802.11ax干擾管理方案研究

李 宸

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

IEEE 802.11ax基于傳統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)（Distributed Coordination Function，DCF）機(jī)制在信號(hào)傳輸前進(jìn)行偵聽，以避免Wi-Fi環(huán)境中的設(shè)備相互干擾。如果工作在同一頻段的2個(gè)Wi-Fi在相互檢測(cè)范圍內(nèi)，即便干擾微弱，也必須等待信道空閑時(shí)才能發(fā)送信號(hào)，造成信道資源浪費(fèi)。在高密度部署場(chǎng)景下，相鄰Wi-Fi之間的干擾造成的資源損失更加嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)一步降低，頻譜資源浪費(fèi)加劇。例如，如果網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有大量節(jié)點(diǎn)，但不清楚正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）通道如何分配，就很有可能發(fā)生節(jié)點(diǎn)訪問和傳輸沖突[1]。因此，在高密度Wi-Fi環(huán)境中減少干擾的一種基本思路是集中管理和控制現(xiàn)有的干擾技術(shù)。通過分析用戶密集場(chǎng)景中的干擾問題，開發(fā)集中式干擾管理方案。

1 Wi-Fi密集用戶場(chǎng)景

隨著用戶業(yè)務(wù)需求的不斷增長，Wi-Fi終端的數(shù)量不斷增加，無線環(huán)境變得更加復(fù)雜，無法準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境變化對(duì)設(shè)備的影響、干擾分析和干擾抑制。為了分析密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題，重點(diǎn)關(guān)注由接入點(diǎn)和主從站點(diǎn)組成的密集部署的控制中心網(wǎng)絡(luò)。高密度Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)主要以主控接入點(diǎn)（Master Access Point，MAP）作為控制中心，以從屬接入點(diǎn)（Slave Access Point，SAP）作為主要接入點(diǎn)為用戶提供服務(wù)[2]。在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)工作，運(yùn)行頻段為5 GHz，且站點(diǎn)（Station，STA）在特定距離內(nèi)隨機(jī)均勻分布。密集網(wǎng)絡(luò)用戶分布如圖1所示。

圖1 密集網(wǎng)絡(luò)用戶分布

2 Wi-Fi密集用戶場(chǎng)景問題分析

基于廣泛使用的TCP/IP IPv4協(xié)議，單個(gè)接入點(diǎn)構(gòu)成子網(wǎng)，除去網(wǎng)絡(luò)號(hào)0、廣播地址255以及自身占用的1個(gè)地址，余下的253個(gè)地址用于接入點(diǎn)地址分配，即接入點(diǎn)（Access Point，AP）可以訪問的最大STA數(shù)為253[3]。傳統(tǒng)802.11協(xié)議采用，DCF+載波監(jiān)聽多路訪問 /沖突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）同時(shí)接入機(jī)制，隨機(jī)延遲的端口沖突概率隨著STA的數(shù)量呈指數(shù)增長，單個(gè)AP可以連接的最大STA數(shù)往往較低。802.11ax使用OFDMA和上行隨機(jī)接入機(jī)制（UL-OFDMA Random Access，UORA）來優(yōu)化改善訪問，并減少?zèng)_突期間的干擾和沖突。

為了評(píng)估訪問性能，可以仿真分析使用不同的信道訪問過程來比較標(biāo)準(zhǔn)化吞吐量，分別是常規(guī)的DCF接入過程、DCF頻段帶請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）幀的接入過程、隨機(jī)觸發(fā)的接入過程（TF-R）以及確定性觸發(fā)的接入過程（TF-D）。假設(shè)觸發(fā)幀能夠?yàn)榇_定性和隨機(jī)接入信道調(diào)度上行鏈路資源塊，為了發(fā)送觸發(fā)幀，AP必須與關(guān)聯(lián)STA及其他基站分系統(tǒng)（Base Sub-System，BSS）中的STA競(jìng)爭信道。如果STA使用DCF或增強(qiáng)型分布信道接入機(jī)制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），會(huì)增加沖突的可能性并降低數(shù)據(jù)吞吐量[4]。

在實(shí)際情況下，吞吐量增益可能會(huì)受到服務(wù)過飽和、吞吐量調(diào)整以及功率調(diào)整等因素的限制。如果可以在密集場(chǎng)景中確定性地分配訪問用戶，則可以獲得最佳通信效率，但需要合理確定接入STA站點(diǎn)數(shù)量，確保低于可分配給通道的資源單元（Resource Unit，RU）數(shù)量。如果STA站點(diǎn)數(shù)量超過可分配的數(shù)量，則需要運(yùn)用定時(shí)喚醒（Target Wake Time，TWT）機(jī)制調(diào)整活躍站點(diǎn)數(shù)量，提升網(wǎng)絡(luò)接入效率。

3 802.11ax干擾管理方案設(shè)計(jì)

訪問通道、傳輸數(shù)據(jù)以及確認(rèn)響應(yīng)時(shí)可能會(huì)發(fā)生干擾，Wi-Fi設(shè)備的設(shè)置通常只考慮自身的干擾，往往無法提供最佳的整體網(wǎng)絡(luò)性能。在高密度用戶場(chǎng)景下研究干擾管理的集中調(diào)度，通過一個(gè)控制器來管理用戶分配、通話時(shí)間、信道分配以及傳輸功率控制等決策[5]。AP的任何調(diào)度決策都由控制器實(shí)現(xiàn)，該控制器緩存全部AP的反饋信息，通過調(diào)度程序緩沖從任何AP接收到的信息，根據(jù)已知信息執(zhí)行計(jì)算，并確定每個(gè)AP將數(shù)據(jù)包發(fā)送到STA站點(diǎn)的方式。托管在控制器上的調(diào)度程序?yàn)槊總€(gè)STA維護(hù)1個(gè)單獨(dú)的隊(duì)列，而每個(gè)STA都維護(hù)1個(gè)虛擬接口，該接口連接到該STA每個(gè)區(qū)域中的多個(gè)接入點(diǎn)。

在MAP與SAP建立管理關(guān)系之前，SAP會(huì)初步聯(lián)系某些STA，實(shí)現(xiàn)掃描、預(yù)認(rèn)證、關(guān)聯(lián)等管理操作[6]。此后，MAP啟動(dòng)干擾檢查，向選定區(qū)域發(fā)送信標(biāo)幀與SAP進(jìn)行通信，獲取SAP是否支持并行多AP網(wǎng)絡(luò)及其所屬的多AP網(wǎng)絡(luò)信息。多AP同時(shí)傳輸所需的SAP可以從外部鏈路的采集信息、加載信息以及訪問控制信息中確定，MAP根據(jù)接收到的SAP信息進(jìn)行信息整合和計(jì)算。

選擇參與多AP網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，使用STA通過下行鏈路 /上行鏈路（Down Link/Up Link，DL/UL）進(jìn)行多AP轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)在計(jì)算之前已經(jīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了認(rèn)證，SAP和STA之間的數(shù)據(jù)映射和傳輸遵循802.11ax協(xié)議的相應(yīng)流程。首先，MAP發(fā)送類似于信標(biāo)的觸發(fā)幀，通知SAP檢查干擾。具有不同站點(diǎn) MAC 地址基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（Basic Service Set IDentifier，BSSID）的SAP在一定時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并同意加入干擾控制，在一定時(shí)間后向MAP發(fā)送信標(biāo)幀，宣布將為SAP實(shí)施故障管理。如果發(fā)送多個(gè)SAP，則MAP根據(jù)最長持續(xù)時(shí)間確定干擾檢查開始時(shí)間[7]。其次，MAP根據(jù)約定的掛起SAP數(shù)量等信息向SAP發(fā)送MTS請(qǐng)求觸發(fā)幀，請(qǐng)求干擾信息。再次，根據(jù)干擾管理流程，SAP向MAP返回一個(gè)包含相關(guān)信息的AP Info Report幀。需要注意的是，AP上報(bào)的信息是歷史信息。最后，MAP根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行周期性干擾管理，發(fā)送多STA Block Ack幀的MTS報(bào)告，并通知相關(guān) SAP 處理結(jié)果。MTS Request Trigger幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 MTS Request Trigger幀結(jié)構(gòu)

將MTS Request Trigger設(shè)置為新的觸發(fā)器幀，并按照流程修改原觸發(fā)器的Common Info和User Info字段。Common Info字段包含1個(gè) 1 Byte的信息空間，并添加了1個(gè)IM Mode子字段，以指示當(dāng)前的干擾處理模式。在User Info字段中添加1個(gè)1 Byte的信息空間和SAPID子字段，以指定對(duì)應(yīng)的SAPID。

SAP用來上報(bào)測(cè)量信息的AP Info Report幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 AP Info Report幀結(jié)構(gòu)

圖中 Length 字段表示 AP Info Report幀的長度；TX Power字段表示SAP測(cè)量中使用的發(fā)射功率；BW字段表示 SAP的可用帶寬；BSS Color Information字段顯示當(dāng)前AP的BSS Color信息；Location字段表示SAP的定位輔助信息；History Flag字段表示當(dāng)前幀的歷史信息；STA Info Flag字段表示當(dāng)前幀是否包含STA訪問SAP的信息；History Report字段包括但不限于平均吞吐量、延遲以及通過最新管理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得的其他信息。

4 方案仿真分析

對(duì)典型的暴露終端場(chǎng)景和高密度802.11ax部署場(chǎng)景進(jìn)行建模，如圖4、圖5所示。

圖4 典型暴露終端場(chǎng)景

圖5 高密度802.11ax部署場(chǎng)景

典型暴露終端場(chǎng)景中，2個(gè)接入點(diǎn)中的每一個(gè)都以完全緩沖的服務(wù)模型與相關(guān)STA站點(diǎn)進(jìn)行DL傳輸。典型的高密度802.11ax部署場(chǎng)景中，每個(gè)接入點(diǎn)關(guān)聯(lián)5個(gè)STA。同樣地，AP以全緩沖服務(wù)模式向關(guān)聯(lián)STA發(fā)送下行鏈路數(shù)據(jù)，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 具體仿真參數(shù)

在公共終端場(chǎng)景中，如果使用傳統(tǒng)的CSMA/CA協(xié)議，只有AP0和AP1可以同時(shí)接入信道進(jìn)行傳輸。采用提出的干擾管理方案后，該場(chǎng)景的無線通信網(wǎng)絡(luò)性能得到很大的提升，原因是所提方案可以有效識(shí)別不安全的終端并允許AP0和AP1并行傳輸。在密集部署場(chǎng)景中，每個(gè)接入點(diǎn)必須與至少2個(gè)相鄰接入點(diǎn)共享信道接入能力，網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)增加，性能大大降低。相較于CSMA/CA協(xié)議，所提出的干擾控制方案可以有效解決終端暴露帶來的干擾問題，在高密部署場(chǎng)景下可以有效提高系統(tǒng)通信效率。

5 結(jié) 論

綜上所述，在對(duì)密集用戶場(chǎng)景下的干擾問題進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)存在效率低下的問題。通過定制中心控制的擴(kuò)展幀，設(shè)計(jì)基于控制器來管理用戶分配、通話時(shí)間、信道分配以及傳輸功率控制的干擾管理方案。該方案可以聯(lián)合AP資源對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾進(jìn)行優(yōu)化，在密集場(chǎng)景中具有一定的有效性。