这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
本研究的主要作者包括Jingyuan Zhang、Stefano Avallone和Douglas M. Blough。Jingyuan Zhang和Douglas M. Blough来自美国佐治亚理工学院的电气与计算机工程学院（School of ECE, Georgia Institute of Technology），而Stefano Avallone则来自意大利那不勒斯大学的计算机工程系（Computer Engineering Department, University of Naples）。该研究于2023年6月28日至29日在Arlington, VA, USA举办的2023年ns-3研讨会（wns3 2023）上发表，并收录于ACM的会议论文集中。
本研究的主要科学领域是无线局域网（Wireless Local Area Networks, WLANs）中的信道探测（Channel Sounding）技术，特别是基于IEEE 802.11ax标准的信道探测帧交换（Frame Exchange）机制。随着无线数据服务需求的爆炸性增长，IEEE 802.11工作组开发了IEEE 802.11ax标准，该标准通过引入多用户多输入多输出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output, MU-MIMO）和波束成形（Beamforming）技术来提高网络吞吐量和效率。然而，现有的ns-3网络模拟器缺乏对MU-MIMO和信道状态信息（Channel State Information, CSI）获取功能的支持，这使得在ns-3中评估这些技术的系统级性能变得不切实际。因此，本研究的目标是在ns-3中实现基于IEEE 802.11ax标准的MAC层信道探测过程，并通过仿真结果展示信道探测的开销及其对网络性能的影响。
本研究的工作流程可以分为以下几个步骤：
信道探测帧的生成与交换逻辑的实现
研究团队在ns-3中实现了信道探测所需的帧生成功能，包括空数据包公告帧（Null Data Packet Announcement, NDPA）、空数据包帧（Null Data Packet, NDP）和波束成形报告帧（Beamforming Report Frame）。此外，研究团队还实现了单用户（Single-User, SU）和多用户（Multi-User, MU）情况下的帧交换逻辑。
波束成形报告的结构化生成
研究团队实现了根据IEEE 802.11ax标准生成结构化波束成形报告的功能，支持多种CSI分辨率和量化精度的选择。
多用户调度器的实现
研究团队开发了一个简单的多用户调度器（Multi-User Scheduler），用于选择参与信道探测和MU-MIMO数据传输的用户。该调度器采用轮询调度（Round Robin Scheduling）算法，确保在给定的传输机会（Transmission Opportunity, TXOP）内完成信道探测。
信道探测过程的仿真与验证
研究团队在ns-3中进行了信道探测过程的仿真，验证了实现的正确性，并评估了信道探测对网络吞吐量和开销的影响。仿真参数包括信道带宽、子载波分组参数（Subcarrier Grouping Parameter, Ng）、压缩波束成形反馈矩阵的大小（Nr, Nc）以及调制编码方案（Modulation Coding Scheme, MCS）等。
研究的主要结果包括：
信道探测开销的评估
仿真结果表明，信道探测的开销随着用户数量和压缩波束成形反馈矩阵大小的增加而增加。在单用户情况下，信道探测的持续时间较短，而在多用户情况下，信道探测的持续时间显著增加。例如，在160 MHz带宽、4个用户、压缩波束成形反馈矩阵大小为（4, 4）的情况下，信道探测的持续时间可达3.81 ms。
子载波分组和量化分辨率对开销的影响
通过调整子载波分组参数和量化分辨率，可以显著减少信道探测的开销。例如，将子载波分组参数从4增加到16，可以将信道探测的持续时间减少21%至67%。
MCS对信道探测持续时间的影响
使用较高的MCS可以显著减少信道探测的持续时间。例如，在160 MHz带宽、4个用户、压缩波束成形反馈矩阵大小为（4, 4）的情况下，将MCS从HE MCS0提高到HE MCS11，可以将信道探测的持续时间从3.81 ms减少到0.57 ms，减少了85%。
信道探测对吞吐量的影响
研究团队还评估了周期性信道探测对网络吞吐量的影响。仿真结果表明，信道探测间隔越短，吞吐量的下降越显著。例如，在20 MHz带宽、2个用户、每个用户1个流的情况下，信道探测间隔为5 ms时，吞吐量下降了30%至32%。
本研究在ns-3中成功实现了基于IEEE 802.11ax标准的信道探测帧交换机制，并通过仿真验证了其正确性。研究结果表明，信道探测的开销在单用户情况下较低，但在多用户情况下显著增加。通过调整子载波分组参数、量化分辨率和MCS，可以有效减少信道探测的开销。此外，周期性信道探测对网络吞吐量有显著影响，尤其是在信道探测间隔较短的情况下。
本研究的亮点包括： 1. 首次在ns-3中实现了IEEE 802.11ax标准的信道探测帧交换机制。 2. 提供了详细的信道探测开销评估，为未来网络性能优化提供了重要参考。 3. 通过调整子载波分组参数和量化分辨率，展示了减少信道探测开销的可行性。 4. 评估了周期性信道探测对网络吞吐量的影响，为网络设计提供了重要见解。
研究团队计划在未来工作中进一步优化实现，包括支持更大规模的压缩波束成形反馈矩阵、增加重传机制以及解决信道探测和数据传输之间可用带宽变化的问题。
本研究得到了Maxlinear和美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持，资助号为CCRI-2016381。
通过本研究，研究团队为ns-3中的IEEE 802.11ax标准支持提供了重要基础，并为未来无线网络性能优化提供了有价值的参考。