一种WiFi多信道聚合的高速同步回传方法

薛 青 方旭明



一种WiFi多信道聚合的高速同步回传方法

薛 青 方旭明*

(西南交通大学信息科学与技术学院 成都 610031)

为满足疯狂增长的数据业务需求，近年来蜂窝基站的部署越来越趋于小型化和密集化，这就对回传技术性能提出了更高的要求。该文将WiFi作为5G网络中的一种无线回传技术，提出一种基于WiFi多信道聚合的高速同步回传方案。现有WiFi协议(如IEEE 802.11n/ac)采用静态或动态信道绑定技术可将多个具有连续频谱的信道聚合为单一宽信道，从而提高网络容量。但是，静态绑定方式不够灵活，动态绑定方式在密集用户分布下也很难发挥其优势。该文则通过在单一网络节点上配置多射频实现非连续频谱的WiFi多信道聚合，其在扩展传输带宽，提升网络性能的同时，也可以有效克服802.11n/ac中信道绑定方式的弊端。方案主要包括3部分：多节点联合信道扫描、多信道同步收发控制及干扰检测。理论分析和仿真结果表明，所提非连续频谱的WiFi多信道聚合方案的回传性能优于802.11n/ac中连续频谱聚合方案，且多信道同步传输能有效抑制回传网络中的邻道干扰。最后，由搭建的原型验证系统证明了所提方案的可行性及有效性。

5G；多信道回传；同步传输；邻道干扰

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。

IEEE 802.11n/ac[2,3]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[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，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，假设AP与STA上均可配置个射频器(如，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。

图1 5G网络中WiFi多信道回传系统架构

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, ACI)[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vSTA1分别对5 GHz频段上所有信道(个数记为)进行扫描，并记录信道的扫描数据,与；转向步骤(4)；

(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)；

(7)vSTA1连接vAP1并上传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；

End if

End for

在AP与STA完成初始化联合信道扫描得到list D后，由AP为回传网络进行统一的信道分配：

3.2 多信道同步传输机制

3.2.1 ACI分析 本文将5G多信道回传网络中同一AP/STA上多个vAP/vSTA的收发状态不同的传输称为异态传输，相应地，若收发状态相同则为同态传输，其中ACI的影响如图2所示。

在各种信道模型中，TGn信道模型[13]中的Model F适用于大范围(室内、室外)场景，其路径损耗可表示为

(8)

图2 ACI对多信道回传的影响示例

在5G多信道回传网络中，一般一条链路的发射功率要远大于另一条链路的接收功率，即，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,)来衡量，即wlan与wlan的数据分流比例。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(,)，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；然后，令()，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

(2)计算各信道占空比：

(在监测时间内, 忙时占的百分比) (9)

(接收状态时间所占百分比) (10)

(发送状态时间所占百分比) (11)

End for

End if

End for

End if

图3 多信道同步控制示意图

(6)本次干扰检测结束。

当判定有多个信道可能受到了干扰时，优先切换对系统增益贡献最小的信道。这样可以避免随机信道跳频或多信道同时跳频对回传系统稳定性的影响，也可以防止产生跳频的“乒乓效应”。

4 5G多信道同步回传方案性能评估

4.1 性能仿真

本部分对采用异态传输方式与同步方式的5G多信道回传性能作了仿真对比分析，以为例，参数如表1所示。仿真中假设,,且(此值为在原型验证系统上获得的经验值)，。同时，由IEEE 802.11n/ac信道频谱掩模(spectral mask)可知，对于两个邻频信道，有；对于非邻频信道，有。

若回传信道为邻频信道，图4给出了其在不同传输场景(异态、同步)下的系统吞吐量随传输距离的变化情况。可知，当一定时，同步传输要比异态传输高得多。例如，对于主信道编号分别为36与44的两个40 MHz信道，当时，若为同步传输，则；若为异态传输，则。若回传信道为非邻频信道，随的变化情况如图5所示。易知，各曲线变化特征与工作在邻频信道时一致，即多信道同步传输性能要远优于异态传输。

表1 多信道回传仿真参数

4.2 原型验证系统测试

为了对所提WiFi多信道高速回传方案的有效性及可行性进行验证，我们搭建了原型测试系统并组织了多次外场测试。表2给出了外场测试环境及主要设备信息。其中，PC机作为回传节点，无线网卡看作vAP/vSTA，定向天线用于收发vAP-vSTA的无线信号，笔记本电脑用于模拟外界干扰以测试干扰检测及跳频性能。所提方案在本系统中是通过图6所示5大功能模块来实现的。

本文针对不同信道带宽(20 MHz与40 MHz)从以下几方面进行了外场测试：

(1)单信道传输性能；

(2)两邻道异态、同步传输性能；

(4)跳频性能。

图4 回传网络吞吐量随传输距离的变化图(假设且工作在邻频信道上) 图5 回传网络吞吐量随传输距离的变化图(假设且工作在非邻频信道上)

表2 外场测试环境及设备

测试中，数据传输采用UDP协议。表3对部分外场测试数据进行了归纳，表中40 MHz带宽的信道编号均为其主信道编号。由测试数据可知：

(1)对于两邻道而言，同步传输性能要优于异态传输；

(2)以同一信道为基准，非相邻信道同步传输性能要优于邻道的传输性能；

(3)跳频时间约20 ms且系统恢复稳定时间小于5 s，当时，跳频最低速率大于120 Mbps。

图6 原型验证系统功能模块信息交互示意图

由于天气(如下雨、刮风)变化、电磁环境变化或定向天线摆放不同等，导致每次外场测试结果不尽相同，表3中所示为一般测试结果。

5 结束语

本文将WiFi技术作为5G网络的一种无线回传技术，实现了多(非连续)信道聚合的高速回传。所提方案通过多节点联合信道扫描算法使所分配信道更适用于回传网络，通过数据分流及数据对齐方法来控制多信道的同步传输，从而抑制ACI，并通过一种新的链路质量评估指标(即信道占空比)来进行多信道的干扰监测。最后，仿真结果及外场测试数据表明了所提方案确实具有可行性及有效性。

表3 外场测试数据表

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High-speed Synchronous Backhaul Method with Aggregation of Multiple WiFi Channels

XUE Qing FANG Xuming

(,,610031,)

As the substantial growth of data traffic over the past few years, the deployment of cellular base stations tends to be smaller and denser which puts forward higher requirements for backhaul techniques. In this study, WiFi is taken as a backhaul technique in 5G networks, and then a high-speed synchronous backhaul solution is proposed with aggregation of multiple WiFi channels of which the spectrum is non-continuous. Although IEEE 802.11n/ac can achieve channel aggregation with static/dynamic channel bonding scheme, the spectrum of these channels must be continuous. Moreover, static channel bonding is not flexible enough and dynamic channel bonding rarely has chance to be implemented when devices are deployed densely. The proposed solution can not only extend transmission bandwidth and improve network capacity of 5G backhaul networks, but also overcome defects of channel bonding in 802.11n/ac. Both analytical results and simulations show that the performance of the proposed solution is better than the traditional channel bonding and it can reduce adjacent channel interference among multiple channels in 5G backhaul networks. Meanwhile, the effectiveness and feasibility of the proposed solution are proved by the prototype verification system.

5G; Multi-channel backhaul; Synchronous transmission; Adjacent channel interference

TN929.5

A

1009-5896(2017)02-0335-07

10.11999/JEIT160375

2016-04-19；改回日期：2016-08-25；

2016-10-21

方旭明 xmfang@swjtu.edu.cn

国家自然科学基金(61471303)，欧盟 FP7 QUICK项目(PIRSES-GA-2013-612652)

The National Natural Science Foundation of China (61471303), EU FP7 QUICK Project (PIRSES-GA-2013- 612652)

薛 青： 女，1988年生，博士生，研究方向为5G WLAN关键技术、毫米波网络无线资源优化等.

方旭明： 男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为轨道交通移动通信系统、无线网络资源管理等.