密集无线WiFi网络环境网络分配矢量优化与性能分析 (密集连接网络)

IEEE.协议利用RTS/CTS帧交换来设置设备的网络分配矢量(N*)。现有N*方案未考虑密集部署场景，可能存在误清除的情况。提出一种简便可行的可计数N*（C-N*）设置方案，通过统计N*设置信息的个数并进行实时更新以防止误清除，从而更有效地利用传输机会。对所提C-N*方案进行了理论分析和*验证，证明在密集部署监听WiFi场景中，该方案能有效避免现有设置方案N*时长浪费和错误清除等问题，提升网络的整体吞吐量。网络分配矢量；密集部署场景；传输机会；重叠的基础服务集　　中图分类号：TN.　　文献标识码：A　　DOI：./j.issn.-.　　中文引用格式：何明泰，李可，刘恒.密集监听WiFi网络环境网络分配矢量优化与性能分析[J].电子技术使用，，(9)：-.　　英文引用格式：HeMingtai，LiKe，LiuHeng.Optimizednetworkallocationvectorsettingandperformance*ysisindense监听WiFinetworks[J].ApplicationofElectronicTechnique，，(9)：-.引言　　随着监听网络技术的快速发展，移动终端和智能设备的数量迅猛增长，使*网络环境变得越来越拥挤。尤其在*WiFi网络热点处，已经出现了诸如容易掉线、网速差等现象，严重影响用户体验。　　同时，人们对*网络性能的要求却越来越高。为了满足用户需要，在下一代监听网络中，接入点(AccessPoint，AP)将会部署得越来越密集，最终形成一种新的网络形式——密集型监听WiFi网络。密集型监听WiFi网络是指场景中任意一个基础服务集(BasicServiceSet，BSS)都有3个以上的重叠的基础服务集(OverlappingBSS，OBSS)，即AP所拥有的邻居AP数远多于3个的*网络[1]。　　在监听WiFi网络中，为避免因距离远而不能感知正在通信的终端的存在，.协议提出了虚拟载波侦听机制，利用请求发送帧和清除发送帧(RequestToSend/ClearToSend，RTS/CTS)交换来设置终端的网络分配矢量(NetworkAllocationVector，N*)。即在开始发送数据前，先发送RTS和CTS帧，这两个帧都含有N*设置的信息，所有接收到这两个帧的终端根据协议判断是否需要设置N*。　　传统的N*设置方案大多以传输机会(Tran*issionOpportunity，TXOP)来设置，设置的时间一般较长，这意味着会浪费较多的信道利用机会。而现有改进的N*设置方案虽然能够克服时长浪费的问题，但在密集型*WiFi网络环境下依旧存在误清除的情况。误清除可能会造成终端过早接入信道，与正在通信的终端发生碰撞，从而影响网络整体吞吐量。因此，提出一个适用于密集型监听WiFi网络场景的N*方案就成了搞定碰撞和时长浪费问题的关键。　　近年来，已有一些文献[2-9]提出了改进的N*设置方案以提升*性能。主要包括以下几个方面的内容：　　(1)基于传统的N*设置方案进行改进以搞定时长浪费的问题。例如文献[2]中提出的两层网络分配矢量方案(TwoLevelN*，TLN*)。该方案是通过用块确认帧/块确认请求帧(BlockAcknowledge/BlockAcknowledgeRequest，BA/BAR)中的保留字段携带最后一帧信息来清除冗余的N*设置，以搞定因多用户MIMO(MultipleUsersMultipleInputMultipleOutput，MU-MIMO)给*带来的TXOP时长浪费问题。　　此方案没有考虑密集场景的情况，仍有可能无法避免干扰，甚至造成干扰加剧。文献[3]中通过两级载波侦听机制OBN*(OverlappingBSSN*)和SBN*(SelfBSSN*)来搞定OBSS的干扰问题，但保持多个N*的方式需要传输更多的帧[4]，会增加额外的通信开销。　　(2)根据STA传输的业务类型[5]和数据包[7]不一样、或运用的协议类型[6]不一样来设置不一样的N*。文献[5]根据终端传送的是数据还是语音信息来设置对应的N*值。语音信息则设置较短的N*值，而数据信息则多加一个优先接入时长作为其N*值。文献[6]通过对运用.g的高速STA设置较短的N*值，保证高速STA的吞吐量不低于运用.b的低速STA的吞吐量，确保*整体吞吐量不受相同的N*设置策略的影响，搞定了不一样协议类型的STA的共存问题。文献[7]通过*比较了传输每一个数据包*设置N*和传输多个数据包一次设置N*的吞吐量不一样，并证明在没有N*清除机制的情况下，传输每一个包*设置N*的吞吐量优于多个包一次设置N*。但分类设置要求AP对其关联的每一个STA都进行分类管理，增加了*管理的复杂度。　　(3)通过改进RTS/CTS发送机制来减少无用的N*设置。文献[8]采用一种替代RTS/CTS的机制——带冲突避免的媒质接入(MediaAccesswithCollisionAvoidance，MACA)机制。该机制实质上是缩短了N*的时长，减少了时长浪费，但是该方案需改变现有的RTS/CTS机制。文献[9]提出一种由发送端主动发送“取消”帧来清除无用的N*设置的方案，以减少不合理的N*设置带来的时长浪费问题。由于每个“取消”帧仅对一个STA的N*进行清除，当存在多用户时，特别是在MU-MIMO场景下依旧存在时长浪费的现象。　　综上所述，现有N*设置方案并不适用于密集*WiFi网络场景，现在针对密集监听WiFi场景的N*设置方案的研究还存在不够。因此本文提出了一种可计数的网络分配矢量(Countable-N*，C-N*)方案，以搞定密集*WiFi网络场景带来的时长浪费和误清除问题。通过理论分析和*结果证明：该方案能有效避免传统N*设置带来的时长浪费和已有改进设置方案可能带来的N*错误清除，从而提升了网络的整体吞吐量。1N*设置的问题和C-N*方案规划　　在密集场景下，一个终端(AP或STA)在一段时间内会接收到多个N*设置信息，当终端上电后接收到第一个N*信息，自然将其作为N*值设置。在收到第二个N*信息时，终端将新的N*值与其剩余N*时长比较，若新N*值长于终端的剩余N*时长，则更新其N*值为新的N*时长。当AP与STA之间完成数据传输，按照传统的N*设置方式AP会广播CF-End(ContentionFree-End)帧来清除剩余时长，但是此方式可能造成TXOP时长浪费的问题。　　如图1所示，4个AP的覆盖范围相互都有重叠。现以STA4为例做进一步说明，当AP1、AP2、AP3分别向STA1、STA2、STA3发送数据包，STA4会分别收到来自STA1、STA2、STA3的N*设置信息。假设STA4最先收到STA1的N*设置信息，则STA4以STA1的N*设置信息中的时长值作为其N*值。当接收到STA2和STA3的N*设置信息后，STA4会将其与当前的N*剩余时长比较，判断是否需要更新其N*值。一旦AP1与STA1，或AP2与STA2，或AP3与STA3完成数据发送，各AP广播CF-End帧，接收到CF-End帧的STA就会清除剩余TXOP时长。然而STA4不在AP1、AP2和AP3的覆盖范围内，会因收不到CF-End帧而不能清除TXOP剩余时长，从而造成STA4传输机会的浪费。

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　　为了搞定这个的问题，AP1、AP2、AP3可在BAR帧的保留字段中设置最后一帧信息，同时相应的STA响应BAR时，在BA帧的保留字段中也设置最后一帧信息，STA4就可以根据收到的BA帧来清除剩余TXOP时长[2]。但这种方式仍有可能导致TXOP剩余时长被误清除。从图2中STA4的N*设置情况可以看出，AP1与STA1最先完成数据传输，并传输携带最后一帧信息的BAR和BA帧。若STA4接收到携带最后一帧信息的BA时清除TXOP剩余时长，而此时STA2和STA3还没有完成数据传输，若STA4清除了N*并与AP4进行数据传输，必然会对STA2和STA3造成干扰。

　　基于上述原因，本文在文献[2]基础上提出C-N*方案。方案在BA和BAR携带最后一帧信息的同时，增加了一个N*设置个数的统计计数器。计数器的值表示当前状态下已收到设置信息但未收到清除信息的N*的个数，初始值为0。当STA在接收到一个N*信息时，无论更新与否都要对N*信息个数进行统计，计数器值递增。当STA接收到携带最后一帧信息的BA或BAR时，计数器递减，当收到携带最后一帧信息的BA或BAR且计数器减至零时，清除TXOP剩余时长。下面用图2来详细说明C-N*方案：　　(1)STA4收到第一个N*设置信息(来自STA1)，设置其N*值，且计数器加1。　　(2)当收到一个新的N*设置信息时(来自STA2)计数器加1。并比较剩余N*与新N*的时长，若新N*大于剩余N*时长，则更新N*值为新的N*值，否则不更新。　　(3)收到第3个N*设置信息时，同步骤(2)的*作，STA4的计数器加1，计数器的值为3。　　(4)当AP1与STA1之间结束传输，AP1与STA1分别发送携带最后一帧信息的BAR和BA。STA4检测到STA1发送的携带最后一帧信息的BA，其计数器减1。　　(5)当STA4检测到STA3发送的携带最后一帧信息的BA时，计数器再减1。　　(6)STA4收到STA2发送过来的携带最后一帧信息的BA,计数器减1。此时计数器值为0了，则清除TXOP剩余时长。2性能分析　　假设RTS、CTS、BAR、BA4种帧在发送过程中都能成功发送并被周围的STA成功接收。设传输时延为δ，则在一个TXOP时长内这4种帧发送的总时长是固定的，将这个总时长记为T1。则：　　其中，G表示AP一次同时通信的STA个数，tSIFS表示一个SIFS间隔的时间(SIFS是RTS与CTS及BAR与BA之间响应的时间间隔)。　　假设第i帧发送完成的时间(即单帧服务时间)yi服从参数为λ的指数分布(其均值为1/λ)，那么在一个TXOP时长内发送完成n帧的时间Yn=y1+y2+…+yn服从参数为(n，λ)的Erlang分布[]。则TXOP内n个帧的平均帧发送时长为n/λ。　　冗余时间应该是N*设置的时长减去发送固定帧的总时长(式(1))和发送数据包的时间，所以冗余时间Tr为：

3*设置及结果分析　　*场景设置：在一个热点区域内布有4个AP，位置坐标分别为(m，m)、(-m，m)、(m，-m)、(-m，-m)。每个AP的覆盖半径RAP=m。一个AP关联个STA，每个STA的传输半径为m，这个STA的位置可以在所关联的AP覆盖范围内服从均匀分布。　　基本的*参数设置由表1给出。图3分别给出了在发送数据帧n和每帧发送完成时间均值不一样情况下产生的冗余时间概率密度分布，同时给出理论结果。从图3可以看出：(1)*计算的冗余时间概率密度分布曲线与理论计算曲线吻合，说明了*过程的正确性；(2)冗余时间随TXOP时长内发送的数据帧数n增加而减小，冗余时间小的概率就越大。这是因为TXOP时长是一段固定的时间，在这段时间内用于发送的数据帧的时间越多，冗余时间就越少，与实际情况相符合。

　　图4给出了可清除无用N*的终端数目M与发送数据帧n不一样情况下的吞吐量概率密度分布，*中的参数设置与之前相同。从图4可以看出，随着可清除无用N*的终端数目M增加，冗余时间也就越多，冗余时间内可发送的帧数也会增加。当可清除无用N*的终端数目M相同的情况下，如果TXOP时长内发送的数据帧数n越少，那么TXOP剩余时长就越多，可利用的发送时长就也越多，网络整体吞吐量也会随之增加。

　　图5是不一样N*更新次数下的各个STA数量，统计得到在密集监听网络场景下%以上的STA会收到多个N*设置信息。从图中可以看出随着AP所关联的STA数目增加，STA收到的N*设置信息会越多，需要更新N*的次数超过2次的STA个数也会随之增加。再者，AP的覆盖半径RAP的增大也会导致STA收到更多的N*更新信息。这是由于AP的覆盖半径越大，则与其他AP的重叠覆盖区域就越大，处于AP重叠区域的STA的数目就越多。为了避免多个STA同时发送数据产生碰撞，能收到的N*的更新信息越多，造成的误清除的可能性就越大。

　　图6对比了本文提出的C-N*方案和TLN*方案的平均吞吐量。由图可以看出，平均吞吐量随冗余时间增加开始上升，到1.8ms左右达到峰值，然后呈现下降的趋势。这是因为进行次数据传输得到冗余时间约为1.8ms的概率最大，在1.8ms时刻叠加的吞吐量值也越大，这与图4中发送数据帧n为3和单帧服务时间均值为0.2ms*结果的峰值点是一致的。而TLN*方案的平均吞吐量峰值出现在2ms附近，这主要是因为，C-N*方案需要在计算器统计收到的携带最后一帧信息的BA/BAR递减到零时才能触发清除*作，实质上会造成清除N*的可能性会有所降低，且在一定程度上推迟了清除的时间，相应地由清除*作得到的冗余时间也越短。也正因为这样才保证了无误清除。

4结束语　　本文针对下一代密集监听WiFi网络场景提出了一种可计数的网络分配矢量方案C-N*，通过统计N*设置信息的个数与收到的携带最后一帧信息的BA/BAR的个数并进行实时更新以防止误清除，搞定了密集监听WiFi网络场景带来的时长浪费和误清除问题。本文对C-N*方案进行了理论分析和*验证，证明了方案的正确性，并能有效避免传统N*设置带来的时长浪费和已有改进设置方案可能带来的N*错误清除，从而提升了网络的整体吞吐量。