可自适应选择接入机制的无线局域网研究设计

高笛烟，黄泽豪

（福州大学 梅努斯国际工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

随着移动通信技术的飞速发展，人们期望更便捷地接入互联网，从而获得更多的信息和服务。通信行业研究人员希望解决传统的有线局域网在地理位置和连接方式等方面的局限性，为用户提供更好的服务［1］。在此背景下，无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）应运而生。无线局域网主要由四种主要的实体元件组成，即接入点（Access Point，AP）、工作站（Station，STA）、无线媒介（Wireless Medium）以及分布式系统（Distribution System，DS）。在基础型网络结构中，用户之间的数据传输必须通过AP 转发，彼此之间无法直接通信。虽然会占用较多资源，但可以有效提升网络的灵活性和易管控性。随着移动互联网时代的到来，信息、社交、娱乐等应用也出现了爆炸式的增长，大量的图像、音频、视频等多媒体信息都要通过无线局域网进行传输，这对现有的无线带宽资源造成了前所未有的挑战［2］。

在采用IEEE802.11 标准的WLAN 中，各站点之间的信道资源共享方式、站点发送/接收的时间等都取决于介质访问控制（Media Access Control，MAC）层的访问机制。因此，MAC 层的访问效率直接关系到整个无线网络的整体性能［3］。本文主要针对可自适应选择接入机制的无线局域网展开设计与研究，以改善网络在高密度情况下的吞吐量，从而实现更好的服务品质。

1 可自适应选择接入机制的无线局域网设计

1.1 无线局域网业务分类

当前，无线局域网中的业务根据其重要性可以分成话音、视频、尽力而为以及背景类这四种。其中，话音业务具有一定的业务流，具有低的服务速度，但是存在巨大的延迟和延迟抖动［4］。由于网络带宽要求高，因此，一般的视频业务都有很好的缓冲区，相对于话音业务，所能容许的时延和时延抖动更大。尽力而为和背景类业务对于网络的表现需求不高，但当有足够的资源时，为了保障其他业务的服务品质，应该将多余的资源分配给尽力而为和背景类业务，以提高整体的吞吐量［5］。

以上四种无线控制器（Access Controller，AC）业务对服务质量的要求各不相同。如果四种AC 业务都从全部资源单元（Resource Units，RU）中随机选取一个RU 进行传输，那么不同的AC 业务就会在同一RU 内发生冲突。AP 在统计访问结果时，仅能估算出全部AC 接入的STA 总数，不能知道每个AC 对应的STA 数目，因此不能精确地分配RU和调节它们的接入概率［6］。本课题将RU 分为RU_VO，RU_VI，RU_BE 及RU_BK 四种类型，分别对应于AC_VO，AC_VI，AC_BE 及AC_BK。也就是说，每个AC 的通信服务仅能通过它相应的RU 进行数据传输。AP 可以根据每一种RU 的接入状况来估算相应的AC 的STA 数目，由此调节RU 的分布和AC 传输的概率［AC］，以便迅速、精确地分配资源，从而保证服务质量［7］。

1.2 可自适应选择接入机制的传输流程

为了更好地利用WLAN 多信道传输的特性，保证其上行接入的质量，提高系统的资源利用率，保证用户接入的公平性，本课题设计了无线局域网的可自适应选择接入机制，具体传输流程［8］如图1 所示，主要包括4 个步骤，分别介绍如下。

图1 可自适应选择接入机制的传输流程

1.2.1 步骤1

AP 在退避结束之后，传送一个触发帧，以接入信道，并触发一个上行接入流程。假设这一次是一个上行访问。AP 所传送的触发帧中包括了RU 所分配的情形和每一种AC 的传输概率τ［AC］，假设在这一时刻，AP 所拥有的RU 总数是Mi，所有这些都将进行随机接入。当Mi＜4 时，AP 不能为每个AC 指定特定的RU，因为RU 的总数太小，所以这个传输过程使用了一个区别优先权的UORA机制［9］。当Mi≥4 时，可以为每个类型的AC 指定专门的RU，具体可以分成两个不同的情形。

（1）在该上行接入是在系统开始之后的首个上行接入或第i-1 次上行接入时，系统的RU 总数Mi-1＜4。因为不能获得每一个AC 中的STA 数量信息，所以AP 尽量将RU 平均分配给每一个AC。也就是给每个AC 分配［Mi/4］个RU，剩下的RU 分配给AC_VO。每个类型AC 的传输概率τ［AC］都是1。AP 利用触发帧将每个AC 的RU 分配结果和τ［AC］发送至所有STA［10］。

（2）当Mi-1≥4 时，也就是在步骤3 中获得1［AC］和Mi-1［AC］。［AC］表示的是AP 对所保留的AC 每一次访问STA 数目的估算，它的初始值都是0。AP利用和Mi-1［AC］更新。设Mleft为Mi个RU 中暂时末被分配的RU 数量，Mleft的初始值为Mleft=Mi。AP 首先给每一个AC 指定一个RU，以确保每一个AC 至少有一个RU，则Mleft=Mi-4［11］。

1.2.2 步骤2

STA 在收到触发帧之后且它具有要发送的上行业务时，也有两种不同的情形。

（1）如果AP 将特定RU 指派给该业务的AC，则STA 首先使用均匀分布从［0，1］中随机选择一个随机数字.如果该随机数字大于τi［AC］，STA就不执行上行接入。当它小于或等于τi［AC］时，STA 从其指定的RU 中随意选取一个RU，在SIFS时隙之后，在所选择的RU 中进行上行通信［12］。

（2）如果AP 没有将特定RU 指派给该业务的AC，也就是总RUMi＜4 的情况下，STA 利用UORA 机制进行上行接入，该机制有差别的优先级。

1.2.3 步骤3

AP 收到上行业务数据，按照Mi不同的大小分别进行处理。

（1）在Mi≥4 的时候，RU 被分成了每个AC 各自专有的RU。AP 分别计算每个AC 特定类 型RU 的总数Mi［AC］，成功传送STA 的数量nsi［AC］，RU 冲突的次数mci［AC］［13］。AP根据所取得的RU 统计值估算每个AC 的STA 数［AC］进行估计：

若mci［AC］=0 且nsi［AC］=0，取［AC］=0；

若mci［AC］不等于Mi［AC］，也就是AC的所有RU 并未发生冲突时，就用似然法求出L(M,ns,mc;n)=Ps(M,n,ns,mc)，并取搜索范围为从nsi［AC］+2mci［AC］至nsi［AC］+7mci［AC］，计算出使L(M,ns,mc;n)最大的值作为［AC］；

若mci［AC］等 于mi［AC］，则表示AC 的所有RU 都会产生冲突，所以不能用似然函数L(M,ns,mc;n)来估算它的使用者数目，因此把［AC］设为-1，表示它的规模是不确定的，不能估算它的用户数。

（2）在Mi＜4 的情况下，所有的STA 都使用了UORA 的区别优先权机制，此时，AP 按照UORA 的优先权来处理。

1.2.4 步骤4

AP 在SIFS 时隙之后，传送一个多使用者回应帧，以确认已成功收到数据包。AP 在下一个上行接入期间再次回到步骤1［15］。

2 可自适应选择接入机制的无线局域网仿真分析

2.1 仿真流程

本课题通过MATLAB 软件进行可自适应选择接入机制的无线局域网的仿真分析，仿真具体过程如图2 所示。仿真过程中，总RU 数目M≥4 且不改变，各STA 始终在服务等待传输的状态下，业务大小都是相同的，也就是说，系统是饱和的。设置每个STA 仅传送一种AC 业务，即STA 就是该AC业务的一部分。

图2 可自适应选择接入机制仿真流程

2.2 仿真结果分析

RU 组态策略在可自适应选择接入机制的无线局域网，可以调整多个AC 的优先权，并且在相同的RU 数量下，其性能也基本一致。本文通过仿真试验，证明采用可自适应选择接入机制的无线局域网是可行的，只有一个AC 提供STA 传送业务。

在仿真过程时，通过RU 的平均使用率来间接地体现出系统的平均吞吐量。设置10 个RU，UORA 的OCWmin=7。在可自适应选择接入机制中，仅设置具有10 个RU 的AC_VO 业务，也就是M［AC］=10。图3 表示RU 在UORA 机制中OCWmax等于31，63 和127 以及使用可自适应选择接入机制的情况下，RU 的平均使用率对比。图3 所示的绿点为RU 的最大平均利用率，其中M是10。

图3 UORA 机制与可自适应选择接入机制单AC 的RU 的平均利用率对比

从图3 可以看出，当STA 数量小于10 时，由于可自适应选择接入机制下STA 的发送概率为1，因此，相比于OCWmax的UORA 机制，当STA 数量相同时，RU 的平均使用率高于UORA 机制。当STA 数为9 时，RU 的平均使用率最大值出现于可自适应选择接入机制下。随着STA 数量的不断增长，可自适应选择接入机制接入STA 的数量超过M-1=9，因此需要调整接入概率来限制STA的访问。在传输概率τ［AC］＜1 的情况下，RU 平均使用率要稍低于η_max·(M［AC］/M)。由于仿真中设定M［AC］=M，所以在图3 中，在STA 数量超过9 时，RU 平均使用率略低于理论最高值η_max。UORA 机制在STA 数目不多的情况下，其RU 的平均使用率较大，而在STA 数目较多时，其平均使用率降低的幅度更大。而当OCWmax较大时，在STA 数目很少的情况下，其平均使用率很低。采用可自适应选择接入机制，可以将平均使用率控制在最大的区间，从而提高系统的运行效率，并通过发送概率来调整STA 接入，以确保用户的公平性。

之后，RU 的总数量被设定为M=20，AC_VO，AC_VI，AC_BE 仅有一个STA，对AC_BK RU 的RU和AC_BK 的STA 数目进行模拟和分析。在UORA的优先指派中，当优先级高、优先度低的服务数量不多时，不能合理地分配优先级低的业务，从而导致资源的浪费。在可自适应选择接入机制中，AP 按照每个AC 的STA 数量来指定RU，从而使AP 能够按照真实业务负载适当的为所需业务指派RU。

当AC_BK STA 的数量变化时，图4 中标注的线为AC_VO，AC_VI，AC_BE 的RU 平均值的变化。可见，AC_BK 在三种较高级别的AC 中的平均利用率没有明显的差异。因为三个AC 的STA 都是1，AP 在估算3 个AC 的STA 后，仅有1 个RU 被指定，因此，每个AC 的RU 都是1/20=0.05。紫色实线是AC_BK RU 的平均使用曲线，其中AP 最初将5个RU 指派给每个AC。由于AC_BK 的估算STA 数目增加，AP 向AC_BK 分配了步骤1 中的过剩RU，由此最有可能进行传输，并最大限度地利用RU。在图4 中，如果AC_BK 的STA 数目大于17，RU 的平均利用率低于由绿色虚线部分代表的17 个RU 时，由于AP 的发送概率受到了约束，模拟结果显示，可自适应选择接入机制可以更有效地利用RU。

图4 M=20 时AC_BK 的RU 的平均利用率与其STA 数量的关系

3 结语

自适应算法能够根据无线网络的状况，有效地在无线局域网中选择最优的传输速率，从而提高系统的吞吐能力。本课题进行了可自适应选择接入机制的无线局域网设计，并对其进行了仿真分析，验证了可自适应选择接入机制在理论以及实际方面的性能。结果表明，可自适应选择接入机制可以有效提高RU 资源利用效率，可以为不同类型的业务提供优良的服务，提高总体服务质量。