薛 青 方旭明

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一種WiFi多信道聚合的高速同步回傳方法

薛 青 方旭明*

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610031)

為滿足瘋狂增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，近年來(lái)蜂窩基站的部署越來(lái)越趨于小型化和密集化，這就對(duì)回傳技術(shù)性能提出了更高的要求。該文將WiFi作為5G網(wǎng)絡(luò)中的一種無(wú)線回傳技術(shù)，提出一種基于WiFi多信道聚合的高速同步回傳方案?，F(xiàn)有WiFi協(xié)議(如IEEE 802.11n/ac)采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)信道綁定技術(shù)可將多個(gè)具有連續(xù)頻譜的信道聚合為單一寬信道，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。但是，靜態(tài)綁定方式不夠靈活，動(dòng)態(tài)綁定方式在密集用戶分布下也很難發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。該文則通過(guò)在單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上配置多射頻實(shí)現(xiàn)非連續(xù)頻譜的WiFi多信道聚合，其在擴(kuò)展傳輸帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，也可以有效克服802.11n/ac中信道綁定方式的弊端。方案主要包括3部分：多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合信道掃描、多信道同步收發(fā)控制及干擾檢測(cè)。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提非連續(xù)頻譜的WiFi多信道聚合方案的回傳性能優(yōu)于802.11n/ac中連續(xù)頻譜聚合方案，且多信道同步傳輸能有效抑制回傳網(wǎng)絡(luò)中的鄰道干擾。最后，由搭建的原型驗(yàn)證系統(tǒng)證明了所提方案的可行性及有效性。

5G；多信道回傳；同步傳輸；鄰道干擾

1 引言

為了提升數(shù)據(jù)服務(wù)能力，近年來(lái)城市內(nèi)蜂窩基站越來(lái)越趨于小型化和密集化部署，這就使得連接蜂窩基站的回傳鏈路更加密布。雖然有線回傳鏈路(如，銅、光纖等)具有可靠的穩(wěn)定性，但由于其基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及維護(hù)需要投入大規(guī)模的人力物力及財(cái)力，并且有線回傳鏈路的安裝會(huì)涉及私有房產(chǎn)和土地敷設(shè)等問(wèn)題，若未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中全部回傳鏈路均布設(shè)為有線線纜顯然是不可取的。在這種背景下，使用無(wú)線回傳鏈路來(lái)取代部分有線線纜成為一種有效可行的方案。這其中又以成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)的WiFi技術(shù)最受青睞[1]。因此，本文致力于研究如何利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中的高速無(wú)線回傳。

IEEE 802.11n/ac[2,3]利用靜態(tài)/動(dòng)態(tài)信道綁定技術(shù)(Channel Bonding, CB)[4]實(shí)現(xiàn)了多個(gè)連續(xù)20 MHz信道的聚合。雖然CB可大幅提升傳輸速率，但其也存在一定的不足：靜態(tài)CB靈活性不夠且存在由于部分頻段質(zhì)量不佳而導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降的問(wèn)題；動(dòng)態(tài)CB雖具靈活性，但在用戶密集場(chǎng)景下一般很難找到幾個(gè)連續(xù)的空閑信道。文獻(xiàn)[5]對(duì)各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中CB技術(shù)進(jìn)行了歸納并指出了其存在的缺陷。文獻(xiàn)[6]通過(guò)將信道劃分為更窄的子信道使頻譜聚合更具靈活性，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。為克服連續(xù)頻譜信道聚合的不足，提高頻譜利用率，部分研究者對(duì)如何實(shí)現(xiàn)非連續(xù)頻譜信道的聚合進(jìn)行了探討，但其中大多數(shù)方案的可操作性不強(qiáng)。如文獻(xiàn)[7]提出的非連續(xù)頻譜CB方案需對(duì)WiFi協(xié)議中幀結(jié)構(gòu)及MAC作一定的修改，不易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，現(xiàn)有WiFi協(xié)議中AP/STA采用單射頻單信道配置，而隨著無(wú)線用戶對(duì)QoS及QoE要求的提高，利用單信道進(jìn)行回傳已越來(lái)越難滿足這一需求。隨著無(wú)線射頻收發(fā)器硬件成本的降低和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在同一個(gè)AP/STA上裝備多射頻利用多信道傳輸正在逐漸成為可以接受的提高5G網(wǎng)絡(luò)性能的技術(shù)選擇。目前絕大多數(shù)考慮利用多射頻多信道的研究均是針對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的，而對(duì)其在回傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究甚少。

本文第2節(jié)介紹了5G WiFi多信道聚合的高速回傳系統(tǒng)架構(gòu)；第3節(jié)詳細(xì)描述了所提高速同步回傳方案，包括：多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合信道掃描、多信道同步控制及基于系統(tǒng)吞吐量及信道占空比信息的多信道干擾檢測(cè)；最后，本文所提方案進(jìn)行了性能仿真并通過(guò)搭建的原型驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試了其有效性及可行性。

2 WiFi多信道回傳系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)中P2P WiFi多信道回傳系統(tǒng)，假設(shè)AP與STA上均可配置個(gè)射頻器(如，張無(wú)線網(wǎng)卡)，每個(gè)射頻器分別工作在5 GHz頻段的不同WiFi信道上，并且兩節(jié)點(diǎn)不具有移動(dòng)性。為便于說(shuō)明，本文將AP與STA均看作個(gè)位于同一位置的虛似節(jié)點(diǎn)(virtual AP/STA, vAP/vSTA)且各vAP/vSTA上均只配置有一個(gè)射頻器，如圖1所示，其中，各vAP與vSTA保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)中WiFi多信道回傳系統(tǒng)架構(gòu)

由于回傳網(wǎng)絡(luò)中vAP/vSTA是集中布置的，若不進(jìn)行有效的收發(fā)控制，當(dāng)多信道同傳時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的鄰道干擾(Adjacent Channel Interference, ACI)[11,12]，致使吞吐率下降。本文通過(guò)將同一節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)控制在相同的收發(fā)狀態(tài)來(lái)抑制這種干擾。另外，由于WiFi網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CA機(jī)制，即只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道處于空閑時(shí)才能發(fā)送信息，那么，一個(gè)處于發(fā)送狀態(tài)的虛擬節(jié)點(diǎn)(如，vAP1)可能會(huì)引起同一節(jié)點(diǎn)上的另一虛擬節(jié)點(diǎn)(如，vAP2)的“假載波偵聽(tīng)”。如當(dāng)vAP1-vSTA1在信道A上通信時(shí)，可能會(huì)有部分能量泄露到vAP2-vSTA2所在信道B上，導(dǎo)致vAP2判定信道B處于忙碌狀態(tài)從而延遲發(fā)送，而實(shí)際上此時(shí)信道B是空閑的。本文通過(guò)多信道同步傳輸來(lái)避免出現(xiàn)這種情況，以提高頻譜的利用率。

3 WiFi多信道聚合的高速同步回傳方案

3.1 多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合信道掃描機(jī)制

由于5G回傳網(wǎng)絡(luò)中AP與STA所處地理位置不同，其所處電磁環(huán)境也不同，那么二者對(duì)于同一信道進(jìn)行掃描的結(jié)果可能會(huì)有差異。因此，為了能選擇到對(duì)AP與STA都有較好傳輸性能的回傳信道，區(qū)別與WiFi協(xié)議中單節(jié)點(diǎn)掃描，本文中信道掃描是由AP與STA聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，如算法1所述。

算法1 聯(lián)合信道掃描

(1)判斷本次是否為初始化掃描。若是，則執(zhí)行下一步；若否，則轉(zhuǎn)向步驟(3)；

(2)vAP1與vSTA1分別對(duì)5 GHz頻段上所有信道(個(gè)數(shù)記為)進(jìn)行掃描，并記錄信道的掃描數(shù)據(jù),與；轉(zhuǎn)向步驟(4)；

(2)

從而可得AP與STA各自的信道掃描列表list A與list B；

(5)若步驟(1)中判斷為是，則執(zhí)行下一步；若否，則轉(zhuǎn)向步驟(8)；

(7)vSTA1連接vAP1并上傳list B；轉(zhuǎn)向步驟(9)；

(8)STA通過(guò)vSTA1以外的虛擬節(jié)點(diǎn)(如vSTA2)上傳list B；

End if

End for

在AP與STA完成初始化聯(lián)合信道掃描得到list D后，由AP為回傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一的信道分配：

3.2 多信道同步傳輸機(jī)制

3.2.1 ACI分析 本文將5G多信道回傳網(wǎng)絡(luò)中同一AP/STA上多個(gè)vAP/vSTA的收發(fā)狀態(tài)不同的傳輸稱(chēng)為異態(tài)傳輸，相應(yīng)地，若收發(fā)狀態(tài)相同則為同態(tài)傳輸，其中ACI的影響如圖2所示。

在各種信道模型中，TGn信道模型[13]中的Model F適用于大范圍(室內(nèi)、室外)場(chǎng)景，其路徑損耗可表示為

(8)

圖2 ACI對(duì)多信道回傳的影響示例

在5G多信道回傳網(wǎng)絡(luò)中，一般一條鏈路的發(fā)射功率要遠(yuǎn)大于另一條鏈路的接收功率，即，那么異態(tài)傳輸時(shí)的ACI勢(shì)必遠(yuǎn)大于同態(tài)傳輸時(shí)。換而言之，同態(tài)傳輸性能要優(yōu)于異態(tài)傳輸。

3.2.2 多信道同步控制 本文通過(guò)對(duì)5G多信道回傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步收發(fā)控制來(lái)防止同態(tài)傳輸時(shí)的“假載波偵聽(tīng)”現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)處于發(fā)送狀態(tài)的各vAP/vSTA進(jìn)行時(shí)鐘同步校準(zhǔn)，可以很容易實(shí)現(xiàn)多信道同步發(fā)送；對(duì)于多信道的同步接收問(wèn)題，本文從兩個(gè)方面著手進(jìn)行了研究，以下行為例：

(1)根據(jù)不同信道的傳輸能力來(lái)控制多信道數(shù)據(jù)分流(如圖3(a))；

(2)利用幀聚合[14]的思想進(jìn)行多信道數(shù)據(jù)對(duì)齊(如圖3(b))。

信道的傳輸能力可由其所選MCS所對(duì)應(yīng)的PHY數(shù)據(jù)速率(記為,)來(lái)衡量，即wlan與wlan的數(shù)據(jù)分流比例。在一個(gè)同步周期內(nèi)，為使各信道發(fā)送一個(gè)聚合幀的時(shí)間相等，即(,)，應(yīng)對(duì)回傳網(wǎng)絡(luò)中各信道的幀聚合長(zhǎng)度進(jìn)行控制。首先，將滿足條件的信道作為參考信道，按其最大聚合能力完成本周期內(nèi)數(shù)據(jù)的聚合，計(jì)算其傳輸時(shí)間；然后，令()，依次估算其余各回傳信道的幀聚合長(zhǎng)度。

注意：一個(gè)回傳周期內(nèi)最后的BACK Req幀與BACK幀(如圖3(b))所攜帶的信息與WiFi協(xié)議中相應(yīng)幀有所區(qū)別，需在原有幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展或修改。這兩個(gè)幀攜帶有本回傳周期內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收結(jié)束的標(biāo)識(shí)位，也是下一同步回傳周期準(zhǔn)備開(kāi)始的標(biāo)志。

3.3 多信道干擾檢測(cè)機(jī)制

本文通過(guò)周期性統(tǒng)計(jì)5G回傳網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)吞吐量及各工作信道的占空比狀態(tài)，評(píng)估各信道質(zhì)量并監(jiān)測(cè)回傳網(wǎng)絡(luò)是否受到外界干擾，如算法2所述。由于5G網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求巨大，本文假設(shè)各工作信道均為滿負(fù)載傳輸。

算法2 多信道干擾檢測(cè)

(2)計(jì)算各信道占空比：

(在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi), 忙時(shí)占的百分比) (9)

(接收狀態(tài)時(shí)間所占百分比) (10)

(發(fā)送狀態(tài)時(shí)間所占百分比) (11)

End for

End if

End for

End if

圖3 多信道同步控制示意圖

(6)本次干擾檢測(cè)結(jié)束。

當(dāng)判定有多個(gè)信道可能受到了干擾時(shí)，優(yōu)先切換對(duì)系統(tǒng)增益貢獻(xiàn)最小的信道。這樣可以避免隨機(jī)信道跳頻或多信道同時(shí)跳頻對(duì)回傳系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，也可以防止產(chǎn)生跳頻的“乒乓效應(yīng)”。

4 5G多信道同步回傳方案性能評(píng)估

4.1 性能仿真

本部分對(duì)采用異態(tài)傳輸方式與同步方式的5G多信道回傳性能作了仿真對(duì)比分析，以為例，參數(shù)如表1所示。仿真中假設(shè),,且(此值為在原型驗(yàn)證系統(tǒng)上獲得的經(jīng)驗(yàn)值)，。同時(shí)，由IEEE 802.11n/ac信道頻譜掩模(spectral mask)可知，對(duì)于兩個(gè)鄰頻信道，有；對(duì)于非鄰頻信道，有。

若回傳信道為鄰頻信道，圖4給出了其在不同傳輸場(chǎng)景(異態(tài)、同步)下的系統(tǒng)吞吐量隨傳輸距離的變化情況?？芍?，當(dāng)一定時(shí)，同步傳輸要比異態(tài)傳輸高得多。例如，對(duì)于主信道編號(hào)分別為36與44的兩個(gè)40 MHz信道，當(dāng)時(shí)，若為同步傳輸，則；若為異態(tài)傳輸，則。若回傳信道為非鄰頻信道，隨的變化情況如圖5所示。易知，各曲線變化特征與工作在鄰頻信道時(shí)一致，即多信道同步傳輸性能要遠(yuǎn)優(yōu)于異態(tài)傳輸。

表1 多信道回傳仿真參數(shù)

4.2 原型驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試

為了對(duì)所提WiFi多信道高速回傳方案的有效性及可行性進(jìn)行驗(yàn)證，我們搭建了原型測(cè)試系統(tǒng)并組織了多次外場(chǎng)測(cè)試。表2給出了外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境及主要設(shè)備信息。其中，PC機(jī)作為回傳節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)卡看作vAP/vSTA，定向天線用于收發(fā)vAP-vSTA的無(wú)線信號(hào)，筆記本電腦用于模擬外界干擾以測(cè)試干擾檢測(cè)及跳頻性能。所提方案在本系統(tǒng)中是通過(guò)圖6所示5大功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

本文針對(duì)不同信道帶寬(20 MHz與40 MHz)從以下幾方面進(jìn)行了外場(chǎng)測(cè)試：

(1)單信道傳輸性能；

(2)兩鄰道異態(tài)、同步傳輸性能；

(4)跳頻性能。

圖4 回傳網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨傳輸距離的變化圖(假設(shè)且工作在鄰頻信道上) 圖5 回傳網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨傳輸距離的變化圖(假設(shè)且工作在非鄰頻信道上)

表2 外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境及設(shè)備

測(cè)試中，數(shù)據(jù)傳輸采用UDP協(xié)議。表3對(duì)部分外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納，表中40 MHz帶寬的信道編號(hào)均為其主信道編號(hào)。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知：

(1)對(duì)于兩鄰道而言，同步傳輸性能要優(yōu)于異態(tài)傳輸；

(2)以同一信道為基準(zhǔn)，非相鄰信道同步傳輸性能要優(yōu)于鄰道的傳輸性能；

(3)跳頻時(shí)間約20 ms且系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間小于5 s，當(dāng)時(shí)，跳頻最低速率大于120 Mbps。

圖6 原型驗(yàn)證系統(tǒng)功能模塊信息交互示意圖

由于天氣(如下雨、刮風(fēng))變化、電磁環(huán)境變化或定向天線擺放不同等，導(dǎo)致每次外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果不盡相同，表3中所示為一般測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將WiFi技術(shù)作為5G網(wǎng)絡(luò)的一種無(wú)線回傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多(非連續(xù))信道聚合的高速回傳。所提方案通過(guò)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合信道掃描算法使所分配信道更適用于回傳網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)數(shù)據(jù)分流及數(shù)據(jù)對(duì)齊方法來(lái)控制多信道的同步傳輸，從而抑制ACI，并通過(guò)一種新的鏈路質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)(即信道占空比)來(lái)進(jìn)行多信道的干擾監(jiān)測(cè)。最后，仿真結(jié)果及外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明了所提方案確實(shí)具有可行性及有效性。

表3 外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

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High-speed Synchronous Backhaul Method with Aggregation of Multiple WiFi Channels

XUE Qing FANG Xuming

(,,610031,)

As the substantial growth of data traffic over the past few years, the deployment of cellular base stations tends to be smaller and denser which puts forward higher requirements for backhaul techniques. In this study, WiFi is taken as a backhaul technique in 5G networks, and then a high-speed synchronous backhaul solution is proposed with aggregation of multiple WiFi channels of which the spectrum is non-continuous. Although IEEE 802.11n/ac can achieve channel aggregation with static/dynamic channel bonding scheme, the spectrum of these channels must be continuous. Moreover, static channel bonding is not flexible enough and dynamic channel bonding rarely has chance to be implemented when devices are deployed densely. The proposed solution can not only extend transmission bandwidth and improve network capacity of 5G backhaul networks, but also overcome defects of channel bonding in 802.11n/ac. Both analytical results and simulations show that the performance of the proposed solution is better than the traditional channel bonding and it can reduce adjacent channel interference among multiple channels in 5G backhaul networks. Meanwhile, the effectiveness and feasibility of the proposed solution are proved by the prototype verification system.

5G; Multi-channel backhaul; Synchronous transmission; Adjacent channel interference

TN929.5

A

1009-5896(2017)02-0335-07

10.11999/JEIT160375

2016-04-19；改回日期：2016-08-25；

2016-10-21

方旭明 xmfang@swjtu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471303)，歐盟 FP7 QUICK項(xiàng)目(PIRSES-GA-2013-612652)

The National Natural Science Foundation of China (61471303), EU FP7 QUICK Project (PIRSES-GA-2013- 612652)

薛 青： 女，1988年生，博士生，研究方向?yàn)?G WLAN關(guān)鍵技術(shù)、毫米波網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源優(yōu)化等.

方旭明： 男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄒ苿?dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理等.