高速無線局域網媒體競爭接入優化

劉廣鐘 董宇航

摘要：針對目前體育場、客運站、辦公區等高密度節點環境下，無線局域網（wireless local area networks， WLAN）接入緩慢和上下行數據傳輸不平衡的特點，基于物理層的正交頻分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）和多用戶多輸入多輸出（multi-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技術，提出有序混合競爭的媒體訪問控制（media access control， MAC）協議。該協議通過初次隨機篩選一定數量的節點完成同步上行傳輸，而剩余節點參加下一輪的混合競爭，增加競爭節點接入的有序性，以提高高密度節點環境下的系統性能。根據該協議特性建立一個數學模型，通過改變模型參數進行模擬，結果顯示該協議能夠有效改善高密度節點競爭接入WLAN的性能。

關鍵詞：無線局域網（WLAN）; 媒體訪問控制（MAC）; 多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）技術;高密度節點

中圖分類號：TP393.1

文獻標志碼：A

收稿日期：2018-03-05

修回日期：2018-05-04

作者簡介：

劉廣鐘（1962—），男，江蘇徐州人，教授，博導，博士，研究方向為計算機網絡和水聲通信，（E-mail）gzhliu@shmtu.edu.cn

Abstract：Under the current high-density node environment， such as stadiums， passenger stations， and office zones， accessing wireless local area networks （WLAN） is slow， and the transmission between uplink data and downlink data is unbalanced. In view of the above defects， based on the orthogonal frequency-division multiple access （OFDMA） of the physical layer and the multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology， an ordered hybrid competitive media access control （MAC） protocol is proposed. In the protocol， the simultaneous uplink data transmission is achieved by initially selecting a certain number of nodes randomly， and the remaining nodes participate in the next round of hybrid competition to increase the orderliness of the competition node access and improve the system performance under the high-density node environment. A mathematical model is established according to the characteristics of the protocol， the model is simulated by changing the model parameters， and the results show that this protocol can improve the performance of high-density nodes accessing WLAN in competition.

Key words：wireless local area networks （WLAN）; media access control （MAC）; multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology; high-density node

0 引 言

體育場、客運站、辦公區等場景存在高密度工作站（station， STA）[1]，而高密度STA接入接入點（access point，AP）會造成入口擁擠，因此，為滿足高數據流量的實時信息反饋需求，急需提高傳統無線技術802.11的上行傳輸性能。YEON等[2]提出的自適應動態幀聚合和分段算法主要考慮了AP的實時動態隊列調整和節點自適應接入信道的時機，STA通過前一次發送情況閉環反饋信道質量，并根據信道質量動態調整聚合幀大小，以減少多數據幀差錯重傳的退避控制開銷和每個數據幀成功傳輸反饋的確認幀數量。該算法雖利用幀聚合的方式動態減少控制開銷，但對于高密度節點高數據傳輸率的情況，系統的整體吞吐量提升有限。吳銳驍[3]研究了超高速無線局域網媒體訪問控制（medium access control， MAC）層高級信道接入技術，通過AP集中管理和控制信道接入去除傳統802.11協議中站點隨機回退式的自由競爭，通過匯集站點的競爭信息把站點競爭信道的過程放到無線控制器內，將不同的幀間距時長統一替換為短幀間距時長，減少幀傳輸之間的時延，提高信道利用率，在多站點同時競爭信道時，避免了碰撞的發生，優化了站點接入。楊帆等[4]提出了基于非合作博弈的資源分配算法，在正交頻分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）中不同質量的信道通過資源分配算法由AP公平分配給多個STA，資源分配的理想狀態是所有用戶通過非合作博弈公平地得到不同質量的信道資源。該算法動態調整信道分配概率，并通過降低非合作博弈的最小代價，最大化系統功效。

考慮到部分節點的有序接入能緩解擁堵狀況，本文在前人研究的基礎上提出有序混合競爭MAC協議。無線局域網的物理層（physical layer， PHY）目前采用的OFDMA技術，在利用正交頻分多路復用（orthogonal frequency-division multiplexing， OFDM）對信道進行子載波化后，在部分子載波上加載數據進行傳輸[5]。該技術在給定時間內為不同的STA分配相應的子信道，允許同時由多個STA上傳數據給AP。AP通過收集相關的頻率和用戶差異信息將通信質量較差的STA剔除，把讓出的信道分配給通信質量優良的STA，從而提高系統的靈活性和信道利用率[6]。搭配OFDMA的多子信道數據傳輸，多用戶多輸入多輸出（multiple-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技術利用多根天線與多個STA同時通信，可以提高通信質量，同時極大地提升基本服務集的吞吐量，對于高密度節點場景非常適用。[7]上行MU-MIMO：不同用戶使用相同的時頻資源進行上行發送（單天線發送），從接收端來看，這些數據流可以看作來自一個用戶終端的不同天線，從而構成了一個虛擬的MIMO系統。本文基于OFDMA和MU-MIMO物理層技術，提出有序混合競爭MAC協議模型。

1 MAC層技術

1.1 有序混合競爭MAC協議

針對基本服務集內多STA與同一AP的數據傳輸特性，根據多數據包接收（multiple packet receiving， MPR）[8]技術，本文提出有序混合競爭MAC協議。該協議主要解決多STA多數據幀上行傳輸問題。

該MAC層技術只要對目前的STA和AP的MAC協議做少量修改，就可以完成既定目標。假定基于MU-MIMO物理層技術的AP擁有b根天線，可以同時進行b個STA數據幀上傳。無線局域網主要使用基于載波監聽多路訪問/沖突檢測（carrier sense multiple access/collision detect， CSMA/CA）的基礎協議和可以發送（clear to send， CTS）/請求發送（request to send， RTS）控制幀的兩次握手協議，本文主要根據兩次握手協議進行改進。

在現實的車站運輸場景下，當人流量過大時需要想辦法解決流量入口的有序性問題并減少沖突。本文基于這種思路，在同時競爭上傳數據的眾多STA中選取一個子集，并在子集中提取AP所允許同時上傳的STA數量，完成數據同步上行傳輸，對被從子集中甩出的無法上傳數據的節點（稱為過剩節點）進行標記，減少其競爭窗口值，使其計時器在退避計時中優先減少到0，得到優先接入機會。

1.2 對控制幀的修改

在傳統802.11協議中，為解決隱藏和暴露節點問題，需要在STA與AP之間使用RTS和CTS控制幀進行兩次握手。RTS是STA將要發送的數據先告知周圍節點，CTS是AP收到STA的RTS后返回的告知整個基本服務集的控制幀，兩個控制幀中都包含預估的數據傳送時間，使基本服務集中的STA能夠被通知，避免碰撞，完成有序競爭。

為減少多個上傳STA的控制開銷，對AP回復STA的CTS和確認字符（acknowledgement， ACK）控制幀做部分修改，修改后的控制幀分別稱為G-CTS和G-ACK[9]，其結構見表1。STA使用RTS控制幀直接進行信道搶占，對傳統802.11協議的RTS控制幀不做修改，因為AP要對多個STA進行控制，G-CTS包含已經被選中同步上行傳輸的b個STA地址，可以通知這b個STA進行同步上傳，即起到通知節點和時間同步的作用。G-ACK協議中有被選中子集的N個STA地址，用于確認b個STA是否已經成功傳輸數據和告知過剩STA設置競爭窗口值Cwgs（該競爭窗口初始值是小于傳統競爭窗口初始值的）。

1.3 有序混合競爭過程

多STA數據幀同步上行傳輸包括兩種情況：第一種是初次啟動或者空閑后的數據傳輸，第二種是連續飽和流量競爭中的數據傳輸。使用有序混合競爭MAC協議的多STA競爭過程見圖1。

第一種情況一定在第二種情況之前發生：首先，無任何特殊標記的STA發出RTS控制幀競爭接入有b個天線資源的AP。AP利用MPR不斷接收STA發出的RTS控制幀并記錄在隊列內，當收到N個RTS控制幀之后，經過一個很短的判斷時間，AP馬上發出G-CTS控制幀廣播通知所有STA立即停止發送RTS控制幀，且通知被選中發送數據的b個STA準備發送數據。

在AP不斷接收競爭STA發出的RTS控制幀的同時，程序隨機在已經排入隊列的STA中進行選擇。當競爭STA數量為M，且M

如果b

如果M>N，那么AP就可以在N個STA中選擇b個允許傳輸數據的STA，Q記錄數為b，過剩STA將退避計時器掛起，而被選中的STA立即開始同步上傳數據。同步上傳的數據幀大小不一，AP會根據最長的數據幀結束上行數據傳輸過程，并立即發出G-ACK控制幀通知所有STA（剛剛發送數據的b個STA被告知其數據已經接收完畢，其余N-b個STA被告知其為過剩節點）。各過剩節點將其初始競爭窗口值變成Cwgsmin（

與初始競爭階段不同，接下來的競爭階段被稱為混合競爭階段，競爭STA中包括普通節點和過剩節點，各STA在優先級上存在一定的差別，過剩節點有一定的同步上行傳輸優勢。

以上為傳輸條件理想情況，在STA上傳數據的過程中，AP會將收到的不同源IP地址數量與Q記錄的數量進行比較，如果在AP發送G-CTS控制幀時信道發生異常、部分STA接收控制幀異常或者上傳數據時發生丟包，則AP無法得到與Q記錄相同的STA數量，AP會在一個短幀間間隙后重新發送一次G-CTS控制幀而不是G-ACK，接收到該控制幀的STA會立即響應。如果第二次AP確認得到與Q記錄相同的STA數量，則AP發出G-ACK并繼續運行。如果第二次仍然無法確認得到與Q記錄相同的STA數量，則停止廣播控制幀，AP不做任何響應，各STA會進行超時重傳，盡可能減少網絡延遲。

圖2描述了M個STA（S1～SM）進行同步上行數據傳輸競爭的情況，其中：S1到S3完成競爭成功同步傳輸數據;SM在子集中沒有被選中，被標記成過剩節點，并繼續參與下一階段的混合競爭;BBO代表信道占用;Difs代表分布式幀間間隙（distributed interframe space）。

1.4 系統吞吐量模型

首先計算在一個時隙中至少有一個STA傳輸

2 系統性能評估

2.1 性能測試準備

在無數據包丟失、無信號干擾、無路徑衰減、無數據包超時重傳的理想環境[13]下對高密度STA場景進行仿真。分別觀察仿真場景下競爭STA數量M分別為2、5、10、30、50時的情況。系統所使用的固定參數值見表2，其中G-CTS和G-ACK長度為“基本控制幀+要告知的地址個數×地址長度”。

有兩個關鍵參數值需要考慮，分別為第一階段選取的子集中STA數量N和混合競爭過剩節點的最小競爭窗口值Cwgsmin。根據仿真觀察有序混合競爭MAC協議模型對提升系統吞吐量的效果，以下仿真均是在飽和流量情況下進行的。

2.2 子集中STA數量N的系統性能評估

保持AP天線數量b=6不變，N的數量從4變化到15，觀察系統吞吐量隨N的變化情況。由圖3可知：除競爭STA數量M=2時的曲線之外，M為其他值時的曲線顯示系統吞吐量都隨N的增大先增大后減小，在N=13附近達到峰值。這說明子集中STA數量N不是越大越好，最優解在N=13附近，更大的N會使第二混合階段的幀碰撞增加，從而造成系統吞吐量減少。

2.3 過剩節點最小競爭窗口值的系統性能評估

保持AP天線數量b=6不變，第一階段子集中STA數量N=13，改變不同的過剩節點最小競爭窗

口值Cwgsmin，觀察不同競爭STA數量M對系統吞吐量的影響。由圖4可知：除競爭STA數量M=2的曲線之外，M為其他值的曲線顯示系統吞吐量都隨Cwgsmin的增大先緩慢增大后緩慢減小，分別在Cwgsmin為22和24時取得最大值。這說明調整Cwgsmin對系統性能非常重要：Cwgsmin過小會導致過剩節點容易選取相同的退避值，造成數據幀碰撞，影響系統吞吐量;隨著Cwgsmin的不斷增大，STA競爭逐漸沒有差別，導致系統性能下降。

HEGDE等[14]提出了無線局域網服務增強協議（簡稱ADWISER），該協議要求STA競爭接入介質必須受中央控制節點調度，這樣能夠減輕信道之間的相互干擾和信道上下行傳輸的不公平性，并增強AP的數據緩沖隊列和中央調度控制。本文用OHC與ADWISER做對比試驗。

2.4 有序混合競爭模型與ADWISER模型的系統性能比較

為驗證有序混合競爭模型的性能，通過仿真比較采用混合競爭模型時與采用ADWISER模型時系統性能的差異。對于有序混合競爭，關鍵參數取值為：子集中STA數量N=13，參數過剩節點最小競爭窗口值Cwgsmin=23.

固定數據傳輸率為13 Mbit/s，采用有序混合競爭模型和ADWISER模型仿真時的其他參數相同，見表2。通過改變競爭STA數量M，比較采用兩種模型時的系統吞吐量。由圖5可知：在M不斷增大的情況下，采用有序混合競爭模型時系統吞吐量始終保持較低的下降速度，優于采用ADWISER模型時的結果;當采用有序混合競爭模型時，天線數量越多系統的吞吐量指標越好。這說明有序混合競爭模型能夠更好地適應較多STA競爭的場景。

保持競爭STA數量M=20不變，讓各STA不間斷發送數據包，通過同步不斷增大各STA的數據傳輸率，比較采用混合競爭模型時與采用ADWISER模型時系統性能的差異。由圖6可知：隨著各STA數據傳輸速率的增大，采用ADWISER模型時系統的吞吐量增長速率明顯低于采用混合競爭模型時系統的吞吐量增長速率;當采用有序混合競爭模型時，

天線數量越多系統的吞吐量指標越好。這說明隨著數據傳輸速率增大，采用有序混合競爭模型時系統能夠保持更好的性能，且更能夠適應節點的高數據傳輸速率環境。

3 結 論

本文提出的有序混合競爭媒體訪問控制（MAC）協議旨在提升高密度工作站（STA）場景下的上行多數據幀同步傳輸質量。為量化有序混合競爭MAC協議，建立了有關競爭窗口的系統吞吐量數學模型，并通過仿真高密度STA分布式隨機競爭接入信道場景，改變不同的參數值和競爭STA數量，觀察系統吞吐量的變化情況。仿真表明，有序混合競爭模型對較多STA競爭的場景系統性能提升較明顯，說明了有序混合競爭模型的有效性。

參考文獻：

[1]CHARFI E， CHAARI L， KAMOUN L. PHY/MAC enhancements and QoS mechanisms for very high throughput WLANs：a survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2013， 15（4）：1714-1734. DOI：10.1109/SURV.2013.013013.00084.

[2]YEON H， SAHU S K， PARK W， et al. Adaptive transmission scheme using dynamic aggregation and fragmentation in WLAN MAC[C]//Wireless Communications and Networking Conference （WCNC）. Istanbul：IEEE， 2014：1532-1537.

[3]吳銳驍. 超高速無線局域網MAC層高級信道接入技術研究[D]. 北京：北京郵電大學， 2012.

[4]楊帆， 張小松， 明勇. 基于非合作博弈的OFDMA-WLAN系統資源分配算法研究[J]. 計算機科學， 2016， 43（6）：319-321.

[5]ALAM M S， MARK J W， SHEN X. Relay selection and resource allocation for multi-user cooperative OFDMA networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（5）：2193-2205. DOI：10.1109/TWC.2013.032113.120652.

[6]NASRAOUI L， ATALLAH LN， SIALA M. Synchronization technique for MIMO-OFDM WLAN systems with space time diversity[C]//Wireless Communications and Mobile Computing Conference （IWCMC）. Croatia：IEEE， 2015：250-255. DOI：10.1109/IWCMC.2015.7289091.

[7]PENG Duan， WU Ying. The performance evaluation of the IEEE 802.11ac uplink MU-MIMO systems[C]// 2017 2nd IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystem（ICICM）. Nanjing：IEEE， 2017：282-285.

[8]ZHAO Qing， TONG Lang. A dynamic queue protocol for multi access wireless networks with multipacket reception[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2004， 3（6）：2221-2231. DOI：10.1109/TWC.2004.837654.

[9]LIAO Ruizhi， BELLALTA B， OLIVER M. DCF/USDMA：enhanced DCF for uplink SDMA transmissions in WLANs[C]//2012 8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference （I-WCMC）. Limassol， Cyprus：IEEE， 2012：263-268.

[10]毛建兵， 毛玉明， 冷甦鵬， 等. 基于802.11的多信道MAC協議性能分析[J]. 計算機研究與發展， 2009， 46（10）：1651-1659.

[11]BIANCHI G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2000， 18：535-547. DOI：10.1109/49.840210.

[12]ZHENG Pengxuan， ZHANG Yingjun， LIEW Soung Chang. Multipacket reception in wireless local area networks[C]//IEEE International Conference on Communications. Istanbul：IEEE， 2006， 8：3670-3675. DOI：10.1109/ICC.2006.255642.

[13]SONG Liwei， LIAO Yun， BIAN Kaigui， et al. Cross-layer protocol design for CSMA/CD in full-duplex WiFi networks[J]. IEEE Communications Letters， 2016， 20（4）：792-795. DOI：10.1109/LCOMM.2016.2519518.

[14]HEGDE M， KUMAR P， VASUDEV K R， et al. Experiences with a centralized scheduling approach for performance management of IEEE 802.11 wireless LANs[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2012， 21（2）：648-662. DOI：10.1109/TNET.2012.2207402.

（編輯 賈裙平）