IEEE 802.11ax网络中的有效资源分配：OFDMA技术与Wi-Fi 6

沙特国王大学学报利用OFDMA技术的IEEE 802.11ax网络中的有效资源分配Gazi Zahirul Islama，b，Mohammod Abul Kashemca孟加拉国专业人员大学高等研究中心，孟加拉国达卡b孟加拉国达卡水仙国际大学计算机科学与工程系c孟加拉国，Gazipur 1700，达卡工程技术大学，计算机科学与工程系。阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年9月30日修订2020年10月23日接受2020年10月31日在线提供保留字：OFDMAIEEE 802.11ax无线局域网MAC调度Wi-Fi 6A B S T R A C TIEEE 802.11ax为在Wi-Fi网络中提供高速通信铺平了道路，即使在密集地区。在这方面，最具挑战性的任务是提高吞吐量，因为IEEE 802.11ax标准承诺提供每站平均吞吐量的四倍提高。遗憾的是，现有的协议还不能满足标准的要求。IEEE 802.11ax协议的性能在很上行链路调度比下行链路更具挑战性，因为在上行链路路径中，许多站向接入点发送数据，其中站必须被同步以进行OFDMA传输。本文创新的上行链路调度协议命名为有效的资源分配（ERA），承诺提供一个高吞吐量的无线局域网随着减少重传的数据包。仿真和分析表明，该协议将是一个强大的，以满足最新的IEEE 802.11ax标准的承诺据我们所知，所提出的协议是唯一的一种资源单元分配给站根据其可用负载。©2020作者由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍IEEE 发布了其最新标准IEEE 802.11ax（2019 年信息技 术标准），也称为Wi-Fi 6，用于无线局域网（WLAN）中的通信，有望为下一代通信提供巨大的带宽。根据IEEE 802.11ax规范，Wi-Fi 6必须在每站（STA）的数据吞吐量方面获得至少4倍的增强，并且足够鲁棒以在高密度区域中提供服务。最新的修正案提出了许多增强无线局域网性能的方法最有希望*通讯作者：孟加拉国专业大学高等研究中心，达卡1216，孟加拉国。电子邮件地址：zahircuet@gmail.com，zahir.cse@daffodilvarsity.edu.bd（G.Z.伊斯兰教）。沙特国王大学负责同行审查制作和主办：Elsevier是OFDMA（正交频分多址）技术的利用。OFDMA技术可以降低高速率的短分组传输的开销，并提高对频率选择性干扰的鲁棒性。OFDMA机制还可以提高功率谱密度，从而提高用户数据的速率。该标准采用了来自LTE（长期演进）和其他当代4G蜂窝技术的一些技术发展，以利用OFDMA技术支持在同一信道中同时存在的更多STA。Wi-Fi 6不仅采用了OFDM（正交频分复用）调制方案，而且还使用最新的OFDMA技术有效地向STA分配一组不重叠的子载波。因此，大信道被划分为具有指定数量的正交子载波的较小子信道（802.11ax高效无线简介，2019）。遵循4G命名法，Wi-Fi 6将子信道称为包括至少26个子载波的资源单元（RU）接入点（AP）根据不同用户的业务需求，决定如何为站点分配资源单元。AP可以将整个信道分配给单个STA，或者可以将大信道划分为多个子信道（RU）以同时支持多个STA（Islam和Kashem，2019）。在拥挤的地区，如体育场，机场，市场，那里有很多终端，即。https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2020.10.0191319-1578/©2020作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comGazi Zahirul Islam和Mohammod Abul Kashem沙特国王大学学报2489用户通常会低效地竞争信道接入，OFDMA技术现在可以用较小但专用的子信道同时为他们服务。因此，每个STA的平均吞吐量显著增加。然而，OFDMA的性能增益在很大程度上取决于AP如何为站点调度信道资源以及各种无线传输参数的配置（Wang和Psounis，2018）。这类问题被称为资源分配或调度问题。因此，目前，资源调度的研究是非常适合的OFDMA为基础的协议的研究。在这方面，值得一提的是，主要挑战是设计上行链路（UL）调度过程而不是下行链路（DL）。下行链路调度更容易实现，因为只有一个站（例如AP）将向其他STA发送数据。然而，在上行链路过程中，许多STA将必须同时向AP发送数据。因此，在UL传输期间，所有发送STA需要与系统同步，并且由STA生成的PHY码也应该相同（Bankov等人， 2018年）。IEEE 802.11ax MAC（媒体接入控制）利用两种不同类型的RU（即，i）随机接入（RA）RU和ii）调度接入（SA）RU）来促进上行链路路径中的MU-OFDMA传输（Bhattarai等人，2019年）。调度接入方法防止来自站的争用，并且有助于增强网络的总体吞吐量。另一方面，随机接入方法允许来自其BSR（缓冲器状态报告）对于接入点不可用的站的数据传输。例如，新加入的站不能使用调度的接入资源单元来发送分组，除非接入点知道它们的BSR信息。然而，随机接入资源单元允许这些站将它们的分组和BSR发送到接入点。在这方面，研究人员还可以研究随机接入RU和调度接入RU的不同分布对MAC层性能在本文中，我们提出了一个新的协议命名为“ERA”的资源分配和调度的IEEE 802.11ax网络利用OFDMA技术。该协议显著提高了Wi-Fi网络的吞吐量和有效吞吐量，减少了数据包的重传。该协议采用调度接入（SA）机制，利用上行链路中的OFDMA，提出了一种基于STAs的可用负载来分配和利用RU的创新思想。负荷测量的细节并从数学上解释了基于负载的STA分类。仿真和模型分析验证了该协议能够有效地满足下一代Wi-Fi网络的需求文章的其余部分组织如下。在第2节中，我们讨论了现有的相关工作和这项工作的动机。第3节规定了拟议协议的系统模型。这项工作的主要贡献是第5节包含用于测量方案性能最后，第6节结束了本文。2. 相关作品及动机2.1. 现有作品TGax（TaskGroupAX）已经设计了允许随机UL OFDMA传输以及确定性接入的可选机制。随机UL OFDMA传输专门称为Ghosh等人（2015）中所示的基于上行链路OFDMA的随机接入（UORA）。当接入点没有接收到BSR时，随机特征是非常重要的但是那些站具有要传输的数据时，或者当未关联的站想要发送关联请求时Lanante等人提出了一种用于随机UL OFDMA传输的创新协议。（2017年）。文章还提供了一个使用马尔可夫链的综合模型。然而 ， 在 Avdotin 等 人 （ 2019 ） 中 ， 作 者 表 明 使 用 标 准 UORA（Lanante等人，2017），协议不能满足实时应用（RTA）的需求。在Qu等人（2015）中，作者创新了一种新的OFDMA采用的MAC协议，称为“OMAX”。然而，它只利用随机接入功能，尽管TGax为调度和随机接入设计了一个灵活而强大的框架。OFDMA的有效使用之一是根据TF（触发帧）使用调度接入同时从多个站发送多个短分组。因此，（Qu等人，2015）忽略了OFDMA的鲁棒特征之一Kwon等人（2009）提出了一种MAC协议，其提供比大多数当代协议更大的吞吐量。 根据Kwon et al. （2009），终端为通信中分配的所有OFDMA子信道维持单个退避定时器。然而，在该机制中，信道利用性能不够好，因为单个定时器不能反映在多个子信道中具有各种负载的系统的状态然后，Wang和Wang（2010）解决了这个限制，其中每个站为每个子信道维护一个退避定时器因此，每个退避定时器表示可能位于任何子信道中的唯一站的状态。Yuan等人（2011）中的MAC协议称为现有的协议不能可靠地通告信道预留信息在CCRM协议中，由具有实时交通信息的站发起的CRI通过周围站的协作而被进一步中继。因此，该协议通过其新颖的过程提高了信道预留的Lee（2018）的作者提出了一种基于优先级的预留MAC协议，该协议利用公共控制信道（CCC）。CCC专用于次用户发送控制分组，以确定接入主信道的优先级。这两个协议主要关注信道的资源利用率。文章（Nguyen等人，2016）创新了一种混合TDMA/CSMAMAC协议，用于平滑广播消息。该协议还增加了控制信道上的吞吐量，消除了不必要的控制数据包。然而，该协议在高密度环境中不能很好地 该论文（Xuelin et al.， 2015）提出了另一种称为“TR-MAC”的混合多信道机制，其结合了TDMA技术和DCF接入方法的优势。该协议减少了不同的开销，并能够提供比传统协议更多的吞吐量Haile和Lim（2013）以及Ferdous和Murshed（2010）的作者将STA布置到不同的组中，并且公共组中的STA在该模型中，当AP从子信道接收到RTS（请求发送）帧时，它向组的成员发送CTS（清除发送）帧以分配信道资源。 Xu等人提出了一种间歇载波感测机制（Xu等人， 2013），其允许单个无线电STA同时接入多于一个子信道。尽管如此，系统吞吐量和公平性的亲，但这些设备不足以满足Wi-Fi 6标准。IEEE 802.11ax中的MU传输必须在以TF开始的时域中对齐。如果一个站有一个短帧要传输，那么它要么使用填充，要么尝试将下一帧与当前帧聚合。如果剩余空间不足以聚合下一帧，则填充是填充当前帧的唯一选择。为了避免浪费信道资源，Ghosh等人（2015）允许IEEE802.11ax站Gazi Zahirul Islam和Mohammod Abul Kashem沙特国王大学学报2490PP×来分割画面为了进一步提高效率，王等人（2015）允许站聚合来自不同接入类别的帧。802.11ax修正案允许块ACK（BA）帧通过发送公共帧而不是针对每个站使用单独的帧来确认所有站（Merlin等人，2015;Kim等人，2015）;类似于用于确认来自各种接入类别的帧集合的现有多TID BA帧的机制。为了缩短传输，可以仅利用传统802.11a前导码以传统方式发送多STA BA帧（Khorov等人， 2018年）。2.2. 动机IEEE 802.11ax采用最新的OFDMA技术来实现信道接入和资源共享。OFDMA技术最初来源于OFDM调制，OFDMA系统使用一组不重叠的子载波来形成可以分配给STA的RU（Islam和Kashem，2018）。因此，多个STA可以同时发送数据，而不具有在传统DCF随机接入协议中不可能的冲突。采用OFDMA的协议继承了OFDM的优点，通过增加多用户分集可以进一步提高系统的性能. 由于OFDMA技术的这种优越性，诸如WiMAX和LTE的一些无线系统已经利用它来增加信道吞吐量（Lee等人， 2009年）。我们研究了一些蜂窝协议，如MR（最大速率）和PF（比例公平）。基站采用MR调度来最大化时间t处的累积吞吐量S1，S2，S3，S4，S4，S5，S6。MR逐个考虑资源单元，并将每个资源单元分配给该资源单元中具有最高标称数据速率的用户。然而，MR调度器在高业务中阻塞具有低即时速率的用户（Capozzi等人，2013年）。为了克服这种情况，研究人员开发了一类新的协议，称为比例公平（PF），其目的是最大化ilog S iti。 Kwan等人（2009年）断言，PF调度器确保了平等的通道从长远来看，所有的用户基于OFDMA的Wi-Fi协议的性能在很大程度上取决于有效的资源分配算法的设计。可以通过为适当的STA选择各种资源单元组合（在第3节为了设计一个有效的新协议，我们特别关注以下段落中提到的一些有前途的协议，这些协议是为最新的IEEE 802.11ax标准设计的。Wang和Psounis（2018）的作者研究了如何将子载波最佳地分配给STA和STA组，以最大化用户总速率。他们提出了一种贪婪算法，将带宽划分为资源单元并在其上调度Bankov等人（2018）的研究人员讨论了与蜂窝通信相比，IEEE 802.11ax的OFDMA约束和要求。然后通过修改一些著名的蜂窝调度器，提出了一组用于IEEE802.11ax 在 Bankov et al. （ 2017 ） ， 作 者 详 细 阐 述 了 IEEE802.11ax的OFDMA实现的特点，并解释了为什么经典的双工器无法为IEEE 802.11ax显示出良好的性能。然后，研究人员提出了一种全 新的 调度 器， 名 为 MUTAX （ Minimizing Upload Time in11AX），并表明MUTAX的性能远远优于现有的协议。Wang和Psounis（2018）; Bankov等人（2018）和Bankov等人（2018）的原型的总体性能。（2017年）比当代的原型更出色。上述文章的研究人员进行了严格的模拟和分析，以证明他们的协议对于最新的Wi-Fi网络非常有效然而，这些条款并不覆盖重传的影响，我们相信协议的性能，特别是吞吐量仍有待进一步提高。认识到Wi-Fi 6的鲁棒资源分配和调度协议的重要性，我们提出了一个名为“ERA”的协议，即高效资源分配。该协议提高了STA的吞吐量，同时减少了重传次数。我们进行了广泛的模拟（见第5.2节），使用强大的NS-3模拟器，以观察效率的建议ERA调度器在几个著名的现有的调度器。方案详情见第4。3. 系统模型我们考虑一个基于OFDMA的无线局域网，在基础设施BSS（基本服务集）（如图1所示，BSS中有N个STA连接到单个AP，其中四个STA通过AP进行通信。该系统可以在IEEE标准为802.11ax（信息技术标准 ， 2009; Islam 和 Kashem ， 2019 ） 提 出 的 任 何 频 率 带 宽（20/40/80/160 MHz）中运行。特定信道的整个带宽由AP划分成若干RU，然后AP将RU分配给UE。RU到其BSR信息（Bankov等人，2017; Nurchis和Bellalta，2019）可用。因此，利用不同的RU，不同的STA可以同时与AP通信，而不会遭受信道竞争（即，随机接入协议的固有约束）和同信道干扰。用于系统的协议被设计为同意第3.1节中概述的OFDMA规范并且符合第3.2中提到的约束。3.1. OFDMA规范与蜂窝网络一样，IEEE 802.11ax中的整个信道可以被划分为多组OFDMA正交子载波，这些正交子载波被称为资源单元。OFDMA中的每个资源单元由26、52、106、242、484、996或2996个子载波组成（Naik等人，2018）;（Khorov等人，2016年）。资源单元的大小取决于信道宽度。802.11ax支持20 MHz、40 MHz、80 MHz、160 MHz和（80 + 80）MHz（即合并两个80 MHz信道）。20 MHz、40 MHz、80 MHz和160 MHz信道可以分别被划分为至多9、18、37和74个RU，其中每个RU包含26个音调。 图图2示出了802.11ax中的40 MHz信道如何按照资源单元进行划分。从40 MHz信道中移除第一级（即，484音调RU）并且将信道垂直地划分为两半，则每一半将表示20 MHz信道的RU形成以类似的方式，垂直合并两个40 MHz信道并在第一级（图的底侧）添加996音调RU将创建80 MHz OFDMA信道的RU形成。同样的过程对160 MHz信道也是有效的。IEEE 802.11ax允许160 MHz信道，该信道非常宽并且包含多个较窄的信道。借助160 MHz通道，我们将获得最快的Wi-Fi，提供数千兆位的低延迟连接。这些高速连接对于在无线LAN中支持5G服务至关重要。160 MHz信道带宽只能在支持无线标准Wi-Fi 6（802.11ax）或Wi-Fi 5（802.11ac）的设备上的5 GHz频段中使用。这个更宽的信道可以包含多达74个RU，其中每个RU包含26个音调，并且可以提供高达1722 Mbps的速度。只有少数更宽的频道可用于不同地区的Wi-Fi。例如，对于802.11ac操作，在北美只有一个160 MHz信道可用，在欧洲只有两个160 MHz信道可用。Gazi Zahirul Islam和Mohammod Abul Kashem沙特国王大学学报2491图1.一、具有四个站点和一个接入点的无线LAN图二. 40 MHz信道中的RU形成。3.2. OFDMA约束根据IEEE 802.11ax，RU包含至少26个子载波。另一方面，较宽的RU（即，大于26个子载波）可以被划分成较窄的RU。 例如，在40MHz信道中，RU布置可以是一个242音调RU、一个106音调RU、一个52音调RU和三个26音调RU。注意，RU位置不是任意的，例如，我们不能从图2中的第二和第三26-音调RU或第五和第六26-音调RU（在图2中加下划线）形成52-音调RU。40 MHz频道AP根据不同的站的业务需求将资源单元分配给不同的站，从而同时实现多用户（MU）传输。然而，与LTE不同，存在关于RU到STA的指派的若干限制。在IEEE 802.11ax中，资源单元不能被分配给多于一个的站，并且站也不能获取多于一个的资源单元。另一个要求是RU必须包含用于MU-MIMO传输的至少106个子载波，并且新颖的1024 QAM（正交幅度调制）只能在242音调RU或更大的RU中使用（信息技术标准，2009）。可以在资源单元上携带的数据量取决于资源单元的大小。例如，使用1024-QAM，242-音调RU可以提供高达135.4Mbps，而484-音调RU可以提供两倍，即270.8Mbps（Bankov等人，2018年）。有趣的一点是，在OFDMA传输期间，所有RU无论其大小如何都将获得确切的时间量来传输其数据，并且所有OFDMA传输是并发的。因此，我们设计算法1，使得高负载STA获得比低负载STA更大的RU。4. 调度设计4.1. 登记册索引编制OFDMA信道的带宽可以被分配给至多L个级别的不同RU 图 有四个层次（即 l = 4），而在图1中， 有5个级别（即l= 5）。电平的数目根据信道带宽而增加我们通过从底部（通过分配l= 0）分配一个级别编号（l）到逐渐增加值l来表示每个级别。因此，在Fig. 3，l = 0表示最大Gazi Zahirul Islam和Mohammod Abul Kashem沙特国王大学学报2492-2图3.第三章。 在20 MHz信道中对RU进行调平和索引在20 MHz信道中，1 = 1表示RU水平（在底部），1为了简单起见，我们认为每个资源单元（具有多于26个音调）可以被划分成两个相等的较小资源单元。我们将每个资源单元表示为RU（1，i），其中i表示级别1处的资源单元的索引。整个带宽可以在级别1（1 {0，1，.. . ，L-1}），标记为0，1，2，.. . ，2l -1。每个具有1L1的资源单元RU（1，i）可以被划分为两个资源单元RU（1+1，2i）和RU（1+1，2i + 1）。 在该过程之后，我们标记图1中所示的20MHz OFDMA信道的资源单元。3.第三章。4.2. 负载测量BSS（基本服务集）中的每个具有数据的STA通过BSR（缓冲区状态报告）向AP发送接收到BSR，AP根据STA的负载将STA分类AP为观察具有相对较低业务需求的STA的负载的LL参数设置合理/实用的值。考虑到信道中的业务量，AP可以调整该值，使得BSS中的大多数STA落在LL组中。然后，ML和HL的参数按以下公式计算ML = 2 * LL。ð1ÞHL = 2 * ML = 4 * LL。ð2Þ现在，根据以下等式中提到的负载范围，所有STA将属于特定负载组0

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