高笛煙，黃澤豪

（福州大學(xué) 梅努斯國(guó)際工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們期望更便捷地接入互聯(lián)網(wǎng)，從而獲得更多的信息和服務(wù)。通信行業(yè)研究人員希望解決傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)在地理位置和連接方式等方面的局限性，為用戶提供更好的服務(wù)［1］。在此背景下，無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）應(yīng)運(yùn)而生。無線局域網(wǎng)主要由四種主要的實(shí)體元件組成，即接入點(diǎn)（Access Point，AP）、工作站（Station，STA）、無線媒介（Wireless Medium）以及分布式系統(tǒng)（Distribution System，DS）。在基礎(chǔ)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過AP 轉(zhuǎn)發(fā)，彼此之間無法直接通信。雖然會(huì)占用較多資源，但可以有效提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和易管控性。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，信息、社交、娛樂等應(yīng)用也出現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)，大量的圖像、音頻、視頻等多媒體信息都要通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，這對(duì)現(xiàn)有的無線帶寬資源造成了前所未有的挑戰(zhàn)［2］。

在采用IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 中，各站點(diǎn)之間的信道資源共享方式、站點(diǎn)發(fā)送/接收的時(shí)間等都取決于介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層的訪問機(jī)制。因此，MAC 層的訪問效率直接關(guān)系到整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能［3］。本文主要針對(duì)可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)展開設(shè)計(jì)與研究，以改善網(wǎng)絡(luò)在高密度情況下的吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)更好的服務(wù)品質(zhì)。

1 可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)

1.1 無線局域網(wǎng)業(yè)務(wù)分類

當(dāng)前，無線局域網(wǎng)中的業(yè)務(wù)根據(jù)其重要性可以分成話音、視頻、盡力而為以及背景類這四種。其中，話音業(yè)務(wù)具有一定的業(yè)務(wù)流，具有低的服務(wù)速度，但是存在巨大的延遲和延遲抖動(dòng)［4］。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高，因此，一般的視頻業(yè)務(wù)都有很好的緩沖區(qū)，相對(duì)于話音業(yè)務(wù)，所能容許的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)更大。盡力而為和背景類業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)需求不高，但當(dāng)有足夠的資源時(shí)，為了保障其他業(yè)務(wù)的服務(wù)品質(zhì)，應(yīng)該將多余的資源分配給盡力而為和背景類業(yè)務(wù)，以提高整體的吞吐量［5］。

以上四種無線控制器（Access Controller，AC）業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求各不相同。如果四種AC 業(yè)務(wù)都從全部資源單元（Resource Units，RU）中隨機(jī)選取一個(gè)RU 進(jìn)行傳輸，那么不同的AC 業(yè)務(wù)就會(huì)在同一RU 內(nèi)發(fā)生沖突。AP 在統(tǒng)計(jì)訪問結(jié)果時(shí)，僅能估算出全部AC 接入的STA 總數(shù)，不能知道每個(gè)AC 對(duì)應(yīng)的STA 數(shù)目，因此不能精確地分配RU和調(diào)節(jié)它們的接入概率［6］。本課題將RU 分為RU_VO，RU_VI，RU_BE 及RU_BK 四種類型，分別對(duì)應(yīng)于AC_VO，AC_VI，AC_BE 及AC_BK。也就是說，每個(gè)AC 的通信服務(wù)僅能通過它相應(yīng)的RU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。AP 可以根據(jù)每一種RU 的接入狀況來估算相應(yīng)的AC 的STA 數(shù)目，由此調(diào)節(jié)RU 的分布和AC 傳輸?shù)母怕剩跘C］，以便迅速、精確地分配資源，從而保證服務(wù)質(zhì)量［7］。

1.2 可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的傳輸流程

為了更好地利用WLAN 多信道傳輸?shù)奶匦?，保證其上行接入的質(zhì)量，提高系統(tǒng)的資源利用率，保證用戶接入的公平性，本課題設(shè)計(jì)了無線局域網(wǎng)的可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制，具體傳輸流程［8］如圖1 所示，主要包括4 個(gè)步驟，分別介紹如下。

圖1 可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的傳輸流程

1.2.1 步驟1

AP 在退避結(jié)束之后，傳送一個(gè)觸發(fā)幀，以接入信道，并觸發(fā)一個(gè)上行接入流程。假設(shè)這一次是一個(gè)上行訪問。AP 所傳送的觸發(fā)幀中包括了RU 所分配的情形和每一種AC 的傳輸概率τ［AC］，假設(shè)在這一時(shí)刻，AP 所擁有的RU 總數(shù)是Mi，所有這些都將進(jìn)行隨機(jī)接入。當(dāng)Mi＜4 時(shí)，AP 不能為每個(gè)AC 指定特定的RU，因?yàn)镽U 的總數(shù)太小，所以這個(gè)傳輸過程使用了一個(gè)區(qū)別優(yōu)先權(quán)的UORA機(jī)制［9］。當(dāng)Mi≥4 時(shí)，可以為每個(gè)類型的AC 指定專門的RU，具體可以分成兩個(gè)不同的情形。

（1）在該上行接入是在系統(tǒng)開始之后的首個(gè)上行接入或第i-1 次上行接入時(shí)，系統(tǒng)的RU 總數(shù)Mi-1＜4。因?yàn)椴荒塬@得每一個(gè)AC 中的STA 數(shù)量信息，所以AP 盡量將RU 平均分配給每一個(gè)AC。也就是給每個(gè)AC 分配［Mi/4］個(gè)RU，剩下的RU 分配給AC_VO。每個(gè)類型AC 的傳輸概率τ［AC］都是1。AP 利用觸發(fā)幀將每個(gè)AC 的RU 分配結(jié)果和τ［AC］發(fā)送至所有STA［10］。

（2）當(dāng)Mi-1≥4 時(shí)，也就是在步驟3 中獲得1［AC］和Mi-1［AC］。［AC］表示的是AP 對(duì)所保留的AC 每一次訪問STA 數(shù)目的估算，它的初始值都是0。AP利用和Mi-1［AC］更新。設(shè)Mleft為Mi個(gè)RU 中暫時(shí)末被分配的RU 數(shù)量，Mleft的初始值為Mleft=Mi。AP 首先給每一個(gè)AC 指定一個(gè)RU，以確保每一個(gè)AC 至少有一個(gè)RU，則Mleft=Mi-4［11］。

1.2.2 步驟2

STA 在收到觸發(fā)幀之后且它具有要發(fā)送的上行業(yè)務(wù)時(shí)，也有兩種不同的情形。

（1）如果AP 將特定RU 指派給該業(yè)務(wù)的AC，則STA 首先使用均勻分布從［0，1］中隨機(jī)選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)字.如果該隨機(jī)數(shù)字大于τi［AC］，STA就不執(zhí)行上行接入。當(dāng)它小于或等于τi［AC］時(shí)，STA 從其指定的RU 中隨意選取一個(gè)RU，在SIFS時(shí)隙之后，在所選擇的RU 中進(jìn)行上行通信［12］。

（2）如果AP 沒有將特定RU 指派給該業(yè)務(wù)的AC，也就是總RUMi＜4 的情況下，STA 利用UORA 機(jī)制進(jìn)行上行接入，該機(jī)制有差別的優(yōu)先級(jí)。

1.2.3 步驟3

AP 收到上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按照Mi不同的大小分別進(jìn)行處理。

（1）在Mi≥4 的時(shí)候，RU 被分成了每個(gè)AC 各自專有的RU。AP 分別計(jì)算每個(gè)AC 特定類 型RU 的總數(shù)Mi［AC］，成功傳送STA 的數(shù)量nsi［AC］，RU 沖突的次數(shù)mci［AC］［13］。AP根據(jù)所取得的RU 統(tǒng)計(jì)值估算每個(gè)AC 的STA 數(shù)［AC］進(jìn)行估計(jì)：

若mci［AC］=0 且nsi［AC］=0，取［AC］=0；

若mci［AC］不等于Mi［AC］，也就是AC的所有RU 并未發(fā)生沖突時(shí)，就用似然法求出L(M,ns,mc;n)=Ps(M,n,ns,mc)，并取搜索范圍為從nsi［AC］+2mci［AC］至nsi［AC］+7mci［AC］，計(jì)算出使L(M,ns,mc;n)最大的值作為［AC］；

若mci［AC］等 于mi［AC］，則表示AC 的所有RU 都會(huì)產(chǎn)生沖突，所以不能用似然函數(shù)L(M,ns,mc;n)來估算它的使用者數(shù)目，因此把［AC］設(shè)為-1，表示它的規(guī)模是不確定的，不能估算它的用戶數(shù)。

（2）在Mi＜4 的情況下，所有的STA 都使用了UORA 的區(qū)別優(yōu)先權(quán)機(jī)制，此時(shí)，AP 按照UORA 的優(yōu)先權(quán)來處理。

1.2.4 步驟4

AP 在SIFS 時(shí)隙之后，傳送一個(gè)多使用者回應(yīng)幀，以確認(rèn)已成功收到數(shù)據(jù)包。AP 在下一個(gè)上行接入期間再次回到步驟1［15］。

2 可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)仿真分析

2.1 仿真流程

本課題通過MATLAB 軟件進(jìn)行可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)的仿真分析，仿真具體過程如圖2 所示。仿真過程中，總RU 數(shù)目M≥4 且不改變，各STA 始終在服務(wù)等待傳輸?shù)臓顟B(tài)下，業(yè)務(wù)大小都是相同的，也就是說，系統(tǒng)是飽和的。設(shè)置每個(gè)STA 僅傳送一種AC 業(yè)務(wù)，即STA 就是該AC業(yè)務(wù)的一部分。

圖2 可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制仿真流程

2.2 仿真結(jié)果分析

RU 組態(tài)策略在可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)，可以調(diào)整多個(gè)AC 的優(yōu)先權(quán)，并且在相同的RU 數(shù)量下，其性能也基本一致。本文通過仿真試驗(yàn)，證明采用可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)是可行的，只有一個(gè)AC 提供STA 傳送業(yè)務(wù)。

在仿真過程時(shí)，通過RU 的平均使用率來間接地體現(xiàn)出系統(tǒng)的平均吞吐量。設(shè)置10 個(gè)RU，UORA 的OCWmin=7。在可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制中，僅設(shè)置具有10 個(gè)RU 的AC_VO 業(yè)務(wù)，也就是M［AC］=10。圖3 表示RU 在UORA 機(jī)制中OCWmax等于31，63 和127 以及使用可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的情況下，RU 的平均使用率對(duì)比。圖3 所示的綠點(diǎn)為RU 的最大平均利用率，其中M是10。

圖3 UORA 機(jī)制與可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制單AC 的RU 的平均利用率對(duì)比

從圖3 可以看出，當(dāng)STA 數(shù)量小于10 時(shí)，由于可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制下STA 的發(fā)送概率為1，因此，相比于OCWmax的UORA 機(jī)制，當(dāng)STA 數(shù)量相同時(shí)，RU 的平均使用率高于UORA 機(jī)制。當(dāng)STA 數(shù)為9 時(shí)，RU 的平均使用率最大值出現(xiàn)于可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制下。隨著STA 數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制接入STA 的數(shù)量超過M-1=9，因此需要調(diào)整接入概率來限制STA的訪問。在傳輸概率τ［AC］＜1 的情況下，RU 平均使用率要稍低于η_max·(M［AC］/M)。由于仿真中設(shè)定M［AC］=M，所以在圖3 中，在STA 數(shù)量超過9 時(shí)，RU 平均使用率略低于理論最高值η_max。UORA 機(jī)制在STA 數(shù)目不多的情況下，其RU 的平均使用率較大，而在STA 數(shù)目較多時(shí)，其平均使用率降低的幅度更大。而當(dāng)OCWmax較大時(shí)，在STA 數(shù)目很少的情況下，其平均使用率很低。采用可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制，可以將平均使用率控制在最大的區(qū)間，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并通過發(fā)送概率來調(diào)整STA 接入，以確保用戶的公平性。

之后，RU 的總數(shù)量被設(shè)定為M=20，AC_VO，AC_VI，AC_BE 僅有一個(gè)STA，對(duì)AC_BK RU 的RU和AC_BK 的STA 數(shù)目進(jìn)行模擬和分析。在UORA的優(yōu)先指派中，當(dāng)優(yōu)先級(jí)高、優(yōu)先度低的服務(wù)數(shù)量不多時(shí)，不能合理地分配優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)，從而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。在可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制中，AP 按照每個(gè)AC 的STA 數(shù)量來指定RU，從而使AP 能夠按照真實(shí)業(yè)務(wù)負(fù)載適當(dāng)?shù)臑樗铇I(yè)務(wù)指派RU。

當(dāng)AC_BK STA 的數(shù)量變化時(shí)，圖4 中標(biāo)注的線為AC_VO，AC_VI，AC_BE 的RU 平均值的變化。可見，AC_BK 在三種較高級(jí)別的AC 中的平均利用率沒有明顯的差異。因?yàn)槿齻€(gè)AC 的STA 都是1，AP 在估算3 個(gè)AC 的STA 后，僅有1 個(gè)RU 被指定，因此，每個(gè)AC 的RU 都是1/20=0.05。紫色實(shí)線是AC_BK RU 的平均使用曲線，其中AP 最初將5個(gè)RU 指派給每個(gè)AC。由于AC_BK 的估算STA 數(shù)目增加，AP 向AC_BK 分配了步驟1 中的過剩RU，由此最有可能進(jìn)行傳輸，并最大限度地利用RU。在圖4 中，如果AC_BK 的STA 數(shù)目大于17，RU 的平均利用率低于由綠色虛線部分代表的17 個(gè)RU 時(shí)，由于AP 的發(fā)送概率受到了約束，模擬結(jié)果顯示，可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制可以更有效地利用RU。

圖4 M=20 時(shí)AC_BK 的RU 的平均利用率與其STA 數(shù)量的關(guān)系

3 結(jié)語

自適應(yīng)算法能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的狀況，有效地在無線局域網(wǎng)中選擇最優(yōu)的傳輸速率，從而提高系統(tǒng)的吞吐能力。本課題進(jìn)行了可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制的無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制在理論以及實(shí)際方面的性能。結(jié)果表明，可自適應(yīng)選擇接入機(jī)制可以有效提高RU 資源利用效率，可以為不同類型的業(yè)務(wù)提供優(yōu)良的服務(wù)，提高總體服務(wù)質(zhì)量。