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作者及发表信息

该研究由Qinghua Chen（IEEE会员）完成，作者来自Wenzhou Polytechnic（温州职业技术学院）。该论文于2022年10月1日发表在IEEE Internet of Things Journal（第9卷，第19期）上。

学术背景

该研究的主要科学领域是无线局域网（WLAN），特别是针对IEEE 802.11ax标准的能量效率和信道访问优化问题。随着Wi-Fi网络的密集部署，多个接入点（AP）和大量站点（STA）之间的干扰和碰撞问题日益严重，导致吞吐量下降和能量浪费。特别是在电池供电的移动设备中，能量效率的管理尤为重要。IEEE 802.11ax标准引入了正交频分多址（OFDMA）、目标唤醒时间（TWT）等技术，但这些技术在重叠基本服务集（OBSS）场景下的应用仍存在挑战。因此，本研究旨在提出一种基于分组的信道访问协议，结合TWT调度，以提高资源单元（RU）的复用率，并通过并行传输提升吞吐量和能量效率。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 网络架构建模：首先，研究将OBSS架构映射为一个无向图，通过图论的方法对网络进行建模。研究假设网络由多个重叠的IEEE 802.11ax基础设施BSS组成，包括一个主AP、多个从AP和大量STA。主AP负责通过有线网络与从AP交换控制和管理信息，协调TWT调度。

2. 分组与调度：研究提出了一种基于分组的信道访问协议（GTSO），将STA划分为不同的组和子组，以实现尽可能多的并行传输。具体而言，研究使用Welch-Powell算法解决图着色问题，找到最少的颜色数，使得尽可能多的STA可以并行传输而不产生干扰。每个子组内的STA可以使用相同的RU进行并发传输，而不同子组的STA则通过时间分片或频率分片避免碰撞。

3. TWT调度优化：研究提出了一个优化问题，旨在通过TWT调度实现无竞争的信道访问。优化的目标是使同时激活的STA数量不超过可用的RU数量，并在数据包延迟的约束下最大化吞吐量和能量效率。研究通过动态调整STA的睡眠/唤醒周期，使其适应流量负载和RU数量。

4. 数学建模与仿真：研究建立了数学模型，评估了吞吐量、延迟和能量效率。基于这些公式，研究提出了一个优化问题，安排每个STA在相同的信标时隙表中尽可能多地唤醒，以更好地利用RU。研究通过MATLAB编写的仿真程序验证了GTSO协议的性能，并与现有的几种方案进行了比较。

主要结果

1. 吞吐量与能量效率：仿真结果表明，GTSO协议在高密度场景下的吞吐量和能量效率均优于现有方案。特别是在STA数量较多的情况下，GTSO通过并行传输和RU复用显著提高了吞吐量，同时减少了能量消耗。

2. RU利用率：GTSO协议通过空间复用操作，使得RU的利用率在某些情况下超过了100%。这意味着GTSO能够更高效地利用信道资源，特别是在高密度网络中。

3. 延迟控制：GTSO协议在延迟控制方面也表现出色，能够将数据包的延迟保持在预设的范围内。通过动态调整STA的睡眠周期，GTSO在保证吞吐量的同时，有效控制了延迟。

4. 与其他方案的比较：研究将GTSO与AVGLI、DUT、TSS、EPCS和SCAT等现有方案进行了比较。结果显示，GTSO在吞吐量、RU利用率和能量效率方面均优于这些方案，特别是在高密度网络中，GTSO的优势更加明显。

结论

该研究提出了一种基于分组的信道访问协议GTSO，结合TWT调度，有效解决了IEEE 802.11ax网络中OBSS场景下的干扰和碰撞问题。通过并行传输和RU复用，GTSO显著提高了吞吐量和能量效率，同时控制了数据包的延迟。该研究为未来Wi-Fi 7标准的多AP协调传输提供了重要的理论基础和技术支持。

研究亮点

1. 创新性：GTSO协议首次将图着色问题应用于OBSS场景下的信道访问优化，提出了一种全新的分组和调度方法。
2. 高效性：通过并行传输和RU复用，GTSO在高密度网络中显著提高了吞吐量和能量效率。
3. 实用性：GTSO协议与IEEE 802.11ax标准兼容，具有较高的实际应用价值，特别是在电池供电的移动设备中。

其他有价值的内容

研究还详细讨论了TWT调度中的时间分片和频率分片策略，以及如何通过主AP的全局信息优化STA的睡眠周期。此外，研究提出的优化算法具有较低的计算复杂度，能够快速适应网络流量的变化。

该研究为高密度Wi-Fi网络中的信道访问和能量效率优化提供了重要的理论和方法支持，具有较高的科学价值和实际应用前景。