Операция пространственного повторного использования IEEE 802.11ax OBSS на основе PD

В плотных сетевых сценариях, состоящих из устаревших устройств IEEE ® 802.11, несколько точек доступа работают на одной частоте из-за ограниченного спектра. Это привело к неэффективной парадигме, вызывающей перегрузку и замедление сети. Кроме того, устаревшие устройства не могли эффективно взаимодействовать друг с другом, чтобы максимизировать ресурсы канала. Для решения этой проблемы Поправка IEEE ® P802.11ax™/D4.1 [1] представила операцию SR на основе OBSS PD для оптимизации эффективного повторного использования частотного спектра в сценариях плотной сети. Для достижения этого увеличивается число параллельных передач, которые потенциально могут улучшить сетевые характеристики BSS, работающих на одной частоте. Для увеличения числа параллельных передач пороговое значение оценки/восприятия несущей (CCA/CS) для обнаруженных передач OBSS корректируется до нового значения, называемого порогом OBSS PD. Порог PD OBSS выше, чем порог CCA/CS по умолчанию. Этот рисунок иллюстрирует работу SR в OBSS. Топология сети состоит из двух BSS, каждая из которых содержит AP и STA.

Пороговое значение CCA/CS по умолчанию (обозначенное синими пунктирными линиями) не допускает одновременных передач между AP1 и AP2. В этом случае передача в BSS-2 должна быть отложена, если устройства в BSS-1 занимают канал для передачи. Однако путем оптимального выбора значения порога PD OBSS (обозначаемого красными пунктирными линиями) обе AP могут одновременно передавать в свои соответствующие STA. Эта операция SR при использовании с методом раскраски BSS улучшает использование канала и обеспечивает лучшую пропускную способность.

Раскраска BSS

Операция SR использует идентификатор цвета BSS, чтобы разрешить устройствам 802.11ax различать различные BSS, когда другие устройства передают по одному каналу. Цвет BSS является числовым идентификатором BSS, имеющим значение в диапазоне [1, 63]. Цветовая информация BSS присутствует в 6-битном цветовом поле BSS в HE SIG-A, которое присутствует в преамбуле заголовка физического уровня (PHY) 802.11ax. Если цвет кадра совпадает с цветом BSS, это передача внутри BSS, поскольку передающее устройство принадлежит той же BSS, что и приемник. Если обнаруженный кадр имеет цвет BSS, отличный от собственного, то кадр является кадром между BSS. Точка доступа 802.11ax может изменить свой цвет BSS, если обнаруживает OBSS с использованием того же цвета. На этой блок-схеме показана процедура раскраски BSS.

При обнаружении передачи устройство 802.11ax различает кадры внутри и между BSS путем проверки цветового поля BSS. Для кадров внутри BSS устройства 802.11ax используют пороговое значение PD по умолчанию -82 дБм. Для кадров между BSS применяются более агрессивные пороговые значения PD для увеличения числа параллельных передач.

Это возможный сценарий использования SR с раскраской BSS.

Жилой сценарий Рассмотрим двухпалубную жилую квартиру.

Каждый этаж содержит две BSS, и каждая BSS состоит из AP и STA. В этом сценарии SR с раскраской BSS улучшит совокупную пропускную способность сети и пропускную способность на BSS. В этом примере моделируется и моделируется сценарий использования.

Модель 802.11ax Бытовой сценарий с раскраской BSS

В этом примере показана связь в сети 802.11ax с четырьмя BSS, содержащими одну точку доступа и одну станцию на одну BSS. Эти станции реализуют множественный доступ с измерением несущей с предотвращением коллизий (CSMA/CA) с физическим измерением несущей и виртуальным измерением несущей. Физическое обнаружение несущей использует механизм clear CCA для определения, занята ли среда перед передачей. Тогда как обнаружение виртуальной несущей использует квитирование RTS/CTS для предотвращения проблемы скрытого узла. Все узлы реализуют обнаружение виртуальных несущих с использованием двойных векторов распределения сети (NAVs) (Intra NAV и Basic NAV), определенных в IEEE ® P802.11ax™/D4.1 Amendement [1].

Конфигурация узла

Укажите узел как точку доступа или STA через NodeType параметр маски. Чтобы настроить узел как STA, необходимо указать имя связанного с ним узла AP через AP Name параметр. Все узлы, сконфигурированные как STA с одним и тем же AP Name принадлежат одной BSS.

В блоке генератора трафика приложения Destination Name параметр AP всегда конфигурируется для узлов STA одной и той же BSS. Тогда как, Destination Name параметр узла STA всегда настроен на одно и то же значение AP Name параметр.

Для просмотра компонентов узла WLAN см. пример моделирования на системном уровне 802.11ax с абстракцией физического уровня.

Конфигурация MAC

Выполните следующие действия для конфигурирования узлов для выполнения операции SR.

Результаты моделирования

Выполните моделирование для визуализации параллельных передач и получения агрегированной пропускной способности для BSS.

На этом графике показано отображение узлов на BSS:

Обратите внимание, что узлы передают кадры одновременно. Таким образом, операция SR обеспечивает возможность одновременной передачи данных, что приводит к эффективному использованию канала.

На этом графике показана агрегированная пропускная способность сети на BSS.

Можно проанализировать влияние изменения пороговых значений OBSS PD на агрегированную пропускную способность сети, выполнив моделирование, подробно описанное в следующих разделах.

В каждой BSS укажите STA и AP, при этом AP обслуживает соответствующий STA. Для включения STA в качестве передатчиков установите App State блока генератора трафика приложения «On». Для каждой BSS сконфигурируйте точки доступа и STA с использованием значений, указанных в этой таблице.

Варьировать OBSS PD Threshold как -82, -72, -68, -65, -62, для каждого моделирования. В конце каждого прогона моделирования полученное значение пропускной способности извлекается из statistics.mat файл. Постройте график влияния предлагаемой нагрузки и порога PD OBSS на пропускную способность сети.

Этот код отображает влияние предлагаемой нагрузки и порога PD OBSS на среднюю пропускную способность сети, когда AP передает на соответствующий STA.

% Offered load (Mbps)
offeredLoad = [40 64 88 112 126 160];

% Throughput results for OBSS PD threshold -82 dBm at varying offered loads (Mbps)
throughput1 = [1.7640 1.7152 1.8524 1.8536 1.8020 1.8320];

% Throughput results for OBSS PD threshold -72 dBm at varying offered loads (Mbps)
throughput2 = [2.5900 2.3392 2.4860 2.4416 2.4820 2.5360];

% Throughput results for OBSS PD threshold -68 dBm at varying offered loads (Mbps)
throughput3 = [3.0040 2.9632 2.9964 2.8112 2.9036 3.0480];

% Throughput results for OBSS PD threshold -65 dBm at varying offered loads (Mbps)
throughput4 = [3.0400 3.2672 3.4012 3.2984 3.3388 3.4320];

% Throughput results for OBSS PD threshold -62 dBm at varying offered loads (Mbps)
throughput5 = [2.8780 2.9952 3.0140 3.3320 3.2708 3.2720];

% Get screen resolution
resolution = get(0, 'screensize');
screenWidth = resolution(3);
screenHeight = resolution(4);
figureWidth = screenWidth*0.7;
figureHeight = screenHeight*0.7;

% Create figure
figure('Position', [screenWidth*0.2, screenHeight*0.1, figureWidth, figureHeight])

% Retain plot
hold on

% Plot throughput obtained with OBSS PD threshold set to -82 dBm at varying
% offered loads (Mbps) and retain plot
plot(offeredLoad, throughput1,'-o')
hold on

% Plot throughput obtained with OBSS PD threshold set to -72 dBm at varying
% offered loads (Mbps) and retain plot
plot(offeredLoad, throughput2,'-x')
hold on

% Plot throughput obtained with OBSS PD threshold set to -68 dBm at varying
% offered loads (Mbps) and retain plot
plot(offeredLoad, throughput3,'-+')
hold on

% Plot throughput obtained with OBSS PD threshold set to -65 dBm at varying
% offered loads (Mbps) and retain plot
plot(offeredLoad, throughput4,'-s')
hold on

% Plot throughput obtained with OBSS PD threshold set to -62 dBm at varying
% offered loads (Mbps)
plot(offeredLoad, throughput5,'-d')
grid on

% Add X-label, Y-label, and legend
xlabel('Offered load (Mbps)')
ylabel('Throughput (Mbps)')
legend('No Spatial Reuse', 'Spatial Reuse OBSS PD -72 dBm', ...
    'Spatial Reuse OBSS PD -68 dBm', 'Spatial Reuse OBSS PD -65 dBm', ...
    'Spatial Reuse OBSS PD -62 dBm', 'Location', 'northeastoutside');

% Add title
title('Impact of offered load and OBSS PD threshold on the network throughput')

Убедитесь, что пропускная способность сети выше, когда включена операция SR. Кроме того, пропускная способность увеличивается с увеличением порога PD OBSS.

Измените пороговое значение OBSS PD на -82, -77, -72, -67 и -62 дБм и постройте график влияния на пропускную способность каждой BSS.

numOBSSPDValues = 5;

OBSSPDValues = {'-82', '-77', '-72', '-67', '-62'};

% Initial SR statistics
throughput = zeros(numOBSSPDValues, 1);

% Throughput results for BSS1 (Mbps)
throughputWithOutSpatialBSS1 = [2.1216 4.5696 4.5696 4.7328 3.318];

% Throughput results for BSS2 (Mbps)
throughputWithSpatialReuseBSS2 = [1.9040 1.0336 1.7952 1.1686 2.448];

% Throughput results for BSS3 (Mbps)
throughputWithSpatialReuseBSS3 = [2.0672 2.0128 1.1088 2.23 3.590];

% Throughput results for BSS4 (Mbps)
throughputWithSpatialReuseBSS4 = [1.1152 2.3120 4.1616 4.706 3.726];

% Create a plot matrix with different statistics.
PlotMatrix = [throughputWithOutSpatialBSS1' throughputWithSpatialReuseBSS2'...
    throughputWithSpatialReuseBSS3' throughputWithSpatialReuseBSS4'];

nextBarOffset = 1;

% Set colors for the bars
colors = [ 0.9294    0.6941    0.1255;
    0.4941    0.1843    0.5569;
    0.4667    0.6745    0.1882;
    0.3020    0.7451    0.9333;
    0.6353    0.0784    0.1843;];

% Get screen resolution
resolution = get(0, 'screensize');
screenWidth = resolution(3);
screenHeight = resolution(4);
figureWidth = screenWidth*0.7;
figureHeight = screenHeight*0.7;

% Create figure
figure('Name', 'MultiNode 802.11 Network (PHY and MAC) Statistics', ...
    'Position', [screenWidth*0.2, screenHeight*0.1, figureWidth, figureHeight]);

% Set figure axis.
figAxis = gca;
hold on

% Plot using the plot matrix created
for i = 1: 5
    bar(nextBarOffset, PlotMatrix(i,1), 'FaceColor', colors(1, :))
    nextBarOffset = nextBarOffset+1;
    bar(nextBarOffset, PlotMatrix(i,2), 'FaceColor', colors(2, :))
    nextBarOffset = nextBarOffset+1;
    bar(nextBarOffset, PlotMatrix(i,3), 'FaceColor', colors(3, :))
    nextBarOffset = nextBarOffset+1;
    bar(nextBarOffset, PlotMatrix(i,4), 'FaceColor', colors(4, :))
    nextBarOffset = nextBarOffset+6;
end
lastBarOffset = nextBarOffset;

% Set legend to the plot
legend('BSS1', 'BSS2', ...
    'BSS3', 'BSS4', 'Location', 'northeastoutside');

% Name X-axis of the plot
xlabel('OBSS PD Threshold (dBm)')

% Name Y-axis of the plot
ylabel('Throughput (Mbps)')

% Gap between each tick on X-axis
tickInterval = (lastBarOffset-1)/numOBSSPDValues;

% Create ticks for X-axis
xticks(1:tickInterval:numOBSSPDValues*tickInterval)

% Add created tick labels to axis
figAxis.XTickLabel = OBSSPDValues;

% Add title
title('Impact of OBSS PD threshold on the throughput of each BSS')

Наблюдайте увеличение пропускной способности с SR по сравнению с отсутствием SR (порог PD OBSS -82 д Бм). По мере увеличения порога PD OBSS PHY отбрасывает больше кадров, которые обнаруживаются как межBSS, позволяя STA передавать кадры одновременно. Следовательно, можно также видеть, что пропускная способность увеличивается с порогом PD OBSS.

Выполнение моделирования с использованием параметров конфигурации, указанных в предыдущей таблице:

Можно смоделировать модель для нескольких прогонов, чтобы визуализировать истинное влияние пороговых значений OBSS PD на пропускную способность сети.

Этот пример позволяет моделировать сценарий проживания в многорежимной сети IEEE 802.11ax для изучения SR с раскраской BSS. Пространственное повторное использование с поддержкой раскраски BSS добавляется к блокам библиотеки PHY и MAC. Модель использует постоянный алгоритм OBSS PD для выбора порога OBSS PD. Результаты моделирования подтверждают, что производительность пропускной способности и эффективность канала увеличиваются за счет использования SR с раскраской BSS.

Дальнейшие исследования

В этом примере используется постоянный алгоритм OBSS PD. Этот алгоритм определяет, должен ли входящий кадр OBSS быть разрешен для дальнейшей обработки или отброшен на основании сконфигурированного значения OBSS PD. Алгоритм OBSS PD можно изменить, обновив вспомогательную функцию constantOBSSPDAlgorithm, используемую EDCA MAC блок, присутствующий на уровне MAC.

В этом примере конфигурирование нескольких BSS возможно только при включенном SR. Для сравнения результатов сценария с несколькими BSS с операцией SR и без нее настройте одно и то же значение для OBSS PD Threshold и ED Threshold параметры для моделирования работы без SR без фактического отключения Enable Spatial Reuse with BSS Color параметр.

Приложение

В примере используются следующие помощники:

Ссылки