802.11ax干擾管理方案研究

李 宸

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

IEEE 802.11ax基于傳統的分布式協調（Distributed Coordination Function，DCF）機制在信號傳輸前進行偵聽，以避免Wi-Fi環境中的設備相互干擾。如果工作在同一頻段的2個Wi-Fi在相互檢測范圍內，即便干擾微弱，也必須等待信道空閑時才能發送信號，造成信道資源浪費。在高密度部署場景下，相鄰Wi-Fi之間的干擾造成的資源損失更加嚴重，網絡容量進一步降低，頻譜資源浪費加劇。例如，如果網絡中已經有大量節點，但不清楚正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）通道如何分配，就很有可能發生節點訪問和傳輸沖突[1]。因此，在高密度Wi-Fi環境中減少干擾的一種基本思路是集中管理和控制現有的干擾技術。通過分析用戶密集場景中的干擾問題，開發集中式干擾管理方案。

1 Wi-Fi密集用戶場景

隨著用戶業務需求的不斷增長，Wi-Fi終端的數量不斷增加，無線環境變得更加復雜，無法準確測量環境變化對設備的影響、干擾分析和干擾抑制。為了分析密集網絡中的干擾問題，重點關注由接入點和主從站點組成的密集部署的控制中心網絡。高密度Wi-Fi網絡主要以主控接入點（Master Access Point，MAP）作為控制中心，以從屬接入點（Slave Access Point，SAP）作為主要接入點為用戶提供服務[2]。在Wi-Fi網絡中，多個接入點同時工作，運行頻段為5 GHz，且站點（Station，STA）在特定距離內隨機均勻分布。密集網絡用戶分布如圖1所示。

圖1 密集網絡用戶分布

2 Wi-Fi密集用戶場景問題分析

基于廣泛使用的TCP/IP IPv4協議，單個接入點構成子網，除去網絡號0、廣播地址255以及自身占用的1個地址，余下的253個地址用于接入點地址分配，即接入點（Access Point，AP）可以訪問的最大STA數為253[3]。傳統802.11協議采用，DCF+載波監聽多路訪問 /沖突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）同時接入機制，隨機延遲的端口沖突概率隨著STA的數量呈指數增長，單個AP可以連接的最大STA數往往較低。802.11ax使用OFDMA和上行隨機接入機制（UL-OFDMA Random Access，UORA）來優化改善訪問，并減少沖突期間的干擾和沖突。

為了評估訪問性能，可以仿真分析使用不同的信道訪問過程來比較標準化吞吐量，分別是常規的DCF接入過程、DCF頻段帶請求發送/允許發送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）幀的接入過程、隨機觸發的接入過程（TF-R）以及確定性觸發的接入過程（TF-D）。假設觸發幀能夠為確定性和隨機接入信道調度上行鏈路資源塊，為了發送觸發幀，AP必須與關聯STA及其他基站分系統（Base Sub-System，BSS）中的STA競爭信道。如果STA使用DCF或增強型分布信道接入機制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），會增加沖突的可能性并降低數據吞吐量[4]。

在實際情況下，吞吐量增益可能會受到服務過飽和、吞吐量調整以及功率調整等因素的限制。如果可以在密集場景中確定性地分配訪問用戶，則可以獲得最佳通信效率，但需要合理確定接入STA站點數量，確保低于可分配給通道的資源單元（Resource Unit，RU）數量。如果STA站點數量超過可分配的數量，則需要運用定時喚醒（Target Wake Time，TWT）機制調整活躍站點數量，提升網絡接入效率。

3 802.11ax干擾管理方案設計

訪問通道、傳輸數據以及確認響應時可能會發生干擾，Wi-Fi設備的設置通常只考慮自身的干擾，往往無法提供最佳的整體網絡性能。在高密度用戶場景下研究干擾管理的集中調度，通過一個控制器來管理用戶分配、通話時間、信道分配以及傳輸功率控制等決策[5]。AP的任何調度決策都由控制器實現，該控制器緩存全部AP的反饋信息，通過調度程序緩沖從任何AP接收到的信息，根據已知信息執行計算，并確定每個AP將數據包發送到STA站點的方式。托管在控制器上的調度程序為每個STA維護1個單獨的隊列，而每個STA都維護1個虛擬接口，該接口連接到該STA每個區域中的多個接入點。

在MAP與SAP建立管理關系之前，SAP會初步聯系某些STA，實現掃描、預認證、關聯等管理操作[6]。此后，MAP啟動干擾檢查，向選定區域發送信標幀與SAP進行通信，獲取SAP是否支持并行多AP網絡及其所屬的多AP網絡信息。多AP同時傳輸所需的SAP可以從外部鏈路的采集信息、加載信息以及訪問控制信息中確定，MAP根據接收到的SAP信息進行信息整合和計算。

選擇參與多AP網絡的接入點，使用STA通過下行鏈路 /上行鏈路（Down Link/Up Link，DL/UL）進行多AP轉發。假設在計算之前已經對節點之間的關聯進行了認證，SAP和STA之間的數據映射和傳輸遵循802.11ax協議的相應流程。首先，MAP發送類似于信標的觸發幀，通知SAP檢查干擾。具有不同站點 MAC 地址基本服務集標識符（Basic Service Set IDentifier，BSSID）的SAP在一定時間內作出反應并同意加入干擾控制，在一定時間后向MAP發送信標幀，宣布將為SAP實施故障管理。如果發送多個SAP，則MAP根據最長持續時間確定干擾檢查開始時間[7]。其次，MAP根據約定的掛起SAP數量等信息向SAP發送MTS請求觸發幀，請求干擾信息。再次，根據干擾管理流程，SAP向MAP返回一個包含相關信息的AP Info Report幀。需要注意的是，AP上報的信息是歷史信息。最后，MAP根據相關信息進行周期性干擾管理，發送多STA Block Ack幀的MTS報告，并通知相關 SAP 處理結果。MTS Request Trigger幀結構如圖2所示。

圖 2 MTS Request Trigger幀結構

將MTS Request Trigger設置為新的觸發器幀，并按照流程修改原觸發器的Common Info和User Info字段。Common Info字段包含1個 1 Byte的信息空間，并添加了1個IM Mode子字段，以指示當前的干擾處理模式。在User Info字段中添加1個1 Byte的信息空間和SAPID子字段，以指定對應的SAPID。

SAP用來上報測量信息的AP Info Report幀結構如圖3所示。

圖 3 AP Info Report幀結構

圖中 Length 字段表示 AP Info Report幀的長度；TX Power字段表示SAP測量中使用的發射功率；BW字段表示 SAP的可用帶寬；BSS Color Information字段顯示當前AP的BSS Color信息；Location字段表示SAP的定位輔助信息；History Flag字段表示當前幀的歷史信息；STA Info Flag字段表示當前幀是否包含STA訪問SAP的信息；History Report字段包括但不限于平均吞吐量、延遲以及通過最新管理統計數據獲得的其他信息。

4 方案仿真分析

對典型的暴露終端場景和高密度802.11ax部署場景進行建模，如圖4、圖5所示。

圖4 典型暴露終端場景

圖5 高密度802.11ax部署場景

典型暴露終端場景中，2個接入點中的每一個都以完全緩沖的服務模型與相關STA站點進行DL傳輸。典型的高密度802.11ax部署場景中，每個接入點關聯5個STA。同樣地，AP以全緩沖服務模式向關聯STA發送下行鏈路數據，具體仿真參數如表1所示。

表1 具體仿真參數

在公共終端場景中，如果使用傳統的CSMA/CA協議，只有AP0和AP1可以同時接入信道進行傳輸。采用提出的干擾管理方案后，該場景的無線通信網絡性能得到很大的提升，原因是所提方案可以有效識別不安全的終端并允許AP0和AP1并行傳輸。在密集部署場景中，每個接入點必須與至少2個相鄰接入點共享信道接入能力，網絡干擾信號增加，性能大大降低。相較于CSMA/CA協議，所提出的干擾控制方案可以有效解決終端暴露帶來的干擾問題，在高密部署場景下可以有效提高系統通信效率。

5 結 論

綜上所述，在對密集用戶場景下的干擾問題進行分析后，發現傳統IEEE 802.11標準存在效率低下的問題。通過定制中心控制的擴展幀，設計基于控制器來管理用戶分配、通話時間、信道分配以及傳輸功率控制的干擾管理方案。該方案可以聯合AP資源對網絡干擾進行優化，在密集場景中具有一定的有效性。