下一代WLAN中一种空间聚集群组的OFDMA接入协议

李勇, 李波, 杨懋, 闫中江, 屈桥

(西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 710072)

无线局域网(wireless local area network,WLAN)是无线网络业务最主要的承载方式之一[1]， 通过Wi-Fi或家庭微基站传输的业务已占据无线网络业务的51%[1]。然而，现有的基于载波侦听冲突避免的媒体接入控制(media access control，MAC)协议在同一时刻只能由一个节点(station，STA)实现上行传输，不但限制MAC效率，而且在高密集场景[2-3]下将严重制约区域吞吐量(单位时间、单位面积内网络中所有节点发送的数据量)。因此，2014年下一代WLAN(IEEE 802.11ax)工作组正式成立，将显著提升区域吞吐量和MAC效率作为主要技术目标之一[2-3]。

多个节点并行接入是提升MAC效率的重要方式之一。其中，正交频分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技术已经得到学术界和产业界广泛的重视[2-10]。OFDMA技术将频域信道分成若干个正交的窄带子信道，使得多个STA可以在不同的子信道上同时并行接入与传输。OFDMA可以带来多节点并行接入增益(多节点同时接入信道)与多节点分集增益(节点在信道状态好的子信道上传输)，从而提升MAC效率。 目前，OFDMA技术已经被下一代无线局域网标准草案所接纳[8]。近年来已有若干基于OFDMA的下一代WLAN多址接入协议。其中，IEEE 802.11ax草案[8]提出基于触发帧(trigger frame，TF)的OFDMA协议，接入点(access point，AP)发送TF，STA收到TF后执行退避过程，退避完成后以OFDMA方式随机选择一个子信道发送请求(request to send，RTS)帧，接入与数据传输均采用OFDMA方式。文献[6]提出一种基于OFDMA的多址接入协议(OMAX)，STA的退避过程和传统WLAN MAC保持一致。退避完成后，STA随机选择一个子信道发送RTS帧。接入与数据传输均采用OFDMA。文献[7]根据传播延迟不同而将STA分成不同组，并针对上行传输提出一种基于AP中心调度的OFDMA MAC协议。然而，现有基于OFDMA的WLAN MAC协议存在一个共性问题：位于各个位置的STA同时接入和传输数据，从而引发发送端干扰范围扩散，制约区域吞吐量的提升，而且网络部署越密集，影响越大。

针对已有研究中采用OFDMA接入存在的干扰扩散问题，本文提出一种基于空间聚集群组的OFDMA多址接入协议(spatial clustering group based OFDMA，SCG-OFDMA)。SCG-OFDMA核心思想是：有数据发送的STA竞争到信道资源后，触发其周围同样有数据发送的STA，并与之形成空间聚集群组(spatial clustering group，SCG)，空间聚集群组内的节点采用OFDMA的方式并行接入与传输。SCG不需预先设定，在节点竞争接入过程中，根据接入条件实时动态地产生。

1 SCG-OFDMA协议

1.1 网络场景

SCG-OFDMA工作在节点高密集部署场景[3]的下一代WLAN[8]。SCG动态地产生，不需预先设定，见图1，虚线圆内表示某一个SCG的范围。

图1 高密集网络场景模型

1.2 SCG-OFDMA协议描述

SCG-OFDMA协议的工作流程分为竞争信道阶段与SCG并行接入与传输阶段，见图2。其中，请求多址接入帧(request to multiple，RTM)RTM-x与RTS-x的x为STA号，即STA x发送的RTM帧或RTS帧。

图2 SCG-OFDMA协议时序示意

竞争信道阶段。需要发送上行数据的STA侦听全信道忙闲状态，并采用IEEE 802.11 n协议规定的退避方式进行退避。完成退避后，STA随机选择一个子信道发送RTM帧。图2中STA1、STA10分别在子信道1、子信道2上发送RTM帧；成功接入的STA称为簇首，图2中，STA1与STA10为簇首。 STA30、STA40同时在子信道3上发送RTM帧，导致STA30与STA40发送的RTM帧产生碰撞。AP收到RTM1与RTM10后，记录簇首地址与小区标识等信息，后续分别调度SCG并行接入与传输。

SCG并行接入阶段。由于竞争信道阶段可能产生多个簇首，因此，SCG并行接入阶段可能有多个不同的SCG分别接入，由AP分别调度簇首。AP调度一个SCG的时序包含以下五个子阶段。

1) 触发SCG子阶段：AP在全信道上发送schedule帧，收到schedule帧的节点，在短帧间隔(short inter frame space，SIFS)后，在全信道上回复neighbor-trigger帧。图2中，在SCG1并行接入阶段，簇首为STA1。STA1收到schedule帧后，则在SIFS后在全信道上回复neighbor-trigger-1，以触发SCG1内的STA随机接入。其中，schedule帧包含被调度的簇首地址，AP端信道状况测量信息。neighbor-trigger帧包含小区标识号与接收功率门限值，簇首端信道状况测量的反馈信息，用来指示SCG内STA同步与采用OFDMA技术接入。

2) SCG跟随子阶段：STA收到neighbor-trigger后，根据neighbor-trigger帧所含有的小区标识与接收功率门限值判断是否符合接入条件。即STA有上行数据发送、小区标识号与本小区标识号相等、接收neighbor-trigger帧的功率值大于等于接收功率门限值。若STA符合接入条件，则在SIFS后随机选择一个子信道发送RTS。否则，不接入。图2中，SCG1并行接入阶段的STA2、STA3与 STA4符合接入条件，随机选择子信道1、2与3，发送RTS-2、RTS-3 与RTS-4。

3) SCG调度子阶段：AP收到neighbor-trigger，等待点协调帧间隔(PCF inter frame space，PIFS)时长。在PIFS时长之内，若AP收到RTS，则在SIFS后回复清除发送帧(clear to send，CTS)，调度STA发送上行数据；如果AP未收到RTS，则本次形成SCG失败，AP在PIFS后，回复CTS调度簇首发送数据。其中，CTS含有STA在某个子信道上传输数据、使用某个速率以及编码方式等技术参数。

4) 传输子阶段：STA收到CTS后，根据其携带的调度信息，发送上行数据。图2中，SCG1并行接入阶段的STA1、STA2、STA3与 STA4被调度，分别在子信道1,2,3与4上发送上行数据DATA-1、DATA-2、DATA-3与 DATA-4。

5) 反馈子阶段：AP收到上行数据后，回复确认与调度(block ACK，BA & schedule)聚合帧。若SCG未调度完毕，则返回子阶段1)，进行SCG2并行接入阶段；否则，本次SCG接入与传输过程结束，返回竞争信道阶段。

SCG-OFDMA协议工作在网络模型中的MAC层。假设物理层采用的OFDMA技术与算法[7]可以抑制信道出现的频率选择性衰落与干扰，功率控制技术[11]可以制约SCG内节点之间的相互干扰。由于网络的覆盖面积与STA总数在节点设备入网关联阶段可以获得，根据本文中的理论分析，可以预先计算出最优SCG接入半径。通过节点发送DATA帧与AP发送BA & schedule帧的交互，可以校准与更新接收邻居触发帧的功率门限值与最优SCG接入半径对应列表，从而保证SCG-OFDMA正常工作。

设计控制帧。RTM结构见图3a)。使用预留帧的类型：type=01，subtype=0001；BSS ID指示发送该帧的STA所在小区标识。neighbor-trigger帧与RTM帧结构的不同之处是将目前的预留帧类型设置为subtype=0010，info.前半部分表示接收功率门限值，后半部分表示信道测量反馈信息。BA & schedule帧为确认与调度聚合帧，见图3b)。使用预留帧类型：type=01，subtype=0011；schedule域首位置1标识该帧为调度帧，剩余位为信道测量信息，BA Info.为AP对接收到的数据进行确认。schedule帧与BA & schedule帧结构的不同之处是将BA Info域置为0。

图3 RTM与BA & schedule帧结构

2 数学分析

2.1 最优接入半径推导

引理若系统中存在M个OFDMA子信道,网络中每一个节点随机接入任何一个子信道的概率为1/M,则同时接入的节点个数为M或者M-1时,平均成功接入网络节点数目达到最大值M/e,其中,e为自然数。

引理证明 假设WLAN中存在n个非AP节点。当前时隙每个节点独立选择一个子信道,并接入成功的概率为(1)式,则平均接入成功的节点个数为(2)式。对(2)式中的变量n进行求导数,并令导数为0,得到极大值点为(3)式：

(1)

(2)

(3)

对(3)式进行泰勒展开式,经分析可知,(3)式中nopt属于区间(M-1,M)。将n为M-1与M分别代入(2)式,可以得到2种情况下平均接入成功的节点个数分别为(4)式与(5)式,通过整理化简(4)式与(5)式,可知(4)式与(5)式等号右侧相等。工程应用中当M较大时,利用重要极限公式(6),由(5)式可推导出(7)式

(4)

(5)

(6)

(7)

即平均成功接入网络节点数目达到最大值,最大值为M/e,e为自然数。引理证毕。

定理若网络中接入节点的密度为d,OFDMA子信道数为M,则存在一个最优SCG接入半径r(即以簇首节点为圆心,r为半径的圆内的节点构成SCG),使得SCG平均成功接入网络的节点数最多,其表达式为(10)式。

证明假设WLAN覆盖面积为S,n个节点所在空间位置的投影点,均匀随机分布在面积为S的平面圆域内,则节点密度d为(8)式

d=n/S

(8)

由于SCG-OFDMA在同一时刻只有一个SCG内的节点接入网络,基于引理可知,则存在节点个数为M的最优SCG,假设其在平面上投影形成的圆域面积为Sr。则最优SCG接入半径r的表达式为(10)式

M=d·Sr=d·π·r2

(9)

(10)

式中,d为网络节点密度,M为系统OFDMA子信道个数,π为圆周率。定理证毕。

2.2 网络吞吐量分析

吞吐量定义:单位时间内网络中所有节点发送的数据量。假设WLAN中n个非AP节点一直有数据发送,系统有M个OFDMA子信道。发送RTM时碰撞的时长Tcol为(11)式

Tcol=M·TRTM+TDIFS

(11)

式中，TRTM为RTM传输时长,TDIFS为分布式帧间隔(distributed inter-frame space,DIFS)时长。i个簇首分别成功传输的总时长为(12)式,其中,TSIFS为SIFS时长,TCTS(4)为SCG聚合确认帧传输时长[6],TDATA(4)为SCG数据帧传输时长[6],同理,TBA&schedule为SCG聚合调度与确认帧传输时长

Tsuc(i)=TDIFS+M·TRTS+TCTS+i·

[TRTS+M·TRTS+TCTS(4)+

TDATA(4)+TBA&schedule]+(i·5+1)·TSIFS

(12)

i个STA在不同的OFDMA子信道上同时传输RTS成功的概率Psuc,信道空闲概率Pidle,信道空闲时长Tidle,发送RTS碰撞概率Pcol的分析均采用文献[6]的方式。根据定理,经过推导可得到,在饱和业务下的网络吞吐量为(13)式

(13)

式中,假设SCG为以最优接入半径画圆形成的最优SCG,SCG跟随子阶段中跟随接入节点数目达到最大。(13)式中的(M/e+1)为在SCG跟随子阶段中平均一次跟随接入成功的节点个数与簇首总和,即发送数据包的节点总数。E为传输的数据帧长度。

2.3 网络区域吞吐量分析

区域吞吐量定义:单位时间、单位面积内网络中所有节点发送的数据量,数值上等于吞吐量与发送端干扰区域的面积之比。发送端干扰区域定义:发送数据帧的节点载波侦听范围以为的区域。假设WLAN覆盖面积为S,n个节点所在空间位置的投影点,均匀随机分布在面积为S的平面上,以最优SCG接入半径r画圆的面积为Sr。根据吞吐量的分析,可推导出,区域吞吐量为(14)式

(14)

式中,d为WLAN中节点密度,M为系统中OFDMA子信道个数。

3 仿真验证

3.1 仿真设置

WLAN单小区面积为20 m×20 m，AP位于小区中间，所有非AP节点随机分布在小区中。采用网络仿真软件NS2仿真[12]。信道带宽为40 MHz，分为8个子信道，控制帧速率6 Mbit/s，PIFS时长25 μs。节点为饱和业务，节点载波侦听范围为50 m，其他参数与文献[6]一致，调度算法与文献[6]一致。由于IEEE 802.11ax首次引入OFDMA多用户接入技术[13-14]，基于OFDMA接入的SCG-OFDMA与OMAX协议有必要与DCF进行比较，以便验证OFDMA的性能。

3.2 吞吐量与传输速率的关系

本仿真节点数设置为100。通过图4看出，小区的吞吐量随着物理层传输数据速率的增加呈上升趋势。物理层传输数据速率为135 Mbit/s时，SCG-OFDMA的吞吐量分别高于OMAX 2.91%和DCF 40.94%。SCG-OFDMA的仿真曲线与理论分析曲线接近，验证理论分析的正确性。原因是物理层传输数据速率的提高减少传输数据占用的时间，单位时间内传输较多的数据量。

图4 吞吐量与物理层速率的关系

3.3 区域吞吐量与传输速率的关系

通过图5看出，小区的区域吞吐量随物理层传输数据速率的增加呈上升趋势。SCG-OFDMA的区域吞吐量仿真曲线与理论分析曲线接近，验证理论分析的正确性。物理层传输数据速率为135 Mbit/s时，SCG-OFDMA的区域吞吐量分别高于OMAX 15.98%和DCF 31.26%。主要原因是SCG-OFDMA使得同时传输的节点在空间上较为聚集，从而减少干扰扩散区域的面积，提升区域吞吐量。 而DCF未采用多节点OFDMA技术接入。

图5 区域吞吐量与物理层速率的关系

3.4 验证最优SCG接入半径

传输数据速率设为135 Mbit/s时，通过仿真给出SCG-OFDMA不同接入半径对吞吐量的影响。通过图6看出，SCG-OFDMA吞吐量随着跟随接入半径的变化出现一个极大值。理论分析最优SCG接入半径值与仿真值接近。当节点数为120时，理论最优SCG半径为3.09 m，对应的仿真最优SCG半径为3 m。当节点数为100时，理论最优SCG半径为3.38 m，对应的仿真最优SCG半径为3.3 m。当节点数为80时，理论最优SCG半径为3.78 m，对应的仿真最优SCG半径为3.6 m。当节点数为60时，理论最优SCG半径为4.37 m，对应的仿真最优SCG半径为4.5 m。本文推导出的定理所述最优SCG接入半径为SCG-OFDMA跟随接入半径的设置提供参考，从而保证协议具有较好的吞吐量与区域吞吐量。

图6 吞吐量与接入半径的关系

4 结 论

针对下一代WLAN的高密集场景特点与提升区域吞吐量的要求，本文提出的SCG-OFDMA，能够有效克服现有文献提出的OFDMA协议存在干扰扩散范围较大的问题。SCG-OFDMA分别与同样采用多用户OFDMA接入的OMAX协议和传统DCF协议进行了对比，通过理论分析与仿真验证，SCG-OFDMA在100个节点时，区域吞吐量与OMAX和DCF相比分别提升15.98%和31.26%，并且仿真结果与理论分析相吻合。