一種基于AP協(xié)作的多小區(qū)多用戶(hù)全雙工MAC協(xié)議

彭美平, 李波, 閆中江, 楊懋

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710072)

隨著移動(dòng)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(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能將是未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)。當(dāng)前,無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(lái)得到了快速的發(fā)展。思科公司提供的分析報(bào)告指出:自2016年至2021年,全球無(wú)線(xiàn)流量將以47%的復(fù)合年增長(zhǎng)率急劇增長(zhǎng),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(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶(hù)體驗(yàn),無(wú)法滿(mǎn)足下一代WLAN的極高吞吐量和低延時(shí)需求。為此,IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在2019年5月正式成立了IEEE 802.11be工作組[2],其技術(shù)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)極高吞吐量傳輸。目的為更好地支持虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、4k/8k超高清視頻、遠(yuǎn)程辦公和與云計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景[3]。

為實(shí)現(xiàn)極高吞吐量傳輸?shù)募夹g(shù)目標(biāo),多接入點(diǎn)(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(wù)集(basic service set,BSS)著色技術(shù)的多BSS空間復(fù)用以提升系統(tǒng)吞吐量,但如果沒(méi)有有效地干擾管理控制算法,空間復(fù)用并不能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì),反而嚴(yán)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(fù)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(wú)線(xiàn)通信關(guān)鍵技術(shù)[7],實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(lái),隨著集成電路的快速發(fā)展,證明了使用主/被動(dòng)隔離器可以很好的解決單天線(xiàn)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(mǎn)足全雙工傳輸?shù)男枨?設(shè)計(jì)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(luò)場(chǎng)景[9-15]。文獻(xiàn)[9]提出一種非對(duì)稱(chēng)全雙工AFD-MAC協(xié)議,在傳統(tǒng)分布式MAC協(xié)議基礎(chǔ)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(duì)。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(jìn)傳統(tǒng)的RTS/CTS工作機(jī)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(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷(xiāo)。Liu等人[11]首先分析了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中隱藏終端對(duì)飽和吞吐量的影響,并提出了一種基于隱藏終端的增強(qiáng)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(hù)MAC協(xié)議設(shè)計(jì),無(wú)法滿(mǎn)足下一代WLAN多用戶(hù)應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)(station,STA)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并在此基礎(chǔ)上,為提升全雙工鏈路對(duì)的成功概率,設(shè)計(jì)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(hù)全雙工MAC協(xié)議,該協(xié)議由STA發(fā)起并競(jìng)爭(zhēng)接入信道建立全雙工傳輸鏈路對(duì)。為解決下一代高密集部署場(chǎng)景,STA競(jìng)爭(zhēng)沖突嚴(yán)重等問(wèn)題,GFDO協(xié)議[15]設(shè)計(jì)了一種基于空間簇的OFDMA多用戶(hù)全雙工MAC協(xié)議,該協(xié)議首次提出了兩級(jí)BSR信息上報(bào)機(jī)制,第一級(jí)空間簇成員以低功率模型獨(dú)立同步上報(bào)BSR信息至簇頭STA。第二級(jí)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(bào)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(hù)全雙工鏈路傳輸對(duì)。

然而,下一代WLAN IEEE 802.11be技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)從單AP場(chǎng)景轉(zhuǎn)向多AP場(chǎng)景。因此,已有的多用戶(hù)全雙工MAC協(xié)議已不能滿(mǎn)足下一代WLAN多AP重疊覆蓋場(chǎng)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(hù)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(shè)備集中調(diào)度協(xié)作組內(nèi)STA上報(bào)BI信息和全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

本文的主要貢獻(xiàn)概況如下:

1) 提出了一種基于AP協(xié)作的多小區(qū)多用戶(hù)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(shí)在不同子信道上建立全雙工鏈路對(duì)。

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(lái)的競(jìng)爭(zhēng)干擾,提高BI信息的搜集效率;同時(shí)提出一種級(jí)聯(lián)全雙工鏈路調(diào)度算法。

3) 搭建NS-2仿真平臺(tái),仿真驗(yàn)證了CMMFD協(xié)議與Mu-FuPlex協(xié)議、EnFD-OMAX協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能,驗(yàn)證了CMMFD協(xié)議在平均接入信道的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)方面有了極大的提升,其系統(tǒng)吞吐量相應(yīng)提升了29.6%。

1 系統(tǒng)模型

CMMFD協(xié)議考慮面向下一代WLAN的多小區(qū)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,如圖1所示。

圖1 多小區(qū)重疊覆蓋場(chǎng)景

多個(gè)相互重疊的小區(qū)形成一個(gè)協(xié)作傳輸組。圖1中的AP1、AP2以及APn形成一個(gè)協(xié)作組。協(xié)作組內(nèi)的所有AP通過(guò)有線(xiàn)方式與AC建立連接,文獻(xiàn)[16]提出了通過(guò)擴(kuò)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(shí)和交互延時(shí),并在實(shí)際的硬件平臺(tái)證明其延時(shí)足夠小,并不會(huì)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(shí)施基礎(chǔ)。假設(shè)1個(gè)AC協(xié)作管理n個(gè)重疊覆蓋的小區(qū)。每個(gè)小區(qū)包含1個(gè)具有全雙工能力的AP和m個(gè)半雙工STA。假設(shè)系統(tǒng)帶寬資源可劃分為k個(gè)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(cè)到2個(gè)或2個(gè)以上AP發(fā)出的信號(hào)[18]等技術(shù)將STA進(jìn)行分組,位于重疊空間組的STA將其標(biāo)記為1,位于非重疊空間組的STA將其標(biāo)記為0。圖1中灰色區(qū)域?yàn)橹丿B空間組,淺綠色區(qū)域?yàn)榉侵丿B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(duì)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(luò)系統(tǒng)中最大可用RU資源塊個(gè)數(shù)。公式(1)推導(dǎo)出重疊空間組所占用的RU資源數(shù)。從而可計(jì)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(chǎng)景尤為重要。本文重點(diǎn)研究單個(gè)協(xié)作組網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,給出一個(gè)簡(jiǎn)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)

2 協(xié)議描述

2.1 基本思想

CMMFD協(xié)議框架如圖2所示。其包含2個(gè)階段:BI信息收集階段、級(jí)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(yīng)的信道資源。其次,AC集中調(diào)度協(xié)作組內(nèi)的AP同時(shí)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(bào)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(jī)選擇1個(gè)RU以概率P接入信道上報(bào)BI信息,沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)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(jí)聯(lián)調(diào)度多小區(qū)多用戶(hù)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 多小區(qū)多用戶(hù)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(jìn)制退避機(jī)制檢測(cè)信道忙閑,當(dāng)任一AP退避完成,將信息上報(bào)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(bào)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(qiáng)協(xié)作組內(nèi)AP的處理速度,系統(tǒng)中的AP可采用輕量級(jí)虛擬AP設(shè)備[16]。

2.2 BI信息收集

STA上行BI信息收集效率,即STA上行緩存信息和節(jié)點(diǎn)間干擾信息是形成全雙工傳輸鏈路對(duì)的關(guān)鍵。高效的緩存信息收集提升全雙工鏈路對(duì)的傳輸機(jī)會(huì),實(shí)時(shí)的節(jié)點(diǎn)間干擾信息是全雙工鏈路對(duì)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(qiáng)型E-RTS幀觸發(fā)各小區(qū)中STA上報(bào)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(méi)有上行需求或沒(méi)獲得傳輸機(jī)會(huì)的STA處于接收狀態(tài),監(jiān)聽(tīng)鄰居STA發(fā)送E-CTS幀的信號(hào),并記錄該信號(hào)強(qiáng)度。準(zhǔn)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(jī)選擇1個(gè)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(jī)選擇1個(gè)RU接入信道。獲得接入信道機(jī)會(huì)的STA在已選擇的RU上回復(fù)攜帶緩存信息和節(jié)點(diǎn)間干擾信息的增強(qiáng)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(duì)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(duì)列為空，放棄競(jìng)爭(zhēng)

11: ENDIF

12: 返回Rin=-2∥放棄本次競(jìng)爭(zhēng)機(jī)會(huì)

AC維護(hù)1張實(shí)時(shí)緩存信息表和1張歷史節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)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(dòng)態(tài)更新STA節(jié)點(diǎn)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(hào)；h表示編號(hào)為1的小區(qū)內(nèi)STA編號(hào)；k表示編號(hào)為2的小區(qū)內(nèi)STA編號(hào)；l表示編號(hào)為n的小區(qū)內(nèi)STA編號(hào)。如:STAn,1表示第n個(gè)小區(qū)內(nèi)編號(hào)為1的STA。Iac為AC維護(hù)的節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)度信息表,協(xié)作組內(nèi)的AP將每輪BI收集過(guò)程中收集到的信息上報(bào)給AC。其中,(STA1,1,STA1,2)表示編號(hào)為1的小區(qū)內(nèi)編號(hào)為2的STA與編號(hào)為1的STA之間的信號(hào)強(qiáng)度。AC統(tǒng)計(jì)協(xié)作組內(nèi)所有STA之間的信號(hào)強(qiáng)度信息形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)度信息集合。

算法2 級(jí)聯(lián)全雙工鏈路調(diào)度算法

輸入:RSIN閾值Sth,系統(tǒng)中RU個(gè)數(shù)k,上行傳輸需求集合Bac,下行傳輸需求集合Dac,節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)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(gè)小區(qū)。Rindex為PU編號(hào)，Rindex∈[0,k),Findex表示級(jí)聯(lián)全雙工數(shù)據(jù)傳輸編號(hào)。

1: 初始化:

2:Rindex=0

3:Findex=1

4: 將Bac,Dac,Iac按小區(qū)進(jìn)行分組，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)Ci中的上行STA和下行STA個(gè)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(hào)為h和l之間的節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)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

2.3 級(jí)聯(lián)全雙工數(shù)據(jù)傳輸

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(diǎn)間干擾強(qiáng)度信息。最終,AP依據(jù)收集到的BSR信息和歷史節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)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(duì)時(shí),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(diǎn)間干擾強(qiáng)度信息集合Iac,按不同小區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行分組。其次,以上行需求集合為基準(zhǔn),依次在小區(qū)內(nèi)建立全雙工鏈路對(duì),由于CMMFD協(xié)議非重疊空間組可使用相同RU進(jìn)行BI收集,則一次收集過(guò)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(jí)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。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)性能,搭建了基于NS2的鏈路級(jí)-系統(tǒng)級(jí)一體化仿真平臺(tái)。仿真場(chǎng)景中配置多個(gè)重疊覆蓋的小區(qū),每個(gè)小區(qū)的覆蓋面積20 m×20 m。圖3描述了當(dāng)協(xié)作組內(nèi)AP個(gè)數(shù)為4,單個(gè)小區(qū)內(nèi)STA個(gè)數(shù)為40時(shí)的仿真場(chǎng)景配置圖。STA在與之關(guān)聯(lián)的AP覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)分布,且每個(gè)小區(qū)中的STA個(gè)數(shù)從5個(gè)開(kāi)始,依次以5為遞,最大單個(gè)小區(qū)中STA個(gè)數(shù)為40。仿真時(shí)間設(shè)置為20 s,最終仿真結(jié)果為10次獨(dú)立重復(fù)仿真的平均值。信道帶寬設(shè)置為20 MHz,RU個(gè)數(shù)設(shè)置為9。其中概率P設(shè)置為0.8和0.2[15]。其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

圖3 NS2仿真場(chǎng)景配置圖

3.2 系統(tǒng)平均接入信道數(shù)分析

上行BI收集效率直接影響全雙工傳輸對(duì)的建立。而上行BI收集即為單位時(shí)間內(nèi)STA平均接入信道的個(gè)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(dá)到一定程度時(shí),平均接入信道的STA個(gè)數(shù)趨向平衡[21]。EnFD-OMAX協(xié)議在同一時(shí)刻同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)接入信道的STA個(gè)數(shù)大于Mu-FuPlex協(xié)議,導(dǎo)致成功接入的STA個(gè)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(bào)BSR信息。因此,重疊區(qū)域STA對(duì)非重疊區(qū)域STA不產(chǎn)生干擾。使得平均接入信道個(gè)數(shù)遠(yuǎn)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(kuò)大,同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道的STA個(gè)數(shù)增加,導(dǎo)致在概率P值高的情況下,平均接入信道個(gè)數(shù)降低。

圖4 平均接入信道個(gè)數(shù)與協(xié)作組內(nèi)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的關(guān)系

3.3 系統(tǒng)吞吐量分析

系統(tǒng)吞吐量是評(píng)價(jià)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的重要性能指標(biāo)。本文提出的CMMFD協(xié)議,從吞吐量角度來(lái)說(shuō)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(shí)間總長(zhǎng)度可分為BI信息收集時(shí)間和全雙工數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,如圖5所示。其中BI信息收集時(shí)間長(zhǎng)度為:Tbi=Te-rts+Te-cts+2·Tsifs+Tdifs,全雙工數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)d。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(jī)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(píng)估CMMFD協(xié)議的系統(tǒng)性能,分別對(duì)協(xié)作組內(nèi)布置2,3,4個(gè)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行仿真,如圖6a)至6c)所示,且單個(gè)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的STA從5到40個(gè)進(jìn)行了對(duì)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(chǎng)景中其系統(tǒng)吞吐量遠(yuǎn)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(lái)源于2個(gè)方面:①CMMFD協(xié)議通過(guò)對(duì)重疊空間組和非重疊空間組進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)間干擾強(qiáng)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(duì)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(luò)場(chǎng)景中,在概率p值較大時(shí)平均接入信道的STA個(gè)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(duì)協(xié)作組內(nèi)小區(qū)的個(gè)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(duì),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?yàn)镸u-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(shí)間只存在一個(gè)小區(qū)進(jìn)行信息交互。因此,在單小區(qū)STA規(guī)模達(dá)到一定規(guī)模時(shí),Mu-FuPlex協(xié)議在多小區(qū)重疊覆蓋場(chǎng)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(duì),任何時(shí)刻協(xié)作組內(nèi)所有STA參與競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致多小區(qū)重疊覆蓋場(chǎng)景中競(jìng)爭(zhēng)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(luò)規(guī)模的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)下一代WLAN的高密集部署網(wǎng)絡(luò),IEEE802.11be技術(shù)的關(guān)注的從單AP向多AP場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換以及極高吞吐量傳輸?shù)募夹g(shù)目標(biāo)。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(hù)全雙工MAC協(xié)議。通過(guò)協(xié)作組內(nèi)的多AP協(xié)作,將協(xié)作組內(nèi)的STA進(jìn)行分組,統(tǒng)一分配信道資源,降低重疊區(qū)域內(nèi)STA競(jìng)爭(zhēng)沖突,以及非重疊區(qū)域內(nèi)STA的信道資源復(fù)用,極大地提升了系統(tǒng)的BI信息收集效率,全雙工鏈路對(duì)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(duì)重疊區(qū)域與非重疊區(qū)域進(jìn)行更細(xì)的分組以及協(xié)作組內(nèi)AP的位置部署進(jìn)行優(yōu)化,從而進(jìn)一步系統(tǒng)吞吐量。