超高速WLAN跨层优化技术研究与开发

发布时间：2020-09-19 19:24

　　近年来,无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)已成为最重要的流量承载方式之一。第五代通信系统(The 5~(th) Generation Communication System,5G)将是多种无线接入技术的融合,包括5G新空口(New Radio,NR)、4G长期演进(Long Term Evolution,LTE)、WLAN等,以实现更大的覆盖范围、更高的可用性和网络密度。IEEE 802.11作为WLAN的通信标准,通过引入多输入多输出、空间复用等技术有效提高了传输速率,但即使最新的WLAN标准仍无法满足未来5G的速率需求。超高速WLAN,一种结合最新IEEE 802.11标准并不断向5G多元化需求发展的新型无线局域网技术,由于能够实现超高速的无线局域网传输来应对5G更大容量以及多样化应用场景带来的挑战,逐渐在业界引起了广泛的关注。目前超高速WLAN中仍然存在亟需解决的问题:一方面,超高速WLAN需要满足更高传输速率的需求;其次,效率低下的MAC层协议成为了限制系统性能的主要因素,因此需要改进媒体接入控制机制,以提供更高的服务质量。针对以上问题,本文研究了超高速WLAN跨层优化技术,具体的工作及贡献概括如下:针对超高速WLAN更高传输速率的需求,结合IEEE 802.11ay波束成形的思想,通过引入波束切换技术,本文设计并实现了一种新型跨层天线控制协议。波束切换技术具有高定向增益的特点,能够有效提高吞吐量,实现可控的空分多址接入。跨层天线控制协议主要由波束训练方案和波束切换方案组成,基于两阶段的二分波束训练方案以极低的时间复杂度完成了节点与最佳波束的映射过程,波束切换方案根据节点的不同状态完成相应的波束切换动作。针对波束训练中节点可能处于“模糊地带”的问题,提出了一种基于多天线的解决方案。最后,本文基于OpenWRT平台实现了跨层天线控制协议,实验结果表明,相比全向天线方案,所提协议的平均吞吐量增益可达45.35%;相比基于遍历的波束训练方案,波束训练耗时降低近64%。针对MAC层接入机制效率低下的问题,本文结合超高速WLAN网络架构的特点,提出了一种基于负载优先级的自适应退避算法。考虑到超高速WLAN中作为流量聚合的网关节点及其邻节点往往具有较大的碰撞概率和较高的流量负载,本文利用跨层思想获取物理层和链路层的统计信息,构建优先级变量与衡量信道繁忙程度的繁忙因子,使高流量负载的节点优先接入信道,同时动态控制竞争窗口的变化,减小节点间的冲突概率。通过仿真分析,本文所提算法在吞吐量、平均端到端时延和丢包率方面都有良好的表现。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN925.93
【部分图文】：

示意图,天线控制,协议设计,波束

跨层天线控制协议主要由信息获取及数据处理、波束训练方案和波束切换方案三部分组成，其设计原理示意图如图 3.2 所示。图3.2 跨层天线控制协议设计原理示意图信息获取是跨层天线控制协议的关键，通过 IEEE 802.11 协议栈提供的接口，可以跨层获取到关联节点的性能信息（如吞吐量、接收信号强度、丢包率等）和状态信息；通过路由协议栈，可以获得节点的路由信息。结合获取到的信息，建立关联节点与其对应性能最优波束之间的映射，称为波束映射过程，同时将映射信息存储在关联节点表中。波束训练是实现波束映射的关键，它的目的是快速准确地定位到关联节点的位置。但波束映射仅为关联节点分配了波束，而波束天线的最终使用是由波束切换机制完成的，波束切换机制根据传输帧的类型以及节点的不同状态，触发不同的波束切换动作

文件系统,吞吐量

图3.15 debugfs 文件系统联节点性能信息的获取能信息指的是从 IEEE 802.11 协议层获取性能统计信1 节所述，分别为吞吐量、重传率和 RSSI。网中，理想状态下吞吐量最大值定义为：d+DATAmaxDATA ACKLThroughputDIFS CW T T SIFS TS，LDATA，TDATA，Td，TACK，CW 分别表示 DIFS 时长据传输时间、帧平均传播时延、ACK 传输时间和平均时变性等因素，上述参数难以及时正确获取。在实速率算法 Minstrel。Minstrel 算法为每一个速率保持率下成功传输的概率和吞吐量，其统计周期为 100m存在 Linux 系统/sys/kernel/debug/ieee80211/phy0/ne

信息统计,速率,信息获取,内核

图3.16 rc_stats 速率信息统计表对于 RSSI 的获取，通过 3.4.2.1 节介绍的 Netlink Socket 机制跨层获取位于内核的信息。Netlinkt Socket 定义了内核信息获取的接口，如图 3.17 所示。其中NL80211_STA_INFO_SIGNAL 和 NL80211_STA_INFO_SIGNAL_AVG 即为关联节点的 RSSI 信息。图3.17 Netlink Socket 定义的信息获取接口

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