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薛青;方旭明
【摘 要】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 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 . 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.%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 )承受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，静态绑定方式不够敏捷，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，也可以有效抑制 中信道绑定方式的弊端。方案主要包括 3 局部：多节点联合信道扫描、多信道同步收发掌握及干扰检测。理论分析和仿真结果说明，所提非连续频谱的 WiFi 多信道聚合方案的回传性能优于 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。最终，由搭建的原型验证系统证明白所提方案的可行性及有效性。
【期刊名称】《电子与信息学报》
【年(卷),期】2025(039)002
【总页数】7 页(P335-341)
【关键词】5G;多信道回传;同步传输;邻道干扰
【作 者】薛青;方旭明
【作者单位】西南交通大学信息科学与技术学院 成都 610031;西南交通大学信息科学与技术学院 成都 610031
【正文语种】中 文
【中图分类】
为了提升数据效劳力量，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) 具有牢靠的稳定性，但由于其根底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，假设将来 5G 网
络中全部回传链路均布设为有线线缆明显是不行取的。在这种背景下，使用无线回传链路来取代局部有线线缆成为一种有效可行的方案。这其中又以本钱低廉、易于实现的 WiFi 技术最受青睐[1]。因此，本文致力于争论如何利用 WiFi 技术实现 5G 网络中的高速无线回传。
IEEE [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，但其也存在肯定的缺乏：静态 CB 敏捷性不够且存在由于局部频段质量不佳而导致系统整体性能下降的问题；动态 CB 虽具敏捷性，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 技术进展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敏捷性，但实现简单度高。为抑制连续频谱信道聚合的缺乏，提高频谱利用率，局部争论者对如何实现非连续频谱信道的聚合进展了探讨，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 协议中帧构造及 MAC 作肯定的修改，不易实现。同时，现有 WiFi 协议中 AP/STA 承受单射频单信道配置，而随着无线用户对 QoS 及 QoE 要求的提高，利用单信道进展回传已越来越难满足这一需求。随着无线射
频收发器硬件本钱的降低和相关技术的进展，在同一个 AP/STA 上装备多射频利用多信道传输正在渐渐成为可以承受的提高 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争论均是针对无线 Mesh 网络的，而对其在回传网络中的应用争论甚少。
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 节具体描述了所提高速同步回传方案，包括：多节点联合信道扫描、多信道同步掌握及基于系统吞吐量及信道占空比信息的多信道干扰检测；最终，本文所提方案进展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。
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 N 个射频
器(如，N 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 N 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。
由于回传网络中 vAP/vSTA 是集中布置的，假设不进展有效的收发掌握，当多信道同传时会产生严峻的邻道干扰(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掌握在一样的收发状态来抑制这种干扰。另外，由于 WiFi 网络承受 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，可能会有局部能量泄露到 vAP2-vSTA2 所在信道 B 上， 导致 vAP2 判定信道 B 处于劳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开消灭这种状况，以提高频谱的利用率。
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展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，区分与 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)推断本次是否为初始化扫描。假设是，则执行下一步；假设否，则转向步骤(3)； (2)vAP1 与 vSTA1 分别对 5 GHz 频段上全部信道(个数记为)进展扫描，并记录信道 的扫描数据, 与；转向步骤(4)；
vAP1 与 vSTA1 分别扫描除个回传信道以外的其他各信道，并记录信道 的扫描
数据, 与；
vAP1 与 vSTA1 分别计算信道 的干扰因子：
从而可得 AP 与 STA 各自的信道扫描列表 list A 与 list B；
假设步骤(1)中推断为是，则执行下一步；假设否，则转向步骤(8)；
AP 在 list A 中为 vAP1 选取满足条件的信道(假设有多个满足该条件，则任选其一)；
vSTA1 连接 vAP1 并上传 list B；转向步骤(9)；
STA 通过 vSTA1 以外的虚拟节点(如 vSTA2)上传 list B； (9)AP 通过函数对 list A 与 list B 作联合处理，即
其中，, 且，可得联合扫描列表 list C；
假设干扰阈值为，统计 list C 中信道质量良好的信道个数。令；
Forto do
If then
;
End if
End for
将上述个信道按干扰因子由小到大排序并记录相应的信道编号，得可用信道列表 list D。
其中，, 与分别表示 AP/STA 扫描信道所得的活泼时间(即观测时间)、处于“忙” 状态的时间与发送状态的时间，和为干扰因子计算权重。步骤(9)中干扰因子之和越小，说明该信道综合质量越好；相应地，干扰因子之差越小，说明该信道对回传两端而言的传输性能差异越小。因此，的值越小，说明 AP 与 STA 在信道上的回传性能越好。
在 AP 与 STA 完成初始化联合信道扫描得到 list D 后，由 AP 为回传网络进展统一
的信道安排：
假设，为降低 ACI，(1)选取尽量小的信道；(2)所选的多个信道相隔尽量远。假设，则将此个信道作为回传信道。特别地，假设，可优先为位置相互隔开的vAP/vSTA 安排信道，这样可从空间维度进一步降低 ACI。
多信道同步传输机制
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，假设收发状态一样则为同态传输，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
其中，为自由空间损耗，为路损指数，为传输距离，是断点距离。以下行为例，假设考虑阴影衰落，则 vSTA 的接收信号功率为
其中，为 vAP 的放射功率，与分别表示发送天线增益与接收天线增益。假设不进展有效的多信道收发掌握，则 vSTA 接收到的 ACI 功率为
其中，与分别为异态与同态传输 ACI 功率；与分别为相对 wlan 来说异态与同态传输的链路个数，; 与分别为异态与同态传输时的频谱衰减功率；与分别为 vSTA 与vSTA, vSTA 间的天线隔离度，与天线位置及方向有关。
因此，vSTA 的接收信干噪比及吞吐量分别为其中，为信道带宽，为噪声功率且 。
在 5G 多信道回传网络中，一般一条链路的放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。
多信道同步掌握 本文通过对 5G 多信道回传网络进展同步收发掌握来防止同
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 进展时钟
同步校准，可以很简洁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展了争论，以下行为例：
(1)依据不同信道的传输力量来掌握多信道数据分流(如图 3(a))； (2)利用帧聚合[14]的思想进展多信道数据对齐(如图 3(b))。
信道的传输力量可由其所选 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展掌握。首先，将满足条件的信道作为参考信道，按其最大聚合力量完本钱周期内数据的聚合，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。
留意：一个回传周期内最终的 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分，需在原有帧构造的根底上进展扩展或修改。这两个帧携带有本回传周期内数据发送/接收完毕的标识位，也是下一同步回传周期预备开头的标志。
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
(1)统计一段时间内总吞吐量，同时记录各信道的传输状态：, , 与； (2)计算各信道占空比：
For to do
End for
记系统吞吐量阈值为，推断是否受到外界干扰：
If then
令； Forto do
If &&&& then
;
;
End if End for End if
其中，表示判定存在干扰的信道个数，, 与分别为, 与的干扰推断阈值，, , ；
假设，表示无干扰，转向步骤(6)；假设，表示仅有一个信道受到了干扰，令此信道跳频，转向步骤(6)；否则，执行下一步；
令满足条件的信道跳频； (6)本次干扰检测完毕。
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奉献最小的信道。这样可以避开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”。
性能仿真
本局部对承受异态传输方式与同步方式的 5G 多信道回传性能作了仿真比照分析， 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阅历值)，。同时，由 IEEE 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。
假设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状况。可知，当肯定时，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，假设为同步传输，则；
假设为异态传输，则。假设回传信道为非邻频信道，随的变化状况如图 5 所示。易知， 各曲线变化特征与工作在邻频信道时全都，即多信道同步传输性能要远优于异态传输。
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展验证，我们搭建了原型测试系统并组织了屡次外场测试。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)从以下几方面进展了外场测试： (1)单信道传输性能；
(2)两邻道异态、同步传输性能； (3)多个非邻道同步传输性能； (4)跳频性能。
测试中，数据传输承受 UDP 协议。表 3 对部格外场测试数据进展了归纳，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：
对于两邻道而言，同步传输性能要优于异态传输；
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；
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。
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
场测试结果不尽一样，表 3 中所示为一般测试结果。
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安排信道更适用于回传网络，通过数据分流及数据对齐方法来掌握多信道的同步传输，从而抑制 ACI，并通过一种的链路质量评估指标(即信道占空比)来进展多信道的干扰监测。最终，仿真结果及外场测试数据说明白所提方案确实具有可行性及有效性。
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