本文源自Jorden作者的OFDMA-based Hybrid Channel Access for IEEE 802.11ax WLAN论文，我进行了理解和分析。因为自己现在在学习802.11ax，所以进行整理！如有错误或理解不到的地方，请多多谅解！

原文链接为：https://ieeexplore.ieee.org/document/8450369

最近，IEEE 802.11启动了一个任务组802.11ax，为密集的环境研究和交付下一代无线局域网（WLAN）技术。在IEEE 802.11ax协议中，正交频分多址（OFDMA）已被用作PHY层协议，以支持上行链路多用户（MU）传输。然而，选择多用户物理层对传统的随机接入访问协议（CSMA/CA）设计用于单用户PHY带来了新的挑战。因此，迫切需要为802.11ax介质访问控制（MAC）设计一种新的随机访问协议。在本文中，作者首先介绍了802.11ax的MAC层和随机存取协议，给出了802.11ax随机访问协议在理论上的系统效率限制；接着，作者讨论了目前在802.11ax任务组中提出的最常用的争用解决算法。

一、Introduction

二、IEEE 802.11ax MAC

三、IEEE 802.11ax Random Access Protocol

A．System Efficiency

B．Optimal Contention Window Size

四、Distributed Contention Resolution Algorithm

一、Introduction

自1994年IEEE 802.11首次获得技术批准草案以来，随着WLAN设备作为移动计算的主要Internet访问方式的激增，WLAN经历了巨大的增长。为了提供更大的带宽和更高的数据速率，已经开发了最新批准的802.11ac，其目标是在5 GHz频段的非许可频段上达到至少1 Gb /秒的最大总网络吞吐量。这是通过提供更宽的信道带宽，更多的多输入多输出（MIMO）空间流和高密度调制来实现的。

过去，标准化工作主要集中在提高链路吞吐量上，而不是频谱的有效利用和用户体验（如延迟），而且MAC层设计也没有显著的改进。但是，在广泛部署WLAN之后，我们面临着一些基本技术挑战，尤其是在密集和拥挤的环境中。在这些环境中，几乎所有时间，高网络吞吐量都无法转化为足够的带宽，无法提供良好的用户体验，因为来自相邻设备的干扰增加以及来自信道争用的严重冲突会导致网络性能下降。2014年3月，IEEE标准协会（IEEE-SA）标准委员会批准了802.11ax 。802.11ax修正案的范围是定义对PHY和MAC的标准化修改，以使至少一种操作模式能够支持在密集部署方案中每站平均吞吐量至少提高四倍。这可以通过有效地使用频谱，干扰管理和MAC增强来实现。

缓解密集竞争并充分利用信道资源的一种好方法是将整个频谱划分为多个窄带子信道，并且移动站根据其信道选择策略来适配不同的子信道集并同时发送其数据包。因此，由于多用户PHY允许多个用户共享以一个载波频率为中心的资源单元（RU），因此802.11ax采用OFDMA作为PHY层协议来支持下行和上行多用户传输。通过适当的RU分配和调度程序的优化，可以实现有效的带宽使用。

将多用户PHY引入802.11ax，具有成熟高效的PHY以及与蜂窝系统平滑集成的优势。另一方面，多用户PHY在802.11ax MAC设计中提出了新的根本挑战。 MAC和PHY之间的主要交互在于自适应调制和编码（AMC）和CCA，当前的802.11采用单用户PHY，因为站点实际上一次通过单载波频率的所有数据子载波传输数据，因此CSMA / CA协议可以完美地工作。由于能量检测是对CCA的直接促进，因此CCA也可以可靠地执行。但是，CCA以及CSMA / CA可能会在多用户PHY中面临新的挑战，因为我们可以清楚地观察到一个用户占用特定的载波频率并不一定意味着其他用户不允许以该载波频率访问RU。因此，享受可靠的CCA来在WLAN中部署CSMA / CA已经超过二十年，如今已成为一个障碍。

基于以上观察，需要针对802.11ax的MAC设计采取不同的思路。我们必须为多用户PHY创新一种新的媒体访问控制协议，并向后兼容旧版802.11 MAC。在本文中，作者首先介绍了802.11ax MAC和随机访问协议，然后提供了一个准确的分析模型来评估802.11ax随机访问协议效率的理论上限。接下来，作者介绍由C. Ghosh等人提出的分布式竞争解决算法。在802.11ax任务组全体会议中，这是成为802.11ax的事实上的冲突解决算法的首选。最后，我们为IEEE 802.11ax提出了一种实用且高效的基于OFDMA的上行链路随机访问方法，称为基于OFDMA的混合信道访问（OHCA）过程。据我们所知，以前没有研究过802.11ax随机访问协议的这一方面。我们认为这是第一篇研究和分析基于OFDMA的802.11ax随机访问协议和竞争解决算法的论文。

作者已经执行了由事件驱动的定制模拟程序实施的全面模拟，以评估提议的OHCA程序的性能。结果证实，与Ghosh的算法相比，该方案不仅提供了更好的公平信道访问权限，而且还实现了更低的冲突率，更低的访问延迟和更高的系统效率。

二、IEEE 802.11ax MAC

通常，由于逻辑上将物理信道划分为RU组，因此避免冲突并了解多用户PHY中RU可用性的最可能和可行的解决方案是RU的集中分配。在图1中描述了802.11ax帧结构。802.11ax MAC上行链路传输的操作总结如下：

为了获得对媒体的控制并从站点收集交通信息，接入点（AP）通过在随机访问周期开始时广播用于随机访问的触发帧（TF-R）来执行协调器的功能。
一旦接收到TF-R帧，每个活动站点就会随机选择一个分配的RU，同时将其带宽请求（BR）发送给AP。传输是同时的和正交的。
AP同时监听这些BRs，如果AP成功接收到BRs，则发送ACK帧将确认（ACK）信息发送到相应的站点。
AP协调数据包的传输并将带宽分配给站点，调度信息由触发帧（TF）发送。
已注册的站点在接收到TF帧后，同时在分配的Rus上发送他们的数据包。

图1 IEEE 802.11ax MAC frame structure.

如图1所示，当站点要建立新连接时，它们可以在接收到TF-R帧后在随机选择的的RU中发送其BR。站点使用随机访问周期来竞争传输意图。当站点发送BR后，AP将监听BR中包含的所有流量信息。之后，AP保留Rus供站点使用。AP使用BR帧中指定的流量信息，协调用于上行链路传输的资源分配，并通过发送TF帧进行通知。每个站点将其分组发送到分配的RU上的AP，然后AP广播一个ACK帧将确认（ACK）信息传递到相应的站点。

现在，我们解释802.11ax站点如何与传统802.11站点共存。其基本思想是节省分配给传统站点的部分时间。因此，通过时分复用，传统站点能够在确保介质空闲DIFS持续时间后发送其数据包。此外，AP可以在控制帧中设置持续时间字段，以宣布802.11ax站点占用的时间的持续时间。在接收到控制帧后，传统站点将更新其NAV，并避免在指定的持续时间内发送其数据包，从而使802.11ax站点与传统802.11站点在一个基本服务集中（BSS）共存。

三、IEEE 802.11ax Random Access Protocol

802.11ax随机访问协议如图2所示。在TF-R帧中，AP宣布随机访问的级数和分配的RU数。 AP收集流量信息后，将以TF帧的形式将调度信息发送给站点。在本节中，作者提供一个分析模型，该模型可以准确地评估802.11ax随机访问协议的系统效率，然后使用该模型根据当前竞争站点数来搜索使系统效率最大化的最佳竞争窗口大小。重要的符号和变量在表1中定义，它们将在本文中使用。

图2 IEEE 802.11ax random access protocol

为了关注随机访问问题，以下是分析模型中使用的基本假设：

每个阶段中用于竞争的已分配RU的数量是一个常数
数据包丢失只能由于站点发生碰撞导致，在PHY层假设没有数据包的丢失
每个站点传输是相互独立的
每个站点的UL-OFDMA（CWO）竞争窗口的序列是固定的，且以相同的Ps概率遍历马尔可夫链

如果具有BR的站点要发送，该站点将等待有UL-OFDMA退避（OBO）计数器所设定的随机时间，该OBO是对应于多个RU的整数值。最初，工作站将在0到CWO范围内初始化OBO。接收到TF-R帧后，站点将其OBO递减，直到达到零。当计时器递减至零时，站点将在相应阶段随机选择一个RU，并发送其BR。如果两个或多个站点选择相同的RU发送其BR，则会发生冲突，并且每个站点都必须基于竞争解决算法生成一个新的OBO。

A．System Efficiency

首先，系统的效率可以通过以下公式表示：

(1)

在饱和场景和静态站点数的假设下，系统效率可以进一步表示为：

(2)

为了计算系统效率的解析形式，可以推出G和Ps的方程。

如果{CWO1,CWO2, ...}，在第i次传输后，以CWOmin和CWOmax为边界的CWO序列是固定的马尔可夫链，则该站在阶段tau传输的概率为

（3）

其中E[T]为传输间隔的期望值。令为链的平稳分布，且，可以得到

（4）

此外，如果所有的CWOs都为M的倍数，则（3）可以简化为：

（5）

其中，E[CWO]为CWO的期望值。

当给的竞争站点M的RUs的数量后，可以计算出每次成功发送的概率Ps为：

$Ps=(1-\frac{\tau }{M})^{N-1}$ （6）

由于每个站点对随机选择的退避阶段数有相同的发送概率，因此每个阶段站点的发送的平均数量为：

$G=N\tau$ （7）

因此可以通过求解以下方程式来获得tau和Ps

$\left\{\begin{matrix} \tau =\frac{1}{E[T]]} & \\ Ps=(1-\frac{\tau }{M}^(N-1))& \end{matrix}\right.$ （8）

B．Optimal Contention Window Size

在本节中，讨论了802.11ax随机存取协议中系统效率的理论上限。为了计算出最佳的CWO窗后值，我们首先必须知道当前竞争站点的数量N，然后知道具有最佳CWO大小的系统效率。当所有的站点使用相同的CWO值进行竞争时，第三个假设成立，并且对所有站点都是公平的。基于公式（2），（5）和（6），我们可以得到最优CWO窗口值并扩展以下定理来讨论当CWO接近最优时的现象。

Theorem 1: 固定数量N下的电台的最佳CWO值（CWO *）可以近似为：

$CWO^{*}\, \, \simeq 2N-M$ (9)

其中，系统效率的最优近似为：

$Optimal System Efficiency \simeq (1-\frac{1}{N})^{N-1}$ (10)

四、Distributed Contention Resolution Algorithm

在本节中，作者介绍了C. Ghosh等人[3]在802.11ax任务组会议中提出的分布式征用解决算法，这里CWOmin和CWOmax为固定的值。在每个阶段，站点遵循如下规则：

带有BR进行发送的站点将其OBO初始化为0到CWO之间的整数，该整数取自均匀随机分布。站点每次接收TF-R时，都会为每个随机访问RU减小其OBO。OBO递减为零的站点随机选择分配的RUs来传输其BR。如果收到来自AP的ACK，则CWO设置为CWOmin。如果不是，则将CWO设置为min（CWO + CWOmin; CWOmax）。

为了评估该算法的性能，需找到E[T]，即每个站点连续转换之间的预期阶段数。令随机变量 $I=\frac{CWO}{CWO_{min}}-1$ 、 $m=\frac{CWO_{max}}{CWO_{min}}-1$ ，然后我们可以用转移概率来表示CWO：

$pij=\left\{\begin{matrix} p, \, \, \, \, when \, \,j=i+1,i \neq m& & \\ p, \, \, \, \, when \, \, i=j=m& & \\ 1-p, \, \, \, \, \, \, \, when \, \, j=0& & \end{matrix}\right.$ (11)

其中p=1-Ps表示碰撞概率。为了计算平稳概率，令 $b_{i}=P_{r}\left \{ I=i \right \}$

$b_{j}=\sum_{i=0}^{m}b_{i}p_{ij}\,\,\,\,\,\, \vee j$ (12)

通过上述格式，可以得到

(13)

通过将式（12）带入（4）中，我们可以得出预期的传输间隔。同样的，根据（8）式，通过求解下面的方程组，我们可以得到Ps和tau：

$\left\{\begin{matrix} \tau =\frac{1}{E[T]]} & \\ Ps=(1-\frac{\tau }{M}^(N-1))& \end{matrix}\right.$ （14）

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