IEEE 802.11ax标准MAC层多用户随机接入技术研究

摘要

随着无线通信技术和设备的不断发展、普及，未来的无线局域网络(WLAN)将呈现出超高通信速率、海量分布式接入和无处不在的信号覆盖等新特点，与此同时，频谱资源和能源的日益紧缺也迫使新一代WLAN标准的设计目标从通信速率的提高转移到通信效率的提高。在WLAN的MAC层接入机制中，随机接入技术一直扮演着重要角色，但它固有的碰撞问题、高通信速率下过大的开销，使其难以满足未来超密集场景下的通信需求。于是，802.11ax标准引入了正交频分多址(OFDMA)技术以细分频谱资源，增强MAC(Media Access Control)层的并行接入能力，提高频谱接入的灵活性，利用这种优势，基于随机接入的系统性能可得到有效改善。因此，本文将专注于研究新一代802.11ax标准基于OFDMA的MAC层多用户随机接入机制。　　但OFDMA技术的引入同时也颠覆了传统WLAN的MAC层单用户接入模式，将随机接入时的竞争从时域扩展到频域。802.11ax标准引入了UORA(Uplink OFDMA-Based RandomAccess)机制，简单调度上行状态未知的STA进行随机接入，但由于缺少有效避免碰撞设置，在密集场景下该机制效率，即供上行随机接入的子信道资源单元(RA-RU)利用率仍不高。基于二维马尔科夫链模型仿真分析得到UORA过程RA-RU利用率最大仅为36.8%，导致大量频谱资源被浪费。　　鉴于此，本文借鉴CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid)协议思想，提出了一个基于虚拟竞争的UORA(VC-UORA)算法。该算法是以少量时间资源和算法复杂度为代价，将大量站点(STA)随机接入时的激烈碰撞转化为可避免的虚拟竞争，从而提高频谱资源的随机接入效率。同时本文还建立了VC-UORA过程二维马尔可夫链模型，对比仿真了该算法在理想饱和环境下可将RA-RU利用率提高到80%以上，在系统上行随机传输吞吐量和STA随机接入延迟方面也有很大提升，使之更适用于未来密集的无线局域网络环境。　　最后，本文还将VC-UORA面向QoS进行扩展，将其应用到802.11ax标准的MUEDCA模式，并仿真分析了其可行性，及对不同优先级接入类型在密集场景下的QoS(Quality of Service)提升，可以带来更好的用户体验。

目录

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第1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 无线局域网络 802.11系列标准的发展

1.1.2 基于 OFDMA的随机接入机制

1.2 基于 OFDMA的上行接入机制研究现状

2、基于 AP触发的 MU-MAC接入机制

3、基于马尔科夫链模型的研究

4、QoS增强

1.3 论文结构安排

第2 章 802.11ax 标准MU-MAC 传输功能增强概述

2.1 802.11ax标准物理层的相关演进

2.1.1 MU-MIMO和 OFDMA技术协作

2.1.2 802.11ax标准信道的划分

2.2 802.11ax标准 MAC层的 MU-MAC接入机制

2.2.1 多用户上行接入机制

2.2.2 多用户下行接入机制

2.2.3 多用户的 RTS/CTS机制

2.2.4 多用户级联传输机制

2.3 本章小结

第3 章 802.11ax 的MU-MAC 随机接入机制分析

3.1 UORA机制

3.1.1 退避机制

3.1.2 UORA机制流程

3.2 UORA机制仿真分析

3.2.1 系统仿真拓扑结构

3.2.2 RA-RU各状态比率

3.2.3 退避机制对 RA-RU利用率的影响

3.2.4 建模分析

3.3 本章小结

第4 章基于虚拟竞争的UORA算法

4.1 VC-UORA算法

4.1.1 载波侦听技术

4.1.2 虚拟竞争法

4.1.3 VC-UORA算法流程

4.2 VC-UORA算法的二维马尔可夫链模型

4.2.1 STA发送概率

4.2.2 RA-RU利用率、空闲率、碰撞率

4.2.3 系统平均上行随机传输吞吐量、STA平均随机接入延迟

4.3 VC-UORA算法仿真分析

4.3.1 模型的验证

4.3.2 RA-RU各状态比率

4.3.3 RA-RU利用率的提高

4.4 VC-UORA算法的优化

4.5 面向 QoS的 VC-UORA算法扩展

4.5.1 802.11ax标准的 QoS保障

4.5.2 应用于 MU EDCA模式的 VC-UORA算法仿真

4.6 本章小结

结论与展望

1. 802.11ax标准的 UORA机制研究

2. VC-UORA对 UORA机制的改进

对未来研究的展望

致谢

参考文献