朱庆华　常莹

摘要：在实现 IEEE 802.11ax目标唤醒机制的基础上，进行了一定的完善和改进，提出一种分组的节点接入方法。首先接入点对设备进行分组，然后通过目标唤醒机制，公平分配每一组的传输时间，没有传输数据的时候就休眠，可以大大的节能。其次组内通过竞争机制获得各自的传输时间，一组的数据都传完再到下一组，所有数据传完之后再继续传输。实验仿真表明基于目标唤醒机制的 802.11ax节点接入技术，在有效提高吞吐量的同时，极大降低了所需功耗，同时控制数据包重传率，能够满足一定条件下无线局域网的应用需求。

关键词：TWT;唤醒机制;节点接入; 802.11ax

中图分类号：TP393        文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）02-0259-03

1 概述

近年来，通信行业发生了翻天覆地的变化，人们的生活也有了质的飞跃，这在很大程度上得益于无线局域网的快速发展。但是网络拥堵也已经成为一个严重的问题，比如繁忙的机场、火车站、住宅公寓楼等，无线局域网需要为许许多多的客户端设备提供服务[1，2]。为了推进无线局域网的发展并满足用户对于吞吐量、能耗等的需求，必须继续提高性能，业界正在通过802.11ax满足这些需求[3]。802.11ax修正案旨在通过瞄准显著增长来挑战Wi-Fi部署的密集化。TWT机制最初是为降低能耗而设计的，它通过及时调度MU-DL和MU-UL传输以及从站点收集信息来完全最大化IEEE 802.11 MU能力[4]。此外，在密集场景中，无线局域网可以使用TWT来就非重叠调度达成一致，以进一步改善重叠BSS共存以及其他潜在用途。TWT的发展空间还很大，它的新用途将在未来几年被研究，预计将推动未来无线局域网的加速发展与开拓新的发展空间[5]。

802.11ax无线局域网络通过增加更高的容量，更大的覆盖范围和减少信道拥塞来使得Wi-Fi网络变得更适用于当前的客户需求，从而带来更好的用户体验。802.11ax中包含了目标唤醒时间（TWT）机制来调度传输时间，目的是增强物理层和MAC层，以提高密集WLAN场景中的频谱利用率，在保证高效的同时，也相应地提高了用户的性能[6]。TWT允许节点通过相互协调或者由AP集中调度进入休眠状态或者激活状态。通过使部分节点进入休眠状态，可以减少节点之间的竞争，增加网络吞吐量，同时减少节点的功率消耗。此外无线接入点可以将客户端设备分配到不同的TWT周期，从而减少同时竞争无线信道的设备数量，减少冲突。除此之外，TWT通过协调增加设备休眠时间，延长电池的寿命。

至今，很多关于TWT的研究都已展开，人们希望通过减少参与通信或工作的节点个数来降低网络的能量消耗，调控网络中的节点，协调网络中节点的唤醒与休眠，减少终端设备的能量消耗，最终可以延长网络寿命[7，8]。

2 系统模型

考虑的是在只有一个接入点和众多终端设备的情况下，假设每一个设备都想要上传数据，数据量是饱和的。接入点对固定数量的设备进行分组，然后通过目标唤醒机制，公平分配每一组的传输时间，设备在没有传输数据的时候就休眠。其次是组内的STA通过竞争机制获得各自的传输时间，一个时间里只有一个STA在传，一组的数据都传完再到下一组，所有数据传完之后再继续传输。在传统的802.11中采用退避算法时，虽然在一定程度上避免了冲突，但随着用户的数量增加，信道冲突的可能性会加大，而采用分组可以获得最佳数据传输的STA数量[9]。

通过AP 控制多个TWT STA的上行传输。假如STA都有数据等待传输，并且传完之后又有新的数据要上传。首先，AP根据STA的数量确定最佳的分组大小，再对每一组分配好适当的TWT时间，基于公平性，每一组传输时间相同，因此TWT是周期性固定值。每一组在对应的TWT醒来后，STA就可以向AP传输数据。而组内则根据退回机制，STA竞争传输的时隙，每个时间段里只有一个STA传输，每一个数据包传输完AP就发送对应的ACK包，收到ACK的STA可以休眠。一整组STA传完之后到下一组再传，直到每一组都传完，再开始下一轮新的传输。设备分组为10时，吞吐量最佳。于是，当STA的数量小于10时，冲突性较小，不用分组。当STA数量超过10时;STA数量除以K，K值等于数量值向上取整后再除以10;当STA数量超过100时，都为10。

3 性能评估指标

3.1 吞吐量

吞吐量表示的是单位时间内信道中传输的数据量，换句话说就是一段时间内信道中的平均数据传输速率，吞吐量测量单位通常以比特/秒或字节/秒表示。802.11的信号传输速率会根据所用的具体传输技术而各不相同，但是随着 STA 数量的增长，造成碰撞重传的概率增大，吞吐量因而降低。在无线局域网中，终端的数量很多，由于数量增多时碰撞会变多而造成的吞吐量降低特别明显[10]，因此提高无线网络的密集场景中终端的吞吐量是很有必要的。由于 STA 数量范围较大，实验仿真吞吐量的真实数据相差很大，在图像中难以直观呈现，因此为了提高图像的可观性，本文采用归一化饱和吞吐量作为评估指标，如公式（1）。归一化饱和吞吐量的计算公式：

其中，[TRAW]表示 RAW 的持续时间，P 是网络负载，单位为比特，[NRAW]上文提到过，表示 RAW 分组数量，[Etr]表示传输数量，[Ps]为传输成功率。

3.2 能量消耗

对无线局域网中依靠电池供电的设备来说，能量消耗也是一个极其重要的性能评估指标。本文中能量消耗表示的是，成功传输1比特负载数据而消耗的能量。无线局域网的终端设备有四种状态：接收与发送、休眠以及关机。其中，关机状态不需要消耗能量[11]。发送状态下， STA 主要传输 RTS帧和数据帧，而接收模式下的 STA 负责接收信标帧、CTS帧和 ACK 帧[12]。

3.3 传输速率

本文假设传输的数据包大小为1000字节，同时，假设造成传输失败的主要原因为碰撞，而信道质量是理想的。在饱和场景下，默认每个 STA 完成一次传输后会收到ACK反馈，并且立刻会有新的数据待传，当退避机制的计时器计数归零时，传输开始，则数据包成功传输的概率计算公式如下：

公式（2）表示在至少有一个STA成功传输的前提下，恰好有一个STA传输成功的概率。其中，n 代表 STA 数量，得到[PS]之前需要获得[τ]和[Ptr]。其中[τ]表示假设 STA 只有一个待传输的数据包，该数据包传输成功的概率，具体计算公式如下：

其中，E[B]表示 STA 传输数据时退避时隙的平均数，E[R]为 STA 尝试接入信道的次数。[Ptr]表示传输时隙中至少有一次数据成功传输的概率，通过求得时隙中所有传输均失败的概率，减去失败的概率即可得到成功的概率，所求公式如下：

4 实验仿真分析

4.1 仿真环境

本文考虑基础结构BSS。在一个密集的环境中，网络中仅有一个 AP，所有 STA 与这个单独的 AP 进行关联，所有的 STA都处于 AP 传输范围内。STA都有数据要传输，并且数据量是饱和的。假设信道环境良好，确保 STA 发送的数据包 AP 能够正确接收。假设在确定范围内所有的STA都有数据向AP传输，并且固定数量的STA已经与AP进行TWT连接，STA根据TWT唤醒或休眠，AP统一调配上行传输。我们使用MATLAB进行仿真，并与不使用休眠的算法进行对比，结果显示本文提出的机制有效地提升了网络的性能。

4.2 仿真结果及分析

上图1中，随着用户数量增加，二进制退避机制吞吐量下降急速，斜率比较大，吞吐量明显减少。而TWT机制的吞吐量也随着用户数量增加而减少，但是比BEB机制减少的更慢，并且随着数量增多吞吐量大得多。由此可见，传统的退避机制虽然避免了冲突，但吞吐量却因用户数量增多而减少。而提出的TWT机制通过分组，传输的效率有效提高，减少网络拥塞，使得吞吐量变大。

处于发送与接收或者没有数据传输的STA，需要耗能比较大或浪费，TWT分组机制让客户端尽可能休眠，通过协调，STA减少了监听时间，而且数据重传率降低，重传次数减少，信道吞吐量变大，传输更快，耗能也会更加少。由图可以看出，在数量比较少时，二进制退避机制的耗能急剧增长，虽然在用户数量变大的时候，耗能增长变慢，但是与TWT相比还是消耗太多。TWT机制耗能更加少，并且随着用户数量增长速度缓慢，可见提出的机制通过分组很好地降低了能耗，在节能方面起到显著效果。图3为从10到60数量的重传概率变化。

由于二进制退避机制下，STA数据包在传送时，重传的概率会随着 STA 数量的增长而显著增大。而分组的TWT机制，设定在分配好的时间里只有一个 STA 传输数据，所以TWT STA 数据包之间碰撞的概率极小，而分组之后限定了数量，碰撞概率就更小了。在TWT 分组机制下 STA 碰撞重传的概率很小，使得能耗减小并且吞吐量也有所提高。由图可见，本文提出的接入机制，重传的概率比较小且稳定，因为分组的数量不超过10，所以随着 STA 数量的增长曲线趋于平直，图中显示出改进的 TWT 方案性能非常好。

实验仿真表明改进的 802.11ax节点接入技术，在有效提高吞吐量的同时，极大降低了所需功耗，同时控制数据包重传率，能够满足一定条件下无线局域网的应用需求。

5 结论

无线局域网的发展给人们的生活带来了翻天覆地的变化，它能够便利地联网，有高度的灵活性与移动性，省时省力省成本。而在密集环境中，用户对于流量的需求有着明显的周期性，用户在某时段使用频率更高。因此，应根据实际中网络的真实流量需求，调整网络设备的状态，既要保证用户终端的流量需求，又将设备尽可能地休眠就可以节省网络的功耗。 本文在实现 802.11ax的目标唤醒时间机制的基础上，提出基于分组的节点接入机制。实验仿真表明，新的机制在有效提高吞吐量的同时，降低了终端功耗。

参考文献：

[1] 赵晨. 面向密集型Cloud-WiFi系统的无线资源管理及优化机制研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2015.

[2] 许文君.无线传感器网络休眠调度算法研究[D].南京：南京邮电大学，2012.

[3] Nurchis M，Bellalta B.Target wake time：scheduled access in IEEE 802.11ax WLANs[J].IEEE Wireless Communications， 2019，26（2）：142-150.

[4] Khorov E，Kiryanov A，Lyakhov A，et al.A tutorial on IEEE 802.11ax high efficiency WLANs[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2019，21（1）：197-216.

[5] IEEE 802.11 WLANs. The Working Group for WLAN Standards. 2018.

[6] 无线局域网技术概述（Wireless LANs）——802.11协议[EB/OL].https：//blog.csdn.net/wuxiaoer717/article/details/15202643

[7] 802.11ax高效率无线标准介绍[EB/OL].http：//www.ni.com/zh-cn/innovations/white-papers/16/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html.

[8] 802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA https：//blog.csdn.net/fzxy002763/article/details/51099918

[9] 技术盛宴-第七代无线技术802.11ax详解.https：//wenku.baidu.2018.

[10] Hang Yang ，Deng Der-Jiunn ，Chen Kwang-Cheng.IEEEAccessOn Energy Saving in IEEE 802.11ax On Energy Saving in IEEE 802.11ax.2018

[11] 傅新星.IEEE802.11ahMAC層功率管理技术研究[D].天津 天津大学，2016.

[12] 后柯达. 基于下一代IEEE 802.11标准节能模式的多用户TWT协商机制[D]. 成都： 西南交通大学， 2017.

【通联编辑：唐一东】