基于TWT的節點接入機制研究

朱慶華　常瑩

摘要：在實現 IEEE 802.11ax目標喚醒機制的基礎上，進行了一定的完善和改進，提出一種分組的節點接入方法。首先接入點對設備進行分組，然后通過目標喚醒機制，公平分配每一組的傳輸時間，沒有傳輸數據的時候就休眠，可以大大的節能。其次組內通過競爭機制獲得各自的傳輸時間，一組的數據都傳完再到下一組，所有數據傳完之后再繼續傳輸。實驗仿真表明基于目標喚醒機制的 802.11ax節點接入技術，在有效提高吞吐量的同時，極大降低了所需功耗，同時控制數據包重傳率，能夠滿足一定條件下無線局域網的應用需求。

關鍵詞：TWT;喚醒機制;節點接入; 802.11ax

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0259-03

1 概述

近年來，通信行業發生了翻天覆地的變化，人們的生活也有了質的飛躍，這在很大程度上得益于無線局域網的快速發展。但是網絡擁堵也已經成為一個嚴重的問題，比如繁忙的機場、火車站、住宅公寓樓等，無線局域網需要為許許多多的客戶端設備提供服務[1，2]。為了推進無線局域網的發展并滿足用戶對于吞吐量、能耗等的需求，必須繼續提高性能，業界正在通過802.11ax滿足這些需求[3]。802.11ax修正案旨在通過瞄準顯著增長來挑戰Wi-Fi部署的密集化。TWT機制最初是為降低能耗而設計的，它通過及時調度MU-DL和MU-UL傳輸以及從站點收集信息來完全最大化IEEE 802.11 MU能力[4]。此外，在密集場景中，無線局域網可以使用TWT來就非重疊調度達成一致，以進一步改善重疊BSS共存以及其他潛在用途。TWT的發展空間還很大，它的新用途將在未來幾年被研究，預計將推動未來無線局域網的加速發展與開拓新的發展空間[5]。

802.11ax無線局域網絡通過增加更高的容量，更大的覆蓋范圍和減少信道擁塞來使得Wi-Fi網絡變得更適用于當前的客戶需求，從而帶來更好的用戶體驗。802.11ax中包含了目標喚醒時間（TWT）機制來調度傳輸時間，目的是增強物理層和MAC層，以提高密集WLAN場景中的頻譜利用率，在保證高效的同時，也相應地提高了用戶的性能[6]。TWT允許節點通過相互協調或者由AP集中調度進入休眠狀態或者激活狀態。通過使部分節點進入休眠狀態，可以減少節點之間的競爭，增加網絡吞吐量，同時減少節點的功率消耗。此外無線接入點可以將客戶端設備分配到不同的TWT周期，從而減少同時競爭無線信道的設備數量，減少沖突。除此之外，TWT通過協調增加設備休眠時間，延長電池的壽命。

至今，很多關于TWT的研究都已展開，人們希望通過減少參與通信或工作的節點個數來降低網絡的能量消耗，調控網絡中的節點，協調網絡中節點的喚醒與休眠，減少終端設備的能量消耗，最終可以延長網絡壽命[7，8]。

2 系統模型

考慮的是在只有一個接入點和眾多終端設備的情況下，假設每一個設備都想要上傳數據，數據量是飽和的。接入點對固定數量的設備進行分組，然后通過目標喚醒機制，公平分配每一組的傳輸時間，設備在沒有傳輸數據的時候就休眠。其次是組內的STA通過競爭機制獲得各自的傳輸時間，一個時間里只有一個STA在傳，一組的數據都傳完再到下一組，所有數據傳完之后再繼續傳輸。在傳統的802.11中采用退避算法時，雖然在一定程度上避免了沖突，但隨著用戶的數量增加，信道沖突的可能性會加大，而采用分組可以獲得最佳數據傳輸的STA數量[9]。

通過AP 控制多個TWT STA的上行傳輸。假如STA都有數據等待傳輸，并且傳完之后又有新的數據要上傳。首先，AP根據STA的數量確定最佳的分組大小，再對每一組分配好適當的TWT時間，基于公平性，每一組傳輸時間相同，因此TWT是周期性固定值。每一組在對應的TWT醒來后，STA就可以向AP傳輸數據。而組內則根據退回機制，STA競爭傳輸的時隙，每個時間段里只有一個STA傳輸，每一個數據包傳輸完AP就發送對應的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，再開始下一輪新的傳輸。設備分組為10時，吞吐量最佳。于是，當STA的數量小于10時，沖突性較小，不用分組。當STA數量超過10時;STA數量除以K，K值等于數量值向上取整后再除以10;當STA數量超過100時，都為10。

3 性能評估指標

3.1 吞吐量

吞吐量表示的是單位時間內信道中傳輸的數據量，換句話說就是一段時間內信道中的平均數據傳輸速率，吞吐量測量單位通常以比特/秒或字節/秒表示。802.11的信號傳輸速率會根據所用的具體傳輸技術而各不相同，但是隨著 STA 數量的增長，造成碰撞重傳的概率增大，吞吐量因而降低。在無線局域網中，終端的數量很多，由于數量增多時碰撞會變多而造成的吞吐量降低特別明顯[10]，因此提高無線網絡的密集場景中終端的吞吐量是很有必要的。由于 STA 數量范圍較大，實驗仿真吞吐量的真實數據相差很大，在圖像中難以直觀呈現，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估指標，如公式（1）。歸一化飽和吞吐量的計算公式：

其中，[TRAW]表示 RAW 的持續時間，P 是網絡負載，單位為比特，[NRAW]上文提到過，表示 RAW 分組數量，[Etr]表示傳輸數量，[Ps]為傳輸成功率。

3.2 能量消耗

對無線局域網中依靠電池供電的設備來說，能量消耗也是一個極其重要的性能評估指標。本文中能量消耗表示的是，成功傳輸1比特負載數據而消耗的能量。無線局域網的終端設備有四種狀態：接收與發送、休眠以及關機。其中，關機狀態不需要消耗能量[11]。發送狀態下， STA 主要傳輸 RTS幀和數據幀，而接收模式下的 STA 負責接收信標幀、CTS幀和 ACK 幀[12]。

3.3 傳輸速率

本文假設傳輸的數據包大小為1000字節，同時，假設造成傳輸失敗的主要原因為碰撞，而信道質量是理想的。在飽和場景下，默認每個 STA 完成一次傳輸后會收到ACK反饋，并且立刻會有新的數據待傳，當退避機制的計時器計數歸零時，傳輸開始，則數據包成功傳輸的概率計算公式如下：

公式（2）表示在至少有一個STA成功傳輸的前提下，恰好有一個STA傳輸成功的概率。其中，n 代表 STA 數量，得到[PS]之前需要獲得[τ]和[Ptr]。其中[τ]表示假設 STA 只有一個待傳輸的數據包，該數據包傳輸成功的概率，具體計算公式如下：

其中，E[B]表示 STA 傳輸數據時退避時隙的平均數，E[R]為 STA 嘗試接入信道的次數。[Ptr]表示傳輸時隙中至少有一次數據成功傳輸的概率，通過求得時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 實驗仿真分析

4.1 仿真環境

本文考慮基礎結構BSS。在一個密集的環境中，網絡中僅有一個 AP，所有 STA 與這個單獨的 AP 進行關聯，所有的 STA都處于 AP 傳輸范圍內。STA都有數據要傳輸，并且數據量是飽和的。假設信道環境良好，確保 STA 發送的數據包 AP 能夠正確接收。假設在確定范圍內所有的STA都有數據向AP傳輸，并且固定數量的STA已經與AP進行TWT連接，STA根據TWT喚醒或休眠，AP統一調配上行傳輸。我們使用MATLAB進行仿真，并與不使用休眠的算法進行對比，結果顯示本文提出的機制有效地提升了網絡的性能。

4.2 仿真結果及分析

上圖1中，隨著用戶數量增加，二進制退避機制吞吐量下降急速，斜率比較大，吞吐量明顯減少。而TWT機制的吞吐量也隨著用戶數量增加而減少，但是比BEB機制減少的更慢，并且隨著數量增多吞吐量大得多。由此可見，傳統的退避機制雖然避免了沖突，但吞吐量卻因用戶數量增多而減少。而提出的TWT機制通過分組，傳輸的效率有效提高，減少網絡擁塞，使得吞吐量變大。

處于發送與接收或者沒有數據傳輸的STA，需要耗能比較大或浪費，TWT分組機制讓客戶端盡可能休眠，通過協調，STA減少了監聽時間，而且數據重傳率降低，重傳次數減少，信道吞吐量變大，傳輸更快，耗能也會更加少。由圖可以看出，在數量比較少時，二進制退避機制的耗能急劇增長，雖然在用戶數量變大的時候，耗能增長變慢，但是與TWT相比還是消耗太多。TWT機制耗能更加少，并且隨著用戶數量增長速度緩慢，可見提出的機制通過分組很好地降低了能耗，在節能方面起到顯著效果。圖3為從10到60數量的重傳概率變化。

由于二進制退避機制下，STA數據包在傳送時，重傳的概率會隨著 STA 數量的增長而顯著增大。而分組的TWT機制，設定在分配好的時間里只有一個 STA 傳輸數據，所以TWT STA 數據包之間碰撞的概率極小，而分組之后限定了數量，碰撞概率就更小了。在TWT 分組機制下 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，本文提出的接入機制，重傳的概率比較小且穩定，因為分組的數量不超過10，所以隨著 STA 數量的增長曲線趨于平直，圖中顯示出改進的 TWT 方案性能非常好。

實驗仿真表明改進的 802.11ax節點接入技術，在有效提高吞吐量的同時，極大降低了所需功耗，同時控制數據包重傳率，能夠滿足一定條件下無線局域網的應用需求。

5 結論

無線局域網的發展給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，它能夠便利地聯網，有高度的靈活性與移動性，省時省力省成本。而在密集環境中，用戶對于流量的需求有著明顯的周期性，用戶在某時段使用頻率更高。因此，應根據實際中網絡的真實流量需求，調整網絡設備的狀態，既要保證用戶終端的流量需求，又將設備盡可能地休眠就可以節省網絡的功耗。 本文在實現 802.11ax的目標喚醒時間機制的基礎上，提出基于分組的節點接入機制。實驗仿真表明，新的機制在有效提高吞吐量的同時，降低了終端功耗。

參考文獻：

[1] 趙晨. 面向密集型Cloud-WiFi系統的無線資源管理及優化機制研究[D]. 上海： 上海交通大學， 2015.

[2] 許文君.無線傳感器網絡休眠調度算法研究[D].南京：南京郵電大學，2012.

[3] Nurchis M，Bellalta B.Target wake time：scheduled access in IEEE 802.11ax WLANs[J].IEEE Wireless Communications， 2019，26（2）：142-150.

[4] Khorov E，Kiryanov A，Lyakhov A，et al.A tutorial on IEEE 802.11ax high efficiency WLANs[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2019，21（1）：197-216.

[5] IEEE 802.11 WLANs. The Working Group for WLAN Standards. 2018.

[6] 無線局域網技術概述（Wireless LANs）——802.11協議[EB/OL].https：//blog.csdn.net/wuxiaoer717/article/details/15202643

[7] 802.11ax高效率無線標準介紹[EB/OL].http：//www.ni.com/zh-cn/innovations/white-papers/16/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html.

[8] 802.11協議精讀2：DCF與CSMA/CA https：//blog.csdn.net/fzxy002763/article/details/51099918

[9] 技術盛宴-第七代無線技術802.11ax詳解.https：//wenku.baidu.2018.

[10] Hang Yang ，Deng Der-Jiunn ，Chen Kwang-Cheng.IEEEAccessOn Energy Saving in IEEE 802.11ax On Energy Saving in IEEE 802.11ax.2018

[11] 傅新星.IEEE802.11ahMAC層功率管理技術研究[D].天津 天津大學，2016.

[12] 后柯達. 基于下一代IEEE 802.11標準節能模式的多用戶TWT協商機制[D]. 成都： 西南交通大學， 2017.

【通聯編輯：唐一東】