下一代WLAN中基于空间聚集群组的OFDMA接入技术研究

Wireless local area network (WLAN) is being deployed worldwide. To address the explosively growing demands of the mobile data, adopting Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) as the key media access control (MAC) technology for the next generation WLAN has become a consensus. However, existing works on OFDMA based WLAN MAC have some obvious disadvantages, including the spatial domain, time domain, and frequency domain, deteriorating the MAC efficiency and area throughput. This project orients towards the next generation WLAN with high-density characteristic, and proposes spatial clustering group based OFDMA access technology, named as SCG-OFDMA. It allows the geographical proximate network nodes autonomously create a group, and then simultaneously access channel and transmit data via OFDMA. SCG-OFDMA solves these disadvantages and improves the MAC efficiency and area throughput. In this project, firstly, we study the sensing consistency and composite services feature of the in-group nodes, and then achieve the optimal spatial clustering grouping theory; Secondly, we model and analyze the area throughput based on SCG-OFDMA, and then propose the centralized optimization method and distributed optimization method respectively; Thirdly, we design the architecture and algorithm process of the MAC protocol for the next generation WLAN based on SCG-OFDMA. This project provides effective and feasible MAC technology and theoretical basis for the next generation WLAN.

无线局域网（WLAN）在世界范围得到了广泛的部署。为应对爆炸式增长的移动数据需求，将正交频分多址（OFDMA）作为下一代WLAN多址接入（MAC）关键技术已经成为共识。然而现有OFDMA MAC方案在空间、时间和频率域上均存在抑制MAC效率和区域吞吐量的缺陷。本项目针对高密集场景下的下一代WLAN，提出基于空间聚集群组的OFDMA接入思想，称为SCG-OFDMA。其核心是地理位置接近的节点自发形成群组，通过OFDMA方式接入和传输，解决了空时频域的缺陷，提升了MAC效率和区域吞吐量。首先，探索群组内用户感知一致性规律和群组的复合业务特性，从而研究空间聚集群组最优形成理论；接着，建模和分析基于SCG-OFDMA的WLAN区域吞吐量，提出最优化方法和分布式优化算法；最后，提出并设计基于SCG-OFDMA的MAC协议架构及算法流程。本项目为下一代WLAN提供了一套有效的MAC技术及理论性能保障。

下一代无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）将提升高密集部署场景的区域吞吐量作为核心技术目标。为此，基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的多用户媒介接入控制（Media Access Control，MAC）技术被视为下一代WLAN的关键技术。然而，现有的OFDMA MAC由于并行传输的多个用户往往来自分散的区域，从而对周边的干扰面积扩大，抑制了整网的区域吞吐量，简称空间干扰扩散问题。.针对上述问题，本项目提出下一代WLAN 中基于空间聚集群组的OFDMA 接入思想，命名为SCG-OFDMA接入，其核心思想是地理位置较为接近的节点自发地组成群组（称之为空间聚集群组），群组内的节点同时协调一致地通过OFDMA 的方式接入，进而并发传输。即当一个节点竞争到信道使用权后，会触发周边同样有数据需要发送的节点与其形成群组，共享OFDMA 接入和传输机会。该思想可以全面地解决上述问题，从而提升区域吞吐量。.本项目分为五个研究内容：首先，研究了高密集场景下，空间聚集群组最优形成理论研究。研究成果表明在无线局域网范围内（几十米）节点之间可以保持良好的感知一致性，并且存在一个最优的空间聚集半径。第二，研究了SCG-OFDMA及下一代WLAN网络容量分析、优化与评估。研究成果采用随机几何的方法对SCG-OFDMA进行数学建模和容量分析，典型场景下相较于传统OFDMA可以得到25%的容量提升。第三，研究并设计了SCG-OFDMA及下一代WLAN多用户多址接入协议。研究成果表明SCG-OFDMA MAC协议相较于IEEE 802.11ac可以得到36%的区域吞吐量提升。第四，研究和探索了下一代WLAN 多用户MAC增强技术。研究成果表明将全双工与OFDMA MAC接入结合可以带来80%的吞吐量增益。第五，研究和探索了高密集场景多小区性能增强技术，重点从采用空间复用技术提升区域吞吐量出发提出了系列解决方案。.通过本项目的研究，首先证明了所提的SCG-OFDMA的核心思想的正确性和优势；其次，为下一代WLAN提升区域吞吐量提供了理论基础和行之有效的协议保障；最后，该方法具有普适性，可以应用于各种无线网络场景之中。