彭美平, 李波, 閆中江, 楊懋
(西北工業(yè)大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)
隨著移動智能終端的全面普及和物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IoT)的快速發(fā)展。提升高密集部署場景下的網(wǎng)絡系統(tǒng)性能將是未來無線網(wǎng)絡面臨的主要挑戰(zhàn)。當前,無線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)作為無線數(shù)據(jù)業(yè)務的主要承載方式,以其傳輸速率高、部署靈活以及低成本等特性,近年來得到了快速的發(fā)展。思科公司提供的分析報告指出:自2016年至2021年,全球無線流量將以47%的復合年增長率急劇增長,其中WLAN所承載的數(shù)據(jù)流量占比從2015年的42%增加至2021年的49%[1]。然而,最近發(fā)布的IEEE 802.11ax技術(shù)關(guān)注于高密集部署場景的網(wǎng)絡性能和用戶體驗,無法滿足下一代WLAN的極高吞吐量和低延時需求。為此,IEEE標準委員會在2019年5月正式成立了IEEE 802.11be工作組[2],其技術(shù)目標為實現(xiàn)極高吞吐量傳輸。目的為更好地支持虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、4k/8k超高清視頻、遠程辦公和與云計算應用場景[3]。
為實現(xiàn)極高吞吐量傳輸?shù)募夹g(shù)目標,多接入點(access point,AP)協(xié)作,多頻帶接入技術(shù)被IEEE 802.11be所采納[4]。IEEE 802.11ax引入了基于基本服務集(basic service set,BSS)著色技術(shù)的多BSS空間復用以提升系統(tǒng)吞吐量,但如果沒有有效地干擾管理控制算法,空間復用并不能體現(xiàn)其優(yōu)勢,反而嚴重影響系統(tǒng)性能。因此,下一代WLAN IEEE 802.11be提出了幾種AP協(xié)作方式[5-6]:正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)協(xié)作、空口協(xié)作、分布式多輸入多輸出(multi input multi output,MIMO)協(xié)作,以提升空間復用效率。楊懋等人[6]首次提出了一種面向下一代WLAN的基于AP協(xié)作、多頻帶接入的全雙工MAC協(xié)議框架,且具有很高的可伸縮性和良好的兼容性。
帶內(nèi)全雙工(in-band full duplex,IBFD)技術(shù)作為下一代無線通信關(guān)鍵技術(shù)[7],實現(xiàn)同時同頻數(shù)據(jù)傳輸,其理論上可提升一倍的頻譜效率。近年來,隨著集成電路的快速發(fā)展,證明了使用主/被動隔離器可以很好的解決單天線全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)[8]。然而,傳統(tǒng)的媒體接入控制(media access control,MAC)協(xié)議已不能滿足全雙工傳輸?shù)男枨?設計一種高效的全雙工MAC協(xié)議已被業(yè)界相關(guān)研究人員廣泛關(guān)注。
目前,已有的全雙工MAC協(xié)議研究都局限于單小區(qū)網(wǎng)絡場景[9-15]。文獻[9]提出一種非對稱全雙工AFD-MAC協(xié)議,在傳統(tǒng)分布式MAC協(xié)議基礎上,引入全雙工忙音(full duplex-busy tone,FBT)幀和FD-RTS幀建立全雙工鏈路對。一種連續(xù)全雙工鏈路配置(successive full-duplex link setup,SFLS)協(xié)議[10]被提出,SFLS協(xié)議改進傳統(tǒng)的RTS/CTS工作機制,提出一種在ACK幀攜帶BSI信息的方案,降低建立全雙工鏈路的競爭開銷。Liu等人[11]首先分析了無線局域網(wǎng)中隱藏終端對飽和吞吐量的影響,并提出了一種基于隱藏終端的增強載波感知的全雙工MAC協(xié)議。
上述全雙工MAC基于傳統(tǒng)單用戶MAC協(xié)議設計,無法滿足下一代WLAN多用戶應用場景。因此,Mu-FuPlex協(xié)議[12]首次提出了一種基于OFDMA的全雙工MAC協(xié)議,由AP發(fā)送trigger幀調(diào)度站點(station,STA)進行數(shù)據(jù)傳輸。并在此基礎上,為提升全雙工鏈路對的成功概率,設計了PcMu-FuPlex協(xié)議[13]。EnFD-OMAX協(xié)議[14]提出了一種面向下一代WLAN的新型免觸發(fā)多用戶全雙工MAC協(xié)議,該協(xié)議由STA發(fā)起并競爭接入信道建立全雙工傳輸鏈路對。為解決下一代高密集部署場景,STA競爭沖突嚴重等問題,GFDO協(xié)議[15]設計了一種基于空間簇的OFDMA多用戶全雙工MAC協(xié)議,該協(xié)議首次提出了兩級BSR信息上報機制,第一級空間簇成員以低功率模型獨立同步上報BSR信息至簇頭STA。第二級簇頭STA將本輪收集的BSR信息以及簇頭STA間的干擾信息上報至AP。最終AP依據(jù)收集的信息集中調(diào)度上/下行空間簇成員建立多用戶全雙工鏈路傳輸對。
然而,下一代WLAN IEEE 802.11be技術(shù)的關(guān)注點從單AP場景轉(zhuǎn)向多AP場景。因此,已有的多用戶全雙工MAC協(xié)議已不能滿足下一代WLAN多AP重疊覆蓋場景的傳輸需求。為此,本文提出一種基于AP協(xié)作的多小區(qū)多用戶全雙工MAC協(xié)議。該協(xié)議將協(xié)作組內(nèi)的STA劃分為重疊空間組和非重疊空間組。由接入控制(access control,AC)設備集中調(diào)度協(xié)作組內(nèi)STA上報BI信息和全雙工數(shù)據(jù)傳輸。
本文的主要貢獻概況如下:
1) 提出了一種基于AP協(xié)作的多小區(qū)多用戶全雙工多址接入?yún)f(xié)議(AP cooperation based multi-BSS multi-user full duplex multiple access protocol,CMMFD)。CMMFD協(xié)議由AC集中控制緩存和干擾(buffer state and interference information,BI)信息收集,并調(diào)度協(xié)作組內(nèi)AP同時在不同子信道上建立全雙工鏈路對。
2) 提出一種協(xié)作組內(nèi)BI信息收集的信道資源分配算法,降低重疊區(qū)域內(nèi)STA帶來的競爭干擾,提高BI信息的搜集效率;同時提出一種級聯(lián)全雙工鏈路調(diào)度算法。
3) 搭建NS-2仿真平臺,仿真驗證了CMMFD協(xié)議與Mu-FuPlex協(xié)議、EnFD-OMAX協(xié)議的網(wǎng)絡性能,驗證了CMMFD協(xié)議在平均接入信道的節(jié)點個數(shù)方面有了極大的提升,其系統(tǒng)吞吐量相應提升了29.6%。
CMMFD協(xié)議考慮面向下一代WLAN的多小區(qū)協(xié)作網(wǎng)絡場景,如圖1所示。
圖1 多小區(qū)重疊覆蓋場景
多個相互重疊的小區(qū)形成一個協(xié)作傳輸組。圖1中的AP1、AP2以及APn形成一個協(xié)作組。協(xié)作組內(nèi)的所有AP通過有線方式與AC建立連接,文獻[16]提出了通過擴展現(xiàn)有的AP與AC之間的通信協(xié)議,充分考慮了系統(tǒng)中存在的處理延時和交互延時,并在實際的硬件平臺證明其延時足夠小,并不會產(chǎn)生任何顯著的中斷情況,為本文提出的CMMFD協(xié)議提供有效的實施基礎。假設1個AC協(xié)作管理n個重疊覆蓋的小區(qū)。每個小區(qū)包含1個具有全雙工能力的AP和m個半雙工STA。假設系統(tǒng)帶寬資源可劃分為k個資源塊(resource unit,RU)。
協(xié)作組內(nèi)的AP一旦部署后,AC可依據(jù)STA的地理位置信息[17]或STA是否可檢測到2個或2個以上AP發(fā)出的信號[18]等技術(shù)將STA進行分組,位于重疊空間組的STA將其標記為1,位于非重疊空間組的STA將其標記為0。圖1中灰色區(qū)域為重疊空間組,淺綠色區(qū)域為非重疊空間組。從圖1中看出,協(xié)作組內(nèi)非重疊空間組內(nèi)的STA對與之不關(guān)聯(lián)的AP不產(chǎn)生干擾,即非重疊空間組內(nèi)的STA可以在相同的RU資源上收集BI信息和數(shù)據(jù)傳輸,從而提升系統(tǒng)的接入效率。
(1)
式中,k為網(wǎng)絡系統(tǒng)中最大可用RU資源塊個數(shù)。公式(1)推導出重疊空間組所占用的RU資源數(shù)。從而可計算出非重疊空間組的RU資源數(shù):k-Rosg。在得到重疊空間組和非重疊空間組所需的RU資源數(shù)后,則可為其分配RU資源,優(yōu)化RU資源分配在多協(xié)作組場景尤為重要。本文重點研究單個協(xié)作組網(wǎng)絡場景,給出一個簡單的RU資源分配方法以供參考:重疊空間組信道資源可按(2)式分配信道資源。則非重疊空間組信道資源可按(3)式分配信道資源。
(2)
(3)
CMMFD協(xié)議框架如圖2所示。其包含2個階段:BI信息收集階段、級聯(lián)全雙工數(shù)據(jù)傳輸階段。首先,AC將協(xié)作區(qū)域內(nèi)的STA劃分為重疊空間組STA和非重疊空間組STA。并為其分配相應的信道資源。其次,AC集中調(diào)度協(xié)作組內(nèi)的AP同時在不同的RU資源塊上發(fā)送攜帶資源分配信息的E-RTS幀觸發(fā)本小區(qū)內(nèi)的STA上報BI信息。第三,STA在接收到E-RTS幀后,在已分配的信道資源上隨機選擇1個RU以概率P接入信道上報BI信息,沒有競爭信道的STA記錄鄰近STA的干擾信息。最終,AC依據(jù)本輪協(xié)作組內(nèi)所有AP收集的BI信息級聯(lián)調(diào)度多小區(qū)多用戶全雙工數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 多小區(qū)多用戶全雙工MAC協(xié)議框架
CMMFD協(xié)議與IEEE 802.11ax中的信道接入方法一致,協(xié)作組內(nèi)AP采用傳統(tǒng)二進制退避機制檢測信道忙閑,當任一AP退避完成,將信息上報給AC,由AC為協(xié)作組內(nèi)所有AP分配RU資源,統(tǒng)一在已分配的RU資源上發(fā)送E-RTS幀。其次,協(xié)作組內(nèi)所有AP在BI信息收集完成后并上報給AC,AC依據(jù)收集到的BI信息統(tǒng)一調(diào)度多小區(qū)協(xié)作全雙工數(shù)據(jù)傳輸。為增強協(xié)作組內(nèi)AP的處理速度,系統(tǒng)中的AP可采用輕量級虛擬AP設備[16]。
STA上行BI信息收集效率,即STA上行緩存信息和節(jié)點間干擾信息是形成全雙工傳輸鏈路對的關(guān)鍵。高效的緩存信息收集提升全雙工鏈路對的傳輸機會,實時的節(jié)點間干擾信息是全雙工鏈路對成功傳輸?shù)年P(guān)鍵。CMMFD協(xié)議充分考慮上行BI信息的收集。首先,AC為協(xié)作組內(nèi)AP分配不同的RU資源同步發(fā)送攜帶信道資源分配信息的增強型E-RTS幀觸發(fā)各小區(qū)中STA上報BI信息。STA在收到本小區(qū)發(fā)送的E-RTS幀后,有上行需求的STA以概率P接入信道,沒有上行需求或沒獲得傳輸機會的STA處于接收狀態(tài),監(jiān)聽鄰居STA發(fā)送E-CTS幀的信號,并記錄該信號強度。準備接入信道的STA屬于重疊空間組,則在AC已分配的重疊空間組RU資源集合中隨機選擇1個RU接入信道。而屬于非重疊空間組的STA在AC已分配的非重疊空間組RU資源集合中隨機選擇1個RU接入信道。獲得接入信道機會的STA在已選擇的RU上回復攜帶緩存信息和節(jié)點間干擾信息的增強型E-CTS幀。其接入算法如算法1所示。
算法1 BI信息收集算法
輸入:概率閾值Pth,STA是否位于重疊區(qū)域Bov
非重疊空間組RU資源集合Σnosg,重疊空間組RU資源集合Σosg
輸出:Rin
1:初始化:
2:P=Random[0,1]
3: IFPth>1-PTHEN
4: IF 數(shù)據(jù)隊列非空 THEN
5: IFBov為真
6: 返回Rin=Random(Σosg)
7: ELSE
8: 返回Rin=Random(Σnosg)
9: ELSE
10: 返回Rin=1∥數(shù)據(jù)隊列為空,放棄競爭
11: ENDIF
12: 返回Rin=-2∥放棄本次競爭機會
AC維護1張實時緩存信息表和1張歷史節(jié)點間干擾強度信息表。分別記為Bac和Iac,如(4)式、(5)式所示。AP在本輪BI信息收集完成后將收集到的BI信息轉(zhuǎn)發(fā)給AC。AC在收到AP轉(zhuǎn)發(fā)的BI信息后,動態(tài)更新STA節(jié)點間干擾信息表。
(4)
Iac=
(5)
式中:n表示協(xié)作組內(nèi)小區(qū)編號;h表示編號為1的小區(qū)內(nèi)STA編號;k表示編號為2的小區(qū)內(nèi)STA編號;l表示編號為n的小區(qū)內(nèi)STA編號。如:STAn,1表示第n個小區(qū)內(nèi)編號為1的STA。Iac為AC維護的節(jié)點間干擾強度信息表,協(xié)作組內(nèi)的AP將每輪BI收集過程中收集到的信息上報給AC。其中,(STA1,1,STA1,2)表示編號為1的小區(qū)內(nèi)編號為2的STA與編號為1的STA之間的信號強度。AC統(tǒng)計協(xié)作組內(nèi)所有STA之間的信號強度信息形成一個節(jié)點間干擾強度信息集合。
算法2 級聯(lián)全雙工鏈路調(diào)度算法
輸入:RSIN閾值Sth,系統(tǒng)中RU個數(shù)k,上行傳輸需求集合Bac,下行傳輸需求集合Dac,節(jié)點間干擾強度信息集合Iac
輸出: 全雙工鏈路集合{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]},其中,?Si,h,ul,Si,l,dl∈Ci,h≠l,且Ci表示第i個小區(qū)。Rindex為PU編號,Rindex∈[0,k),Findex表示級聯(lián)全雙工數(shù)據(jù)傳輸編號。
1: 初始化:
2:Rindex=0
3:Findex=1
4: 將Bac,Dac,Iac按小區(qū)進行分組,并統(tǒng)計每個小區(qū)Ci中的上行STA和下行STA個數(shù),分別記為Ci,ul,Ci,dl。
5: FORCi,i=1,2,…,n
6: 遍歷Ci集合中的上行STA
7: FORSul,h,h=0,1,…,Ci,ul
遍歷Ci集合中下行STA
8: FORSdl,l,l=0,1,…Ci,dl
遍歷Iac集合中STA編號為h和l之間的節(jié)點間干擾強調(diào)Sh,l
9: IFSh,l>SthTHEN
10: IFRindex>=k
11:Findex++
12:Rindex=0
13.返回{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]}
14: ELSE
15:Rindex++
返回{Findex,[Si,h,ul,Si,l,dl,Rindex]}
16: ENDIF
17: ENDFOR
18: ENDFOR
19: ENDFOR
CMMFD協(xié)議在BI信息收集階段完成之后由AC統(tǒng)一調(diào)度全雙工數(shù)據(jù)傳輸。首先,協(xié)作組內(nèi)所有AP完成本小區(qū)中的BI信息收集,在收集完成后轉(zhuǎn)發(fā)給AC。其次,AC獲取到協(xié)作組內(nèi)本次收集的BSR信息和協(xié)作組內(nèi)所有STA之間的節(jié)點間干擾強度信息。最終,AP依據(jù)收集到的BSR信息和歷史節(jié)點間干擾強度信息調(diào)度全雙工鏈路傳輸。其調(diào)度算法如算法2所示。
AC在建立全雙工鏈路對時,首先,AC將上行需求集合Bac,下行需求集合Dac,以及歷史節(jié)點間干擾強度信息集合Iac,按不同小區(qū)場景進行分組。其次,以上行需求集合為基準,依次在小區(qū)內(nèi)建立全雙工鏈路對,由于CMMFD協(xié)議非重疊空間組可使用相同RU進行BI收集,則一次收集過程中收集到STA的BI信息可能大于系統(tǒng)中最大RU資源,則CMMFD協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段采用級聯(lián)全雙工數(shù)據(jù)傳輸,即協(xié)作組內(nèi)AP連續(xù)發(fā)送TFS幀多次調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸。
為驗證CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)性能,搭建了基于NS2的鏈路級-系統(tǒng)級一體化仿真平臺。仿真場景中配置多個重疊覆蓋的小區(qū),每個小區(qū)的覆蓋面積20 m×20 m。圖3描述了當協(xié)作組內(nèi)AP個數(shù)為4,單個小區(qū)內(nèi)STA個數(shù)為40時的仿真場景配置圖。STA在與之關(guān)聯(lián)的AP覆蓋范圍內(nèi)隨機分布,且每個小區(qū)中的STA個數(shù)從5個開始,依次以5為遞,最大單個小區(qū)中STA個數(shù)為40。仿真時間設置為20 s,最終仿真結(jié)果為10次獨立重復仿真的平均值。信道帶寬設置為20 MHz,RU個數(shù)設置為9。其中概率P設置為0.8和0.2[15]。其他參數(shù)設置如表1所示。
表1 網(wǎng)絡參數(shù)配置
圖3 NS2仿真場景配置圖
上行BI收集效率直接影響全雙工傳輸對的建立。而上行BI收集即為單位時間內(nèi)STA平均接入信道的個數(shù)。從圖4a)至4c)可以看出,EnFD-OMAX協(xié)議與Mu-FuPlex協(xié)議采用OFDMA接入方式,在小區(qū)中STA規(guī)模達到一定程度時,平均接入信道的STA個數(shù)趨向平衡[21]。EnFD-OMAX協(xié)議在同一時刻同時競爭接入信道的STA個數(shù)大于Mu-FuPlex協(xié)議,導致成功接入的STA個數(shù)約小于Mu-FuPlex協(xié)議。而CMMFD協(xié)議將協(xié)作組內(nèi)STA分割成重疊區(qū)域和非重疊區(qū)域的STA,由AC統(tǒng)一為其分配信道資源,且非重疊區(qū)域STA可以使用相同信道資源上報BSR信息。因此,重疊區(qū)域STA對非重疊區(qū)域STA不產(chǎn)生干擾。使得平均接入信道個數(shù)遠大于Mu-FuPlex協(xié)議和EnFD-OMAX協(xié)議。然而,CMMFD協(xié)議采用P概率接入方式,隨著STA規(guī)模的擴大,同時競爭信道的STA個數(shù)增加,導致在概率P值高的情況下,平均接入信道個數(shù)降低。
圖4 平均接入信道個數(shù)與協(xié)作組內(nèi)網(wǎng)絡規(guī)模的關(guān)系
系統(tǒng)吞吐量是評價MAC協(xié)議設計的重要性能指標。本文提出的CMMFD協(xié)議,從吞吐量角度來說可理解為純調(diào)度吞吐量分析。依據(jù)2.2,2.3小節(jié)的分析可知,一次傳輸?shù)臅r間總長度可分為BI信息收集時間和全雙工數(shù)據(jù)傳輸時間,如圖5所示。其中BI信息收集時間長度為:Tbi=Te-rts+Te-cts+2·Tsifs+Tdifs,全雙工數(shù)據(jù)傳輸時間長度為Td。則CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量可用公式(6)表示。
圖5 CMMFD協(xié)議傳輸機制
(6)
式中:LU,payload表示上行傳輸?shù)挠行лd荷;LD,payload表示下行傳輸?shù)挠行лd荷。
為評估CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)性能,分別對協(xié)作組內(nèi)布置2,3,4個小區(qū)的網(wǎng)絡場景進行仿真,如圖6a)至6c)所示,且單個小區(qū)網(wǎng)絡場景中的STA從5到40個進行了對比仿真。從圖6可以看出,本文所提的CMMFD協(xié)議在多小區(qū)重疊覆蓋場景中其系統(tǒng)吞吐量遠大于EnFD-OMAX協(xié)議和Mu-FuPlex協(xié)議。CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量增益來源于2個方面:①CMMFD協(xié)議通過對重疊空間組和非重疊空間組進行資源分配,協(xié)作組內(nèi)STA合理使用有限的頻譜資源,降低選擇相同RU接入信道的競爭沖突,極大地提升了BI收集效率;②由于AC具備協(xié)作組內(nèi)全局STA之間的節(jié)點間干擾強度信息及單小區(qū)內(nèi)重疊與非重疊區(qū)域的STA信息,為成功建立全雙工傳輸鏈路對提供了可靠的信息依據(jù)。因此,盡管在大規(guī)模部署STA的網(wǎng)絡場景中,在概率p值較大時平均接入信道的STA個數(shù)約小于EnFD-OMAX協(xié)議和Mu-FuPlex協(xié)議,但在系統(tǒng)吞吐量上CMMFD協(xié)議仍然優(yōu)于其他協(xié)議。從圖6a)至6c)可以看出,針對協(xié)作組內(nèi)小區(qū)的個數(shù),EnFD-OMAX協(xié)議由于采用STA發(fā)起建立的全雙工傳輸鏈路對,在單小區(qū)STA規(guī)模不斷增加,其系統(tǒng)性能劣于Mu-FuPlex協(xié)議。因為Mu-FuPlex協(xié)議采用AP觸發(fā)發(fā)起B(yǎng)I信息收集,且協(xié)作組內(nèi)的AP相互覆蓋,同一時間只存在一個小區(qū)進行信息交互。因此,在單小區(qū)STA規(guī)模達到一定規(guī)模時,Mu-FuPlex協(xié)議在多小區(qū)重疊覆蓋場景中要優(yōu)于EnFD-OMAX協(xié)議。EnFD-OMAX協(xié)議有STA發(fā)起建立全雙工傳輸鏈路對,任何時刻協(xié)作組內(nèi)所有STA參與競爭,導致多小區(qū)重疊覆蓋場景中競爭沖突加劇,系統(tǒng)吞吐量降低。
圖6 系統(tǒng)吞吐量與協(xié)作組內(nèi)網(wǎng)絡規(guī)模的關(guān)系
針對下一代WLAN的高密集部署網(wǎng)絡,IEEE802.11be技術(shù)的關(guān)注的從單AP向多AP場景的轉(zhuǎn)換以及極高吞吐量傳輸?shù)募夹g(shù)目標。本文充分挖掘IEEE802.11be中多AP協(xié)作關(guān)鍵技術(shù),提出一種基于AP協(xié)作的多小區(qū)多用戶全雙工MAC協(xié)議。通過協(xié)作組內(nèi)的多AP協(xié)作,將協(xié)作組內(nèi)的STA進行分組,統(tǒng)一分配信道資源,降低重疊區(qū)域內(nèi)STA競爭沖突,以及非重疊區(qū)域內(nèi)STA的信道資源復用,極大地提升了系統(tǒng)的BI信息收集效率,全雙工鏈路對的成功傳輸概率,從而提升系統(tǒng)吞吐量。仿真結(jié)果表明,CMMFD協(xié)議與Mu-FuPlex協(xié)議和EnFD-OMAX協(xié)議相比,系統(tǒng)吞吐量提升了29.6%。后續(xù)研究將對重疊區(qū)域與非重疊區(qū)域進行更細的分組以及協(xié)作組內(nèi)AP的位置部署進行優(yōu)化,從而進一步系統(tǒng)吞吐量。