分布式天线系统中PCF MAC协议的重传性能优化*

陈玓玏，黄圣春，魏急波

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073)



分布式天线系统中PCF MAC协议的重传性能优化*

陈玓玏**，黄圣春，魏急波

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073)

为应对分布式天线系统在高用户密度场景下冲突严重的问题，研究了分布式天线系统结构中应用IEEE 802.11点协调机制(PCF)的媒体接入效率，分析了在保持信标帧中参数CFPMaxDuration(Contention Free Period Max Duration)与CFPPeriod(Contention Free Period Period)比例的前提下平均重传次数与CFPPeriod的关系。分析了CFPPeriod的变化对节点(STA)间公平性及网络流量密度的影响，考虑从改善重传性能的角度调节信标帧间隔CFPPeriod，并使用OPNET平台进行仿真分析，验证了在保持参数CFPMaxDuration与CFPPeriod比例的条件下平均重传次数随CFPPeriod的增大先减小后增大的结论。仿真结果表明，当固定CFPMaxDuration/CFPPeriod为0.5时，在0.02～0.04 s之间选取CFPPeriod既能保证节点间公平性，也能减少在竞争阶段(CP)发送数据的节点数目，从而有效降低重传次数。

分布式天线系统；点协调机制；MAC协议；重传性能优化

1　引　言

大规模分布式天线系统(Large-scale Distributed Antenna System，LDAS)是通过光载无线等低损耗光纤链路将地理上分散的远程天线单元(Remote Antenna Unite，RAU)连接到中心处理单元(Central Process Element，CPE)进行信号集中处理的网络架构，它是5G通信的重要技术之一。LDAS使用中心处理单元CPE实现对无线资源的集中管理，通过分布式RAU能够有效地覆盖大面积高用户密度的场景，相比传统网络结构具有更高的频谱效率及能量效率[1]。

分布式天线系统既能获得集中式多天线系统的分集/复用增益，也能获得宏空间分集增益。当使用IEEE 802.11协议并把不同地理位置的RAU看作不同接入点(Access Point，AP)的天线独立处理时，随着RAU数量的增多不同RAU重叠覆盖区域的同频干扰问题将加剧。文献[2]在多CPE场景下通过类似传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)拥塞控制方法来减小各CPE间的冲突。文献[3]通过预编码及波束成形等物理层处理手段来解决多天线CPE间相互冲突的问题。文献[4]认为基于点协调机制(Point Coordination Function，PCF)的IEEE 802.11协议能够很好地解决室内场景的覆盖问题并就网络中存在多个AP同时通信的情况给出在每个周期的信标帧发送之前进行随机退避的解决方案。文献[5]采用不同于文献[4]的思路，提出通过建立由信干噪比指标确定的互不干扰的邻居节点列表来获得更大吞吐量的空间复用媒体接入控制协议。以上多AP间通信干扰的问题都基于无线局域网应用场景进行讨论，且方案复杂，而现有的基于 DAS的MAC协议多是分析光纤引入的额外传输时延对 DAS吞吐量增长的限制。文献[6]指出在光载无线DAS网络中应用分布式协调机制(Distributed Coordination Function，DCF)时吞吐量受到光纤长度的限制，并给出了使用默认的超时值而不造成吞吐量骤降的最大光纤长度值，并指出增大超时值能够增大对引入光纤长度的容忍度。文献[6]仅对由超时机制导致的吞吐量骤降现象进行了理论及仿真验证，而文献[7]则利用以太网设备及无线网卡搭建实际的测试平台对该现象进行了实验验证。文献[8] 将PCF机制应用于DAS，认为PCF比DCF的吞吐量性能要好，并且PCF的优势在光纤长度短的情况下体现更加明显。为此本文通过集中控制单元调整IEEE 802.11PCF的参数来优化组网性能。

现有的研究仅仅局限于讨论DAS系统引入的额外时延对吞吐量的影响，而本文在现有研究基础上进一步利用中心控制节点精确控制每个RAU上的PCF传输参数CFPPeriod和CFPMaxDuration，达到了进一步提升组网性能的效果。

2　DAS系统模型

分布式天线系统结构如图1所示，包括CPE、远程天线单元以及低损耗光纤链路。RAU仅完成无线射频信号的收发，并将射频信号直接通过光电转换变为光信号通过光纤链路传递到CPE，由CPE进行集中式的信号及协议层的处理。

图1　DAS网络结构

图2为本文使用的IEEE 802.11PCF媒体接入机制下的时间使用结构，由无竞争周期(Contention Free Period,CFP)和竞争周期交替出现构成[9]。其中的两个关键参数是CFPPeriod和CFPMaxDuration。CFPPeriod是指前后两个CFP起始点之间的时间间隔长度，包括Beacon、CFP和CP三个阶段的时间之和。CFPMaxDuration是指CFP阶段的最大时间长度，如果在CFPMaxDuration时间内CPE还没有完成用户节点数据的轮询传输，则终止CFP轮询进入CP阶段。

图2　PCF工作机制

PCF模式下的每个周期从发送信标帧(Beacon)开始，用户节点收到Beacon帧之后更新网络分配矢量(Network Allocation Vector，NAV)为CFPMaxDuration，CPE获得信道的控制权。在随后的CFP阶段CPE依次轮询各用户节点进行数据的收发，用户节点仅在接收到CPE轮询时可占用信道发送数据，否则保持静默。CFP阶段以CPE发送CF-END帧结束，随后进入CP阶段。在CP阶段所有的用户节点平等的竞争接入信道，并且只有用户节点发送数据包而CPE不发送数据。

在通信过程中，STA在CFP阶段的实际运行过程会因为CPE采用的轮询方式的不同而有所不同。我们所采用的轮询算法是如图3所示的自适应Round-Robin的轮询，考虑CPE不需要进行数据转发的情况。CPE在CP阶段接收到数据包后直接将数据包发往高层进行处理，如图3中CP阶段的D1、D2及D3，此时网络中传递的包类型为DATA及ACK。在CFP阶段CPE将按照基本服务集(Basic Service Set，BSS)中STA的MAC地址从小到大依次进行轮询，对每个STA的轮询次数不限制为一次，而是由CPE发送给该STA的数据个数及被轮询过程中STA的发送需求共同决定。在轮询过程中，CPE根据上一次轮询中STA回应帧类型及自身是否有数据需要发送来确定所发送的轮询帧类型，可能的轮询帧的类型分别为Data+CF-Poll、Data+CF-Ack+CF-Poll、CF-Poll以及CF-Ack+CF-Poll，而STA根据接收到的轮询帧类型及自身的数据发送需求回应给CPE Data、Data+CF-Ack、Null Function及CF-Ack帧。在此情况下，CFP阶段的实际长度将不由我们所设置的CFPMaxDuration值确定，而是根据STA数目以及CFPPeriod中的CP长度自适应变化。为了便于分析，本文只考虑STA数目较多的情况，保证CFP阶段的实际长度能够达到我们所设置的CFPMaxDuration值。

图3　CFP阶段与CP阶段工作机制

3　改变CFPPeriod的影响

对于STA多、冲突大的DAS场景，采用较小的CFPPeriod能够获得较好的重传性能，但并非越小越好。维持适中的CFPMaxDuration与CFPPeriod的相对长度而不考虑CFP相对长度的影响，网络中的重传将随着CFPPeriod的增大先减小后增大，先减小是由于节点间公平性的增强而后增大是由于网络实际业务分布密度的调整，更多节点加入到CP阶段的发送数据过程。

在CFPPeriod变化的过程中，重传次数存在两个处于较高水平的阶段，分别是CFPPeriod很小及CFPPeriod很大的阶段。在CFPPeriod很小的阶段主要考虑节点间公平性差造成的影响。根据轮询算法的特点，每一次的轮询都忽略上次轮询终止结点的影响直接从MAC地址较小的STA开始，较小的CFPPeriod不能保证STA数目较多的网络中所有STA都能获得轮询机会，节点间公平性差。单次轮询中得不到轮询机会的STA总是在CP阶段发送数据，CP阶段网络中同时存在两个以上节点有数据发送需求的几率增大。

在CFPPeriod很大的阶段主要考虑CFP参数的变化间接影响了网络中业务流量密度的分布。当CFPPeriod及CFPMaxDuration较大时，随着CFPPeriod与CFPMaxDuration增加，同一个CFPPeriod内CPE可轮询的STA数目增多从而改善了STA之间的公平性。在CFP阶段，除CPE及CPE正在轮询的STA外，所有其余的STA都在虚拟载波侦听的控制下保持静默状态。MAC地址较小的STA在CFP阶段总能优先获得轮询的机会，则在CFPPeriod及CFPMaxDuration同步增大的过程中MAC地址较小的STA将在被轮询过后保持静默的时间也会增长。此静默阶段将积累的数据包数量增加，而这些数据包将在紧邻的CP阶段发送，使得CP阶段内网络中有数据包发送需求的STA数目增多，网络中存在两个及以上STA同时发送数据的概率增大。

以上两种情况都可能使得更多的节点在CP阶段产生密集的发送需求。根据802.11标准可知，存在两个BSS同时工作的网络处于CFP阶段时，最多存在两个BSS中的两个STA/CPE或一个STA及一个CPE同时发送数据，而在CP阶段除CPE外的所有STA均可平等竞争信道。这意味着以上两种情况下，网络中将出现较大的重传，即平均重传次数将随CFPPeriod的增大先减小后增大。当CFPPeriod及CFPMaxDuration/ CFPPeriod较为合理时，兼顾节点公平性及流量密度分布，能够获得较好的网络重传性能。

4　性能评估

4.1仿真设置

场景设置如图4所示，两个天线单元通过光纤连接到CPE，STA通过无线链路连接到远程天线单元，两个RAU距离CPE均为4 km，STA距离远程天线单元不超过400 m，网络为全联通网络。所有无线收发机的物理层传输速率为2 Mb/s。数据包产生间隔是以0.01 s为均值的指数分布，产生的数据包大小为以92 B为均值的指数分布。具体仿真参数设置如表1所示，仿真中两个BSS的参数设置一致且两个BSS始终保持全同步。仿真的PCF机制中采用自适应Round-Robin轮询算法，仅选取网络总STA数目在18及以上的场景进行讨论，保证CFP实际长度与设置的CFPMaxDuration值始终一致从而去除CFPMaxDuration自适应的影响。

图4　DAS仿真场景设置

仿真参数数值数据包产生间隔数据包大小数据传输速率/(Mb·s-1)发送功率/W接收功率门限/W短包重传限制长包重传限制最大轮询失败次数均值0.01s的指数分布均值92B指数分布20.0052.858×10-13742

4.2仿真结果分析

图5给出了选取不同的CFPPeriod值的情况下，进入CP阶段时网络中有数据包需要发送的节点的数目。在CFPPeriod变化到0.02 s之前，有数据包发送需求的节点数目呈下降趋势，在0.02 s处达到最低值，并在0.02 s后缓慢上升。而CP阶段参与竞争的节点越多将使得网络中冲突越严重，即导致了图6中CP阶段产生严重冲突的结果，也符合正文中对节点间公平性及流量密度变化的分析结果。

图5　进入CP阶段时有包发送的节点个数

图6表示了图5中参与竞争的节点数目变化所引发的结果，较低的3条线及较高的3条线分别表示CFP阶段及CP阶段的平均重传次数。由图6可知在CFPPeriod小于0.02 s时，由节点间不公平性引起的冲突也影响到了CFP阶段的发送，故在CFPPeriod变大的起始阶段CFP阶段的重传逐渐减小并趋于平稳；而CP阶段重传的变化趋势与图5中3条线的变化趋势一致，仅仅是CP阶段的平均重传次数值略小于图7中网络在整个仿真周期内的平均重传次数，这与之前对网络重传的变化趋势主要由CFPPeriod变化对CP阶段的影响造成重传增大的分析是一致的。

图6　CFP阶段及CP阶段重传随CFPPeriod的变化

图7给出了固定CFP相对长度为0.5并同步增大CFPPeriod与CFPMaxDuration时BSS0的每秒重传包数的变化情况。由于两个BSS全同步，统计其中一个BSS的性能即可得到整个网络的变化趋势，故此处只对一个BSS的重传参数进行了统计。从图7中我们可以看出：

其一，在全网存在18、20及22个STA的场景中，当CFPPeriod与CFPMaxDuration同步增大时3个场景的平均重传次数均呈现先下降后上升趋势，正如在第三部分所分析的，CFPPeriod的增大使得STA间公平性增强，减少了在CFP阶段得不到轮询机会而在CP阶段加剧网络重传的STA数目，使重传在CFPPeriod为0.005～0.02 s得到改善，继续增大CFPPeriod开启了流量密度的变化过程，静默时间的增加导致加入CP阶段竞争的节点数目增多，使重传在0.04～0.18 s迅速增大；

其二，当网络中的节点数目增加时，网络中重传也随之加重；

其三，由节点间不公平性造成的重传增加比流量密度变化引起的重传增加更为严重，如CFPPeriod从0.005 s变化到0.02 s的过程中，重传急剧下降，而CFPPeriod从0.02 s变化到0.18 s的过程中，重传的增加较为缓慢。

图7　同步改变CFPPeriod与CFPMaxDuration的影响

综上可知，在相对长度为0.5的情况下，较大的CFPPeriod，即CFPPeriod为0.06 ～0.18 s时，网络具备更好的STA公平性，但非平稳流量密度将加剧重传；而较小的CFPPeriod，即CFPPeriod为0.005～0.015 s时，网络能够获得更平稳的流量密度，却因节点间公平性差而加剧重传，故CFPPeriod的选取实际就是同时保证STA公平性及均匀的流量密度分布。当CFPMaxDuration/CFPPeriod为0.5时，在0.02～0.04 s选取CFPPeriod能够获得好的节点间公平性，并避免流量集中到CP阶段发送。

5　结　论

本文从调节信标帧参数的角度出发，区别于以往在DAS中使用竞争类MAC协议的做法及传统无线局域网中使用调整信标帧间隔以减小功耗的思考角度，使用了调度的PCF协议，并从改善网络重传的角度来考虑调节信标帧间隔CFPPeriod所能达到的效果。研究结果表明：同步增大CFPPeriod与CFPMaxDuration且固定两者的相对长度，重传将会先随节点间公平性改善而改善并随后因流量密度的调整而增大；选取较小的可满足较多节点发送的CFPPeriod并选取能够保证节点间公平性的CFPMaxDuration/CFPPeriod能够获得好的节点间公平性，并避免流量集中到CP阶段发送，得到较好的重传性能，从而有效地减少由重传引起的资源浪费。

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陈玓玏(1993—)，女，湖南益阳人，2014年于电子科技大学获工学学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为网络协议；

CHEN Dile was born in Yiyang,Hunan Province,in 1993. She received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2014.She is now a graduate student. Her research concerns network protocols.

Email:cdllp1993@sina.com

黄圣春(1982—)，男，湖北宜昌人，2012年于国防科学技术大学获工学博士学位，现为讲师，主要研究方向为网络协议；

HUANG Shengchun was born in Yichang,Hubei Province,in 1982. He received the Ph.D.degree from National University of Defense Technology in 2012.He is now a lecturer. His research concerns network protocols.

魏急波(1967—),男，湖北汉川人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为通信信号处理与通信网络。

WEI Jibo was born in Hanchuan,Hubei Province,in 1967. He is now a professor with the Ph.D. degree and also the Ph.D. supervisor. His research concerns communication signal processing and communication network.

The National Natural Science Foundation of China(No.61401492)

Retransmission Performance Enhancement of PCF MAC Protocol in Distributed Antenna System

CHEN Dile,HUANG Shengchun,WEI Jibo

(School of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

To solve the serious collision under high user density conditions,this paper studies the performance of IEEE 802.11 Point Coordination Function(PCF) when applied to the distributed antenna system. The relation between the retransmission times and the parameter CFPPeriod(Contention Free Period Period) of Beacon frame is analyzed while the ratio of CFPMaxDuration(Contention Free Period Max Duration) to CFPPeriod is kept constant.Considering from the aspect of adjusting Beacon interval to improve retransmission performance,how the parameter CFPPeriod influences the fairness among stations and the traffic density of network is also analyzed.The OPNET simulation results validate the result that as CFPPeriod keeps increasing,the transmission time increases first then starts to drop,when the ratio of CFPMaxDuration to CFPPeriod is kept constant. The result indicates that when CFPMaxDuration/CFPPeriod is 0.5,choosing the parameter CFPPeriod among 0.02～0.04 s can ensure the fairness among STA(Station)and reduce the number of STA which is about to access the channel at the beginning of Contention Period(CP),so that transmission times can be reduced effectively. Key words：distributed antenna system；PCF mechanism；MAC protocol；retransmission performance enhancement

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.015

2016-01-19；

2016-05-11Received date:2016-01-19；Revised date：2016-05-11

国家自然科学基金资助项目(61401492)

TN915.04;TP393.04

A

1001-893X(2016)10-1147-06

引用格式：陈玓玏，黄圣春，魏急波.分布式天线系统中PCF MAC协议的重传性能优化[J].电讯技术，2016,56(10):1147-1152.[CHEN Dile,HUANG Shengchun,WEI Jibo.Retransmission performance enhancement of PCF MAC protocol in distributed antenna system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1147-1152.]

**通信作者：cdllp1993@sina.comCorresponding author：cdllp1993@sina.com