超密集WiFi網(wǎng)絡(luò)下的干擾消除算法

趙 鋮，閆劍龍，康 凱，張婷婷，俞 涵

（1.上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050；2.上海無線通信研究中心 上海 201210；3.上海科技大學(xué) 上海 201210）

超密集WiFi網(wǎng)絡(luò)下的干擾消除算法

趙 鋮1，3，閆劍龍2，康 凱2，張婷婷1，3，俞 涵1，3

（1.上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050；2.上海無線通信研究中心 上海 201210；3.上?？萍即髮W(xué) 上海 201210）

如今無線數(shù)據(jù)的爆炸式發(fā)展給現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。針對(duì)超密集網(wǎng)絡(luò)下，來自相鄰AP（無線訪問接入點(diǎn)）的干擾會(huì)嚴(yán)重影響本地網(wǎng)絡(luò)的通信性能的問題，本篇文章采用了一種動(dòng)態(tài)F-CSMA/CA（分布式載波偵聽多路訪問/沖突避免）算法，通過MATLAB的仿真，發(fā)現(xiàn)該算法能有效地提高系統(tǒng)和邊緣小區(qū)用戶的吞吐量，且在超密集網(wǎng)絡(luò)中的效果要比常規(guī)的F-CSMA/CA算法在系統(tǒng)吞吐量上有20%的增益提高，在邊緣小區(qū)的吞吐量上有15%的增益提高。

通信與信息系統(tǒng)；干擾消除；動(dòng)態(tài)分布CSMA/CA算法；WiFi

受到移動(dòng)終端和多媒體服務(wù)快速增長的刺激，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量到2017年將達(dá)到了3×1019比特/每月的規(guī)模[1]。其中40%的數(shù)據(jù)量是通過WiFi來傳輸?shù)腫2]，大約是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的20倍[3]。

為了滿足數(shù)據(jù)量的爆炸增長，越來越多的AP（無線訪問點(diǎn)）被部署到網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致了來自相鄰BSS（基本服務(wù)集）的干擾非常嚴(yán)重。文中基于的假設(shè)是相鄰AP使用相同的頻帶。相鄰的兩個(gè)AP1和AP2使用相同的頻帶，當(dāng)位于BSS1邊緣的STA1（用戶1）發(fā)起和AP1的通信，若此時(shí)STA3（用戶3）正在和AP2通信，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)STA1的干擾。

蜂窩網(wǎng)中成熟的減少干擾的機(jī)制[4-6]不能直接用在WiFi網(wǎng)絡(luò)中。在現(xiàn)有應(yīng)用中[7]，作者提出使用波束成形技術(shù)來提升性能，但是這項(xiàng)技術(shù)帶來了很高的算法復(fù)雜度且在交換控制信息的時(shí)候帶來了較大的信令開銷[8]。 的作者提出按照RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）將AP進(jìn)行分簇來通信，但是該方法受限于無線終端較低的傳輸功率[9]。中的作者提出使用分布式CSMA/CA算法，然而網(wǎng)絡(luò)資源在網(wǎng)絡(luò)配置初期的時(shí)候就預(yù)先設(shè)置好了，極大的限制了算法潛在的性能增益。

文中通過聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙和功率來最大化網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。其中時(shí)隙和功率是動(dòng)態(tài)分配的。

1 系統(tǒng)模型

現(xiàn)有的802.11協(xié)議中，一個(gè)AP同一時(shí)間只能服務(wù)一個(gè)STA。所以同一個(gè)AP服務(wù)區(qū)內(nèi)的干擾是可以忽略的。所以在超密集WiFi網(wǎng)絡(luò)中，來自其他AP及其服務(wù)區(qū)內(nèi)STA的干擾才是最主要的因素。

SINR（信號(hào)與干擾加噪聲比）可以用來評(píng)估干擾帶來的影響。假設(shè)某個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)中部署有C個(gè)BSS，在BSSi（i∈C）中的STAs的SINR可以表示成：

其中pi表示APi的傳輸功率，gi表示來自對(duì)應(yīng)服務(wù) AP的信道增益，gi，m表示來自相鄰APm對(duì)位于BSSi中STA的信道增益。表示與BSSi相鄰的會(huì)產(chǎn)生干擾的AP的集合，No表示加性高斯白噪聲的功率。其中信道增益gi，gi，m主要由路徑損耗和衰落來決定的[10]。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的帶寬是B，位于APi中的STA能達(dá)到的極限速率可以表示如下[11]，

從（2）可以清晰的看到由于服務(wù)區(qū)重疊引入的干擾，使得SINR的下降并導(dǎo)致了速率的下降。

下面將詳細(xì)的分析802.11網(wǎng)絡(luò)的資源分配。802.11網(wǎng)絡(luò)中的STA通過時(shí)分復(fù)用來分享網(wǎng)絡(luò)的資源。調(diào)度資源的單位被稱為“時(shí)隙”。一個(gè)時(shí)隙單位表示的是成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的時(shí)間。

盡管有效載荷包的大小是隨機(jī)的，但是我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方式來估測出調(diào)度時(shí)隙單位的值。由于STA無法同時(shí)共享一個(gè)BSS內(nèi)的資源，所以將一個(gè)BSS內(nèi)的STA按照地理位置分為兩個(gè)群組。那些遠(yuǎn)離 AP容易受到相鄰BSS干擾的STAs被稱為BSS-edge STAs（邊緣區(qū)用戶）。RSSI或者路徑損耗可以被用來進(jìn)行STA的分類。

假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)有N個(gè)時(shí)隙資源，將這些時(shí)隙資源分為“major”時(shí)隙和“minor”時(shí)隙。如圖1所示。

圖1 F-CSMA/CA的系統(tǒng)模型

定義major時(shí)隙可以被BSS-center/BSS-edge STAs使用，但是minor時(shí)隙的功率較低只能被BSS-center STAs使用。將分配給major、minor時(shí)隙的數(shù)目分別表示為Tmajor和Tminor。這樣的配置意味著，在minor時(shí)隙期間，AP對(duì)相鄰BSSs造成的干擾較小，在major時(shí)隙期間，可以服務(wù)所有的STA，對(duì)相鄰BSSs的干擾可能就會(huì)比較顯著。major和minor時(shí)隙對(duì)應(yīng)的傳輸功率分別被稱為 poi和 pini。

在這個(gè)框架下，BSSi中的STA在第j個(gè)時(shí)隙的SINR可以表示如下：

從圖1可以看出來，在major時(shí)隙j時(shí)，對(duì)于BSSi中的STA來說，其受到的干擾主要是來自于相鄰APs在minor時(shí)隙j的干擾。對(duì)于在APi的BSS-edge STA來說，其能達(dá)到的速率可表示如下：

對(duì)于一個(gè)與BSSi關(guān)聯(lián)的BSS-center STA來說，在minor時(shí)隙時(shí)，其受到的干擾主要來自于相鄰AP在相應(yīng)major和minor時(shí)隙的干擾。從簡化計(jì)算的角度出發(fā)將所有時(shí)隙的干擾傳輸功率都設(shè)置成最大的值在這個(gè)條件下，在時(shí)隙j，位于BSSi中的BSS-center STA可以達(dá)到的速率如下：

為了減少干擾的影響，我們選擇優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到的整體速率。核心思路是聯(lián)合調(diào)度BSS-center

STA和BSS-edge STA的時(shí)隙和傳輸功率。下一節(jié)，將用數(shù)學(xué)公式來描述這個(gè)優(yōu)化問題。

2 動(dòng)態(tài)分布式CSMA/CA算法

文中提出的算法的假設(shè)是AP能在時(shí)隙的精度上來進(jìn)行資源調(diào)度。major時(shí)隙可以被BSS-edge和BSS-center的STA調(diào)用，minor時(shí)隙時(shí)只能被BSS-edge的STA調(diào)用。此外對(duì)于BSS-edge和BSS-center的STA存在一個(gè)最小的吞吐量的需求。同時(shí)調(diào)度資源：時(shí)隙和傳輸功率是有限的。所以最大化系統(tǒng)整體的吞吐量的目標(biāo)函數(shù)可以表示成：

我們的目標(biāo)是在滿足BSS-edge和BSS-center區(qū)域的STA的最小的速率需求的前提下，最大化（6）的吞吐量。

文中并不是直接找出上述優(yōu)化問題的最優(yōu)解決方法，而是利用迭代算法將上述的優(yōu)化問題分解成個(gè)單獨(dú)BSS的優(yōu)化問題。下面將概述下本文算法的核心。首先我們要用最小的傳輸功率來滿足BSS-edge和BSS-center區(qū)域的速率需求。然后，通過給每個(gè)區(qū)域分配合適的時(shí)隙和功率來優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量。第二步，計(jì)算出第一步得到的時(shí)隙和功率所對(duì)應(yīng)的BSS-center區(qū)域的速率，并將這個(gè)速率作為新的速率要求，重復(fù)整個(gè)優(yōu)化過程。上述的迭代過程不斷地重復(fù)直到系統(tǒng)整體的吞吐量不在增長。

具體的算法步驟如下所示：

Step1.首先估算BSS-edge和BSS-center區(qū)域的最低速率需求，分別表示為和最優(yōu)的major/minor時(shí)隙數(shù)目和功率的組合可以表示為

為了得到最小的傳輸功率，我們可以假定核心區(qū)和邊緣區(qū)的最低速率需求，由于和的數(shù)目是整數(shù)，我們可以窮舉和所有的組合，確定了后和可以由下式得到：

Step2.一旦Pmin確定后，可以計(jì)算得到剩余的功率還有PMAX-Pmin。由于超密集802.11網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)干擾受限的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)吞吐量可以通過減少BSS間的干擾來得到提升。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來說，減少major時(shí)隙的數(shù)目能夠減小與相鄰BSS碰撞的概率。所以將盡可能多的時(shí)隙數(shù)目分配給minor區(qū)域來減小BSS間的干擾。本算法減少major時(shí)隙的數(shù)目并增加minor時(shí)隙的數(shù)目。作為補(bǔ)償可以將剩余的傳輸功率PMAX-Pmin分配給major區(qū)域來補(bǔ)償由于時(shí)隙數(shù)目改變引起的速率的下降。

由于時(shí)隙的數(shù)目是整數(shù)，我們一個(gè)一個(gè)的減少major的時(shí)隙數(shù)目并相應(yīng)的增加minor的時(shí)隙數(shù)。在滿足BSS-edge區(qū)域最低速率需求的前提下利用下降法[11]來窮舉所有的可能。這個(gè)迭代過程直到整個(gè)系統(tǒng)傳輸功率資源耗盡時(shí)終止。

當(dāng)此進(jìn)程終止時(shí)，我們計(jì)算出最新的BSS-center的速率Rin1，并將其設(shè)為新的Rtarin。然后我們重復(fù)Step 1.的步驟來更新滿足（8）要求的新的（Tmajor1，Tminor1，Pin1，Po1）組合，重復(fù) Step 2.來得到最佳的速率Rin1。以上的迭代步驟當(dāng)整個(gè)BSS的吞吐量不再增加時(shí)停止。可以證明使用這個(gè)優(yōu)化算法，可以使BSS的吞吐量在單調(diào)遞增中達(dá)到最大[13-15]。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證提出的算法的性能，進(jìn)行了下述針對(duì)802.11超密集網(wǎng)絡(luò)的仿真。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是圖2所示的3個(gè)相鄰的BSS的典型場景。其中STA均勻的分布在BSS內(nèi)，表格1中列舉了基本的仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

為了仿真超密集的場景，我們把AP間的距離設(shè)置成50 m（嚴(yán)重的交疊），75 m，100 m（最小的交疊）3種情況。在下行鏈路傳輸中對(duì)比常規(guī)的CSMA/CA，F(xiàn)-CAMA/CA和動(dòng)態(tài) FCSMA/CA。對(duì)于常規(guī)的CSMA/CA算法，傳輸功率被設(shè)置成30 dBm，對(duì)于常規(guī)的F-CSMA/CA算法，major時(shí)隙的功率被設(shè)置為30 dBm，minor的功率被設(shè)置為27 dBm。（以上對(duì)比項(xiàng)的功率設(shè)置值都是基于各自最優(yōu)情況下的取值。）

為了對(duì)比的公正性，我們使用歸一化的能量吞吐量（成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙和能量的比值）作為度量標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是吞吐量和消耗的功率的聯(lián)合判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 整個(gè)系統(tǒng)的下行吞吐量

圖2展示了AP間隔50 m，75 m，100 m時(shí)候的系統(tǒng)下行吞吐量的仿真結(jié)果。圖3展示了AP間隔50 m，75 m，100 m時(shí)候的邊緣小區(qū)BSS-edge區(qū)域STA的下行吞吐量。

圖3 BSS-edge區(qū)域的下行吞吐量

圖2和圖3均說明了文中提出的動(dòng)態(tài)F-CSMA/CA和常規(guī)的CSMA/CA和F-CSMA/CA相比不管在系統(tǒng)整體的吞吐量還是在邊緣區(qū)域的吞吐量上都有著顯著的性能增益。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的性能隨著AP間間隔的增大而得到改善。當(dāng)AP間隔50 m的時(shí)候，由仿真結(jié)果可以看出動(dòng)態(tài)F-CSMA/CA算法和常規(guī)的F-CSMA/CA算法相比，在系統(tǒng)吞吐量上有20%的增益提高，在BSS-edge區(qū)域上也有大概15%的增益提高，同時(shí)隨著AP間距的增加，本算法的優(yōu)勢也在逐漸減小。所以本算法非常適合超密集WiFi組網(wǎng)架構(gòu)下的環(huán)境。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了我們前面的分析，在超密集802.11網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的性能主要受限于相鄰BSSs的干擾。動(dòng)態(tài)F-CSMA/ CA算法在滿足BSS-edge區(qū)域用戶最低的速率需求的基礎(chǔ)上，將更多的時(shí)隙資源分配給BSS-center區(qū)域的用戶，如此相鄰BSSs對(duì)BSS-edge區(qū)域的干擾得到了抑制。

4 結(jié) 論

超密集網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)對(duì)未來爆炸式增長的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐撛诮鉀Q方案。然而WiFi在這個(gè)密集網(wǎng)絡(luò)下的干擾十分嚴(yán)重。文中針對(duì)超密集WiFi網(wǎng)絡(luò)提出了一種新型的動(dòng)態(tài)F-CSMA/ CA算法，應(yīng)用該算法后，網(wǎng)絡(luò)整體的吞吐量和邊緣用戶的吞吐量相對(duì)常規(guī)的F-CSMA/CA算法都得到了顯著的提升。

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Interference mitigation in ultra dense WiFi networks

ZHAO Cheng1，3，YAN Jian-long2，KANG Kai2，ZHANG Ting-ting1，3，YU Han1，3
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Research Center for Wireless Communications，Shanghai 201210，China；3.Shanghai Tech University，Shanghai 201210，China）

The explosion of wireless data traffic posts a significant challenge to the wireless networks.In the ultra dense WiFi networks，the interference introduced by the neighbors'access points can degrade the network throughput dramatically.In this paper，we propose a dynamic fractional carrier sense multiple access with collision avoidance （F-CSMA/CA）scheme that can improve the throughput of the overall system as well as that of the users located at the basic service set edges by the simulation of MATLAB.Numerical results show that the proposed algorithm works better than the conventional F-CSMA/CA algorithm in ultra dense scenarios by 20%gain in overall system throughput and 15%gain in edge throughput.

communication and information system；interference mitigation；F-CSMA/CA；WiFi

TN99

A

1674－6236（2016）23-0166-04

2015-11-11稿件編號(hào)：201511112

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61231009）；國家科技重大項(xiàng)目（2014ZX03001024）；上海市科教委項(xiàng)目（14511100200）

趙 鋮（1991—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生。研究方向：超密集WiFi網(wǎng)絡(luò)下的干擾協(xié)調(diào)。