刘广钟 董宇航

摘要：针对目前体育场、客运站、办公区等高密度节点环境下，无线局域网（wireless local area networks， WLAN）接入缓慢和上下行数据传输不平衡的特点，基于物理层的正交频分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）和多用户多输入多输出（multi-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技术，提出有序混合竞争的媒体访问控制（media access control， MAC）协议。该协议通过初次随机筛选一定数量的节点完成同步上行传输，而剩余节点参加下一轮的混合竞争，增加竞争节点接入的有序性，以提高高密度节点环境下的系统性能。根据该协议特性建立一个数学模型，通过改变模型参数进行模拟，结果显示该协议能够有效改善高密度节点竞争接入WLAN的性能。

关键词：无线局域网（WLAN）; 媒体访问控制（MAC）; 多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术;高密度节点

中图分类号：TP393.1

文献标志码：A

收稿日期：2018-03-05

修回日期：2018-05-04

作者简介：

刘广钟（1962—），男，江苏徐州人，教授，博导，博士，研究方向为计算机网络和水声通信，（E-mail）gzhliu@shmtu.edu.cn

Abstract：Under the current high-density node environment， such as stadiums， passenger stations， and office zones， accessing wireless local area networks （WLAN） is slow， and the transmission between uplink data and downlink data is unbalanced. In view of the above defects， based on the orthogonal frequency-division multiple access （OFDMA） of the physical layer and the multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology， an ordered hybrid competitive media access control （MAC） protocol is proposed. In the protocol， the simultaneous uplink data transmission is achieved by initially selecting a certain number of nodes randomly， and the remaining nodes participate in the next round of hybrid competition to increase the orderliness of the competition node access and improve the system performance under the high-density node environment. A mathematical model is established according to the characteristics of the protocol， the model is simulated by changing the model parameters， and the results show that this protocol can improve the performance of high-density nodes accessing WLAN in competition.

Key words：wireless local area networks （WLAN）; media access control （MAC）; multi-user multiple-input multiple-output （MU-MIMO） technology; high-density node

0 引 言

体育场、客运站、办公区等场景存在高密度工作站（station， STA）[1]，而高密度STA接入接入点（access point，AP）会造成入口拥挤，因此，为满足高数据流量的实时信息反馈需求，急需提高传统无线技术802.11的上行传输性能。YEON等[2]提出的自适应动态帧聚合和分段算法主要考虑了AP的实时动态队列调整和节点自适应接入信道的时机，STA通过前一次发送情况闭环反馈信道质量，并根据信道质量动态调整聚合帧大小，以减少多数据帧差错重传的退避控制开销和每个数据帧成功传输反馈的确认帧数量。该算法虽利用帧聚合的方式动态减少控制开销，但对于高密度節点高数据传输率的情况，系统的整体吞吐量提升有限。吴锐骁[3]研究了超高速无线局域网媒体访问控制（medium access control， MAC）层高级信道接入技术，通过AP集中管理和控制信道接入去除传统802.11协议中站点随机回退式的自由竞争，通过汇集站点的竞争信息把站点竞争信道的过程放到无线控制器内，将不同的帧间距时长统一替换为短帧间距时长，减少帧传输之间的时延，提高信道利用率，在多站点同时竞争信道时，避免了碰撞的发生，优化了站点接入。杨帆等[4]提出了基于非合作博弈的资源分配算法，在正交频分多址（orthogonal frequency-division multiple access， OFDMA）中不同质量的信道通过资源分配算法由AP公平分配给多个STA，资源分配的理想状态是所有用户通过非合作博弈公平地得到不同质量的信道资源。该算法动态调整信道分配概率，并通过降低非合作博弈的最小代价，最大化系统功效。

考虑到部分节点的有序接入能缓解拥堵状况，本文在前人研究的基础上提出有序混合竞争MAC协议。无线局域网的物理层（physical layer， PHY）目前采用的OFDMA技术，在利用正交频分多路复用（orthogonal frequency-division multiplexing， OFDM）对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载数据进行传输[5]。该技术在给定时间内为不同的STA分配相应的子信道，允许同时由多个STA上传数据给AP。AP通过收集相关的频率和用户差异信息将通信质量较差的STA剔除，把让出的信道分配给通信质量优良的STA，从而提高系统的灵活性和信道利用率[6]。搭配OFDMA的多子信道数据传输，多用户多输入多输出（multiple-user multiple-input multiple-output， MU-MIMO）技术利用多根天线与多个STA同时通信，可以提高通信质量，同时极大地提升基本服务集的吞吐量，对于高密度节点场景非常适用。[7]上行MU-MIMO：不同用户使用相同的时频资源进行上行发送（单天线发送），从接收端来看，这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线，从而构成了一个虚拟的MIMO系统。本文基于OFDMA和MU-MIMO物理层技术，提出有序混合竞争MAC协议模型。

1 MAC层技术

1.1 有序混合竞争MAC协议

针对基本服务集内多STA与同一AP的数据传输特性，根据多数据包接收（multiple packet receiving， MPR）[8]技术，本文提出有序混合竞争MAC协议。该协议主要解决多STA多数据帧上行传输问题。

该MAC层技术只要对目前的STA和AP的MAC协议做少量修改，就可以完成既定目标。假定基于MU-MIMO物理层技术的AP拥有b根天线，可以同时进行b个STA数据帧上传。无线局域网主要使用基于载波监听多路访问/冲突检测（carrier sense multiple access/collision detect， CSMA/CA）的基础协议和可以发送（clear to send， CTS）/请求发送（request to send， RTS）控制帧的两次握手协议，本文主要根据两次握手协议进行改进。

在现实的车站运输场景下，当人流量过大时需要想办法解决流量入口的有序性问题并减少冲突。本文基于这种思路，在同时竞争上传数据的众多STA中选取一个子集，并在子集中提取AP所允许同时上传的STA数量，完成数据同步上行传输，对被从子集中甩出的无法上传数据的节点（称为过剩节点）进行标记，减少其竞争窗口值，使其计时器在退避计时中优先减少到0，得到优先接入机会。

1.2 对控制帧的修改

在传统802.11协议中，为解决隐藏和暴露节点问题，需要在STA与AP之间使用RTS和CTS控制帧进行两次握手。RTS是STA将要发送的数据先告知周围节点，CTS是AP收到STA的RTS后返回的告知整个基本服务集的控制帧，两个控制帧中都包含预估的数据传送时间，使基本服务集中的STA能够被通知，避免碰撞，完成有序竞争。

为减少多个上传STA的控制开销，对AP回复STA的CTS和确认字符（acknowledgement， ACK）控制帧做部分修改，修改后的控制帧分别称为G-CTS和G-ACK[9]，其结构见表1。STA使用RTS控制帧直接进行信道抢占，对传统802.11协议的RTS控制帧不做修改，因为AP要对多个STA进行控制，G-CTS包含已经被选中同步上行传输的b个STA地址，可以通知这b个STA进行同步上传，即起到通知节点和时间同步的作用。G-ACK协议中有被选中子集的N个STA地址，用于确认b个STA是否已经成功传输数据和告知过剩STA设置竞争窗口值Cwgs（该竞争窗口初始值是小于传统竞争窗口初始值的）。

1.3 有序混合竞争过程

多STA数据帧同步上行传输包括两种情况：第一种是初次启动或者空闲后的数据传输，第二种是连续饱和流量竞争中的数据传输。使用有序混合竞爭MAC协议的多STA竞争过程见图1。

第一种情况一定在第二种情况之前发生：首先，无任何特殊标记的STA发出RTS控制帧竞争接入有b个天线资源的AP。AP利用MPR不断接收STA发出的RTS控制帧并记录在队列内，当收到N个RTS控制帧之后，经过一个很短的判断时间，AP马上发出G-CTS控制帧广播通知所有STA立即停止发送RTS控制帧，且通知被选中发送数据的b个STA准备发送数据。

在AP不断接收竞争STA发出的RTS控制帧的同时，程序随机在已经排入队列的STA中进行选择。当竞争STA数量为M，且M

如果b

如果M>N，那么AP就可以在N个STA中选择b个允许传输数据的STA，Q记录数为b，过剩STA将退避计时器挂起，而被选中的STA立即开始同步上传数据。同步上传的数据帧大小不一，AP会根据最长的数据帧结束上行数据传输过程，并立即发出G-ACK控制帧通知所有STA（刚刚发送数据的b个STA被告知其数据已经接收完毕，其余N-b个STA被告知其为过剩节点）。各过剩节点将其初始竞争窗口值变成Cwgsmin（

与初始竞争阶段不同，接下来的竞争阶段被称为混合竞争阶段，竞争STA中包括普通节点和过剩节点，各STA在优先级上存在一定的差别，过剩节点有一定的同步上行传输优势。

以上为传输条件理想情况，在STA上传数据的过程中，AP会将收到的不同源IP地址数量与Q记录的数量进行比较，如果在AP发送G-CTS控制帧时信道发生异常、部分STA接收控制帧异常或者上传数据时发生丢包，则AP无法得到与Q记录相同的STA数量，AP会在一个短帧间间隙后重新发送一次G-CTS控制帧而不是G-ACK，接收到该控制帧的STA会立即响应。如果第二次AP确认得到与Q记录相同的STA数量，则AP发出G-ACK并继续运行。如果第二次仍然无法确认得到与Q记录相同的STA数量，则停止广播控制帧，AP不做任何响应，各STA会进行超时重传，尽可能减少网络延迟。

图2描述了M个STA（S1～SM）进行同步上行数据传输竞争的情况，其中：S1到S3完成竞争成功同步传输数据;SM在子集中没有被选中，被标记成过剩节点，并继续参与下一阶段的混合竞争;BBO代表信道占用;Difs代表分布式帧间间隙（distributed interframe space）。

1.4 系统吞吐量模型

首先计算在一个时隙中至少有一个STA传输

2 系统性能评估

2.1 性能测试准备

在无数据包丢失、无信号干扰、无路径衰减、无数据包超时重传的理想环境[13]下对高密度STA场景进行仿真。分别观察仿真场景下竞争STA数量M分别为2、5、10、30、50时的情况。系统所使用的固定参数值见表2，其中G-CTS和G-ACK长度为“基本控制帧+要告知的地址个数×地址长度”。

有两个关键参数值需要考虑，分别为第一阶段选取的子集中STA数量N和混合竞争过剩节点的最小竞争窗口值Cwgsmin。根据仿真观察有序混合竞争MAC协议模型对提升系统吞吐量的效果，以下仿真均是在饱和流量情况下进行的。

2.2 子集中STA数量N的系统性能评估

保持AP天线数量b=6不变，N的数量从4变化到15，观察系统吞吐量随N的变化情况。由图3可知：除竞争STA数量M=2时的曲线之外，M为其他值时的曲线显示系统吞吐量都随N的增大先增大后减小，在N=13附近达到峰值。这说明子集中STA数量N不是越大越好，最优解在N=13附近，更大的N会使第二混合阶段的帧碰撞增加，从而造成系统吞吐量减少。

2.3 过剩节点最小竞争窗口值的系统性能评估

保持AP天线数量b=6不变，第一阶段子集中STA数量N=13，改变不同的过剩节点最小竞争窗

口值Cwgsmin，观察不同竞争STA数量M对系统吞吐量的影响。由图4可知：除竞争STA数量M=2的曲线之外，M为其他值的曲线显示系统吞吐量都随Cwgsmin的增大先缓慢增大后缓慢减小，分别在Cwgsmin为22和24时取得最大值。这说明调整Cwgsmin对系统性能非常重要：Cwgsmin过小会导致过剩节点容易选取相同的退避值，造成数据帧碰撞，影响系统吞吐量;随着Cwgsmin的不断增大，STA竞争逐渐没有差别，导致系统性能下降。

HEGDE等[14]提出了无线局域网服务增强协议（简称ADWISER），该协议要求STA竞争接入介质必须受中央控制节点调度，这样能够减轻信道之间的相互干扰和信道上下行传输的不公平性，并增强AP的数据缓冲队列和中央调度控制。本文用OHC与ADWISER做对比试验。

2.4 有序混合競争模型与ADWISER模型的系统性能比较

为验证有序混合竞争模型的性能，通过仿真比较采用混合竞争模型时与采用ADWISER模型时系统性能的差异。对于有序混合竞争，关键参数取值为：子集中STA数量N=13，参数过剩节点最小竞争窗口值Cwgsmin=23.

固定数据传输率为13 Mbit/s，采用有序混合竞争模型和ADWISER模型仿真时的其他参数相同，见表2。通过改变竞争STA数量M，比较采用两种模型时的系统吞吐量。由图5可知：在M不断增大的情况下，采用有序混合竞争模型时系统吞吐量始终保持较低的下降速度，优于采用ADWISER模型时的结果;当采用有序混合竞争模型时，天线数量越多系统的吞吐量指标越好。这说明有序混合竞争模型能够更好地适应较多STA竞争的场景。

保持竞争STA数量M=20不变，让各STA不间断发送数据包，通过同步不断增大各STA的数据传输率，比较采用混合竞争模型时与采用ADWISER模型时系统性能的差异。由图6可知：随着各STA数据传输速率的增大，采用ADWISER模型时系统的吞吐量增长速率明显低于采用混合竞争模型时系统的吞吐量增长速率;当采用有序混合竞争模型时，

天线数量越多系统的吞吐量指标越好。这说明随着数据传输速率增大，采用有序混合竞争模型时系统能够保持更好的性能，且更能够适应节点的高数据传输速率环境。

3 结 论

本文提出的有序混合竞争媒体访问控制（MAC）协议旨在提升高密度工作站（STA）场景下的上行多数据帧同步传输质量。为量化有序混合竞争MAC协议，建立了有关竞争窗口的系统吞吐量数学模型，并通过仿真高密度STA分布式随机竞争接入信道场景，改变不同的参数值和竞争STA数量，观察系统吞吐量的变化情况。仿真表明，有序混合竞争模型对较多STA竞争的场景系统性能提升较明显，说明了有序混合竞争模型的有效性。

参考文献：

[1]CHARFI E， CHAARI L， KAMOUN L. PHY/MAC enhancements and QoS mechanisms for very high throughput WLANs：a survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2013， 15（4）：1714-1734. DOI：10.1109/SURV.2013.013013.00084.

[2]YEON H， SAHU S K， PARK W， et al. Adaptive transmission scheme using dynamic aggregation and fragmentation in WLAN MAC[C]//Wireless Communications and Networking Conference （WCNC）. Istanbul：IEEE， 2014：1532-1537.

[3]吴锐骁. 超高速无线局域网MAC层高级信道接入技术研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2012.

[4]杨帆， 张小松， 明勇. 基于非合作博弈的OFDMA-WLAN系统资源分配算法研究[J]. 计算机科学， 2016， 43（6）：319-321.

[5]ALAM M S， MARK J W， SHEN X. Relay selection and resource allocation for multi-user cooperative OFDMA networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（5）：2193-2205. DOI：10.1109/TWC.2013.032113.120652.

[6]NASRAOUI L， ATALLAH LN， SIALA M. Synchronization technique for MIMO-OFDM WLAN systems with space time diversity[C]//Wireless Communications and Mobile Computing Conference （IWCMC）. Croatia：IEEE， 2015：250-255. DOI：10.1109/IWCMC.2015.7289091.

[7]PENG Duan， WU Ying. The performance evaluation of the IEEE 802.11ac uplink MU-MIMO systems[C]// 2017 2nd IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystem（ICICM）. Nanjing：IEEE， 2017：282-285.

[8]ZHAO Qing， TONG Lang. A dynamic queue protocol for multi access wireless networks with multipacket reception[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2004， 3（6）：2221-2231. DOI：10.1109/TWC.2004.837654.

[9]LIAO Ruizhi， BELLALTA B， OLIVER M. DCF/USDMA：enhanced DCF for uplink SDMA transmissions in WLANs[C]//2012 8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference （I-WCMC）. Limassol， Cyprus：IEEE， 2012：263-268.

[10]毛建兵， 毛玉明， 冷甦鵬， 等. 基于802.11的多信道MAC协议性能分析[J]. 计算机研究与发展， 2009， 46（10）：1651-1659.

[11]BIANCHI G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2000， 18：535-547. DOI：10.1109/49.840210.

[12]ZHENG Pengxuan， ZHANG Yingjun， LIEW Soung Chang. Multipacket reception in wireless local area networks[C]//IEEE International Conference on Communications. Istanbul：IEEE， 2006， 8：3670-3675. DOI：10.1109/ICC.2006.255642.

[13]SONG Liwei， LIAO Yun， BIAN Kaigui， et al. Cross-layer protocol design for CSMA/CD in full-duplex WiFi networks[J]. IEEE Communications Letters， 2016， 20（4）：792-795. DOI：10.1109/LCOMM.2016.2519518.

[14]HEGDE M， KUMAR P， VASUDEV K R， et al. Experiences with a centralized scheduling approach for performance management of IEEE 802.11 wireless LANs[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2012， 21（2）：648-662. DOI：10.1109/TNET.2012.2207402.

（编辑 贾裙平）