Wi-Fi 7多链路高能效联合传输优化策略.pdf

2023 年 9 月 Chinese Journal on Internet of Things September 2023 第 7 卷第 3 期 物 联 网 学 报 Vol.7 No.3Wi-Fi 7 多链路高能效联合传输优化策略 戴林燕，方旭明，何蓉（西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 611756）摘 要：下一代 Wi-Fi 7 协议多链路非同步传输与接收模式下，多链路设备（MLD,multi-link device）在各个链路的传输结束时间需要对齐，可能需要进行数据填充（padding），从而导致频谱资源和能量的浪费。提出了一种 MLD高能效传输算法，在满足数据传输时延限制的前提下，提高 MLD 站点（STA,station）总能效。所提算法分别从链路数据分发比例、通信资源与 STA 发送功率 3 个方面进行优化。仿真结果显示，所提算法在保证数据传输时延限制的前提下，通过减少 padding 数据降低能耗，使系统传输能效相较于基线方案提升约 150%。关键词：Wi-Fi 7；多链路；能效；数据填充；粒子群优化 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.20963750.2023.00328 Optimization strategy of multi-link energy efficient joint transmission of Wi-Fi 7 DAI Linyan,FANG Xuming,HE Rong School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China Abstract:In the multi-link non-simultaneous transmit and receive mode of next-generation Wi-Fi 7 protocol,the trans-mission ending time of multi-link device(MLD)needs to be aligned on each link,which may require data padding,re-sulting in the waste of spectrum resources and transmission energy consumption.A high energy efficient MLD transmis-sion algorithm was proposed to improve the total energy efficiency of MLD station(STA)on the premise of meeting the data transmission delay limit.The proposed algorithm was optimized from the following three aspects:link data distribu-tion ratio,communication resource allocation and STA transmission power.Simulation results show that the proposed al-gorithm can reduce energy consumption by reducing padding data on the premise of guaranteeing the delay limit of data transmission,and the transmission energy efficiency of the system is increased by about 150%compared with that of the baseline scheme.Key words:Wi-Fi 7,multi-link,energy efficient,data padding,particle swarm optimization 0 引言 在下一代 Wi-Fi 标准 IEEE 802.11be（即 Wi-Fi 7）协议中，多链路操作（MLO,multi-link operation）是提升系统性能的一项重要技术1-2。MLO 技术与之前 Wi-Fi 标准中定义的多频段技术虽有一定相似性，但也有较大差别。IEEE 802.11n/ax/ad 标准中接入点（AP,access point）支持多频段并行工作，支持多频多发，但站点（STA,station）受限于天线和基带资源，一般采用双频单发（DBSC,dual band single 收稿日期：20221028；修回日期：20230322 通信作者：方旭明， 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62071393）；四川省应用基础研究项目（No.2020YJ0218）Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(No.62071393),The Sichuan Provincial Applied Basic Re-search Project(No.2020YJ0218)第 3 期 戴林燕等：Wi-Fi 7 多链路高能效联合传输优化策略 43 concurrent）3。STA 每次只能选择一个频段进行连接和传输，一对节点之间的数据传输在同一时刻只能在一个频段进行，即 STA 无法获得多链路带来的性能增益。Wi-Fi 7 中引入的多链路技术支持一对多链路设备（MLD,multi-link device）在 2.4 GHz、5 GHz和 6 GHz 频段并发传输，且 3 个频段/链路之间可进行一定程度的协同，不仅增加了多链路设备可用频谱资源，也提高了频谱资源利用的灵活性。虽然多链路技术的引入可以有效提升系统吞吐量与时延性能，但与传统单链路操作相比，MLO技 术 引入了 更 大链路 维 护/传 输 能 耗 与 填 充（padding）数据传输能耗。MLD 的每条链路配置了独立的发送/接收机，需要在各链路上进行信道监听等操作，因此，数据传输、链路维护所耗费的能量会成倍增加4。同时，MLO 定义了同步传输与接收（STR,simultaneous transmit and receive）和异步传输与接收（NSTR,non-simultaneous transmit and receive）两种操作模式5-6，多链路操作模式示意图如图 1 所示。其中，STR 模式下各链路可独立进行数据的传输与接收，允许在一条链路发送数据的同时，另一条链路接收数据。而 NSTR 模式下各链路的收发状态需要保持一致，即不允许在一条链路发送数据的同时，另一条链路接收数据。当 MLD 工作在 STR 模式下，不同链路同时进行数据的发送与接收时，发送链路与接收链路之间可能会产生邻频干扰，这种干扰被称为设备内共存（IDC,in-device coexistence）干扰7-8。无法消除 IDC 干扰的 MLD被称为 NSTR 设备，能够消除 IDC 干扰的 MLD 被称为 STR 设备。图 1 多链路操作模式示意图 为了避免 IDC 干扰影响，NSTR 设备需要工作在 NSTR 模式，在发送数据时，不同链路的传输结束时间需要保持对齐9-10。由于不同链路的传输能力及缓存数据量可能存在差异，若需要对齐传输结束时间，往往需要在某些链路上进行数据填充，通过数据填充对齐结束时间示意图如图 2 所示。而padding 数据通常为全 0 bit11，无法携带有用信息，会导致频谱资源的浪费，也会使 MLD 产生更大的传输能耗。图 2 通过数据填充对齐结束时间示意图 现有关于 Wi-Fi 网络能效管理的研究大多针对单链路场景。常用的方案包括：改进现有协议中的节能模式（PSM,power save mode）12-13、目标唤醒时间（TWT,target wake time）14-15等机制提高能效；适当降低节点的发送功率16、带宽17以及空间流数目18等操作实现节能；关闭冗余接入点19或增大网络中周期性发送的控制帧/管理帧实现节能20。文献21提出了一种 AP 休眠结合用户卸载的方案，通过测量 AP 能效设置休眠或清醒阈值，根据实时网络状态信息选择利用率低的 AP 进行睡眠，并将用户卸载问题建模为反向拍卖，在最小化用户卸载能耗的同时，保持用户吞吐量。文献22研究 TWT 机制中同时唤醒节点数量、可使用的资源单元（RU,resource unit）数量等参数对吞吐量和能效的影响，提出了一种通过决定是否接受 TWT 请求来协商目标信标传输时间的 TWT 调度方案。在针对多链路场景的能效管理方案中，研究者大多从降低链路的维护/传输能耗角度进行优化。例如，文献23提出了一种交叉链路唤醒方案。AP 通过在主链路上发送携带唤醒链路信息的新信标帧来唤醒其他休眠链路。文献24提出使用 STA 每条链路的电源状态来指示链路状态，AP 只能在 STA处于活跃状态的链路上为其发送数据。文献25提出在多链路中扩展常规流量指示信息（TIM,traffic indication message）机制以指示 STA 多条链路的信息情况。通过上述分析可以发现，在现有多链路能效管44 物 联 网 学 报 第 7 卷 理研究中，鲜有从减小 padding 数据传输能耗的角度进行优化。在实际多链路传输中，padding 无效数据传输导致的频谱资源和传输能耗的浪费也不可忽视，如何高效地协同管理各链路的传输状态，实现多链路高能效联合传输是需要解决的一个关键问题。因此，本研究针对多链路场景下链路传输结束时间对齐导致的 padding 数据问题，在满足数据传输时延限制的前提下，以提高 MLD STA 总能效为目标，提出了一种多链路高能效联合传输算法，分别从链路数据分发比例、通信资源分配与 STA 发送功率 3 个方面进行了优化，减少 padding 数据及其产生的能量浪费，提高传输能效。1 系统模型 本文所研究场景假设由一个MLD AP和N个关联的 MLD STA 组成，AP 和 STA 设备均支持 3 条链路，系统场景如图 3 所示。图 3 系统场景 当节点在多个链路同时竞争成功时，可以将数据分发到多条链路上同时传输。本文主要关注如何提 高 STA 侧 的 上 行 传 输 能 效，假 设STAn（1,2,3,nN）的上行缓存数据量用nD表示，且数据可以分割成任意比例分配到不同的链路上传输，并利用,n mx表示STAn在链路m（1,2,3m）上分发的数据比例（,0,1n mx）。那么，STAn在链路m上待传的数据量则表示为 ,n mn mnDxD(1)假设STAn在链路m上分配得到的RU大小为,n mr，根据SNR、RU规格与调制与编码策略（MCS,modulation and codding scheme）速率之间的映射关系，可得到STAn在链路m上的数据传输速率为 ,MCS_mapping(,SNR)n mn mn mvr(2)由此，可计算出STAn在链路m上的数据传输时延为 ,DATA,n mn mn mDtv(3)沿用IEEE 802.11ax/be标准中基于正交频分多址（OFDMA,orthogonal frequency division multiple access）的多用户传输方式9,11，同一链路不同STA的传输结束时间需要对齐。OFDMA对齐后，STAn在链路m上的传输时延为 DATA,OFDMA,max,00 ,0mn mn mnn mn mtxtx(4)其中，m表示在链路m上分发了数据，需要进行数据传输的STA集合。同时，为了避免MLD受IDC影响，同一NSTR MLD在多条链路进行数