下一代WLAN中一種空間聚集群組的OFDMA接入協議

李勇, 李波, 楊懋, 閆中江, 屈橋

(西北工業大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)

無線局域網(wireless local area network,WLAN)是無線網絡業務最主要的承載方式之一[1]， 通過Wi-Fi或家庭微基站傳輸的業務已占據無線網絡業務的51%[1]。然而，現有的基于載波偵聽沖突避免的媒體接入控制(media access control，MAC)協議在同一時刻只能由一個節點(station，STA)實現上行傳輸，不但限制MAC效率，而且在高密集場景[2-3]下將嚴重制約區域吞吐量(單位時間、單位面積內網絡中所有節點發送的數據量)。因此，2014年下一代WLAN(IEEE 802.11ax)工作組正式成立，將顯著提升區域吞吐量和MAC效率作為主要技術目標之一[2-3]。

多個節點并行接入是提升MAC效率的重要方式之一。其中，正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技術已經得到學術界和產業界廣泛的重視[2-10]。OFDMA技術將頻域信道分成若干個正交的窄帶子信道，使得多個STA可以在不同的子信道上同時并行接入與傳輸。OFDMA可以帶來多節點并行接入增益(多節點同時接入信道)與多節點分集增益(節點在信道狀態好的子信道上傳輸)，從而提升MAC效率。 目前，OFDMA技術已經被下一代無線局域網標準草案所接納[8]。近年來已有若干基于OFDMA的下一代WLAN多址接入協議。其中，IEEE 802.11ax草案[8]提出基于觸發幀(trigger frame，TF)的OFDMA協議，接入點(access point，AP)發送TF，STA收到TF后執行退避過程，退避完成后以OFDMA方式隨機選擇一個子信道發送請求(request to send，RTS)幀，接入與數據傳輸均采用OFDMA方式。文獻[6]提出一種基于OFDMA的多址接入協議(OMAX)，STA的退避過程和傳統WLAN MAC保持一致。退避完成后，STA隨機選擇一個子信道發送RTS幀。接入與數據傳輸均采用OFDMA。文獻[7]根據傳播延遲不同而將STA分成不同組，并針對上行傳輸提出一種基于AP中心調度的OFDMA MAC協議。然而，現有基于OFDMA的WLAN MAC協議存在一個共性問題：位于各個位置的STA同時接入和傳輸數據，從而引發發送端干擾范圍擴散，制約區域吞吐量的提升，而且網絡部署越密集，影響越大。

針對已有研究中采用OFDMA接入存在的干擾擴散問題，本文提出一種基于空間聚集群組的OFDMA多址接入協議(spatial clustering group based OFDMA，SCG-OFDMA)。SCG-OFDMA核心思想是：有數據發送的STA競爭到信道資源后，觸發其周圍同樣有數據發送的STA，并與之形成空間聚集群組(spatial clustering group，SCG)，空間聚集群組內的節點采用OFDMA的方式并行接入與傳輸。SCG不需預先設定，在節點競爭接入過程中，根據接入條件實時動態地產生。

1 SCG-OFDMA協議

1.1 網絡場景

SCG-OFDMA工作在節點高密集部署場景[3]的下一代WLAN[8]。SCG動態地產生，不需預先設定，見圖1，虛線圓內表示某一個SCG的范圍。

圖1 高密集網絡場景模型

1.2 SCG-OFDMA協議描述

SCG-OFDMA協議的工作流程分為競爭信道階段與SCG并行接入與傳輸階段，見圖2。其中，請求多址接入幀(request to multiple，RTM)RTM-x與RTS-x的x為STA號，即STA x發送的RTM幀或RTS幀。

圖2 SCG-OFDMA協議時序示意

競爭信道階段。需要發送上行數據的STA偵聽全信道忙閑狀態，并采用IEEE 802.11 n協議規定的退避方式進行退避。完成退避后，STA隨機選擇一個子信道發送RTM幀。圖2中STA1、STA10分別在子信道1、子信道2上發送RTM幀；成功接入的STA稱為簇首，圖2中，STA1與STA10為簇首。 STA30、STA40同時在子信道3上發送RTM幀，導致STA30與STA40發送的RTM幀產生碰撞。AP收到RTM1與RTM10后，記錄簇首地址與小區標識等信息，后續分別調度SCG并行接入與傳輸。

SCG并行接入階段。由于競爭信道階段可能產生多個簇首，因此，SCG并行接入階段可能有多個不同的SCG分別接入，由AP分別調度簇首。AP調度一個SCG的時序包含以下五個子階段。

1) 觸發SCG子階段：AP在全信道上發送schedule幀，收到schedule幀的節點，在短幀間隔(short inter frame space，SIFS)后，在全信道上回復neighbor-trigger幀。圖2中，在SCG1并行接入階段，簇首為STA1。STA1收到schedule幀后，則在SIFS后在全信道上回復neighbor-trigger-1，以觸發SCG1內的STA隨機接入。其中，schedule幀包含被調度的簇首地址，AP端信道狀況測量信息。neighbor-trigger幀包含小區標識號與接收功率門限值，簇首端信道狀況測量的反饋信息，用來指示SCG內STA同步與采用OFDMA技術接入。

2) SCG跟隨子階段：STA收到neighbor-trigger后，根據neighbor-trigger幀所含有的小區標識與接收功率門限值判斷是否符合接入條件。即STA有上行數據發送、小區標識號與本小區標識號相等、接收neighbor-trigger幀的功率值大于等于接收功率門限值。若STA符合接入條件，則在SIFS后隨機選擇一個子信道發送RTS。否則，不接入。圖2中，SCG1并行接入階段的STA2、STA3與 STA4符合接入條件，隨機選擇子信道1、2與3，發送RTS-2、RTS-3 與RTS-4。

3) SCG調度子階段：AP收到neighbor-trigger，等待點協調幀間隔(PCF inter frame space，PIFS)時長。在PIFS時長之內，若AP收到RTS，則在SIFS后回復清除發送幀(clear to send，CTS)，調度STA發送上行數據；如果AP未收到RTS，則本次形成SCG失敗，AP在PIFS后，回復CTS調度簇首發送數據。其中，CTS含有STA在某個子信道上傳輸數據、使用某個速率以及編碼方式等技術參數。

4) 傳輸子階段：STA收到CTS后，根據其攜帶的調度信息，發送上行數據。圖2中，SCG1并行接入階段的STA1、STA2、STA3與 STA4被調度，分別在子信道1,2,3與4上發送上行數據DATA-1、DATA-2、DATA-3與 DATA-4。

5) 反饋子階段：AP收到上行數據后，回復確認與調度(block ACK，BA & schedule)聚合幀。若SCG未調度完畢，則返回子階段1)，進行SCG2并行接入階段；否則，本次SCG接入與傳輸過程結束，返回競爭信道階段。

SCG-OFDMA協議工作在網絡模型中的MAC層。假設物理層采用的OFDMA技術與算法[7]可以抑制信道出現的頻率選擇性衰落與干擾，功率控制技術[11]可以制約SCG內節點之間的相互干擾。由于網絡的覆蓋面積與STA總數在節點設備入網關聯階段可以獲得，根據本文中的理論分析，可以預先計算出最優SCG接入半徑。通過節點發送DATA幀與AP發送BA & schedule幀的交互，可以校準與更新接收鄰居觸發幀的功率門限值與最優SCG接入半徑對應列表，從而保證SCG-OFDMA正常工作。

設計控制幀。RTM結構見圖3a)。使用預留幀的類型：type=01，subtype=0001；BSS ID指示發送該幀的STA所在小區標識。neighbor-trigger幀與RTM幀結構的不同之處是將目前的預留幀類型設置為subtype=0010，info.前半部分表示接收功率門限值，后半部分表示信道測量反饋信息。BA & schedule幀為確認與調度聚合幀，見圖3b)。使用預留幀類型：type=01，subtype=0011；schedule域首位置1標識該幀為調度幀，剩余位為信道測量信息，BA Info.為AP對接收到的數據進行確認。schedule幀與BA & schedule幀結構的不同之處是將BA Info域置為0。

圖3 RTM與BA & schedule幀結構

2 數學分析

2.1 最優接入半徑推導

引理若系統中存在M個OFDMA子信道,網絡中每一個節點隨機接入任何一個子信道的概率為1/M,則同時接入的節點個數為M或者M-1時,平均成功接入網絡節點數目達到最大值M/e,其中,e為自然數。

引理證明 假設WLAN中存在n個非AP節點。當前時隙每個節點獨立選擇一個子信道,并接入成功的概率為(1)式,則平均接入成功的節點個數為(2)式。對(2)式中的變量n進行求導數,并令導數為0,得到極大值點為(3)式：

(1)

(2)

(3)

對(3)式進行泰勒展開式,經分析可知,(3)式中nopt屬于區間(M-1,M)。將n為M-1與M分別代入(2)式,可以得到2種情況下平均接入成功的節點個數分別為(4)式與(5)式,通過整理化簡(4)式與(5)式,可知(4)式與(5)式等號右側相等。工程應用中當M較大時,利用重要極限公式(6),由(5)式可推導出(7)式

(4)

(5)

(6)

(7)

即平均成功接入網絡節點數目達到最大值,最大值為M/e,e為自然數。引理證畢。

定理若網絡中接入節點的密度為d,OFDMA子信道數為M,則存在一個最優SCG接入半徑r(即以簇首節點為圓心,r為半徑的圓內的節點構成SCG),使得SCG平均成功接入網絡的節點數最多,其表達式為(10)式。

證明假設WLAN覆蓋面積為S,n個節點所在空間位置的投影點,均勻隨機分布在面積為S的平面圓域內,則節點密度d為(8)式

d=n/S

(8)

由于SCG-OFDMA在同一時刻只有一個SCG內的節點接入網絡,基于引理可知,則存在節點個數為M的最優SCG,假設其在平面上投影形成的圓域面積為Sr。則最優SCG接入半徑r的表達式為(10)式

M=d·Sr=d·π·r2

(9)

(10)

式中,d為網絡節點密度,M為系統OFDMA子信道個數,π為圓周率。定理證畢。

2.2 網絡吞吐量分析

吞吐量定義:單位時間內網絡中所有節點發送的數據量。假設WLAN中n個非AP節點一直有數據發送,系統有M個OFDMA子信道。發送RTM時碰撞的時長Tcol為(11)式

Tcol=M·TRTM+TDIFS

(11)

式中，TRTM為RTM傳輸時長,TDIFS為分布式幀間隔(distributed inter-frame space,DIFS)時長。i個簇首分別成功傳輸的總時長為(12)式,其中,TSIFS為SIFS時長,TCTS(4)為SCG聚合確認幀傳輸時長[6],TDATA(4)為SCG數據幀傳輸時長[6],同理,TBA&schedule為SCG聚合調度與確認幀傳輸時長

Tsuc(i)=TDIFS+M·TRTS+TCTS+i·

[TRTS+M·TRTS+TCTS(4)+

TDATA(4)+TBA&schedule]+(i·5+1)·TSIFS

(12)

i個STA在不同的OFDMA子信道上同時傳輸RTS成功的概率Psuc,信道空閑概率Pidle,信道空閑時長Tidle,發送RTS碰撞概率Pcol的分析均采用文獻[6]的方式。根據定理,經過推導可得到,在飽和業務下的網絡吞吐量為(13)式

(13)

式中,假設SCG為以最優接入半徑畫圓形成的最優SCG,SCG跟隨子階段中跟隨接入節點數目達到最大。(13)式中的(M/e+1)為在SCG跟隨子階段中平均一次跟隨接入成功的節點個數與簇首總和,即發送數據包的節點總數。E為傳輸的數據幀長度。

2.3 網絡區域吞吐量分析

區域吞吐量定義:單位時間、單位面積內網絡中所有節點發送的數據量,數值上等于吞吐量與發送端干擾區域的面積之比。發送端干擾區域定義:發送數據幀的節點載波偵聽范圍以為的區域。假設WLAN覆蓋面積為S,n個節點所在空間位置的投影點,均勻隨機分布在面積為S的平面上,以最優SCG接入半徑r畫圓的面積為Sr。根據吞吐量的分析,可推導出,區域吞吐量為(14)式

(14)

式中,d為WLAN中節點密度,M為系統中OFDMA子信道個數。

3 仿真驗證

3.1 仿真設置

WLAN單小區面積為20 m×20 m，AP位于小區中間，所有非AP節點隨機分布在小區中。采用網絡仿真軟件NS2仿真[12]。信道帶寬為40 MHz，分為8個子信道，控制幀速率6 Mbit/s，PIFS時長25 μs。節點為飽和業務，節點載波偵聽范圍為50 m，其他參數與文獻[6]一致，調度算法與文獻[6]一致。由于IEEE 802.11ax首次引入OFDMA多用戶接入技術[13-14]，基于OFDMA接入的SCG-OFDMA與OMAX協議有必要與DCF進行比較，以便驗證OFDMA的性能。

3.2 吞吐量與傳輸速率的關系

本仿真節點數設置為100。通過圖4看出，小區的吞吐量隨著物理層傳輸數據速率的增加呈上升趨勢。物理層傳輸數據速率為135 Mbit/s時，SCG-OFDMA的吞吐量分別高于OMAX 2.91%和DCF 40.94%。SCG-OFDMA的仿真曲線與理論分析曲線接近，驗證理論分析的正確性。原因是物理層傳輸數據速率的提高減少傳輸數據占用的時間，單位時間內傳輸較多的數據量。

圖4 吞吐量與物理層速率的關系

3.3 區域吞吐量與傳輸速率的關系

通過圖5看出，小區的區域吞吐量隨物理層傳輸數據速率的增加呈上升趨勢。SCG-OFDMA的區域吞吐量仿真曲線與理論分析曲線接近，驗證理論分析的正確性。物理層傳輸數據速率為135 Mbit/s時，SCG-OFDMA的區域吞吐量分別高于OMAX 15.98%和DCF 31.26%。主要原因是SCG-OFDMA使得同時傳輸的節點在空間上較為聚集，從而減少干擾擴散區域的面積，提升區域吞吐量。 而DCF未采用多節點OFDMA技術接入。

圖5 區域吞吐量與物理層速率的關系

3.4 驗證最優SCG接入半徑

傳輸數據速率設為135 Mbit/s時，通過仿真給出SCG-OFDMA不同接入半徑對吞吐量的影響。通過圖6看出，SCG-OFDMA吞吐量隨著跟隨接入半徑的變化出現一個極大值。理論分析最優SCG接入半徑值與仿真值接近。當節點數為120時，理論最優SCG半徑為3.09 m，對應的仿真最優SCG半徑為3 m。當節點數為100時，理論最優SCG半徑為3.38 m，對應的仿真最優SCG半徑為3.3 m。當節點數為80時，理論最優SCG半徑為3.78 m，對應的仿真最優SCG半徑為3.6 m。當節點數為60時，理論最優SCG半徑為4.37 m，對應的仿真最優SCG半徑為4.5 m。本文推導出的定理所述最優SCG接入半徑為SCG-OFDMA跟隨接入半徑的設置提供參考，從而保證協議具有較好的吞吐量與區域吞吐量。

圖6 吞吐量與接入半徑的關系

4 結 論

針對下一代WLAN的高密集場景特點與提升區域吞吐量的要求，本文提出的SCG-OFDMA，能夠有效克服現有文獻提出的OFDMA協議存在干擾擴散范圍較大的問題。SCG-OFDMA分別與同樣采用多用戶OFDMA接入的OMAX協議和傳統DCF協議進行了對比，通過理論分析與仿真驗證，SCG-OFDMA在100個節點時，區域吞吐量與OMAX和DCF相比分別提升15.98%和31.26%，并且仿真結果與理論分析相吻合。