李 宸
（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）
IEEE 802.11ax基于传统的分布式协调（Distributed Coordination Function，DCF）机制在信号传输前进行侦听，以避免Wi-Fi环境中的设备相互干扰。如果工作在同一频段的2个Wi-Fi在相互检测范围内，即便干扰微弱，也必须等待信道空闲时才能发送信号，造成信道资源浪费。在高密度部署场景下，相邻Wi-Fi之间的干扰造成的资源损失更加严重，网络容量进一步降低，频谱资源浪费加剧。例如，如果网络中已经有大量节点，但不清楚正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）通道如何分配，就很有可能发生节点访问和传输冲突[1]。因此，在高密度Wi-Fi环境中减少干扰的一种基本思路是集中管理和控制现有的干扰技术。通过分析用户密集场景中的干扰问题，开发集中式干扰管理方案。
随着用户业务需求的不断增长，Wi-Fi终端的数量不断增加，无线环境变得更加复杂，无法准确测量环境变化对设备的影响、干扰分析和干扰抑制。为了分析密集网络中的干扰问题，重点关注由接入点和主从站点组成的密集部署的控制中心网络。高密度Wi-Fi网络主要以主控接入点（Master Access Point，MAP）作为控制中心，以从属接入点（Slave Access Point，SAP）作为主要接入点为用户提供服务[2]。在Wi-Fi网络中，多个接入点同时工作，运行频段为5 GHz，且站点（Station，STA）在特定距离内随机均匀分布。密集网络用户分布如图1所示。
图1 密集网络用户分布
基于广泛使用的TCP/IP IPv4协议，单个接入点构成子网，除去网络号0、广播地址255以及自身占用的1个地址，余下的253个地址用于接入点地址分配，即接入点（Access Point，AP）可以访问的最大STA数为253[3]。传统802.11协议采用，DCF+载波监听多路访问 /冲突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）同时接入机制，随机延迟的端口冲突概率随着STA的数量呈指数增长，单个AP可以连接的最大STA数往往较低。802.11ax使用OFDMA和上行随机接入机制（UL-OFDMA Random Access，UORA）来优化改善访问，并减少冲突期间的干扰和冲突。
为了评估访问性能，可以仿真分析使用不同的信道访问过程来比较标准化吞吐量，分别是常规的DCF接入过程、DCF频段带请求发送/允许发送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）帧的接入过程、随机触发的接入过程（TF-R）以及确定性触发的接入过程（TF-D）。假设触发帧能够为确定性和随机接入信道调度上行链路资源块，为了发送触发帧，AP必须与关联STA及其他基站分系统（Base Sub-System，BSS）中的STA竞争信道。如果STA使用DCF或增强型分布信道接入机制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），会增加冲突的可能性并降低数据吞吐量[4]。
在实际情况下，吞吐量增益可能会受到服务过饱和、吞吐量调整以及功率调整等因素的限制。如果可以在密集场景中确定性地分配访问用户，则可以获得最佳通信效率，但需要合理确定接入STA站点数量，确保低于可分配给通道的资源单元（Resource Unit，RU）数量。如果STA站点数量超过可分配的数量，则需要运用定时唤醒（Target Wake Time，TWT）机制调整活跃站点数量，提升网络接入效率。
访问通道、传输数据以及确认响应时可能会发生干扰，Wi-Fi设备的设置通常只考虑自身的干扰，往往无法提供最佳的整体网络性能。在高密度用户场景下研究干扰管理的集中调度，通过一个控制器来管理用户分配、通话时间、信道分配以及传输功率控制等决策[5]。AP的任何调度决策都由控制器实现，该控制器缓存全部AP的反馈信息，通过调度程序缓冲从任何AP接收到的信息，根据已知信息执行计算，并确定每个AP将数据包发送到STA站点的方式。托管在控制器上的调度程序为每个STA维护1个单独的队列，而每个STA都维护1个虚拟接口，该接口连接到该STA每个区域中的多个接入点。
在MAP与SAP建立管理关系之前，SAP会初步联系某些STA，实现扫描、预认证、关联等管理操作[6]。此后，MAP启动干扰检查，向选定区域发送信标帧与SAP进行通信，获取SAP是否支持并行多AP网络及其所属的多AP网络信息。多AP同时传输所需的SAP可以从外部链路的采集信息、加载信息以及访问控制信息中确定，MAP根据接收到的SAP信息进行信息整合和计算。
选择参与多AP网络的接入点，使用STA通过下行链路 /上行链路（Down Link/Up Link，DL/UL）进行多AP转发。假设在计算之前已经对节点之间的关联进行了认证，SAP和STA之间的数据映射和传输遵循802.11ax协议的相应流程。首先，MAP发送类似于信标的触发帧，通知SAP检查干扰。具有不同站点 MAC 地址基本服务集标识符（Basic Service Set IDentifier，BSSID）的SAP在一定时间内作出反应并同意加入干扰控制，在一定时间后向MAP发送信标帧，宣布将为SAP实施故障管理。如果发送多个SAP，则MAP根据最长持续时间确定干扰检查开始时间[7]。其次，MAP根据约定的挂起SAP数量等信息向SAP发送MTS请求触发帧，请求干扰信息。再次，根据干扰管理流程，SAP向MAP返回一个包含相关信息的AP Info Report帧。需要注意的是，AP上报的信息是历史信息。最后，MAP根据相关信息进行周期性干扰管理，发送多STA Block Ack帧的MTS报告，并通知相关 SAP 处理结果。MTS Request Trigger帧结构如图2所示。
图 2 MTS Request Trigger帧结构
将MTS Request Trigger设置为新的触发器帧，并按照流程修改原触发器的Common Info和User Info字段。Common Info字段包含1个 1 Byte的信息空间，并添加了1个IM Mode子字段，以指示当前的干扰处理模式。在User Info字段中添加1个1 Byte的信息空间和SAPID子字段，以指定对应的SAPID。
SAP用来上报测量信息的AP Info Report帧结构如图3所示。
图 3 AP Info Report帧结构
图中 Length 字段表示 AP Info Report帧的长度；
TX Power字段表示SAP测量中使用的发射功率；
BW字段表示 SAP的可用带宽；
BSS Color Information字段显示当前AP的BSS Color信息；
Location字段表示SAP的定位辅助信息；
History Flag字段表示当前帧的历史信息；
STA Info Flag字段表示当前帧是否包含STA访问SAP的信息；
History Report字段包括但不限于平均吞吐量、延迟以及通过最新管理统计数据获得的其他信息。
对典型的暴露终端场景和高密度802.11ax部署场景进行建模，如图4、图5所示。
图4 典型暴露终端场景
图5 高密度802.11ax部署场景
典型暴露终端场景中，2个接入点中的每一个都以完全缓冲的服务模型与相关STA站点进行DL传输。典型的高密度802.11ax部署场景中，每个接入点关联5个STA。同样地，AP以全缓冲服务模式向关联STA发送下行链路数据，具体仿真参数如表1所示。
表1 具体仿真参数
在公共终端场景中，如果使用传统的CSMA/CA协议，只有AP0和AP1可以同时接入信道进行传输。采用提出的干扰管理方案后，该场景的无线通信网络性能得到很大的提升，原因是所提方案可以有效识别不安全的终端并允许AP0和AP1并行传输。在密集部署场景中，每个接入点必须与至少2个相邻接入点共享信道接入能力，网络干扰信号增加，性能大大降低。相较于CSMA/CA协议，所提出的干扰控制方案可以有效解决终端暴露带来的干扰问题，在高密部署场景下可以有效提高系统通信效率。
综上所述，在对密集用户场景下的干扰问题进行分析后，发现传统IEEE 802.11标准存在效率低下的问题。通过定制中心控制的扩展帧，设计基于控制器来管理用户分配、通话时间、信道分配以及传输功率控制的干扰管理方案。该方案可以联合AP资源对网络干扰进行优化，在密集场景中具有一定的有效性。
猜你喜欢 接入点字段密集 带钩或不带钩选择方框批量自动换电脑爱好者(2021年23期)2021-12-08耕地保护政策密集出台今日农业(2021年9期)2021-11-26密集恐惧症英语文摘(2021年2期)2021-07-22光伏发电并网大电网面临的问题与措施砖瓦世界·下半月(2019年6期)2019-10-20浅谈台湾原版中文图书的编目经验办公室业务(2019年13期)2019-08-01一种室内楼层定位方法数字技术与应用(2018年4期)2018-08-18Seeing Red汉语世界(The World of Chinese)(2018年6期)2018-01-22高校 WiFi 9 大谬论中国信息化周报(2016年40期)2016-11-26基于RSS技术的煤矿井下人员定位系统设计科技资讯(2016年9期)2016-05-14做个Patty万人迷BOSS臻品(2015年1期)2015-09-10