攜帶業(yè)務(wù)類型和QoS相關(guān)參數(shù)，例如帶寬需求、延時(shí)要求等參數(shù)。

圖3　時(shí)頻二維退避示例圖

如圖2所示STA-1至STA-9均有數(shù)據(jù)待發(fā)送。退避完成后，各自獨(dú)立隨機(jī)地選取一個(gè)子信道發(fā)送RTS幀進(jìn)行信道接入。

2.2　資源分配階段

隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)階段完成后，AP在子信道上成功接收到STA的RTS幀，從RTS幀中獲取STA的業(yè)務(wù)類型和QoS相關(guān)參數(shù)，對(duì)STA的業(yè)務(wù)進(jìn)行由高至低的優(yōu)先級(jí)排序。本協(xié)議以業(yè)務(wù)類型和帶寬需求、延時(shí)要求作為QoS相關(guān)參數(shù)為例，說明優(yōu)先級(jí)排序的原則。

首先按照業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級(jí)由高至低排序，出于后向兼容性的考慮，本文沿用IEEE 802.11e 中EDCA業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分類方法[10]，即分為4種接入類別(access category,AC)：AC-VO、AC-VI、AC-BE和AC-BK，分別代表語(yǔ)音(voice)類、視頻(video)類、盡力而為(best Effort)類和背景(background)類。同時(shí)為了支持QoS多樣化的需求，對(duì)于同一類優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，再按照(帶寬需求 / 延時(shí)要求)的值進(jìn)行排序，保證優(yōu)先調(diào)度業(yè)務(wù)速率要求高且緊急的業(yè)務(wù)。其他QoS相關(guān)參數(shù)亦適用于本文所提優(yōu)先級(jí)排序算法。

AP對(duì)接入成功的STA執(zhí)行QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，遍歷已排序的QoS優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。對(duì)延時(shí)要求小于等于本輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)間的STA按照其帶寬需求分配子信道，當(dāng)本輪剩余子信道不能滿足該STA的帶寬需求時(shí)，則重新開辟新的一輪數(shù)據(jù)傳輸，若新的一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)間滿足該STA業(yè)務(wù)延時(shí)要求，則按照帶寬需求為該STA分配子信道。凡是本輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)間不能滿足STA業(yè)務(wù)延時(shí)要求的均不分配子信道。QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法流程如圖4所示。

圖4　QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法流程圖

AP對(duì)成功接入且符合延時(shí)要求的STA，調(diào)度至不同數(shù)據(jù)傳輸輪次或者不同的子信道上，分配滿足其帶寬需求的子信道數(shù)后，AP產(chǎn)生組清除發(fā)送(group clear to send,G-CTS)幀，并將計(jì)算得到的上行業(yè)務(wù)用戶數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間、用戶地址、數(shù)據(jù)傳輸輪次、子信道分配結(jié)果寫入到G-CTS幀的相應(yīng)字段。經(jīng)過短幀間隔(short inter frame space,SIFS)時(shí)長(zhǎng)，AP在全信道上廣播該G-CTS幀。所有發(fā)送RTS幀的STA均從全信道上接收G-CTS幀。首先檢查G-CTS幀中的地址字段是否含有自己的地址，如果G-CTS幀中含有自己的地址，則說明本次隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入成功。如果G-CTS幀中未包含自己的地址，則說明本次隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入失敗。如圖2所示AP正確收到了STA-1～STA-6和STA-9的RTS幀，執(zhí)行QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，將STA調(diào)度至不同的數(shù)據(jù)傳輸輪次或者不同的子信道上。AP調(diào)度結(jié)果如表1所示。STA-7、STA-8發(fā)生了碰撞，AP未成功收到它們的RTS幀，隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入失敗。

表1　調(diào)度分配子信道結(jié)果

2.3　數(shù)據(jù)傳輸階段

對(duì)于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)階段成功的STA，從G-CTS幀中獲得自己數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮喆魏头峙涞淖有诺馈Ｕ{(diào)度至第k(k≥1)輪的STA，經(jīng)過(k-1)輪數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)+SIFS時(shí)長(zhǎng)，在指定的子信道上發(fā)送DATA。AP從各子信道上接收完成各STA的數(shù)據(jù)分組后，根據(jù)數(shù)據(jù)分組中的校驗(yàn)字段檢查各分組是否正確，并將結(jié)果寫入到多用戶塊確認(rèn)(multiuser block ACK,MBA)幀的相應(yīng)字段。AP在等待SIFS時(shí)長(zhǎng)后在全信道上廣播該MBA幀。所有發(fā)送數(shù)據(jù)分組的STA接收MBA幀并檢查自己的數(shù)據(jù)分組是否正確傳輸。如果自己的數(shù)據(jù)分組發(fā)送成功，則STA將競(jìng)爭(zhēng)窗設(shè)置為初始值；否則，該STA根據(jù)二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制加倍自己的競(jìng)爭(zhēng)窗并在下一次傳輸機(jī)會(huì)重新進(jìn)行隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入。

如圖2所示接入成功的站點(diǎn)STA-1～STA-3收到G-CTS后，根據(jù)G-CTS幀中的指示，經(jīng)過SIFS時(shí)長(zhǎng)在第一輪數(shù)據(jù)傳輸分配的子信道上發(fā)送DATA。AP收到STA-1～STA-3的DATA后，回復(fù)MBA幀，第一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。接入成功的站點(diǎn)STA-4～STA-6及STA-9在第k輪數(shù)據(jù)傳輸分配的子信道上發(fā)送DATA。AP收到STA-4～STA-6及STA-9的DATA后，回復(fù)MBA幀，第k輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，即整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

2.4　幀格式

為了能夠很好地支持該協(xié)議，需要將傳統(tǒng)的WLAN中RTS幀增加QoS相關(guān)參數(shù)，即擴(kuò)展為Q-RTS，同時(shí)將傳統(tǒng)的CTS幀和ACK幀分別擴(kuò)展為G-CTS 和MBA。所提協(xié)議的DATA幀結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的WLAN中的幀結(jié)構(gòu)一樣，本文不再贅述。如圖5所示，Q-RTS幀增加業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)域、帶寬需求域和延時(shí)域。業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)域占2 b，映射802.11e的4種業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)；帶寬需求域占8 b；延時(shí)域占16 b。

圖5　Q-RTS幀結(jié)構(gòu)

如圖6所示，在G-CTS幀增加接收地址域、輪次域和調(diào)度信息域。輪次域占8 b，調(diào)度信息域占16 b，每比特對(duì)應(yīng)一個(gè)子信道，可以表示16個(gè)子信道的分配情況。調(diào)度信息比特置1表示對(duì)應(yīng)的子信道分配給該接收地址的站點(diǎn)，調(diào)度信息比特置0表示對(duì)應(yīng)的子信道不分配給該接收地址的站點(diǎn)。

圖6　G-CTS幀結(jié)構(gòu)

如圖7所示，在MBA幀中增加確認(rèn)信息域。由于是確認(rèn)一組STA的數(shù)據(jù)，因此將接收地址寫成AP地址，表示對(duì)一組站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。MBA幀中的確認(rèn)信息域長(zhǎng)度同G-CTS幀中的調(diào)度信息域，也為16 b，比特置1表示從對(duì)應(yīng)的子信道成功接收到了數(shù)據(jù)分組，比特置0表示從對(duì)應(yīng)的子信道接收數(shù)據(jù)分組失敗。

圖7　MBA幀結(jié)構(gòu)

3　仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1　仿真場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置

本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2搭建了仿真平臺(tái)。仿真場(chǎng)景中，站點(diǎn)STA隨機(jī)分布在10 m×10 m的網(wǎng)絡(luò)中，AP位于網(wǎng)絡(luò)的幾何中心。出于后向兼容性考慮，本仿真中沿用IEEE 802.11e 中EDCA業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分類方法，將無(wú)線業(yè)務(wù)分為4類優(yōu)先級(jí)。同時(shí)為了很好地支持多樣化QoS要求，QoS相關(guān)參數(shù)的帶寬需求，即子信道個(gè)數(shù)，均勻分布在[10,20]；延時(shí)要求均勻分布[60,800]μs；數(shù)據(jù)包大小固定為1 500 B。單次仿真時(shí)間50 s，最終結(jié)果為5次仿真結(jié)果的平均值。其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　仿真中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

3.2　仿真結(jié)果

采用QoS優(yōu)先級(jí)(priority)算法的OFDMA MAC協(xié)議，稱之為QoS-OFMDA MAC；采用比例公平(proportional fairness)算法的OFDMA MAC協(xié)議，稱之為PF-OFMDA MAC；采用順序調(diào)度(sequential scheduler)算法的OFDMA MAC協(xié)議，稱之為SS-OFMDA MAC。本文對(duì)比了以上3種協(xié)議的有效吞吐量、延時(shí)、包成功發(fā)送概率性能指標(biāo)，并同時(shí)與DCF單用戶接入方式相對(duì)比，說明基于OFDMA MAC引入并行接入，并行傳輸帶來了顯著優(yōu)勢(shì)。

3.2.1系統(tǒng)有效吞吐量

定義單位時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中所有業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送且符合延時(shí)要求的數(shù)據(jù)總量為系統(tǒng)有效吞吐量。如圖8所示，固定業(yè)務(wù)到達(dá)速率為1 Mb，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從10開始，間隔為10，逐步增至200。由于QoS-OFDMA MAC優(yōu)先調(diào)度緊急業(yè)務(wù)并實(shí)現(xiàn)了多輪數(shù)據(jù)傳輸，因此QoS-OFDMA MAC的系統(tǒng)有效吞吐量均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC。由圖8還可以得出：3種OFDMA MAC的有效吞吐量均高于DCF的有效吞吐量。如圖9所示，固定節(jié)點(diǎn)數(shù)為100個(gè)，變周期性業(yè)務(wù)速率。業(yè)務(wù)產(chǎn)生速率由200 kb/s開始，間隔為100 kb，逐步增至1 000 kb。同樣可以得出QoS-OFDMA MAC的系統(tǒng)有效吞吐量均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC，并顯著大于DCF的有效吞吐量。

圖8　系統(tǒng)有效吞吐量(變節(jié)點(diǎn)數(shù))

圖9　系統(tǒng)有效吞吐量(變業(yè)務(wù)速率)

3.2.2數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率

定義網(wǎng)絡(luò)中所有業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)/發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)為數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率。如圖10所示，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從10開始，間隔為10，逐漸增至200。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，沖突隨之增加，數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率呈下降趨勢(shì)。由于QoS-OFDMA MAC優(yōu)先調(diào)度緊急業(yè)務(wù)，因此QoS-OFDMA MAC的數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率均要高于SS-OFDMA MAC和PF-OFDMA MAC。由圖10可以看出：傳統(tǒng)DCF由于是單用戶接入與傳輸，高密場(chǎng)景下沖突非常嚴(yán)重，因此數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率非常低。

圖10　數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率

3.2.3延時(shí)性能

固定節(jié)點(diǎn)數(shù)為50個(gè)，周期性業(yè)務(wù)速率為100Kb，仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包的延時(shí)性能。以數(shù)據(jù)包的實(shí)際到達(dá)時(shí)間/期望到達(dá)時(shí)間為橫坐標(biāo)，畫出延時(shí)性能的累計(jì)分布函數(shù)(cumulative distribution function,CDF)曲線。如圖11所示，QoS-OFDMA MAC數(shù)據(jù)包延時(shí)收斂快，很快收斂至1；而SS-

OFDMA MAC、PF- OFDMA MAC和DCF收斂慢，且存在很多數(shù)據(jù)包延時(shí)不符合業(yè)務(wù)延時(shí)要求。

圖11　數(shù)據(jù)包延時(shí)CDF曲線

4　結(jié)　論

本文針對(duì)下一代WLAN提出了一種基于OFDMA面向QoS的新型多址接入?yún)f(xié)議。該協(xié)議在保證后向兼容性的同時(shí)，很好地支持了未來無(wú)線業(yè)務(wù)QoS多樣化的需求。該協(xié)議框架具有良好的通用性，可以支持各類調(diào)度算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于OFDMA面向QoS保障的新型多址接入?yún)f(xié)議能夠很好地保障高QoS業(yè)務(wù)，同時(shí)提升了系統(tǒng)的有效吞吐量。