802.11ax WLAN與LTE系統共存環境中的用戶分配方案

張閩　戴路　何玉林　曹珂崯　顧大環

摘? 要：隨著使用智能設備移動用戶的爆炸式增長，無線局域網逐漸呈密集部署態勢。2021年發布的IEEE802.11ax標準與持續演進的系統長期共存。針對共存環境下用戶如何連接網絡實現用戶吞吐量最大化的問題，提出了吞吐量感知的用戶分配方案。該方案將兩種網絡的性能與用戶需求相匹配，并基于實際距離分配用戶連接哪個網絡。數值分析表明，所提出的方案在吞吐量和能效方面優于已有方案。

關鍵詞：無線局域網；密集部署；持續演進系統；吞吐量

中圖分類號：TP393? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）12-0070-05

User Allocation Scheme in the Coexistent Environment of 802.11ax WLAN and LTE System

ZHANG Min1， DAI Lu1， HE Yulin1， CAO Keyin2， GU Dahuan3

（1.Jiangsu Vocational College of Finance and Economics， Huaian? 223003， China; 2.Jiangsu Vocational College of Electronics and Information， Huaian? 223003， China; 3.Jiangsu Dingda Electronics Co.， Ltd.， Huaian? 223200， China）

Abstract： With the explosive growth of mobile users using smart devices， wireless local area networks are gradually becoming intensive deployment. The IEEE802.11ax standard released in 2021 coexists with Continuous Evolution Systems for a long time. A throughput aware user allocation scheme is proposed to address the issue of how users can connect to the network in a coexisting environment to maximize user throughput. This scheme matches the performance of the two networks with user needs and assigns which network the user connects to based on actual distance. Numerical analysis shows that the proposed scheme outperforms existing schemes in terms of throughput and energy efficiency.

Keywords： wireless local area network; intensive deployment; continuous evolution system; throughput

0? 引? 言

長期演進（Long Term Evolution， LTE）系統旨在為分組交換數據提供一種新的無線接入技術，通過蜂窩基站（Base Station， BS）來完成用戶數據的傳輸。如今，基于IEEE 802.11標準的無線局域網越來越流行，這導致無線局域網的密集部署，從而導致嚴重的信道競爭和用戶性能惡化。IEEE 802.11ax工作組成立于2013年，一直致力于IEEE 802.11ax標準的制定和研發[1]，以提高頻譜效率和用戶性能。IEEE 802.11ax標準已于2021年發布，該標準引入了正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access， OFDMA）技術來支持上行鏈路和下行鏈路中多用戶同時傳輸[2]。

可以預見，IEEE 802.11ax無線局域網（Wireless Local Area Network， WLAN）的密集部署將不可避免地使LTE系統與IEEE 802.11ax WLAN共存。目前，大多數智能手機都有一個以上的無線接口，包括WLAN和LTE蜂窩網絡接口，因此帶有智能手機的移動用戶可以在公共地理區域內連接WLAN或LTE系統，該區域由LTE系統的無線接入網絡（Radio Access Network， RAN）中的BS和WLAN中的接入點（Access Point， AP）覆蓋。其中，RAN負責與用戶設備（User Equipment， UE）進行數據交換。下文將IEEE 802.11ax WLAN與LTE系統共同覆蓋的地理區域稱為“共存區域”。

LTE系統與傳統的WLAN共存環境中的用戶分配方案已經被廣泛研究。文獻[3]在WLAN與LTE系統共存環境中提出了最優的無線接入技術選擇策略，利用馬爾可夫決策過程解決語音用戶和數據用戶的分配問題，將用戶以無縫的方式分配到兩種網絡。文獻[4]提出了IEEE 802.11g WLAN和LTE傳統融合網絡下的用戶關聯問題，從博弈論的角度研究了WLAN/蜂窩LTE系統中的用戶關聯問題，提出激勵機制來鼓勵WLAN將上行鏈路的數據業務分配到BS，實現吞吐量和功耗之間的權衡。文獻[5]認為共享WLAN免許可頻段的信道資源能提高LTE的性能，提出了一種用戶關聯和資源分配的聯合方案，在保護WLAN用戶吞吐量的同時，最大化LTE系統中的用戶數。

而現有的用戶分配方案的缺點是：它們集中于單一的信道接入，沒有考慮最新的IEEE 802.11ax標準的新特征，即多用戶同時傳輸的信道容量和OFDMA機制。倘若把現有的用戶分配方案用于共存區域，那么網絡性能難以令人滿意。依據用戶與二種網絡間的距離，設計一種能夠將共存區域中的移動用戶分配到IEEE 802.11ax WLAN和LTE系統的方案，使得共存區域中的用戶吞吐量得以顯著提升。

本文基于802.11ax WLAN和LTE系統共存環境，依據UE與LTE系統的BS、WLAN的AP的實際距離和網絡性能，考慮將共存區域中的UE分成兩個組：LTE組和WLAN組，以提高共存區域中UE的總吞吐量。其中，LTE組中的UE只連接BS，而WLAN組中的UE連接AP。同時，本文結合即將發布的基于802.11ax的下一代WLAN網絡的優勢，創新性提出吞吐量感知的用戶分配（Throughput Aware UE Distribution， TAUD）方案。主要工作及貢獻有：

1）結合共存環境下802.11ax WLAN和LTE系統的吞吐量公式，設計TAUD方案來尋找最優的用戶分配方案，以實現共存網絡的總吞吐量最大化。

2）為TAUD方案提出了吞吐量最大化的優化問題，并采用遺傳算法求解。在遺傳算法中，每個染色體由m個比特組成，每一位比特對應一個用戶設備，并選擇共存環境中用戶總吞吐量作為適應度函數。根據遺傳算法得到該優化問題的解，將共存環境內所有用戶設備分配給LTE系統和IEEE 802.11ax WLAN的分配方案。

3）仿真實驗中，通過Matlab數值分析證明本文提出的方案在吞吐量和能效方面優于已有方案。

1? 共存環境中的吞吐量

為了便于描述，本節使用站點和UE來描述無線局域網中的移動站點。圖1給出了WLAN和LTE系統可能共存的網絡場景。其中，實線的橢圓表示LTE系統的RAN中BS的覆蓋范圍，虛線的橢圓代表的是WLAN的覆蓋范圍。在圖1中，有3個無線局域網的覆蓋區域，每個無線局域網都有一個AP與之相關聯，以實現用戶的數據傳輸。圖中用符號u1， u2， …， u7來表示共存區域內的UE。

圖1中帶陰影的部分是本節中考慮的共存場景的一個示例。考慮在站點協議棧的媒體訪問控制層和物理層中采用IEEE 802.11ax WLAN標準。在無線局域網中，UE u1、u2、u3、u4和u7位于共存區域范圍內，即它們可以連接LTE系統或WLAN。但是，圖中的UE u5和u6在共存區域之外。

假設在共存區域中有m個UE，以u1， u2， …， um表示，設U = {u1， u2， …， um}。對于用戶ui ∈ U，本章節引入了指示變量xi和yi，其中xi，yi ∈ {0，1}。當xi = 1時，表示將UE分配給WLAN，如果將UE分配給LTE系統，則xi = 0。當yi = 1時，表示UE ui競爭信道用以傳輸數據，而yi = 0則表示ui未競爭信道。

1.1? IEEE 802.11ax WLAN吞吐量模型

IEEE 802.11ax協議引入OFDMA技術，用以提升信道利用率。OFDMA技術將特定的子載波分配給不同的用戶，實現多個用戶的同時傳輸。其優點是可以避免深度衰落和窄帶干擾，并且可以減少前導碼和信道接入開銷。多個用戶可以在每個時間片上同時發送數據包，并為每個用戶分配合適的資源單元（Resource Unit， RU），從而同時提高多個用戶的性能指標。

由文獻[6]的研究結果可知，RU被UE ui選擇而不被其他用戶選擇的概率為：

其中，ci表示UE ui打算發送數據的概率，N表示UE競爭信道的數量（即，它們打算發送數據的用戶數）。

因此，UE ui向AP發送數據包的成功概率為：

其中，bi表示UE ui與AP無線鏈路上的誤碼率，然后在一個TF-ACK持續時間內，UE ui傳輸的預期比特數是

pi Li。設T表示TF-ACK持續時間，其式為：

U1表示由成功競爭到信道且傳輸數據的UE組成的集合。tTF、tSIFS和tACK分別表示發幀、短幀間隔和多站點確認塊的持續時間，tPHY表示前導碼和物理層頭部組成的時間間隔。Li表示以比特為單位、且表示的是UE ui發送的MAC協議數據單元的長度，ri表示UE ui以bit/s為單位的數據速率。在式（3）中，第三項中的“max”表示N個UE競爭信道用于數據傳輸的最大時間。

結合式（2）可知WLAN的吞吐量為：

1.2? LTE系統吞吐量模型

LTE系統是一個集中式的調度系統，該系統具有許多先進的技術，例如動態的資源分配、干擾管理機制和自適應的編碼和調制。LTE系統可以實現高頻譜效率，從而為蜂窩用戶提供高可靠的服務質量。

對于LTE系統中給定的UE ui，di表示其與LTE系統的RAN中的BS的距離，Pi， j表示其在第j個RB上的發射功率。此外，本章節引入zi， j表示指示變量，且zi，j ∈ {0，1}，當zi， j = 1時，表示UE ui在第j個RB上傳輸數據，反之則為0。

因此，根據香農公式，LTE系統的UE ui的吞吐量可以表示為[7]：

其中，n2表示LTE中可用RB的數量，n0表示加性高斯白噪聲的功率譜密度，Bi， j表示UE ui在第j個RB上的帶寬大小。另外，Gi表示LTE系統中UE ui和BS之間的信道增益，可以表示為Gi = 1/（di）α，α表示路徑損耗指數。

1.3? 共存環境的總吞吐量

在LTE系統和WLAN共存區域內，指定向量（x1， x2， …， xm）為UE分配向量，且xi ∈ {0，1}。該向量將? 個UE分配給WLAN的AP，將? 個UE分配給LTE系統的BS。當給定UE分配向量（x1， x2， …， xm）時，依據式（4）和（5）得出給定UE分配方案時的總吞吐量為：

2? 吞吐量感知的用戶分配方案

本章節所提出的TAUD方案的主要思想是：考慮將共存區域中的每個UE最優地分配給LTE系統的BS和WLAN的AP，使得式（6）中的網絡吞吐量最大化。對于共存區域內的m個UE，TAUD方案根據UE的位置和網絡負載情況將它們分成兩個組，分別連接WLAN和LTE系統，從而實現UE的數據傳輸。TAUD方案的具體步驟如下：

步驟1：首先找出LTE系統的BS和WLAN的AP共同覆蓋的網絡范圍，然后找出共存范圍內的m個用于數據傳輸的UE，設向量（x1， x2， …， xm））m個UE的分配向量。

步驟2：然后集中控制器獲取m個UE的位置信息、LTE系統和WLAN的網絡情況，比如LTE系統中可用RB的數量和WLAN中可用RU的數量以及網絡信道條件等。

步驟3：然后TAUD方案通過下一小節的優化問題（7）將共存區域內的UE分成兩個組：LTE組和WLAN組，分別連接LTE系統和WLAN。

步驟4：找出共存區域內UE的網絡連接情況，最終實現式（6）網絡總吞吐量的最大化目標。

TAUD方案吞吐量最優化問題，本小節主要描述如何求解式（7）描述的最優化問題?？紤]到式（3）中的TF-ACK持續時間是x1， x2， …， xm的函數，并將其表示為T（x1， x2， …， xm。因此，TAUD方案的優化問題算式為：

對于式（7）中的優化問題，約束式（8）表示xi是指示

變量，取值為0或1，用于將共存區域內所有的UE分配給LTE系統和IEEE 802.11ax WLAN。約束式（9）給出了數據包的時延約束，表示所有UE的數據包必須在給定的時間常數v的范圍內完成數據傳輸。

由于該優化問題是一個組合優化問題，可以使用遺傳算法來查找TAUD方案的最優解。在遺傳算法的遺傳機制中，對染色體的主要操作包含選擇、交叉和變異。采用一個UE分配向量來表示一條染色體，本文設計的遺傳算法旨在當滿足約束條件式（8）和式（9）的情況下，尋找最優的UE分配方案來最大化網絡吞吐量。具體操作：

1）初始化種群：隨機生成M個染色體（即UE分配向量）。需保證每條染色體都滿足約束條件（9），當生成的UE分配向量不滿足約束條件式（9）時，需要丟棄這個向量，并重新生成一個新的UE分配向量來滿足數據包的時延約束。在UE分配向量（x1， x2， …， xm）中，第j個元素用于UE uj，xj = 1表示UE uj和WLAN相連接以傳輸數據，而xj = 0表示UE uj被分配到LTE系統中。

2）選擇操作：定義目標函數θ （x1， x2， …， xn）作為優化問題的適應度函數，則M個染色體的適應度函數用fi （i = 1， 2，…， M）來表示。

使用輪盤賭策略選擇出M個染色體復制到下一代，選擇第i個染色體（或復制到下一代）的概率是：

采用累加法將遺傳概率分隔成M個區間，表示為[0， a1）， [a1， a1 + a2）， [a1 + a2， a1 + a2 + a3）， …， ， 。在輪盤賭方法中，生成0到1范圍內的M個隨機數，第i個區間內的隨機數代表將第i個染色體遺傳到下一代。為了在進化的過程中逐步提高種群的穩定性，應當選擇適應度最高的染色體（稱之為染色體為精英染色體）直接遺傳到下一代。

3）交叉操作：交叉時采用兩點交叉法，對于相鄰的兩個向量v1 = （x1（1）， x2（1）， …， xn（1））和v2 = （x1（2）， x2（2）， …， xn（2）），隨機選取一對滿足1≤i＜j≤n的整數i和j作為交叉點，交換兩個向量位于交叉點之間的染色體部分。對于向量v（1）和v（2）而言，交叉操作產生了兩個新的向量，分別表示為： = （x1（1）， x2（1）， …， xi - 1（1）， xi（2）， xi + 1（2）， …， xj（2）， xj + 1（1）， xj + 2（1）， …， xn（1））和? = （x1（2）， x2（2）， …， xi - 1（2）， xi（1）， xi + 1（1）， …， xj（1）， xj + 1（2）， xj + 2（2）， …， xn（2））。每當由交叉操作產生的任何新的UE分配向量不滿足約束條件式（9）時，需要將其替換為滿足約束條件的新的隨機生成的向量。

變異操作：變異時采用基本位變異法，設置變異概率為0.01，在新種群產生后，在0到1之間隨機地產生一個數值。如果隨機數值小于變異概率，則隨機選擇一條染色體，然后隨機挑選該染色體的一個點位。如果該點位的基因是0（或1），則替換為1（或0）。每當變異操作產生的任何新的UE分配向量不滿足約束條件式（9），則用符合約束條件的新隨機生成向量來替換它。

3? 仿真結果及性能分析

本小節對提出的TAUD方案進行性能評估，主要通過編寫MATLAB程序進行數值分析，與其他現有的方案進行對比。所有數值分析結果平均運行約為500次，其他仿真參數列于表1中。

通過數值分析來評估TAUD方案，并將其與WLAN-first方案和LTE-preferred方案進行比較。在WLAN-first方案中，如果UE在WLAN的覆蓋范圍內，UE總是首先考慮與WLAN的AP相關聯。在LTE-preferred方案中，當LTE系統中有可用的RB時，UE優先連接LTE系統用以數據傳輸，但當LTE系統達到其最大承載容量時，UE將被LTE系統阻塞，不能進行數據傳輸。為評估性能，考慮以下兩個指標：總吞吐量（Total throughput）和能效（Energy Efficiency，? EE）。其中，在WLAN和LTE系統共存區域中，總吞吐量表示單位時間內成功傳輸的有效比特數，定義EE表示每焦耳傳輸的數據包比特數。

將TAUD方案和現有的方案進行比較，分析網絡吞吐量和EE指標。當m = 10， 15， 20， …， 70時，將每個UE的發射功率設置為20 dBm，并將LTE系統中的BS限制為最多可容納共存區域內的50個UE。如圖2和圖3所示。

觀察圖2和圖3，得出以下結論：

1）TAUD方案在網絡吞吐量和EE方面的性能指標優于WLAN-first方案和LTE-preferred方案，這符合本文提出的吞吐量最大化的目標。

2）隨著m的增加，TAUD方案的網絡總吞吐量隨之增加，而其他兩個方案的吞吐量在m（假設m≤30）值較小時也在增加，但在m值較大時沒有提高。原因是因為在WLAN-first方案中，當m持續增加時，WLAN信道上UE之間的競爭變得嚴重，數據包沖突也發生的更加頻繁，這導致WLAN-first方案中UE的吞吐量下降。在LTE-preferred方案中，當UE的數量不超過LTE系統中RB的數量（即m≤50）時，m的增長導致了吞吐量的增加。因為這些UE可以連接LTE系統以進行數據傳輸。然而，當UE達到LTE系統的容量（即m = 50）時，LTE-preferred方案的吞吐量將不再增加。

3）隨著m的增加，三種方案的EE都降低，這是因為隨著UE數量的增加，增加的傳輸比特速率比增加的發射功率慢。

綜上，提出的TAUD方案在網絡吞吐量和能效上均超過了其他三種方案，可以在共存區域內合理地將UE分成兩組：LTE組和WLAN組，以實現數據傳輸。

4? 結? 論

針對IEEE 802.11ax WLAN與LTE系統共存的區域，提出了吞吐量感知的用戶分配（TAUD）方案。所提方案充分利用LTE系統和IEEE 802.11ax WLAN新技術的優勢，將用戶合理地分配到兩種網絡，提高了共存區域內的吞吐量和能效。給出的優化問題是一個組合優化問題，采用遺傳算法來查找TAUD方案的最優解，從而找到最優的用戶分配方案。數值分析證明了該方案的有效性，同時TAUD方案可以擴展到LTE系統和多個IEEE 802.11ax WLAN的共存環境中。在接下來的研究中將關注基于802.11ax WLAN和LTE系統共存環境中用戶的移動性問題。

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作者簡介：張閩（1996—），女，漢族，江蘇淮安人，助教，碩士，研究方向：無線網絡、物聯網。

收稿日期：2023-02-02

基金項目：淮安市自然科學研究計劃（HAB202237）；江蘇省“青藍工程”優秀教學團隊資助項目