一種基于AP協作的多小區多用戶全雙工MAC協議

彭美平, 李波, 閆中江, 楊懋

(西北工業大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)

隨著移動智能終端的全面普及和物聯網(internet of things,IoT)的快速發展。提升高密集部署場景下的網絡系統性能將是未來無線網絡面臨的主要挑戰。當前,無線局域網(wireless local area network,WLAN)作為無線數據業務的主要承載方式,以其傳輸速率高、部署靈活以及低成本等特性,近年來得到了快速的發展。思科公司提供的分析報告指出:自2016年至2021年,全球無線流量將以47%的復合年增長率急劇增長,其中WLAN所承載的數據流量占比從2015年的42%增加至2021年的49%[1]。然而,最近發布的IEEE 802.11ax技術關注于高密集部署場景的網絡性能和用戶體驗,無法滿足下一代WLAN的極高吞吐量和低延時需求。為此,IEEE標準委員會在2019年5月正式成立了IEEE 802.11be工作組[2],其技術目標為實現極高吞吐量傳輸。目的為更好地支持虛擬現實、增強現實、4k/8k超高清視頻、遠程辦公和與云計算應用場景[3]。

為實現極高吞吐量傳輸的技術目標,多接入點(access point,AP)協作,多頻帶接入技術被IEEE 802.11be所采納[4]。IEEE 802.11ax引入了基于基本服務集(basic service set,BSS)著色技術的多BSS空間復用以提升系統吞吐量,但如果沒有有效地干擾管理控制算法,空間復用并不能體現其優勢,反而嚴重影響系統性能。因此,下一代WLAN IEEE 802.11be提出了幾種AP協作方式[5-6]:正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)協作、空口協作、分布式多輸入多輸出(multi input multi output,MIMO)協作,以提升空間復用效率。楊懋等人[6]首次提出了一種面向下一代WLAN的基于AP協作、多頻帶接入的全雙工MAC協議框架,且具有很高的可伸縮性和良好的兼容性。

帶內全雙工(in-band full duplex,IBFD)技術作為下一代無線通信關鍵技術[7],實現同時同頻數據傳輸,其理論上可提升一倍的頻譜效率。近年來,隨著集成電路的快速發展,證明了使用主/被動隔離器可以很好的解決單天線全雙工數據收發[8]。然而,傳統的媒體接入控制(media access control,MAC)協議已不能滿足全雙工傳輸的需求,設計一種高效的全雙工MAC協議已被業界相關研究人員廣泛關注。

目前,已有的全雙工MAC協議研究都局限于單小區網絡場景[9-15]。文獻[9]提出一種非對稱全雙工AFD-MAC協議,在傳統分布式MAC協議基礎上,引入全雙工忙音(full duplex-busy tone,FBT)幀和FD-RTS幀建立全雙工鏈路對。一種連續全雙工鏈路配置(successive full-duplex link setup,SFLS)協議[10]被提出,SFLS協議改進傳統的RTS/CTS工作機制,提出一種在ACK幀攜帶BSI信息的方案,降低建立全雙工鏈路的競爭開銷。Liu等人[11]首先分析了無線局域網中隱藏終端對飽和吞吐量的影響,并提出了一種基于隱藏終端的增強載波感知的全雙工MAC協議。

上述全雙工MAC基于傳統單用戶MAC協議設計,無法滿足下一代WLAN多用戶應用場景。因此,Mu-FuPlex協議[12]首次提出了一種基于OFDMA的全雙工MAC協議,由AP發送trigger幀調度站點(station,STA)進行數據傳輸。并在此基礎上,為提升全雙工鏈路對的成功概率,設計了PcMu-FuPlex協議[13]。EnFD-OMAX協議[14]提出了一種面向下一代WLAN的新型免觸發多用戶全雙工MAC協議,該協議由STA發起并競爭接入信道建立全雙工傳輸鏈路對。為解決下一代高密集部署場景,STA競爭沖突嚴重等問題,GFDO協議[15]設計了一種基于空間簇的OFDMA多用戶全雙工MAC協議,該協議首次提出了兩級BSR信息上報機制,第一級空間簇成員以低功率模型獨立同步上報BSR信息至簇頭STA。第二級簇頭STA將本輪收集的BSR信息以及簇頭STA間的干擾信息上報至AP。最終AP依據收集的信息集中調度上/下行空間簇成員建立多用戶全雙工鏈路傳輸對。

然而,下一代WLAN IEEE 802.11be技術的關注點從單AP場景轉向多AP場景。因此,已有的多用戶全雙工MAC協議已不能滿足下一代WLAN多AP重疊覆蓋場景的傳輸需求。為此,本文提出一種基于AP協作的多小區多用戶全雙工MAC協議。該協議將協作組內的STA劃分為重疊空間組和非重疊空間組。由接入控制(access control,AC)設備集中調度協作組內STA上報BI信息和全雙工數據傳輸。

本文的主要貢獻概況如下:

1) 提出了一種基于AP協作的多小區多用戶全雙工多址接入協議(AP cooperation based multi-BSS multi-user full duplex multiple access protocol,CMMFD)。CMMFD協議由AC集中控制緩存和干擾(buffer state and interference information,BI)信息收集,并調度協作組內AP同時在不同子信道上建立全雙工鏈路對。

2) 提出一種協作組內BI信息收集的信道資源分配算法,降低重疊區域內STA帶來的競爭干擾,提高BI信息的搜集效率;同時提出一種級聯全雙工鏈路調度算法。

3) 搭建NS-2仿真平臺,仿真驗證了CMMFD協議與Mu-FuPlex協議、EnFD-OMAX協議的網絡性能,驗證了CMMFD協議在平均接入信道的節點個數方面有了極大的提升,其系統吞吐量相應提升了29.6%。

1 系統模型

CMMFD協議考慮面向下一代WLAN的多小區協作網絡場景,如圖1所示。

圖1 多小區重疊覆蓋場景

多個相互重疊的小區形成一個協作傳輸組。圖1中的AP1、AP2以及APn形成一個協作組。協作組內的所有AP通過有線方式與AC建立連接,文獻[16]提出了通過擴展現有的AP與AC之間的通信協議,充分考慮了系統中存在的處理延時和交互延時,并在實際的硬件平臺證明其延時足夠小,并不會產生任何顯著的中斷情況,為本文提出的CMMFD協議提供有效的實施基礎。假設1個AC協作管理n個重疊覆蓋的小區。每個小區包含1個具有全雙工能力的AP和m個半雙工STA。假設系統帶寬資源可劃分為k個資源塊(resource unit,RU)。

協作組內的AP一旦部署后,AC可依據STA的地理位置信息[17]或STA是否可檢測到2個或2個以上AP發出的信號[18]等技術將STA進行分組,位于重疊空間組的STA將其標記為1,位于非重疊空間組的STA將其標記為0。圖1中灰色區域為重疊空間組,淺綠色區域為非重疊空間組。從圖1中看出,協作組內非重疊空間組內的STA對與之不關聯的AP不產生干擾,即非重疊空間組內的STA可以在相同的RU資源上收集BI信息和數據傳輸,從而提升系統的接入效率。

(1)

式中,k為網絡系統中最大可用RU資源塊個數。公式(1)推導出重疊空間組所占用的RU資源數。從而可計算出非重疊空間組的RU資源數:k-Rosg。在得到重疊空間組和非重疊空間組所需的RU資源數后,則可為其分配RU資源,優化RU資源分配在多協作組場景尤為重要。本文重點研究單個協作組網絡場景,給出一個簡單的RU資源分配方法以供參考:重疊空間組信道資源可按(2)式分配信道資源。則非重疊空間組信道資源可按(3)式分配信道資源。

(2)

(3)

2 協議描述

2.1 基本思想

CMMFD協議框架如圖2所示。其包含2個階段:BI信息收集階段、級聯全雙工數據傳輸階段。首先,AC將協作區域內的STA劃分為重疊空間組STA和非重疊空間組STA。并為其分配相應的信道資源。其次,AC集中調度協作組內的AP同時在不同的RU資源塊上發送攜帶資源分配信息的E-RTS幀觸發本小區內的STA上報BI信息。第三,STA在接收到E-RTS幀后,在已分配的信道資源上隨機選擇1個RU以概率P接入信道上報BI信息,沒有競爭信道的STA記錄鄰近STA的干擾信息。最終,AC依據本輪協作組內所有AP收集的BI信息級聯調度多小區多用戶全雙工數據傳輸。

圖2 多小區多用戶全雙工MAC協議框架

CMMFD協議與IEEE 802.11ax中的信道接入方法一致,協作組內AP采用傳統二進制退避機制檢測信道忙閑,當任一AP退避完成,將信息上報給AC,由AC為協作組內所有AP分配RU資源,統一在已分配的RU資源上發送E-RTS幀。其次,協作組內所有AP在BI信息收集完成后并上報給AC,AC依據收集到的BI信息統一調度多小區協作全雙工數據傳輸。為增強協作組內AP的處理速度,系統中的AP可采用輕量級虛擬AP設備[16]。

2.2 BI信息收集

STA上行BI信息收集效率,即STA上行緩存信息和節點間干擾信息是形成全雙工傳輸鏈路對的關鍵。高效的緩存信息收集提升全雙工鏈路對的傳輸機會,實時的節點間干擾信息是全雙工鏈路對成功傳輸的關鍵。CMMFD協議充分考慮上行BI信息的收集。首先,AC為協作組內AP分配不同的RU資源同步發送攜帶信道資源分配信息的增強型E-RTS幀觸發各小區中STA上報BI信息。STA在收到本小區發送的E-RTS幀后,有上行需求的STA以概率P接入信道,沒有上行需求或沒獲得傳輸機會的STA處于接收狀態,監聽鄰居STA發送E-CTS幀的信號,并記錄該信號強度。準備接入信道的STA屬于重疊空間組,則在AC已分配的重疊空間組RU資源集合中隨機選擇1個RU接入信道。而屬于非重疊空間組的STA在AC已分配的非重疊空間組RU資源集合中隨機選擇1個RU接入信道。獲得接入信道機會的STA在已選擇的RU上回復攜帶緩存信息和節點間干擾信息的增強型E-CTS幀。其接入算法如算法1所示。

算法1 BI信息收集算法

輸入:概率閾值Pth,STA是否位于重疊區域Bov

非重疊空間組RU資源集合Σnosg,重疊空間組RU資源集合Σosg

輸出:Rin

1:初始化:

2:P=Random[0,1]

3: IFPth>1-PTHEN

4: IF 數據隊列非空 THEN

5: IFBov為真

6: 返回Rin=Random(Σosg)

7: ELSE

8: 返回Rin=Random(Σnosg)

9: ELSE

10: 返回Rin=1∥數據隊列為空，放棄競爭

11: ENDIF

12: 返回Rin=-2∥放棄本次競爭機會

AC維護1張實時緩存信息表和1張歷史節點間干擾強度信息表。分別記為Bac和Iac,如(4)式、(5)式所示。AP在本輪BI信息收集完成后將收集到的BI信息轉發給AC。AC在收到AP轉發的BI信息后,動態更新STA節點間干擾信息表。

(4)

Iac=

(5)

式中：n表示協作組內小區編號；h表示編號為1的小區內STA編號；k表示編號為2的小區內STA編號；l表示編號為n的小區內STA編號。如:STAn,1表示第n個小區內編號為1的STA。Iac為AC維護的節點間干擾強度信息表,協作組內的AP將每輪BI收集過程中收集到的信息上報給AC。其中,(STA1,1,STA1,2)表示編號為1的小區內編號為2的STA與編號為1的STA之間的信號強度。AC統計協作組內所有STA之間的信號強度信息形成一個節點間干擾強度信息集合。

算法2 級聯全雙工鏈路調度算法

輸入:RSIN閾值Sth,系統中RU個數k,上行傳輸需求集合Bac,下行傳輸需求集合Dac,節點間干擾強度信息集合Iac

輸出: 全雙工鏈路集合{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]},其中,?Si,h,ul,Si,l,dl∈Ci,h≠l,且Ci表示第i個小區。Rindex為PU編號，Rindex∈[0,k),Findex表示級聯全雙工數據傳輸編號。

1: 初始化:

2:Rindex=0

3:Findex=1

4: 將Bac,Dac,Iac按小區進行分組，并統計每個小區Ci中的上行STA和下行STA個數，分別記為Ci,ul,Ci,dl。

5: FORCi,i=1,2,…,n

6: 遍歷Ci集合中的上行STA

7: FORSul,h,h=0,1,…,Ci,ul

遍歷Ci集合中下行STA

8: FORSdl,l,l=0,1,…Ci,dl

遍歷Iac集合中STA編號為h和l之間的節點間干擾強調Sh,l

9: IFSh,l>SthTHEN

10: IFRindex>=k

11:Findex++

12:Rindex=0

13.返回{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]}

14: ELSE

15:Rindex++

返回{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]}

16: ENDIF

17: ENDFOR

18: ENDFOR

19: ENDFOR

2.3 級聯全雙工數據傳輸

CMMFD協議在BI信息收集階段完成之后由AC統一調度全雙工數據傳輸。首先,協作組內所有AP完成本小區中的BI信息收集,在收集完成后轉發給AC。其次,AC獲取到協作組內本次收集的BSR信息和協作組內所有STA之間的節點間干擾強度信息。最終,AP依據收集到的BSR信息和歷史節點間干擾強度信息調度全雙工鏈路傳輸。其調度算法如算法2所示。

AC在建立全雙工鏈路對時,首先,AC將上行需求集合Bac,下行需求集合Dac,以及歷史節點間干擾強度信息集合Iac,按不同小區場景進行分組。其次,以上行需求集合為基準,依次在小區內建立全雙工鏈路對,由于CMMFD協議非重疊空間組可使用相同RU進行BI收集,則一次收集過程中收集到STA的BI信息可能大于系統中最大RU資源,則CMMFD協議在數據傳輸階段采用級聯全雙工數據傳輸,即協作組內AP連續發送TFS幀多次調度數據傳輸。

3 仿真與實驗

3.1 仿真場景及參數設置

為驗證CMMFD協議的系統性能,搭建了基于NS2的鏈路級-系統級一體化仿真平臺。仿真場景中配置多個重疊覆蓋的小區,每個小區的覆蓋面積20 m×20 m。圖3描述了當協作組內AP個數為4,單個小區內STA個數為40時的仿真場景配置圖。STA在與之關聯的AP覆蓋范圍內隨機分布,且每個小區中的STA個數從5個開始,依次以5為遞,最大單個小區中STA個數為40。仿真時間設置為20 s,最終仿真結果為10次獨立重復仿真的平均值。信道帶寬設置為20 MHz,RU個數設置為9。其中概率P設置為0.8和0.2[15]。其他參數設置如表1所示。

表1 網絡參數配置

圖3 NS2仿真場景配置圖

3.2 系統平均接入信道數分析

上行BI收集效率直接影響全雙工傳輸對的建立。而上行BI收集即為單位時間內STA平均接入信道的個數。從圖4a)至4c)可以看出,EnFD-OMAX協議與Mu-FuPlex協議采用OFDMA接入方式,在小區中STA規模達到一定程度時,平均接入信道的STA個數趨向平衡[21]。EnFD-OMAX協議在同一時刻同時競爭接入信道的STA個數大于Mu-FuPlex協議,導致成功接入的STA個數約小于Mu-FuPlex協議。而CMMFD協議將協作組內STA分割成重疊區域和非重疊區域的STA,由AC統一為其分配信道資源,且非重疊區域STA可以使用相同信道資源上報BSR信息。因此,重疊區域STA對非重疊區域STA不產生干擾。使得平均接入信道個數遠大于Mu-FuPlex協議和EnFD-OMAX協議。然而,CMMFD協議采用P概率接入方式,隨著STA規模的擴大,同時競爭信道的STA個數增加,導致在概率P值高的情況下,平均接入信道個數降低。

圖4 平均接入信道個數與協作組內網絡規模的關系

3.3 系統吞吐量分析

系統吞吐量是評價MAC協議設計的重要性能指標。本文提出的CMMFD協議,從吞吐量角度來說可理解為純調度吞吐量分析。依據2.2,2.3小節的分析可知,一次傳輸的時間總長度可分為BI信息收集時間和全雙工數據傳輸時間,如圖5所示。其中BI信息收集時間長度為:Tbi=Te-rts+Te-cts+2·Tsifs+Tdifs,全雙工數據傳輸時間長度為Td。則CMMFD協議的系統吞吐量可用公式(6)表示。

圖5 CMMFD協議傳輸機制

(6)

式中:LU,payload表示上行傳輸的有效載荷;LD,payload表示下行傳輸的有效載荷。

為評估CMMFD協議的系統性能,分別對協作組內布置2,3,4個小區的網絡場景進行仿真,如圖6a)至6c)所示,且單個小區網絡場景中的STA從5到40個進行了對比仿真。從圖6可以看出,本文所提的CMMFD協議在多小區重疊覆蓋場景中其系統吞吐量遠大于EnFD-OMAX協議和Mu-FuPlex協議。CMMFD協議的系統吞吐量增益來源于2個方面:①CMMFD協議通過對重疊空間組和非重疊空間組進行資源分配,協作組內STA合理使用有限的頻譜資源,降低選擇相同RU接入信道的競爭沖突,極大地提升了BI收集效率;②由于AC具備協作組內全局STA之間的節點間干擾強度信息及單小區內重疊與非重疊區域的STA信息,為成功建立全雙工傳輸鏈路對提供了可靠的信息依據。因此,盡管在大規模部署STA的網絡場景中,在概率p值較大時平均接入信道的STA個數約小于EnFD-OMAX協議和Mu-FuPlex協議,但在系統吞吐量上CMMFD協議仍然優于其他協議。從圖6a)至6c)可以看出,針對協作組內小區的個數,EnFD-OMAX協議由于采用STA發起建立的全雙工傳輸鏈路對,在單小區STA規模不斷增加,其系統性能劣于Mu-FuPlex協議。因為Mu-FuPlex協議采用AP觸發發起BI信息收集,且協作組內的AP相互覆蓋,同一時間只存在一個小區進行信息交互。因此,在單小區STA規模達到一定規模時,Mu-FuPlex協議在多小區重疊覆蓋場景中要優于EnFD-OMAX協議。EnFD-OMAX協議有STA發起建立全雙工傳輸鏈路對,任何時刻協作組內所有STA參與競爭,導致多小區重疊覆蓋場景中競爭沖突加劇,系統吞吐量降低。

圖6 系統吞吐量與協作組內網絡規模的關系

4 結 論

針對下一代WLAN的高密集部署網絡,IEEE802.11be技術的關注的從單AP向多AP場景的轉換以及極高吞吐量傳輸的技術目標。本文充分挖掘IEEE802.11be中多AP協作關鍵技術,提出一種基于AP協作的多小區多用戶全雙工MAC協議。通過協作組內的多AP協作,將協作組內的STA進行分組,統一分配信道資源,降低重疊區域內STA競爭沖突,以及非重疊區域內STA的信道資源復用,極大地提升了系統的BI信息收集效率,全雙工鏈路對的成功傳輸概率,從而提升系統吞吐量。仿真結果表明,CMMFD協議與Mu-FuPlex協議和EnFD-OMAX協議相比,系統吞吐量提升了29.6%。后續研究將對重疊區域與非重疊區域進行更細的分組以及協作組內AP的位置部署進行優化,從而進一步系統吞吐量。