一种wifi多信道聚合的高速同步回传方法

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1、第 39 卷第 2 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.39No.2 2017年2月 Journal of Electronics Multi-channel backhaul; Synchronous transmission; Adjacent channel interference 1 引言 为了提升数据服务能力，近年来城市内蜂窝基 站越来越趋于小型化和密集化部署，这就使得连接收稿日期： 2016-04-19； 改回日期： 2016-08-25； 网络出版： 2016-10-21 *通信作者：方旭明 基金项目：国家自然科学基金(61471303)，欧盟 FP7 QUICK 项目(

2、PIRSES-GA-2013-612652) Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61471303), EU FP7 QUICK Project (PIRSES-GA-2013- 612652) 蜂窝基站的回传链路更加密布。虽然有线回传链路 (如，铜、光纤等)具有可靠的稳定性，但由于其基 础设施的建设及维护需要投入大规模的人力物力及 财力，并且有线回传链路的安装会涉及私有房产和 土地敷设等问题，若未来 5G 网络中全部回传链路 均布设为有线线缆显然是不可取的。 在这种背景下， 使用无线回传链路来

3、取代部分有线线缆成为一种有 效可行的方案。这其中又以成本低廉、易于实现的 WiFi 技术最受青睐1。因此，本文致力于研究如何 利用 WiFi 技术实现 5G 网络中的高速无线回传。 336 电 子 与 信 息 学 报 第 39 卷 IEEE 802.11n/ac2,3利用静态/动态信道绑定技 术(Channel Bonding, CB)4实现了多个连续 20 MHz 信道的聚合。虽然 CB 可大幅提升传输速率， 但其也存在一定的不足：静态 CB 灵活性不够且存 在由于部分频段质量不佳而导致系统整体性能下降 的问题；动态 CB 虽具灵活性，但在用户密集场景 下一般很难找到几个连续的空闲信道。文献

4、5对各 无线网络中 CB 技术进行了归纳并指出了其存在的 缺陷。文献6通过将信道划分为更窄的子信道使频 谱聚合更具灵活性，但实现复杂度高。为克服连续 频谱信道聚合的不足，提高频谱利用率，部分研究 者对如何实现非连续频谱信道的聚合进行了探讨， 但其中大多数方案的可操作性不强。如文献7提出 的非连续频谱 CB 方案需对 WiFi 协议中帧结构及 MAC 作一定的修改，不易实现。同时，现有 WiFi 协议中 AP/STA 采用单射频单信道配置，而随着无 线用户对 QoS 及 QoE 要求的提高，利用单信道进 行回传已越来越难满足这一需求。随着无线射频收 发器硬件成本的降低和相关技术的发展，在同一个

5、AP/STA 上装备多射频利用多信道传输正在逐渐成 为可以接受的提高 5G 网络性能的技术选择。目前 绝大多数考虑利用多射频多信道的研究均是针对无 线 Mesh 网络的8 10，而对其在回传网络中的应用 研究甚少。 本文第 2 节介绍了 5G WiFi 多信道聚合的高速 回传系统架构；第 3 节详细描述了所提高速同步回 传方案，包括：多节点联合信道扫描、多信道同步 控制及基于系统吞吐量及信道占空比信息的多信道 干扰检测；最后，本文所提方案进行了性能仿真并 通过搭建的原型验证系统测试了其有效性及可行 性。 2 WiFi 多信道回传系统架构 对于 5G 网络中 P2P WiFi 多信道回传系统，

6、假设 AP 与 STA 上均可配置 N 个射频器(如，N 张 无线网卡)， 每个射频器分别工作在 5 GHz 频段的不 同 WiFi 信道上，并且两节点不具有移动性。为便 于说明， 本文将 AP 与 STA 均看作 N 个位于同一位 置的虚似节点(virtual AP/STA, vAP/vSTA)且各 vAP/vSTA 上均只配置有一个射频器， 如图 1 所示， 其中，各 vAP 与 vSTA 保持一一对应的关系。 由于回传网络中 vAP/vSTA 是集中布置的， 若 不进行有效的收发控制，当多信道同传时会产生严 重的邻道干扰(Adjacent Channel Interference, AC

7、I)11,12，致使吞吐率下降。本文通过将同一节点 上的多个虚拟节点控制在相同的收发状态来抑制这 图 1 5G 网络中 WiFi 多信道回传系统架构 种干扰。另外，由于 WiFi 网络采用 CSMA/CA 机 制，即只有当节点检测到信道处于空闲时才能发送 信息，那么，一个处于发送状态的虚拟节点(如， vAP1)可能会引起同一节点上的另一虚拟节点(如， vAP2)的 “假载波侦听” 。 如当 vAP1-vSTA1 在信道 A上 通 信 时 ， 可 能 会 有 部 分 能 量 泄 露 到 vAP2-vSTA2 所在信道 B 上，导致 vAP2 判定信道 B 处于忙碌状态从而延迟发送，而实际上此时信

8、道 B 是空闲的。本文通过多信道同步传输来避免出现 这种情况，以提高频谱的利用率。 3 WiFi 多信道聚合的高速同步回传方案 3.1 多节点联合信道扫描机制 由于 5G 回传网络中 AP 与 STA 所处地理位置 不同，其所处电磁环境也不同，那么二者对于同一 信道进行扫描的结果可能会有差异。因此，为了能 选择到对 AP 与 STA 都有较好传输性能的回传信 道，区别与 WiFi 协议中单节点扫描，本文中信道 扫描是由 AP 与 STA 联合实现的，如算法 1 所述。 算法 1 联合信道扫描 (1)判断本次是否为初始化扫描。若是，则执行 下一步；若否，则转向步骤(3)； (2)vAP1 与 v

9、STA1 分别对 5 GHz 频段上所有 信道(个数记为ToM)进行扫描，并记录信道m (1 To)mM的 扫 描 数 据AP/STAactive_timem, AP/STAbusy_timem与AP/STAtx_timem；转向步骤(4)； (3)vAP1与vSTA1分别扫描除BaM个回传信道 以外的其他各信道，并记录信道To(1mmM Ba)M的扫描数据AP/STAactive_timem, AP/STAbusy_timem 与AP/STAtx_timem； (4)vAP1 与 vSTA1 分别计算信道1mmToToBa, , M MMM= 初始化扫描其他的干扰因子： APAPAPAPbu

10、sy_timetx_time active_timetx_timemm m mm=(1) 第 2 期 薛 青等： 一种 WiFi 多信道聚合的高速同步回传方法 337 STASTASTASTAbusy_timetx_time active_timetx_timemm m mm=(2) 从而可得 AP 与 STA 各自的信道扫描列表 list A 与 list B； (5)若步骤(1)中判断为是， 则执行下一步； 若否， 则转向步骤(8)； (6)AP 在 list A 中为 vAP1 选取满足条件 minm的信道(若有多个满足该条件，则任选其 一)； (7)vSTA1 连接 vAP1 并上传

11、list B；转向步骤 (9)； (8)STA 通过 vSTA1 以外的虚拟节点(如 vSTA2)上传 list B； (9)AP 通过函数12( ,)mf 对 list A 与 list B 作 联合处理，即 1212( ,)()()mmmmmf =+ (3) 其中，101, 201且121+=， 可得联 合扫描列表 list C； (10)假设干扰阈值为， 统计 list C 中信道质量 良好的信道个数GM。 令G0M=； For 1m =to Mdo If 12( ,)mf then GG1MM=+; End if End for (11)将上述GM个信道按干扰因子由小到大排 序并记录相

12、应的信道编号NumChi(G1iM)， 得可 用信道列表 list D。 其中，AP/STAactive_timem, AP/STAbusy_timem与AP/STAtx_timem分别表示 AP/STA 扫描信道m所得 的活跃时间(即观测时间)、处于“忙”状态的时间 与发送状态的时间，1和2为干扰因子计算权重。 步骤(9)中干扰因子之和越小，表明该信道综合质量 越好；相应地，干扰因子之差越小，表明该信道对 回传两端而言的传输性能差异越小。 因此，12( ,)mf 的值越小， 表明 AP 与 STA 在信道m上的回传性能 越好。 在 AP 与 STA 完成初始化联合信道扫描得到 list D

13、后，由 AP 为回传网络进行统一的信道分配： 若GMN，为降低 ACI，(1)选取12( ,)mf 尽 量小的信道；(2)所选的多个信道相隔尽量远。 若GMN，则将此GM个信道作为回传信道。 特别地，若GMN，那么异态传输时的 ACI 势必远大于同 态传输时。换而言之，同态传输性能要优于异态传 输。 3.2.2 多信道同步控制 本文通过对 5G 多信道回传 网络进行同步收发控制来防止同态传输时的“假载 波侦听” 现象。 通过对处于发送状态的各 vAP/vSTA 进行时钟同步校准，可以很容易实现多信道同步发 送；对于多信道的同步接收问题，本文从两个方面 着手进行了研究，以下行为例： (1)根据不

14、同信道的传输能力来控制多信道数 据分流(如图 3(a)； (2)利用帧聚合14的思想进行多信道数据对齐 (如图 3(b)。 信道的传输能力可由其所选 MCS 所对应的 PHY 数据速率(记为PHYRaten, Ba1nM)来衡 量，即 wlani与 wlanj的数据分流比例:ij PHYPHYRate: Rateij=。在一个同步周期内，为使各 信道发送一个聚合帧的时间相等，即ijtt=(1, i BajM, ij)，应对回传网络中各信道的帧聚合 长度进行控制。 首先， 将满足条件PHYmax Raten的 信道作为参考信道，按其最大聚合能力完成本周期 内数据的聚合，计算其传输时间xt；然后，

15、令nxtt=(nx)， 依次估算其余各回传信道的帧聚合 长度。 注意：一个回传周期内最后的 BACK Req 帧与 BACK 帧(如图 3(b)所携带的信息与 WiFi 协议中 相应帧有所区别，需在原有帧结构的基础上进行扩 展或修改。 这两个帧携带有本回传周期内数据发送/ 接收结束的标识位，也是下一同步回传周期准备开 始的标志。 3.3 多信道干扰检测机制 本文通过周期性统计 5G 回传网络中的系统吞吐量及各工作信道的占空比状态，评估各信道质量 并监测回传网络是否受到外界干扰， 如算法 2 所述。 由于 5G 网络中无线数据业务需求巨大，本文假设 各工作信道均为满负载传输。 算法 2 多信道干扰检测 (1)统计一段时间内总吞吐量Th，同时记录各 信道的传输状态：active_timen, busy_timen, rx_timen与tx_timen(Ba1nM)； (2)计