IEEE 802.11ax 密集WLAN 的干擾協(xié)調(diào)策略

徐曉鋒，張 閩，錢晨喜，陳清華，2

（1.浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，杭州 310014；2.溫州職業(yè)技術學院 信息技術系，浙江 溫州 325035）

0 概述

基于IEEE 802.11 標準的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）具有成本低和部署簡單的優(yōu)點，因此其被廣泛應用于移動辦公、校園教學和智慧家庭等領域。根據(jù)思科發(fā)布的《視覺網(wǎng)絡指數(shù)》報告［1］可知，2020 年WLAN 的移動數(shù)據(jù)流量將增加到每月38.1 EB，占移動通信總流量的55%，許多公眾場合都會更密集地部署WLAN。即將發(fā)布的下一代WLAN 標準，即IEEE 802.11ax，針對密集部署環(huán)境，致力于提高整體網(wǎng)絡吞吐率，關注提高4 倍的單個站點吞吐率［2］。

IEEE 802.11ax 基于傳統(tǒng)分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function，DCF）機制，先聽后發(fā)［3］，以避開一個WLAN 內(nèi)的設備間干擾。然而，當運行在同一頻段上的兩個WLAN 在彼此的感知范圍內(nèi)時，設備即使干擾很小或者發(fā)送對其他設備造成的干擾很小，都需要在偵聽后信道空閑時才能發(fā)送，大量信道資源被浪費。在密集部署情景下，相鄰WLAN 間的干擾造成的資源浪費更為嚴重，網(wǎng)絡吞吐率進一步惡化，導致稀缺頻譜的浪費［4］。

針對上述問題，研究者在ax 協(xié)議中進一步提出降低同頻干擾的空間復用技術［5］。基本服務集（Basic Service Set，BSS）顏色是較新的空間復用子技術之一，其在每個數(shù)據(jù)幀的前導碼中插入“BSS Coloring”字段，站點通過讀取前導碼信息來確定數(shù)據(jù)幀來自哪個BSS。文獻［6］提取信標幀中的“BSS Coloring”字段，結合信標幀接收強度來動態(tài)調(diào)整最佳發(fā)射功率。文獻［7］通過聯(lián)合BSS 顏色和改變載波偵聽閾值，以增強空間復用并優(yōu)化網(wǎng)絡吞吐率。調(diào)整發(fā)射功率和載波偵聽范圍都會改變站點的關聯(lián)情況，甚至導致原本已關聯(lián)但處于BSS 邊緣的站點沒有AP可關聯(lián)［8］。文獻［9］指出WLAN 中實際獲得的網(wǎng)絡吞吐率增益很大程度上取決于站點相對于接入點（Access Point，AP）的位置。

此外，IEEE 802.11ax 標準中還引入目標喚醒時間機制（Target Wake Time，TWT），由AP 來調(diào)度站點的休眠時間，定期定量地向關聯(lián)站點傳輸數(shù)據(jù)。文獻［10］通過TWT 調(diào)度提出一種適用于高密度環(huán)境的高能效信道接入方案。TWT 技術被認為是未來WLAN 實現(xiàn)無沖突和確定性接入的關鍵技術之一。本文結合TWT 機制提出基于BSS 顏色的協(xié)調(diào)交替目標喚醒時間（Coordination Alternating TWT，CAT）方案，用于協(xié)調(diào)相鄰BSS 間的干擾，提高網(wǎng)絡吞吐率。針對文獻［9］指出的問題，考慮站點位置信息，使AP 通過站點反饋的“BSS Coloring”字段對站點進行分組，把站點安排在不同的組內(nèi)以降低其信道爭用水平，最小化BSS 間的干擾，同時通過優(yōu)化下行數(shù)據(jù)包大小提高網(wǎng)絡吞吐率。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)模型

如圖1 所示，網(wǎng)絡中有2 個運行在相同頻帶上的AP：AP1和AP2。假設兩者具有不同的BSS 顏色，由于802.11ax 物理層頭部的前導碼包含6 bit 的“BSS Coloring”字段，最多可標識63 個BSS，因此兩個BSS選取相同BSS 顏色的概率為1/3 969，可以忽略不計。無線局域網(wǎng)控制器（WLAN Controller，WLC）集中控制AP1和AP2的協(xié)調(diào)運行。為不失一般性，假設AP1和AP2分別位于（0，0）和（dAP，0）處，有M個和N個站點分別與距離最近的AP1和AP2關聯(lián)。重疊區(qū)域內(nèi)的站點均可聽到兩個AP 的信標幀。與AP1關聯(lián)并處于重疊區(qū)域的站點數(shù)量為m，與AP2關聯(lián)并處于重疊區(qū)域的站點數(shù)量為n。

圖1 兩個BSS 組成的網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 Network topology composed of two BBSs

WLAN 中多數(shù)站點的位置分布是未經(jīng)安排的［11］。本文假設站點的分布遵循參數(shù)為λ的獨立均勻泊松點過程（Poisson Point Process，PPP）。因此，從目的站點到其最近關聯(lián)AP 距離的概率密度函數(shù)［12］是r的函數(shù)，表示為

1.2 信道模型

采用以信道為中心的模型［13］，重點關注信道狀態(tài)，而不是每個站點的狀態(tài)。結合站點接收數(shù)據(jù)的成功概率及發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量，通過確定AP 占用信道的時間得到網(wǎng)絡吞吐率。

假設信道受瑞利衰落的影響，其中衰落變量用指數(shù)分布的參數(shù)μ表示，同時忽略大尺度陰影效應［12］。假設在所考慮的時間間隔范圍內(nèi)信道增益是恒定的［14］。在不失一般性的情況下，假設AP 位于各自BSS 的圓心處，同時使用參考距離為1 m 的自由空間路徑損耗模型。

令PS為基于物理模型的鏈路級數(shù)據(jù)包傳輸成功概率，表達式為：

其中，PB表示通信鏈路的誤碼率（Bit Error Ratio，BER），L和LHead分別表示數(shù)據(jù)包的有效載荷長度（MAC Service Data Unit，MSDU）和協(xié)議頭部（包括MAC 層和物理層）開銷長度。

根據(jù)發(fā)送功率PTX，得到與APBSS距離為r的目標站點的接收功率為PTXGTXGRXr-α，其中，GTX/RX表示AP和站點的天線增益［15］，α表示路徑損耗指數(shù)。假設環(huán)境噪聲為加性高斯白噪聲且平均功率為No，則物理鏈路傳輸?shù)男鸥稍氡龋⊿ignal to Interference Ratio，SINR）表示為：

根據(jù)802.11 協(xié)議［16］，觸發(fā)幀、PS-POLL 幀和確認幀（Acknowledge Character，ACK）以基準速率進行發(fā)送，具有較強的抗干擾能力［17］。因此，本文假設上述3 種幀都能被成功接收而不受干擾的影響，只考慮干擾對數(shù)據(jù)包的影響。

1.3 CAT 方案工作流程

CAT 方案旨在優(yōu)化誤碼率場景下AP 一次下行傳輸MSDU 的長度，結合站點競爭信道時間的調(diào)度，最優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量。該方案的工作流程如下：

步驟1WLC 通知AP1和AP2將站點分為4 個組：Gk和Gk，C，k=1，2，并將分組信息以及站點的位置信息反饋給WLC。分組策略見2.1 節(jié)。

步驟2WLC 收到分組信息后，計算每組站點允許的最大傳輸速率。計算方法見2.2.1 節(jié)。

步驟3根據(jù)AP 一次下行傳輸?shù)腗SDU 長度L，WLC 計算站點接收MAC 層所需的時間。

步驟4根據(jù)數(shù)據(jù)接收時間，WLC 生成調(diào)度表調(diào)度G1，C和G2，C中站點開始競爭信道的時間。調(diào)度方法見2.2.2 節(jié)。

步驟5WLC 將調(diào)度表、一次下行傳輸?shù)腗SDU長度及傳輸速率通知給AP。

步驟6AP 根據(jù)WLC 通知的參數(shù)與站點協(xié)商站點醒來競爭信道的時間。

在CAT 方案中，站點根據(jù)協(xié)商結果周期性醒來，減少了競爭信道的激烈程度。

2 本文方案

2.1 基于BSS 顏色的分組策略

在關聯(lián)請求階段開始之前，兩個AP 廣播包含不同“BSS Coloring”字段的信標幀。站點接收信標幀并解碼，將解碼得到的“BSS Coloring”字段包含在關聯(lián)請求幀中發(fā)送給其要關聯(lián)的AP。AP 解碼接收到的關聯(lián)請求幀，若該幀只包含一種BSS 顏色，則將發(fā)送該幀的站點歸入組Gk，k=1，2；若幀中包含2 種BSS 顏色，則將該站點歸入組Gk，C，k=1，2。

關聯(lián)請求過程如圖2 所示。AP1和AP2廣播的信標幀中包含不同的“BSS Coloring”字段，分別為BSSC和BSSC'。同時引入新的關聯(lián)請求幀Ass req'，該幀和IEEE 802.11 協(xié)議中默認的Ass req 幀唯一的區(qū)別是需要包含解碼得到的兩個AP 的“BSS Coloring”字段，共計18 Byte。

圖2 關聯(lián)請求階段示意圖Fig.2 Schematic diagram of association request stage

此外，TWT 元素也被包含在站點的關聯(lián)請求幀中，因此，AP 需要回復同樣帶有TWT 元素的關聯(lián)響應幀，與此同時，AP 將分組信息反饋給WLC。至此，關聯(lián)請求階段結束。

2.2 CAT 調(diào)度機制

2.2.1 調(diào)度時間計算

收到AP 反饋的分組信息后，WLC 計算出每組站點允許的最大傳輸速率。

組G1，C和G2，C內(nèi)站點接收數(shù)據(jù)時考慮無干擾場景，即理想信道，取MCS 為7 時的傳輸速率［18］，用V表示。而組G1和G2內(nèi)站點在接收數(shù)據(jù)時，需要考慮信干噪比，因此，WLC 使用式（3）計算這兩組站點的SINR，即，并根據(jù)香農(nóng)極限定理計算每個站點在接收數(shù)據(jù)時理論允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率

其中，B為信道帶寬。得到組G1和G2內(nèi)各個站點MAC 層的接收時間為TMAC=TMSDU+TMACHeader，其中，TMSDU表示MSDU 的接收時間，TMACHeader表示MAC 頭部的接收時間。組G1和G2內(nèi)各個站點接收MAC 層的時間分別為：

其中，LMH表示MAC 層頭部的長度。WLC 取或中的最大值用于BSS 時間段的計算，即：

在式（5）中：Twait是站點期望等待時延，與站點退避窗口大小有關；τ由式（6）給出，表示PS-Poll幀、ACK幀、物理層頭部的傳輸時間及3 個短幀間間隔（Short Interframe Space，SIFS）時間的總和，是一個定值。

OBSS 時間段站點的傳輸速率都相等，因此，每個站點接收MAC 層的時間都是相等的，表示為：

OBSS 時間段的長度為：

2.2.2 調(diào)度方法與分析

計算出BSS 和OBSS 的時間后，WLC 生成調(diào)度表H1和H2來分別調(diào)度G1，C和G2，C中站點開始競爭信道的時間：

WLC 將0 和1 隨機不重復地分配給H1或H2。

在CAT 方案中，AP1和AP2通過WLC 來“協(xié)商”在某個TWT 會話周期（Service Period，SP）上單獨向組G1，C或G2，C中的某個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，或同時向組G1和G2中的某兩個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)學表達式如下：

其中，Xx，x=1，2，<1，C>，<2，C>表示組Gx，x=1，2，<1，C>，<2，C>內(nèi)的站點在該SP 時間內(nèi)是否接收數(shù)據(jù)，例如X1=1 表示組G1內(nèi)的某個站點是接收者，X1=0 則表示不是。

在任意TWT SP 中，情景BSS 和情景OBSS 都不會同時出現(xiàn)。鑒于組與組間的公平性，本文考慮情景BSS 和情景OBSS 交替發(fā)生。在今后的研究中，還將考慮根據(jù)重疊區(qū)域內(nèi)外組內(nèi)站點數(shù)的不同來進一步安排TWT SP。

收到帶有TWT 元素的關聯(lián)響應幀后，站點會向關聯(lián)AP 發(fā)送TWT 請求幀。AP 收到TWT 請求幀后，回復TWT 響應幀以設置參數(shù)，即AP 告知兩個組內(nèi)站點醒來競爭信道的時間。

如圖3 所示，分配給AP1的調(diào)度表H1中h=0。組G1，C內(nèi)的站點經(jīng)過TWT0時間后開始競爭信道，競爭到信道的站點向AP1發(fā)送PS-Poll 幀請求下行數(shù)據(jù)。該站點接收數(shù)據(jù)完畢后，向AP1發(fā)送ACK 幀。之后，組G1和G2內(nèi)的站點睡眠倒數(shù)計數(shù)器到期，開始競爭信道，準備接收下行數(shù)據(jù)。而分配給AP2的調(diào)度表H2中h=1，組G2，C內(nèi)的站點經(jīng)過時間后開始競爭信道。

圖3 CAT 方案數(shù)據(jù)傳輸過程Fig.3 Data transmission process of CAT scheme

2.3 吞吐率計算

本文中的網(wǎng)絡吞吐率為有效吞吐率，定義為AP和所有參與站點之間鏈路上成功傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)長度與傳輸時間的比值。CAT 方案中非重疊區(qū)域的有效吞吐率為：

重疊區(qū)域的有效吞吐率為：

最終可以得到系統(tǒng)有效吞吐率為：

從上式可以看出，系統(tǒng)吞吐率與L和PS有關。此外，PS又與PB和SINR有關，而PB和SINR 又取決于dOBSS。

3 性能評估

根據(jù)文獻［18-19］中描述的IEEE 802.11ax 評估方法和仿真場景，通過MATLAB 仿真兩個AP 下行傳輸?shù)膱鼍埃o出MSDU 長度對網(wǎng)絡吞吐率的影響，并將CAT 方案與802.11 傳統(tǒng)DCF 接入方式進行比較。

3.1 仿真配置

仿真中設置載波頻率為2.4 GHz，信道帶寬為20 MHz。兩個AP 各發(fā)送500 次（不考慮重傳）并迭代1 000 次。信道模型為自由空間路徑損耗模型［20］。AP 處的天線增益為0 dBm，站點處的天線增益為-2 dBm。表1 列出了仿真中使用的參數(shù)，其中TPS-Poll和TACK分別表示PS-Poll 幀和ACK 幀傳輸?shù)臅r間。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3.2 仿真結果

3.2.1 誤碼率與SINR

圖4 給出了不同MCS 下誤碼率與SINR 的關系。可以看出，BPSK、QPSK 和4-QAM 的抗干擾性能最強，隨著進制的增加，QAM 的抗干擾能力都會大幅減弱。在本文的仿真中，AP 會根據(jù)SINR 的大小采取不同的每種調(diào)制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）方式。

圖4 誤碼率與SINR 的關系Fig.4 Relationship between BER and SINR

每種MCS 的抗干擾能力不同。20 MHz 信道數(shù)據(jù)速率所需的最小SINR 如表2 所示。在任何一種MCS 方案下，都可以通過計算SINR 來獲得相對應的BER。

表2 20 MHz 帶寬數(shù)據(jù)速率所需的最小SINRTable 2 Minimum SINR required for data rate at 20 MHz bandwidth

3.2.2 吞吐率與包長

從數(shù)據(jù)包頭部開銷占比的角度來看，WLAN 中下行傳輸?shù)男适冀K隨著MSDU 的增大單調(diào)遞增［21］。然而，在考慮誤碼率的情況下，由式（1）可知，MSDU 長度的增加會導致傳輸成功率的下降，因此，存在一個閾值，當MSDU 長度等于該閾值時，網(wǎng)絡吞吐率為最大。

圖5 給出了網(wǎng)絡吞吐率與MSDU 長度分別在考慮誤碼率和不考慮誤碼率（BER-free）情況下的關系。兩種場景均采用IEEE 802.11 傳統(tǒng)DCF 退避方式。在兩個AP 距離分別為5 m、15 m 和25 m 的干擾場景中，隨著MSDU 長度的增加，吞吐率均呈現(xiàn)先增長后緩慢下降的趨勢，在MSDU 長度為5 000 Byte時取到最優(yōu)。而在無干擾場景下，吞吐率一直隨著MSDU 大小的增加而增加。因此，在考慮誤碼率的場景中，可以通過調(diào)整MSDU 長度來最大化網(wǎng)絡吞吐率。

圖5 吞吐率與MSDU 長度的關系Fig.5 Relationship between throughput and MSDU length

3.2.3 CAT 方案

CAT 方案與802.11 傳統(tǒng)DCF 接入方式對比結果如圖6 所示。從中可以看出，當兩個AP 距離較近時，DCF 接入方式會導致低網(wǎng)絡吞吐率，而CAT 方案的吞吐率隨著AP 之間距離的增加基本保持不變。當AP 之間的距離接近1 m 時，CAT 方案的吞吐率幾乎是DCF 接入方式的2 倍。而隨著AP 間距離的增大，兩個BSS 彼此的影響逐漸變小。使用傳統(tǒng)DCF接入方式時，站點有更多的機會偵測到信道空閑，傳輸機會增加，因此，吞吐率隨著距離的增大而急劇增加。當兩個AP 的距離為30 m 時，兩個BSS 之間沒有交集，因此，沒有站點會處于重疊區(qū)域內(nèi)，CAT 方案不采用分組策略，所有站點一起參與信道競爭，這與傳統(tǒng)的DCF 接入方式類似，故吞吐率也相近。

圖6 不同MSDU 長度下吞吐率與AP 間距離的關系Fig.6 Relationship between throughput and distance of APs under different MSDU lengths

圖7給出了CAT 方案下兩個BSS 在L=5 000 Byte時的吞吐率隨距離d的變化曲線。可以看出兩個BSS 的吞吐率基本相同，沒有出現(xiàn)大的偏差，這是因為CAT 方案保證兩個BSS 中處于重疊區(qū)域的組能每隔一個SP 時間就接收一次數(shù)據(jù)，而重疊區(qū)域外兩個組內(nèi)的站點同時競爭信道以接收數(shù)據(jù)。

圖7 CAT 方案中兩個BSS 的吞吐率Fig.7 Throughput of two BSSs in CAT scheme

4 結束語

針對AP 部署密集問題，本文提出一種交互式目標喚醒時間調(diào)度方案CAT。通過結合IEEE 802.11ax中的基本服務集顏色技術，使用無線局域網(wǎng)控制器來優(yōu)化AP 發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度，同時協(xié)調(diào)不同組內(nèi)站點接收數(shù)據(jù)的時間，從而保證網(wǎng)絡吞吐率并給出實施意見。仿真結果驗證了該方案在密集情景中的有效性。下一步將在多個重疊的WLAN 上部署CAT方案，并根據(jù)每個組內(nèi)站點數(shù)目安排組的接收順序與次數(shù)。