IEEE 802.11ax下的上行链路OFDMA MAC协议支持MU-MIMO的密集WLAN下的性能优化

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）287www.elsevier.com/locate/icte密集IEEE 802.11ax WLAN中支持MU-MIMO的上行链路OFDMAMAC协议Sohyun Jooa，Taeyoon Kimb，Taewon Songc，Sangheon Packa，a韩国首尔高丽大学电气工程学院b韩国峨山顺春香大学智能汽车学院c韩国首尔LG电子接收日期：2020年2月24日;接收日期：2020年4月3日;接受日期：2020年4月21日2020年5月7日网上发售摘要IEEE 802.11ax支持用于上行链路（UL）传输的正交频分多址（OFDMA），其中站（STA）以分布式方式接入随机选择的资源单元（RU）。然而，随着STA数量的增加，可能发生频繁的冲突，这导致UL传输中的吞吐量下降。为了解决这个问题，我们提出了一种多用户多输入多输出（MU-MIMO）使能的UL OFDMA随机接入（MORA）协议。MORA结合了OFDMA和MU-MIMO的思想，因此，多于一个的STA可以共享相同的RU，这可以显著降低拥塞情况下的冲突概率。分析仿真结果表明，MORA协议显著提高了标准OFDMA协议的吞吐量c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.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/）。关键词：IEEE 802.11ax; MORA; MU-MIMO; OFDMA1. 介绍为了在上行链路（UL）传输中提供更高的数据速率，IEEE 802.11ax [1]将正交频分多址（OFDMA）视为用于UL传输的关键技术。在UL OFDMA中，总带宽被划分成若干子载波束（由资源单元（RU）表示），并且每个站通过所分配的RU发送其UL帧。对于IEEE 802.11ax中的RU分配，每个STA在其自己的OFDMA竞争窗口（OCW）内选择随机数（由OFDMA退避（OBO）计数表示），并且所选择的OBO计数被递减未分配的RU的数量。如果递减的OBO计数小于或等于0，则该站被认为是获胜站，并且因此，它在未分配的RU中随机选择一个RU用于UL传输。否则，在下一个间隔中重复相同的递减操作。即使该信道接入可以以分布式方式容易地实现，但是如果两个或更多个STA尝试接入相同的RU，则可能会发生冲突。∗ 通讯作者。电子邮件地址： shpack@korea.ac.kr（美国）包装）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.04.007事件发生，这导致信道利用率不足和吞吐量下降。一方面，多用户多输入多输出（MU-MIMO）允许多个STA可以借助于多个天线在相同频带上并发地发送（或接收）帧，除非该帧发生错误是重叠的因此，MU-MIMO传输有可能减轻相同RU上的冲突，从而提高频谱效率和信道容量。通过利用MU-MIMO的特点，我们提出了MU-MIMO使能的UL OFDMA随机接入（MORA）协议，以减轻冲突事件，提高网络吞吐量。在MORA中，每个STA不仅被分配一个RU内的数据传输的起始点，而且还包括指示所分配的RU内的数据传输的起始点的虚拟时隙（VTS）。通过区分相同RU中的起始点，多个STA可以发送它们的帧而较少考虑冲突，并且可以获得改进的吞吐量。仿真结果表明，MORA协议与仅采用OFDMA的随机接入协议相比，显著2. 莫拉为 了 描 述 MORA 的 操 作 ， 我 们 考 虑 一 个 饱 和 IEEE802.11ax WLAN场景，其中存在一个AP2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.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/）。··−={−·}+∑b1名i（2名p）M、−R南纬288号Joo，T.金，T.Song等人/ICT Express 6（2020）287其周期性地向STA发送信标帧。整个带宽被划分为R个RU，并且整个数据传输时间被虚拟地划分为V个VTS。一个VTS应该大于或等于帧前导码传输时间，因此每个RU具有V个VTS，并且总共R个VTS被考虑用于UL传输。在MORA中，UL传输时段（由触发间隔（TI）表示）可以由用于随机接入的触发帧（TF-R）触发。具体地，TI由（1）TF-R相，(2)数据传输阶段，以及（3）多STA块确认（M-BA）阶段，并且这些阶段在每个TI中重复。TF-R阶段在AP以周期性方式发送TF-R帧时开始，该TF-R帧通知控制信息（例如，MAC参数）到STA。通过接收在TF-R帧中，所有STA可以识别可以用于UL传输的RU的数量。在数据传输阶段，每个STA在MORA中执行修改的OBO过程。 OBO计数递减M R，其中M是AP天线的数量，R是RU的数量。也就是说，MORA OBO过程可以表示为 作为ΘDmin 0，ΘI M R 其中，ΘI是从[0，OCW 1]中选择的初始OBO计数，并且ΘD是递减的OBO计数。在该递减之后，如果ΘD变为0，则STA被认为是获胜的STA。否则，在下一个TI中以ΘD的值重复递减操作。对于RU/VTS分配，RU和VTS的索引（由 IRU和 IVTS表示）应当被确定以避免STA之间的任何重叠。首先，分配给STA的RU应该均匀地分布到R个RU。因此，IRU可以通过模运算来确定，其由下式给出：图1.一、M O R A OBO的马尔可夫链模型。3.1. 冲突概率图图1示出了MORA OBO过程的二维马尔可夫链模型，其中Wi是第i个OBO阶段的竞争窗口（0≤i≤b），b是OBO阶段的最大数量。令p和τ分别是RU中发送的帧与另一帧冲突的概率和STA在TI为了找出τ，假设每个STA的状态独立于其他STA的状态[3]，因此冲突概率在所有OBO阶段中是恒定然后，MORA中的τ由下式给出：2I RU=ΘImod R，0 ≤I RU≤R − 1。（一）τ=1Wmin（M，V）·R+pmin（WV）·R（三）−i=0时同时，IVT_S应该是整数，以避免在每个VTS中的成功前导码传输的所分配的RU内的重叠。为了达到这个目的，在（1）中获得的IRU用于确定IVTS。具体地，由于IRU是当ΘI除以R时的余数，所以ΘI-IRU是R的倍数。因此，在本发明中，其中W是最小OCW值。在MORA中，当STA的OBO计数在0以内时，STA发送它们的帧到M·R。因此，图中的状态总数。1是Wi−M·R。此外，我们假设所有STA都是均匀分配的ΘI IRUR返回随机选择的整数。因此，IVTS可以是通过（1）将RU转换为R。因此，可以与STA通信的STA的平均数量可以是决定ΘI−IRU访问给定RU，NRU，可以表示为NRU=NIV T S=Rmod V，0≤I VTS≤V − 1。（二）其中，N是STA的总数，并且N×N是上限之后，STA通过所选RU中分配的VTS发送其帧。如果多达M个STA在不同VTS处接入RU，则它们可以成功地发送它们的帧，因为AP天线的数量被限制为M。同时，如果多于一个STA在相同VTS接入相同RU，则它们的帧序列重叠并且AP不能解码返回大于x的最小整数的函数。令ITI、STI和CTI分别是RU中没有传输、成功传输和冲突传输的TI的集合。然后，非碰撞概率1−p由[4]1 −p=P（i成功|i在ti中传输）帧，其表示MORA中的碰撞事件最后，在M-BA阶段，AP根据接收到的UL数据的情况，P（i）在时间上传输|ti∈STI）P（ti∈STI）.P（i在ti中传输）（四）跳转3. 性能分析在本节中，我们基于[2]中报道的二维马尔可夫链推导出MORA的分析吞吐量模型在（4）中，P（i）在ti中传输|是STA i在随机选择的TI中发送其帧的概率（表示为ti）当ti中的传输成功时。在MORA，可以假设在RU中存在N个RUSTA，并且多达Mmax=min[M，NRU]个STA可以同时发送它们的帧。因此，上述概率=（）下一页- −=×我∑=- −−=−（9）我=RU1NRUS. Joo，T.金，T.Song等人 /ICT Express 6（2020）287-290289与当在N个RU中选择M个最大STA时STAi被包括在所选择的STA中的概率相同，其可以被表示为分别对于OFDMA的特征，由下式给出TI（和TS，TC）：TI=t T F− R+t SI FS+t D+t SI FS+t M− B A+t DI FS（11）NRU−1P（i）在时间上传输|i∈S TI）=Mmax−1= Mmax .（五）其中tT F−R ，tD，tM−B A 是传输时间（NRU）NRUTF-R帧、数据帧、M-BA帧。tSIFSP（ti ∈SMmax）表示Ti中的所有传输都是和tDI FS 是短帧间间隔（SIFS）时间和我不是成功也就是说，对于该概率，所有M_maxSTA应当在不同的VTS开始传输对于第一VTS，由STA在N个RU之间的传输的概率为分布式帧间间隔（DIFS）时间。同时，每个STA在MU-MIMO干扰下的最大数据速率E[速率]可以由[5]2STA是否成功由NRUτ（1−τ）NRU−1给出。由于第一E[速率]=Blog 2（1+sin θ·SN R SU）。（十二）1 （一） τ）NRU成功的STA被排除用于即将到来的传输，在第二VTS其中，SNRSU是SU-MIMO下的xj的SNR，θ是第j个STA的信道与组合STA的信道之间变为（NRU−1）τ（1−τ）NRU−2。这样，所有的M1−（1−τ）NRU−1Max 反式其余STA的信道。在RU中，STA从所分配的RU开始帧传输。任务应该被计数，然后P（ti∈STI）（表示为Ps（NRU）表示战术演示）由下式给出：VTS，这导致前导码传输时间的时间损失因此，E[P]可以从Ps（NRU） NRUτ（1−τ）NRU−11−（1−τ）NRUMmaxE[P]=（E[F]-E[Nj]·E[Pre]）·E[Rate]（13）（NRU−1）τ（1−τ）NRU−21−（1−τ）NRU−1（NRU−Mmax+1）τ（1−τ）NRU−Mmax（六）j=1其中E[F]是平均帧传输时间，E[Pre]是平均前导码传输时间。Nj是数字· ··1−（1−τ）NRU−Mmax +1。在（j-1）之间的空闲VTS我1）第帧和第j帧输入通过贝叶斯P（i在ti中传输）（7）其中j为1，2，. . .，M max.在第j次传输竞争中，有N个RU（j1）STA竞争获得传输机会，并且每个STA在VTS中进行传输概率τ。因此，Nj遵循几何分布，=1−P（i不在ti中传输）= 1 −P（i不在ti中传输|ti∈S TI）P（ti∈S TI）参数为（1τ）N的分布Nj变为我所以，期待，P（ti∈S TI|i不在ti中传输）E[Nj]=1.（十四）哪里 P（ti∈S TI|i不在ti中传输） 代表着I1−（1−τ）NRU−（j−1）STAi在ti中不发送其帧，但是ti中的所有其他传输都是成功的。换句话说，除了STAi之外的（NRU-1）个STA在ti中成功地发送它们的帧。因此，它可以被获得为P （ ti∈S TI|i does not transmit in ti ） =P s （ N RU− 1 ） .（8）通过组合（5）至（8），p可以由下式获得：MmaxPs（NRU）p1NRU。（1−Mmax）Ps（NRU）Ps（NRU−1）最后，我们有R个RU，因此总网络吞吐量由ρtotal=R·ρRU给出。4. 仿真结果为了评估MORA的性能，基于MATLAB的仿真已经进行。RU的数量（即，R）在80 MHz信道中固定为8，并且VTS被设置为等于帧前同步码传输时间。SNRSU被设置为25dB，这是WLAN的典型最小SNR要求，并且STA的信道之间的角度被假设为均匀分布在[0，π]中。其他仿真参数基于IEEE 802.11ax [1]。在不同数量的3.2. 网络吞吐量在MORA中，每RU的吞吐量ρRU由下式给出：ρP（ti∈STI）E[P]P（ti∈ITI）TI+P（ti∈STI）TS+P（ti∈CTI）TC（十）STA，将MORA的性能与IEEE 802.11ax标准MAC协议和根据STA数量改变OCW大小的自适应退避（AB）协议[6]仿真结果验证了分析模型的准确性。图2将总网络吞吐量显示为的STA增加。在IEEE802.11ax和AB的情况下，如果在给定的RU中发生冲突，则对应的RU可以是×−其中，E[P]是在AP处的总接收有效载荷大小，RU，并且T1、TS和TC是非传输的持续时间， 一 成功 传输， 和 碰撞，在整个TI期间未充分利用。因此，在冲突事件常见的高密度网络中，观察到显著降级的网络吞吐量与此同时，=∼∼南纬290号Joo，T.金，T.Song等人/ICT Express 6（2020）287CRediT作者贡献声明形式分析，调查，写作-初稿.金泰云：概念化，写作-评论编辑。泰源宋 ：验证，写作-审查编辑。SangheonPack：监督，写作-评论编辑。竞合利益提交人声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，图二、S T A 数量（M）的影响4，MI：MU-MIMO干扰，S：模拟，A：分析）。采用MU-MIMO，因此在RU中允许多达M个STA，这可以降低未充分利用RU的可能性。结果，可以表明，与IEEE802.11ax和AB相比，MORA提供了显著增加的吞吐量，并且随着STA数量的增加，吞吐量的改善变得更加明显。具体地，MORA可以将IEEE 802.11ax的每个天线的归一化吞吐量提高18% 当STA的数量为20时，为119%。此外，可以发现，分析结果与模拟结果一致0。百分之八。5%的错误率。5. 结论在本文中，我们提出了MORA，支持MU-MIMO的每个RU，以减轻STA之间的冲突概率，并相应地提高网络吞吐量仿真结果表明，所建立的分析模型具有足够的准确性，与IEEE 802.11ax和自适应退避协议相比，MORA协议能够显著提高网络吞吐量。在我们未来的工作中，我们将评估MORA在基于无线开放访问研究平台（WARP）的测试平台上的性能[7]。似乎影响了本文报道的工作确认这项研究得到了ITRC支持计划（IITP-2019-2017-0-01633）的支持，该计划由IITP监督。引用[1] 第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范：高效率WLAN的修正增强，IEEE标准802.11ax/D6.0，2019。[2] T. Uwai，T. Miyamoto，Y.纳加奥湖小拉南特，M. Kurosaki，H.Ochi，IEEE 802.11ax中OFDMA随机接入的性能评估，在：Proc.ISPACS 2016，2016。[3] G.李文，等. IEEE 802.11分布式协调功能的性能分析. IEEE 802.11分布式协调功能. 18（3）（2000）535-547。[4] S. 吴 ， W. Mao ， X ，Wang ， 多用 户MIMO 无 线局 域 网中 基 于CSMA/CA的MAC协议性能研究，IEEE Trans. 无线通信13（6）（2014）3153[5] W.沈，Y. Tung，K.李，K. Lin，S. Gollakota，D.卡塔比湾Chen，802.11多用户MIMO网络的速率自适应，IEEE Trans. 暴徒Comput.13（6）（2014）35[6] T. Uwai，T. Miyamoto，Y.纳加奥湖小拉南特， M. Kurosaki，H.Ochi，IEEE802中具有有限服务周期的OFDMA随机接入的自适应退避机制。11ax，in：Proc. IEEE CSCN 2016，2016.[7] 802.11 WARP v3参考设计，https：//warpproject. org/trac/wiki/802. 11.