基于OFDMA与CSMA/CA混合传输的IEEE 802.11ax无线局域网高吞吐低延迟策略研究

《IEICE Transactions on Communications》：Hybrid OFDMA and CSMA/CA-Based Transmission Strategy for Providing High Throughput and Low Delay in IEEE 802.11ax Wireless LANs

本文针对IEEE 802.11ax无线局域网中STA数量激增、QoS需求多样化的问题，提出了一种结合OFDMA与CSMA/CA的混合传输策略。研究通过根据数据传输的QoS要求选择性使用两种传输方式，实现了高吞吐量与低延迟的平衡。仿真结果表明，该方法能有效提升数据传输吞吐量并抑制延迟增长，为密集WLAN环境下的服务质量保障提供了新思路。

　　

在当今无线局域网（WLAN）环境中，随着智能手机、平板电脑等移动设备的迅速普及，连接到网络的无线站点（STA）数量持续增长。与此同时，传输数据的服务质量（QoS）需求也变得日益多样化：流媒体服务需要抑制每个数据帧的传输延迟，而文件传输则要求通过高吞吐量传输来最小化整个数据包的传输时间。即使在这样拥挤的WLAN环境中，也需要根据传输数据的QoS要求，为每个STA和基站（BS）分配足够的帧传输机会。

IEEE 802.11ax标准引入了正交频分多址（OFDMA）技术，通过将无线信道划分为多个资源单元（RU），实现多个帧的同时传输，从而有效容纳更多STA。为了向后兼容，IEEE 802.11ax中的OFDMA传输与传统的载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）协同使用。然而，标准并未明确规定何时触发OFDMA传输以及同时传输哪些帧。现有研究虽然提出了多种OFDMA传输的有效使用方法，但尚未考虑根据两种传输方式的特性以及传输数据的QoS要求来选择性使用OFDMA传输和CSMA/CA传输。

为了解决这一问题，发表在《IEICE Transactions on Communications》上的这项研究由Hayato Yamakata、Yosuke Tanigawa和Hideki Tode共同完成，提出了一种创新的帧传输方法。该方法选择性使用OFDMA传输和基于CSMA/CA的传输，综合考虑了两种传输类型的特性和传输数据的QoS要求。

为了充分利用OFDMA传输允许多个帧无碰撞同时传输的优势，该方法对需要最小化整个数据传输时间（如文件传输）的QoS类别（称为“高吞吐量数据”）应用传输等待过程。基站或STA会等待一段时间（DDL用于下行，DUL用于上行），缓冲更多可进行OFDMA传输的帧，然后再执行OFDMA传输。相反，对于需要逐帧最小化传输延迟（如音视频流）的QoS类别（称为“低延迟数据”），其帧则基于CSMA/CA进行传输，不应用传输等待过程。这种简单的两类划分有利于MAC层的低层控制。该研究是作者前期工作的扩展，将选择性使用的帧传输从仅适用于下行链路扩展到上下行双向，并实现了性能提升。

研究人员主要通过几个关键技术方法开展研究：首先，设计了基于QoS类别的混合传输策略，核心是根据数据类型（高吞吐量数据 vs. 低延迟数据）动态选择OFDMA或CSMA/CA。其次，构建了基站端的传输缓冲区结构，为每个接收者STA维护独立的FIFO队列，确保帧能按需传输。第三，制定了详细的下行链路帧传输控制机制，基站通过等待周期DDL或达到最大同时传输帧数来触发下行OFDMA。第四，设计了上行链路帧传输控制机制，STA侧应用等待周期DUL，基站侧则周期性地（间隔T_ULOFDMA）或在缓冲帧的STA数量达到最大值时触发上行OFDMA。最后，运用了IEEE 802.11e EDCA的接入类别（AC）参数设置，在混合传输方法中为OFDMA传输分配最高优先级（AC_VO），以确保其能快速获得信道访问机会。研究使用QualNet 9.0网络仿真平台进行性能评估，通过改变STA数量（20至52个）来模拟不同网络负载，比较所提方法与多种基准方法（如下行专用、周期性OFDMA、纯CSMA/CA）在吞吐量和包传输延迟方面的性能。仿真环境中的STA随机分布在基站周围5米范围内，高吞吐量数据和低延迟数据包分别以20ms和12ms的间隔生成，包大小均为1460字节，采用UDP传输。

4.2 仿真结果

仿真结果表明，所提出的方法在吞吐量性能上优于其他对比方法。在下行链路、上行链路以及总吞吐量方面，无论是高吞吐量数据还是低延迟数据，所提方法均显示出更好的性能。这主要是因为通过OFDMA同时传输尽可能多的帧，减少了碰撞，从而提高了无线信道的有效容量。从下行OFDMA传输次数（图14）、上行OFDMA传输次数（图17）等补充结果可以看出，所提方法在STA数量较多时（大于24），其OFDMA传输大多由最大帧数（9帧）组成，这表明信道利用率更高。

在包传输延迟方面，所提方法也表现出色。对于低延迟数据，其下行和上行包传输延迟的增长率均低于其他方法。这是因为有效无线信道容量的增强减少了对延迟敏感数据帧的排队时间。尽管在STA数量较少时，所提方法中低延迟数据的上行包传输延迟由于STA处高吞吐量数据的传输等待过程而略高于其他方法，但其绝对值仍然较小，在可接受范围内。例如，在所模拟的WLAN环境中，所提方法可以容纳最多36个STA，同时将低延迟数据的上行包传输延迟保持在100毫秒以内，并实现了更高的总网络吞吐量。

此外，在改变高吞吐量STA与低延迟STA比例（1:1和1:3）的附加评估中，所提方法的总吞吐量仍然高于其他对比方法，证明了其在不同业务混合场景下的有效性。当高吞吐量数据STA比例降低时，上行OFDMA传输机会减少，会影响相关性能，但所提方法在整体吞吐量上仍保持优势。

本研究结论表明，所提出的混合OFDMA和CSMA/CA传输策略通过根据QoS需求智能选择传输方式，有效解决了IEEE 802.11ax网络中在密集STA环境下兼顾高吞吐量与低延迟的挑战。通过传输等待过程积累高吞吐量数据帧再进行OFDMA批量传输，同时保障低延迟数据帧通过CSMA/CA快速发送，该方法显著提升了网络整体的吞吐量性能，并有效抑制了数据帧传输延迟在更高网络负载下的增长。其重要意义在于为未来高密度、高异构QoS需求的WLAN环境提供了一种切实可行的链路层传输优化方案。未来的研究方向包括设计考虑QoS需求的RU分配方法、平衡上下行传输机会的公平性、探索在OFDMA的每个RU上应用帧聚合的可行性、根据网络环境变化自适应更新OFDMA触发参数，以及在TCP传输环境下评估该方法的性能。