论文部分内容阅读
由于移动互联网的迅猛发展和智能终端的广泛应用,无线网络承载的数据量不断激增,无线业务也趋于多样化。无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）已作为无线网络服务的主要承载体。为了应对无线业务需求的迅猛增长,学术界、工业界以及美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE）802.11标准化组织越来越关注下一代WLAN的关键技术研究和标准化进程推动。下一代WLAN标准修订IEEE 802.11ax将于2019年后期正式发布,它将高密集部署场景作为下一代WLAN的目标场景。现有WLAN的媒介接入控制（Media Access Control,MAC）技术在高密集部署场景下存在MAC效率急剧降低的缺陷,严重制约WLAN系统性能。为此,下一代WLAN引入以正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA）为核心的多用户多址接入技术,以期显著提升MAC效率。显著提升服务质量（Quality of Service,Qo S）是未来无线网络以及下一代WLAN的核心技术目标之一。然而,在多用户多址接入协议流程本身得到一定研究之后,如何设计高效的具有良好后向兼容性的多用户多址接入协议以保证不同业务类型特别是高优先级业务的Qo S是一个迫切需要开展研究的技术问题。这其中的典型需求包括:日益丰富的延时敏感业务的Qo S如何保障,高密集部署场景下的高优先级业务Qo S和业务间公平性如何保障,以及超大数据量且可分层业务的Qo S如何保障等。这些问题是当前学术界和标准组织密切关注的问题,遗憾的是目前这方面的相关研究较为稀缺。为此,针对这些问题,本文研究基于OFDMA面向Qo S的下一代WLAN多用户多址接入协议。本文的创新点归纳总结如下:1.针对延时敏感业务的Qo S保障问题,设计了一种基于延时敏感的OFDMA多用户多址接入协议并提出对应的Qo S优先级调度算法,简称为LS-OFDMA。LS-OFDMA的基本思想是将业务的延时敏感特性作为协议流程和算法优化的重点因素并兼顾带宽等需求,该协议具有良好的后向兼容性。接下来,设计并搭建IEEE 802.11ax链路级-系统级一体化仿真平台,并对IEEE 802.11ax所标准化的多用户多址接入协议进行性能验证,证明了其性能优势。进而,基于一体化仿真平台对LS-OFDMA协议及调度算法进行性能仿真,仿真结果表明,LS-OFDMA的系统有效吞吐量比基于顺序调度算法和比例公平调度算法的OFDMA协议分别提升了56.8%和58.8%。2.针对高密集部署场景下如何保障高优先级业务Qo S并兼顾业务间公平性的问题,设计了一种基于两次随机竞争接入的多用户多址接入协议,简称为DRA-OFDMA。DRA-OFDMA协议的基本思想是引入两次OFDMA随机竞争:第一次随机竞争接入时不区分业务类型,从而保障了公平性;并且仅允许第一次竞争接入失败的高优先级用户在分配剩余的可用资源上执行第二次随机竞争接入,从而增加了高优先级业务的成功概率,保障了该类业务的Qo S要求。该协议具有良好的后向兼容性。接下来,通过离散二维Makov链对DRA-OFDMA协议进行数学建模,并基于该模型理论分析了网络吞吐量。进而,基于一体化仿真平台对DRA-OFDMA协议进行性能仿真,仿真结果一方面验证了数学模型和理论分析的正确性,另一方面表明了所设计的DRA-OFDMA协议与现有的RA-OFDMA协议和O-MAX协议相比在高优先级业务吞吐量方面分别提升了22%和89%,同时较好地保证了高低优先级业务间的公平性。3.针对超大数据量且可分层业务（例如高清视频）的Qo S保障问题,设计了一种支持业务分层的多用户多址接入协议,简称为LT-OFDMA。LT-OFDMA协议的基本思想主要包括两方面:一方面引入WLAN的信道绑定技术以获取更大的带宽或者更多的信道资源以保障大数据量业务传输需求。另一方面引入基于分层业务的混合随机竞争接入,具体而言,对于第一次随机竞争成功的分层业务用户保障其基本层需求,并允许其在剩余的资源上执行混合随机竞争并且传输增强层数据,以获得更好的Qo S质量。该协议同样具有良好的后向兼容性。而对于第一次随机竞争接入失败的分层业务用户,允许其在剩余的资源上执行混合随机竞争并且同时发送基本层和增强层的数据,直接获得较好的Qo S质量。进而,基于一体化仿真平台对LT-OFDMA协议进行性能仿真,仿真结果表明,与现有文献相比,LT-OFDMA协议的分层业务用户吞吐量提高了154%。