2021, Vol. 47
2. 温州职业技术学院 信息技术系, 浙江 温州 325035
2. Department of Information Technology, Wenzhou Polytechnic, Wenzhou, Zhejiang 325035, China
基于IEEE 802.11标准的无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）具有成本低和部署简单的优点，因此其被广泛应用于移动办公、校园教学和智慧家庭等领域。根据思科发布的《视觉网络指数》报告[1]可知，2020年WLAN的移动数据流量将增加到每月38.1 EB，占移动通信总流量的55%，许多公众场合都会更密集地部署WLAN。即将发布的下一代WLAN标准，即IEEE 802.11ax，针对密集部署环境，致力于提高整体网络吞吐率，关注提高4倍的单个站点吞吐率[2]。
IEEE 802.11ax基于传统分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）机制，先听后发[3]，以避开一个WLAN内的设备间干扰。然而，当运行在同一频段上的两个WLAN在彼此的感知范围内时，设备即使干扰很小或者发送对其他设备造成的干扰很小，都需要在侦听后信道空闲时才能发送，大量信道资源被浪费。在密集部署情景下，相邻WLAN间的干扰造成的资源浪费更为严重，网络吞吐率进一步恶化，导致稀缺频谱的浪费[4]。
针对上述问题，研究者在ax协议中进一步提出降低同频干扰的空间复用技术[5]。基本服务集（Basic Service Set，BSS）颜色是较新的空间复用子技术之一，其在每个数据帧的前导码中插入“BSS Coloring”字段，站点通过读取前导码信息来确定数据帧来自哪个BSS。文献[6]提取信标帧中的“BSS Coloring”字段，结合信标帧接收强度来动态调整最佳发射功率。文献[7]通过联合BSS颜色和改变载波侦听阈值，以增强空间复用并优化网络吞吐率。调整发射功率和载波侦听范围都会改变站点的关联情况，甚至导致原本已关联但处于BSS边缘的站点没有AP可关联[8]。文献[9]指出WLAN中实际获得的网络吞吐率增益很大程度上取决于站点相对于接入点（Access Point，AP）的位置。
此外，IEEE 802.11ax标准中还引入目标唤醒时间机制（Target Wake Time，TWT），由AP来调度站点的休眠时间，定期定量地向关联站点传输数据。文献[10]通过TWT调度提出一种适用于高密度环境的高能效信道接入方案。TWT技术被认为是未来WLAN实现无冲突和确定性接入的关键技术之一。本文结合TWT机制提出基于BSS颜色的协调交替目标唤醒时间（Coordination Alternating TWT，CAT）方案，用于协调相邻BSS间的干扰，提高网络吞吐率。针对文献[9]指出的问题，考虑站点位置信息，使AP通过站点反馈的“BSS Coloring”字段对站点进行分组，把站点安排在不同的组内以降低其信道争用水平，最小化BSS间的干扰，同时通过优化下行数据包大小提高网络吞吐率。
1 系统模型 1.1 系统模型如图 1所示，网络中有2个运行在相同频带上的AP：AP1和AP2。假设两者具有不同的BSS颜色，由于802.11ax物理层头部的前导码包含6 bit的“BSS Coloring”字段，最多可标识63个BSS，因此两个BSS选取相同BSS颜色的概率为1/3 969，可以忽略不计。无线局域网控制器（WLAN Controller，WLC）集中控制AP1和AP2的协调运行。为不失一般性，假设AP1和AP2分别位于（0，0）和（dAP，0）处，有M个和N个站点分别与距离最近的AP1和AP2关联。重叠区域内的站点均可听到两个AP的信标帧。与AP1关联并处于重叠区域的站点数量为m，与AP2关联并处于重叠区域的站点数量为n。
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| 图 1 两个BSS组成的网络拓扑图 Fig. 1 Network topology composed of two BBSs | |
WLAN中多数站点的位置分布是未经安排的[11]。本文假设站点的分布遵循参数为λ的独立均匀泊松点过程（Poisson Point Process，PPP）。因此，从目的站点到其最近关联AP距离的概率密度函数[12]是r的函数，表示为
采用以信道为中心的模型[13]，重点关注信道状态，而不是每个站点的状态。结合站点接收数据的成功概率及发送的数据包数量，通过确定AP占用信道的时间得到网络吞吐率。
假设信道受瑞利衰落的影响，其中衰落变量用指数分布的参数μ表示，同时忽略大尺度阴影效应[12]。假设在所考虑的时间间隔范围内信道增益是恒定的[14]。在不失一般性的情况下，假设AP位于各自BSS的圆心处，同时使用参考距离为1 m的自由空间路径损耗模型。
令PS为基于物理模型的链路级数据包传输成功概率，表达式为：
| $ {P_{\rm{s}}} = {\left( {1 - {P_{\rm{B}}}} \right)^{L + {L_{{\rm{Head}}}}}} $ | (1) |
其中，PB表示通信链路的误码率（Bit Error Ratio，BER），L和LHead分别表示数据包的有效载荷长度（MAC Service Data Unit，MSDU）和协议头部（包括MAC层和物理层）开销长度。
根据发送功率PTX，得到与APBSS距离为r的目标站点的接收功率为PTXGTXGRXr-α，其中，GTX/RX表示AP和站点的天线增益[15]，α表示路径损耗指数。假设环境噪声为加性高斯白噪声且平均功率为No，则物理链路传输的信干噪比（Signal to Interference Ratio，SINR）表示为：
| $ \beta = \frac{{{P_{{\rm{TX}}}}{G_{{\rm{TX}}}}{G_{{\rm{RX}}}}{r^{ - \alpha }}}}{{{I_{{\rm{OBSS}}}} + {N_{\rm{o}}}}} $ | (2) |
其中，IOBSS=PTXGTXGRXdOBSS-α表示APOBSS数据发送时对正在接收APBSS数据的站点产生的干扰。dOBSS=‖APOBSS，STABSS‖∈D表示APOBSS到各个未关联站点STABSS之间的欧几里得距离。
根据802.11协议[16]，触发帧、PS-POLL帧和确认帧（Acknowledge Character，ACK）以基准速率进行发送，具有较强的抗干扰能力[17]。因此，本文假设上述3种帧都能被成功接收而不受干扰的影响，只考虑干扰对数据包的影响。
1.3 CAT方案工作流程CAT方案旨在优化误码率场景下AP一次下行传输MSDU的长度，结合站点竞争信道时间的调度，最优化系统吞吐量。该方案的工作流程如下：
步骤1 WLC通知AP1和AP2将站点分为4个组：Gk和Gk, C，k=1，2，并将分组信息以及站点的位置信息反馈给WLC。分组策略见2.1节。
步骤2 LC收到分组信息后，计算每组站点允许的最大传输速率。计算方法见2.2.1节。
步骤3 根据AP一次下行传输的MSDU长度L，WLC计算站点接收MAC层所需的时间。
步骤4 根据数据接收时间，WLC生成调度表调度G1, C和G2, C中站点开始竞争信道的时间。调度方法见2.2.2节。
步骤5 WLC将调度表、一次下行传输的MSDU长度及传输速率通知给AP。
步骤6 AP根据WLC通知的参数与站点协商站点醒来竞争信道的时间。
在CAT方案中，站点根据协商结果周期性醒来，减少了竞争信道的激烈程度。
2 本文方案 2.1 基于BSS颜色的分组策略在关联请求阶段开始之前，两个AP广播包含不同“BSS Coloring”字段的信标帧。站点接收信标帧并解码，将解码得到的“BSS Coloring”字段包含在关联请求帧中发送给其要关联的AP。AP解码接收到的关联请求帧，若该帧只包含一种BSS颜色，则将发送该帧的站点归入组Gk，k=1，2；若帧中包含2种BSS颜色，则将该站点归入组Gk, C，k=1，2。
关联请求过程如图 2所示。AP1和AP2广播的信标帧中包含不同的“BSS Coloring”字段，分别为BSSC和BSSC'。同时引入新的关联请求帧Ass req'，该帧和IEEE 802.11协议中默认的Ass req帧唯一的区别是需要包含解码得到的两个AP的“BSS Coloring”字段，共计18 Byte。
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| 图 2 关联请求阶段示意图 Fig. 2 Schematic diagram of association request stage | |
此外，TWT元素也被包含在站点的关联请求帧中，因此，AP需要回复同样带有TWT元素的关联响应帧，与此同时，AP将分组信息反馈给WLC。至此，关联请求阶段结束。
2.2 CAT调度机制 2.2.1 调度时间计算收到AP反馈的分组信息后，WLC计算出每组站点允许的最大传输速率。
组G1，C和G2，C内站点接收数据时考虑无干扰场景，即理想信道，取MCS为7时的传输速率[18]，用V表示。而组G1和G2内站点在接收数据时，需要考虑信干噪比，因此，WLC使用式（3）计算这两组站点的SINR，即
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {V_1^{\left( i \right)} = B{\rm{lb}}\left( {1 + \beta _1^{\left( i \right)}} \right), 0 \le i \le m}\\ {V_2^{\left( j \right)} = B{\rm{lb}}\left( {1 + \beta _2^{\left( j \right)}} \right), 0 \le j \le n} \end{array}} \right. $ | (3) |
其中，B为信道带宽。得到组G1和G2内各个站点MAC层的接收时间为TMAC=TMSDU+TMAC Header，其中，TMSDU表示MSDU的接收时间，TMAC Header表示MAC头部的接收时间。组G1和G2内各个站点接收MAC层的时间分别为：
| $ \begin{array}{l} T_{{\rm{MAC}}}^{\left( i \right)} = T_1^{\left( i \right)} = \frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{{V_1^{\left( i \right)}}}, 0 \le i \le m\\ T_{{\rm{MAC}}}^{\left( j \right)} = T_2^{\left( j \right)} = \frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{{V_2^{\left( j \right)}}}, 0 \le j \le n \end{array} $ | (4) |
其中，LMH表示MAC层头部的长度。WLC取
| $ T_{{\rm{SP}}}^{{\rm{BSS}}} = \tau + {T_{{\rm{wait}}}} + \mathop {\max }\limits_{0 \le i \le m, 0 \le j \le n} \left\{ {T_1^{\left( i \right)}, T_2^{\left( j \right)}} \right\} $ | (5) |
在式（5）中：Twait是站点期望等待时延，与站点退避窗口大小有关；τ由式（6）给出，表示PS-Poll帧、ACK帧、物理层头部的传输时间及3个短帧间间隔（Short Interframe Space，SIFS）时间的总和，是一个定值。
| $ \tau = {T_{{\rm{PS - Poll}}}} + {T_{{\rm{ACK}}}} + 3{T_{{\rm{SIFS}}}} + {T_{{\rm{PHY}}\;{\rm{Header}}}} $ | (6) |
OBSS时间段站点的传输速率都相等，因此，每个站点接收MAC层的时间都是相等的，表示为：
| $ {T_{{\rm{MAC}}}} = {T^{{\rm{OBSS}}}} = \frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{V} $ | (7) |
OBSS时间段的长度为：
| $ T_{{\rm{SP}}}^{{\rm{OBSS}}} = \tau + {T_{{\rm{wait}}}} + {T^{{\rm{OBSS}}}} $ | (8) |
计算出BSS和OBSS的时间后，WLC生成调度表H1和H2来分别调度G1，C和G2，C中站点开始竞争信道的时间：
| $ {H_{1, 2}} = {\rm{TW}}{{\rm{T}}_0} + h\left( {T_{{\rm{SP}}}^{{\rm{OBSS}}} + T_{{\rm{SP}}}^{{\rm{BSS}}}} \right), h = 0, 1 $ | (9) |
WLC将0和1随机不重复地分配给H1或H2。
在CAT方案中，AP1和AP2通过WLC来“协商”在某个TWT会话周期（Service Period，SP）上单独向组G1，C或G2，C中的某个站点发送数据，或同时向组G1和G2中的某两个站点发送数据，数学表达式如下：
| $ \begin{array}{l} {\rm{BBS:}}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{X_{1, {\rm{C}}}} + {X_{2, {\rm{C}}}} = 0}\\ {{X_1} + {X_2} = 2} \end{array}} \right.\\ {\rm{OBSS:}}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{X_{1, {\rm{C}}}} + {X_{2, {\rm{C}}}} = 1}\\ {{X_1} + {X_2} = 0} \end{array}} \right. \end{array} $ | (10) |
其中，Xx，x=1，2，< 1，C>，< 2，C>表示组Gx，x=1，2，< 1，C>，< 2，C>内的站点在该SP时间内是否接收数据，例如X1=1表示组G1内的某个站点是接收者，X1=0则表示不是。
在任意TWT SP中，情景BSS和情景OBSS都不会同时出现。鉴于组与组间的公平性，本文考虑情景BSS和情景OBSS交替发生。在今后的研究中，还将考虑根据重叠区域内外组内站点数的不同来进一步安排TWT SP。
收到带有TWT元素的关联响应帧后，站点会向关联AP发送TWT请求帧。AP收到TWT请求帧后，回复TWT响应帧以设置参数，即AP告知两个组内站点醒来竞争信道的时间。
如图 3所示，分配给AP1的调度表H1中h=0。组G1，C内的站点经过TWT0时间后开始竞争信道，竞争到信道的站点向AP1发送PS-Poll帧请求下行数据。该站点接收数据完毕后，向AP1发送ACK帧。之后，组G1和G2内的站点睡眠倒数计数器到期，开始竞争信道，准备接收下行数据。而分配给AP2的调度表H2中h=1，组G2，C内的站点经过
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| 图 3 CAT方案数据传输过程 Fig. 3 Data transmission process of CAT scheme | |
本文中的网络吞吐率为有效吞吐率，定义为AP和所有参与站点之间链路上成功传输的有效数据长度与传输时间的比值。CAT方案中非重叠区域的有效吞吐率为：
| $ {\varphi ^{{\rm{BSS}}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^m {L\cdot P_{{\rm{S}}, i}^{1, {\rm{C}}} + } \sum\limits_{j = 1}^n {L\cdot P_{{\rm{S}}, j}^{2, {\rm{C}}}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{{V_{1, {\rm{C}}}^{\left( i \right)}}}} + \sum\limits_{j = 1}^n {\frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{{V_{2, {\rm{C}}}^{\left( j \right)}}} + \left( {m + n} \right)\left( {\tau + {T_{{\rm{wait}}}}} \right)} }} $ | (11) |
重叠区域的有效吞吐率为：
| $ {\varphi ^{{\rm{OBSS}}}}{\rm{ = }}\frac{L}{{\tau + {T_{{\rm{wait}}}} + \frac{{L + {L_{{\rm{MH}}}}}}{V}}} $ | (12) |
最终可以得到系统有效吞吐率为：
| $ \varphi \left( L \right) = {\varphi ^{{\rm{BSS}}}} + {\varphi ^{{\rm{OBSS}}}} $ | (13) |
从上式可以看出，系统吞吐率与L和PS有关。此外，PS又与PB和SINR有关，而PB和SINR又取决于dOBSS。
3 性能评估根据文献[18-19]中描述的IEEE 802.11ax评估方法和仿真场景，通过MATLAB仿真两个AP下行传输的场景，给出MSDU长度对网络吞吐率的影响，并将CAT方案与802.11传统DCF接入方式进行比较。
3.1 仿真配置仿真中设置载波频率为2.4 GHz，信道带宽为20 MHz。两个AP各发送500次（不考虑重传）并迭代1 000次。信道模型为自由空间路径损耗模型[20]。AP处的天线增益为0 dBm，站点处的天线增益为-2 dBm。表 1列出了仿真中使用的参数，其中TPS-Poll和TACK分别表示PS-Poll帧和ACK帧传输的时间。
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下载CSV 表 1 仿真参数 Table 1 Simulation parameters |
图 4给出了不同MCS下误码率与SINR的关系。可以看出，BPSK、QPSK和4-QAM的抗干扰性能最强，随着进制的增加，QAM的抗干扰能力都会大幅减弱。在本文的仿真中，AP会根据SINR的大小采取不同的每种调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）方式。
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| 图 4 误码率与SINR的关系 Fig. 4 Relationship between BER and SINR | |
每种MCS的抗干扰能力不同。20 MHz信道数据速率所需的最小SINR如表 2所示。在任何一种MCS方案下，都可以通过计算SINR来获得相对应的BER。
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下载CSV 表 2 20 MHz带宽数据速率所需的最小SINR Table 2 Minimum SINR required for data rate at 20 MHz bandwidth |
从数据包头部开销占比的角度来看，WLAN中下行传输的效率始终随着MSDU的增大单调递增[21]。然而，在考虑误码率的情况下，由式（1）可知，MSDU长度的增加会导致传输成功率的下降，因此，存在一个阈值，当MSDU长度等于该阈值时，网络吞吐率为最大。
图 5给出了网络吞吐率与MSDU长度分别在考虑误码率和不考虑误码率（BER-free）情况下的关系。两种场景均采用IEEE 802.11传统DCF退避方式。在两个AP距离分别为5 m、15 m和25 m的干扰场景中，随着MSDU长度的增加，吞吐率均呈现先增长后缓慢下降的趋势，在MSDU长度为5 000 Byte时取到最优。而在无干扰场景下，吞吐率一直随着MSDU大小的增加而增加。因此，在考虑误码率的场景中，可以通过调整MSDU长度来最大化网络吞吐率。
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| 图 5 吞吐率与MSDU长度的关系 Fig. 5 Relationship between throughput and MSDU length | |
CAT方案与802.11传统DCF接入方式对比结果如图 6所示。从中可以看出，当两个AP距离较近时，DCF接入方式会导致低网络吞吐率，而CAT方案的吞吐率随着AP之间距离的增加基本保持不变。当AP之间的距离接近1 m时，CAT方案的吞吐率几乎是DCF接入方式的2倍。而随着AP间距离的增大，两个BSS彼此的影响逐渐变小。使用传统DCF接入方式时，站点有更多的机会侦测到信道空闲，传输机会增加，因此，吞吐率随着距离的增大而急剧增加。当两个AP的距离为30 m时，两个BSS之间没有交集，因此，没有站点会处于重叠区域内，CAT方案不采用分组策略，所有站点一起参与信道竞争，这与传统的DCF接入方式类似，故吞吐率也相近。
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| 图 6 不同MSDU长度下吞吐率与AP间距离的关系 Fig. 6 Relationship between throughput and distance of APs under different MSDU lengths | |
图 7给出了CAT方案下两个BSS在L=5 000 Byte时的吞吐率随距离d的变化曲线。可以看出两个BSS的吞吐率基本相同，没有出现大的偏差，这是因为CAT方案保证两个BSS中处于重叠区域的组能每隔一个SP时间就接收一次数据，而重叠区域外两个组内的站点同时竞争信道以接收数据。
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| 图 7 CAT方案中两个BSS的吞吐率 Fig. 7 Throughput of two BSSs in CAT scheme | |
针对AP部署密集问题，本文提出一种交互式目标唤醒时间调度方案CAT。通过结合IEEE 802.11ax中的基本服务集颜色技术，使用无线局域网控制器来优化AP发送的数据包长度，同时协调不同组内站点接收数据的时间，从而保证网络吞吐率并给出实施意见。仿真结果验证了该方案在密集情景中的有效性。下一步将在多个重叠的WLAN上部署CAT方案，并根据每个组内站点数目安排组的接收顺序与次数。
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