基于TWT的節(jié)點(diǎn)接入機(jī)制研究

朱慶華　常瑩

摘要：在實(shí)現(xiàn) IEEE 802.11ax目標(biāo)喚醒機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定的完善和改進(jìn)，提出一種分組的節(jié)點(diǎn)接入方法。首先接入點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分組，然后通過(guò)目標(biāo)喚醒機(jī)制，公平分配每一組的傳輸時(shí)間，沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候就休眠，可以大大的節(jié)能。其次組內(nèi)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制獲得各自的傳輸時(shí)間，一組的數(shù)據(jù)都傳完再到下一組，所有數(shù)據(jù)傳完之后再繼續(xù)傳輸。實(shí)驗(yàn)仿真表明基于目標(biāo)喚醒機(jī)制的 802.11ax節(jié)點(diǎn)接入技術(shù)，在有效提高吞吐量的同時(shí)，極大降低了所需功耗，同時(shí)控制數(shù)據(jù)包重傳率，能夠滿足一定條件下無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：TWT;喚醒機(jī)制;節(jié)點(diǎn)接入; 802.11ax

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0259-03

1 概述

近年來(lái)，通信行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，人們的生活也有了質(zhì)的飛躍，這在很大程度上得益于無(wú)線局域網(wǎng)的快速發(fā)展。但是網(wǎng)絡(luò)擁堵也已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，比如繁忙的機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、住宅公寓樓等，無(wú)線局域網(wǎng)需要為許許多多的客戶端設(shè)備提供服務(wù)[1，2]。為了推進(jìn)無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展并滿足用戶對(duì)于吞吐量、能耗等的需求，必須繼續(xù)提高性能，業(yè)界正在通過(guò)802.11ax滿足這些需求[3]。802.11ax修正案旨在通過(guò)瞄準(zhǔn)顯著增長(zhǎng)來(lái)挑戰(zhàn)Wi-Fi部署的密集化。TWT機(jī)制最初是為降低能耗而設(shè)計(jì)的，它通過(guò)及時(shí)調(diào)度MU-DL和MU-UL傳輸以及從站點(diǎn)收集信息來(lái)完全最大化IEEE 802.11 MU能力[4]。此外，在密集場(chǎng)景中，無(wú)線局域網(wǎng)可以使用TWT來(lái)就非重疊調(diào)度達(dá)成一致，以進(jìn)一步改善重疊BSS共存以及其他潛在用途。TWT的發(fā)展空間還很大，它的新用途將在未來(lái)幾年被研究，預(yù)計(jì)將推動(dòng)未來(lái)無(wú)線局域網(wǎng)的加速發(fā)展與開(kāi)拓新的發(fā)展空間[5]。

802.11ax無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)通過(guò)增加更高的容量，更大的覆蓋范圍和減少信道擁塞來(lái)使得Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)變得更適用于當(dāng)前的客戶需求，從而帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)。802.11ax中包含了目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）機(jī)制來(lái)調(diào)度傳輸時(shí)間，目的是增強(qiáng)物理層和MAC層，以提高密集WLAN場(chǎng)景中的頻譜利用率，在保證高效的同時(shí)，也相應(yīng)地提高了用戶的性能[6]。TWT允許節(jié)點(diǎn)通過(guò)相互協(xié)調(diào)或者由AP集中調(diào)度進(jìn)入休眠狀態(tài)或者激活狀態(tài)。通過(guò)使部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，可以減少節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時(shí)減少節(jié)點(diǎn)的功率消耗。此外無(wú)線接入點(diǎn)可以將客戶端設(shè)備分配到不同的TWT周期，從而減少同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線信道的設(shè)備數(shù)量，減少?zèng)_突。除此之外，TWT通過(guò)協(xié)調(diào)增加設(shè)備休眠時(shí)間，延長(zhǎng)電池的壽命。

至今，很多關(guān)于TWT的研究都已展開(kāi)，人們希望通過(guò)減少參與通信或工作的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的喚醒與休眠，減少終端設(shè)備的能量消耗，最終可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命[7，8]。

2 系統(tǒng)模型

考慮的是在只有一個(gè)接入點(diǎn)和眾多終端設(shè)備的情況下，假設(shè)每一個(gè)設(shè)備都想要上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量是飽和的。接入點(diǎn)對(duì)固定數(shù)量的設(shè)備進(jìn)行分組，然后通過(guò)目標(biāo)喚醒機(jī)制，公平分配每一組的傳輸時(shí)間，設(shè)備在沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候就休眠。其次是組內(nèi)的STA通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制獲得各自的傳輸時(shí)間，一個(gè)時(shí)間里只有一個(gè)STA在傳，一組的數(shù)據(jù)都傳完再到下一組，所有數(shù)據(jù)傳完之后再繼續(xù)傳輸。在傳統(tǒng)的802.11中采用退避算法時(shí)，雖然在一定程度上避免了沖突，但隨著用戶的數(shù)量增加，信道沖突的可能性會(huì)加大，而采用分組可以獲得最佳數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA數(shù)量[9]。

通過(guò)AP 控制多個(gè)TWT STA的上行傳輸。假如STA都有數(shù)據(jù)等待傳輸，并且傳完之后又有新的數(shù)據(jù)要上傳。首先，AP根據(jù)STA的數(shù)量確定最佳的分組大小，再對(duì)每一組分配好適當(dāng)?shù)腡WT時(shí)間，基于公平性，每一組傳輸時(shí)間相同，因此TWT是周期性固定值。每一組在對(duì)應(yīng)的TWT醒來(lái)后，STA就可以向AP傳輸數(shù)據(jù)。而組內(nèi)則根據(jù)退回機(jī)制，STA競(jìng)爭(zhēng)傳輸?shù)臅r(shí)隙，每個(gè)時(shí)間段里只有一個(gè)STA傳輸，每一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸完AP就發(fā)送對(duì)應(yīng)的ACK包，收到ACK的STA可以休眠。一整組STA傳完之后到下一組再傳，直到每一組都傳完，再開(kāi)始下一輪新的傳輸。設(shè)備分組為10時(shí)，吞吐量最佳。于是，當(dāng)STA的數(shù)量小于10時(shí)，沖突性較小，不用分組。當(dāng)STA數(shù)量超過(guò)10時(shí);STA數(shù)量除以K，K值等于數(shù)量值向上取整后再除以10;當(dāng)STA數(shù)量超過(guò)100時(shí)，都為10。

3 性能評(píng)估指標(biāo)

3.1 吞吐量

吞吐量表示的是單位時(shí)間內(nèi)信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，換句話說(shuō)就是一段時(shí)間內(nèi)信道中的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，吞吐量測(cè)量單位通常以比特/秒或字節(jié)/秒表示。802.11的信號(hào)傳輸速率會(huì)根據(jù)所用的具體傳輸技術(shù)而各不相同，但是隨著 STA 數(shù)量的增長(zhǎng)，造成碰撞重傳的概率增大，吞吐量因而降低。在無(wú)線局域網(wǎng)中，終端的數(shù)量很多，由于數(shù)量增多時(shí)碰撞會(huì)變多而造成的吞吐量降低特別明顯[10]，因此提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的密集場(chǎng)景中終端的吞吐量是很有必要的。由于 STA 數(shù)量范圍較大，實(shí)驗(yàn)仿真吞吐量的真實(shí)數(shù)據(jù)相差很大，在圖像中難以直觀呈現(xiàn)，因此為了提高圖像的可觀性，本文采用歸一化飽和吞吐量作為評(píng)估指標(biāo)，如公式（1）。歸一化飽和吞吐量的計(jì)算公式：

其中，[TRAW]表示 RAW 的持續(xù)時(shí)間，P 是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，單位為比特，[NRAW]上文提到過(guò)，表示 RAW 分組數(shù)量，[Etr]表示傳輸數(shù)量，[Ps]為傳輸成功率。

3.2 能量消耗

對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)中依靠電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)，能量消耗也是一個(gè)極其重要的性能評(píng)估指標(biāo)。本文中能量消耗表示的是，成功傳輸1比特負(fù)載數(shù)據(jù)而消耗的能量。無(wú)線局域網(wǎng)的終端設(shè)備有四種狀態(tài)：接收與發(fā)送、休眠以及關(guān)機(jī)。其中，關(guān)機(jī)狀態(tài)不需要消耗能量[11]。發(fā)送狀態(tài)下， STA 主要傳輸 RTS幀和數(shù)據(jù)幀，而接收模式下的 STA 負(fù)責(zé)接收信標(biāo)幀、CTS幀和 ACK 幀[12]。

3.3 傳輸速率

本文假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小為1000字節(jié)，同時(shí)，假設(shè)造成傳輸失敗的主要原因?yàn)榕鲎玻诺蕾|(zhì)量是理想的。在飽和場(chǎng)景下，默認(rèn)每個(gè) STA 完成一次傳輸后會(huì)收到ACK反饋，并且立刻會(huì)有新的數(shù)據(jù)待傳，當(dāng)退避機(jī)制的計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)歸零時(shí)，傳輸開(kāi)始，則數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕视?jì)算公式如下：

公式（2）表示在至少有一個(gè)STA成功傳輸?shù)那疤嵯拢『糜幸粋€(gè)STA傳輸成功的概率。其中，n 代表 STA 數(shù)量，得到[PS]之前需要獲得[τ]和[Ptr]。其中[τ]表示假設(shè) STA 只有一個(gè)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率，具體計(jì)算公式如下：

其中，E[B]表示 STA 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)退避時(shí)隙的平均數(shù)，E[R]為 STA 嘗試接入信道的次數(shù)。[Ptr]表示傳輸時(shí)隙中至少有一次數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕剩ㄟ^(guò)求得時(shí)隙中所有傳輸均失敗的概率，減去失敗的概率即可得到成功的概率，所求公式如下：

4 實(shí)驗(yàn)仿真分析

4.1 仿真環(huán)境

本文考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BSS。在一個(gè)密集的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè) AP，所有 STA 與這個(gè)單獨(dú)的 AP 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，所有的 STA都處于 AP 傳輸范圍內(nèi)。STA都有數(shù)據(jù)要傳輸，并且數(shù)據(jù)量是飽和的。假設(shè)信道環(huán)境良好，確保 STA 發(fā)送的數(shù)據(jù)包 AP 能夠正確接收。假設(shè)在確定范圍內(nèi)所有的STA都有數(shù)據(jù)向AP傳輸，并且固定數(shù)量的STA已經(jīng)與AP進(jìn)行TWT連接，STA根據(jù)TWT喚醒或休眠，AP統(tǒng)一調(diào)配上行傳輸。我們使用MATLAB進(jìn)行仿真，并與不使用休眠的算法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示本文提出的機(jī)制有效地提升了網(wǎng)絡(luò)的性能。

4.2 仿真結(jié)果及分析

上圖1中，隨著用戶數(shù)量增加，二進(jìn)制退避機(jī)制吞吐量下降急速，斜率比較大，吞吐量明顯減少。而TWT機(jī)制的吞吐量也隨著用戶數(shù)量增加而減少，但是比BEB機(jī)制減少的更慢，并且隨著數(shù)量增多吞吐量大得多。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的退避機(jī)制雖然避免了沖突，但吞吐量卻因用戶數(shù)量增多而減少。而提出的TWT機(jī)制通過(guò)分組，傳輸?shù)男视行岣撸瑴p少網(wǎng)絡(luò)擁塞，使得吞吐量變大。

處于發(fā)送與接收或者沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA，需要耗能比較大或浪費(fèi)，TWT分組機(jī)制讓客戶端盡可能休眠，通過(guò)協(xié)調(diào)，STA減少了監(jiān)聽(tīng)時(shí)間，而且數(shù)據(jù)重傳率降低，重傳次數(shù)減少，信道吞吐量變大，傳輸更快，耗能也會(huì)更加少。由圖可以看出，在數(shù)量比較少時(shí)，二進(jìn)制退避機(jī)制的耗能急劇增長(zhǎng)，雖然在用戶數(shù)量變大的時(shí)候，耗能增長(zhǎng)變慢，但是與TWT相比還是消耗太多。TWT機(jī)制耗能更加少，并且隨著用戶數(shù)量增長(zhǎng)速度緩慢，可見(jiàn)提出的機(jī)制通過(guò)分組很好地降低了能耗，在節(jié)能方面起到顯著效果。圖3為從10到60數(shù)量的重傳概率變化。

由于二進(jìn)制退避機(jī)制下，STA數(shù)據(jù)包在傳送時(shí)，重傳的概率會(huì)隨著 STA 數(shù)量的增長(zhǎng)而顯著增大。而分組的TWT機(jī)制，設(shè)定在分配好的時(shí)間里只有一個(gè) STA 傳輸數(shù)據(jù)，所以TWT STA 數(shù)據(jù)包之間碰撞的概率極小，而分組之后限定了數(shù)量，碰撞概率就更小了。在TWT 分組機(jī)制下 STA 碰撞重傳的概率很小，使得能耗減小并且吞吐量也有所提高。由圖可見(jiàn)，本文提出的接入機(jī)制，重傳的概率比較小且穩(wěn)定，因?yàn)榉纸M的數(shù)量不超過(guò)10，所以隨著 STA 數(shù)量的增長(zhǎng)曲線趨于平直，圖中顯示出改進(jìn)的 TWT 方案性能非常好。

實(shí)驗(yàn)仿真表明改進(jìn)的 802.11ax節(jié)點(diǎn)接入技術(shù)，在有效提高吞吐量的同時(shí)，極大降低了所需功耗，同時(shí)控制數(shù)據(jù)包重傳率，能夠滿足一定條件下無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化，它能夠便利地聯(lián)網(wǎng)，有高度的靈活性與移動(dòng)性，省時(shí)省力省成本。而在密集環(huán)境中，用戶對(duì)于流量的需求有著明顯的周期性，用戶在某時(shí)段使用頻率更高。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)流量需求，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)，既要保證用戶終端的流量需求，又將設(shè)備盡可能地休眠就可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的功耗。 本文在實(shí)現(xiàn) 802.11ax的目標(biāo)喚醒時(shí)間機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出基于分組的節(jié)點(diǎn)接入機(jī)制。實(shí)驗(yàn)仿真表明，新的機(jī)制在有效提高吞吐量的同時(shí)，降低了終端功耗。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】