一種MIMO移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的物理層與MAC層聯(lián)合設(shè)計(jì)

樸德江， 肖子雄， 蔣軼

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200433)

0 引言

在無線通信中，多輸入多輸出(multiple-input and multiple-output/MIMO)使用多個(gè)發(fā)射和接收天線能成倍擴(kuò)充無線鏈路容量[1]。MIMO已經(jīng)成為包括WLAN, LTE, 5G-NR在內(nèi)的多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)[2-3]的物理層關(guān)鍵技術(shù)。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET,Mobile Ad Hoc Network)和WLAN，LTE等需要基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)不同，它是一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)，具有部署迅速、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于軍事通信、應(yīng)急通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)等場景。但和無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)的市場規(guī)模巨大，技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)不同，MANET由于其應(yīng)用市場較小，技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢，關(guān)于MIMO運(yùn)用到MANET中的研究還不多。目前無線自組網(wǎng)仍然受限于有限的吞吐量，通信時(shí)延較高，這些技術(shù)因素阻礙了其廣泛應(yīng)用。

為了提高移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)性能，已有大量物理層或MAC層的研究。H. Saggar等[4]提出了利用MIMO抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，在保證一條主鏈路通信的同時(shí)，允許其它節(jié)點(diǎn)建立二級(jí)鏈路。H. Sui等[5]提出用不同編碼方案優(yōu)化FH-CDMA和時(shí)隙ALOHA的性能。W. Hu等[6-7]提出并在軟件無線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載自適應(yīng)的LA-MAC設(shè)計(jì)方案。上述方案仍囿于單層或單個(gè)技術(shù)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，難以完全利用MIMO技術(shù)帶來的性能提高。

本文提出了一種結(jié)合物理層MIMO技術(shù)和多址接入層(MAC)多用戶協(xié)同CSMA/CA協(xié)議的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。它通過RTS/CTS獲得信道狀態(tài)信息，以完成預(yù)編碼/波束賦形、自適應(yīng)速率選擇和功率控制，并基于更新網(wǎng)絡(luò)分配向量(network allocation vector/NAV)的回避算法維護(hù)多對(duì)節(jié)點(diǎn)間的同時(shí)同頻通信鏈路。仿真結(jié)果表明，這種跨層多技術(shù)點(diǎn)綜合系統(tǒng)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)能帶來顯著的性能提升。

本文使用粗體大寫字母符號(hào)表示矩陣，粗體小寫字母符號(hào)表示矢量，普通符號(hào)表示標(biāo)量值，(·)T表示轉(zhuǎn)置，(·)*表示共軛轉(zhuǎn)置，‖·‖表示歐氏范數(shù)，E[·]為求期望，I為單位陣。

1 物理層模型

1.1 MIMO物理層模型

(1)

(2)

1.2 均勻信道分解法

假設(shè)信道狀態(tài)在發(fā)送端已知，均勻信道分解(Uniform Channel Decomposition/UCD)能夠?qū)IMO信道分解為多個(gè)相同子信道[8]。我們簡述其基本思想如下。

(3)

本文中我們僅考慮L=K=min(Mr,Mt)的情況。

1.3 波束賦形

天線陣列通過選取合適的發(fā)送端波束賦形向量p∈RMr×1，控制每個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的幅度和相位，可以提高特定方向的天線增益，同時(shí)降低其它方向的干擾。在某個(gè)節(jié)點(diǎn)只發(fā)送一個(gè)空間流si時(shí)，用波束賦形產(chǎn)生發(fā)送信號(hào)xi=pisi。在接收端看到的等效信道為一個(gè)單入多出(SIMO)信道Hjipi。僅考慮最大化接收節(jié)點(diǎn)的接收信噪比時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的歸一化波束賦形向量為Hji的最大奇異值對(duì)應(yīng)的右奇異向量，即奇異值分解Hji=UΣV*中右矩陣V的第一列。

經(jīng)過接收端的波束賦形處理后，節(jié)點(diǎn)j的接收信號(hào)可重寫,如式(4)。

(4)

在接收端可通過MMSE接收機(jī)[9]進(jìn)行干擾抑制,如式(5)。

(5)

經(jīng)過發(fā)送端和接收端的波束賦形處理后，節(jié)點(diǎn)j的接收信干噪比,如式(6)。

(6)

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)有Mr個(gè)天線的無線網(wǎng)絡(luò)，通過上述單流的波束賦形，可支持在單跳距離內(nèi)的多對(duì)節(jié)點(diǎn)同時(shí)同頻通信。

2 基于MIMO的協(xié)議改進(jìn)

2.1 多用戶協(xié)同CSMA/CA協(xié)議

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了MAC層的兩種接入方式[3]，其中基于競爭的分布協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function/DCF)作為必需功能被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的實(shí)踐中，是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)現(xiàn)DCF的接入方法為CSMA/CA協(xié)議，通過二進(jìn)制指數(shù)退避算法降低沖突概率，并提出RTS/CTS機(jī)制解決隱藏終端問題，協(xié)調(diào)無關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)主動(dòng)靜默以降低干擾。

若僅物理層利用MIMO信道的UCD分解提高接收信噪比和速率等指標(biāo)，MAC層仍維持原協(xié)議的單發(fā)單收特性時(shí)，上述MAC層設(shè)計(jì)無須改動(dòng)仍可有效工作，這種設(shè)計(jì)不妨稱為單用戶MIMO模式(Single-User MIMO/MIMO-SU)。

考慮到速率大幅提高的情況下，僅允許單一用戶發(fā)送信號(hào)，回退時(shí)間和RTS/CTS等控制信息的開銷相對(duì)于原系統(tǒng)帶來了更大的浪費(fèi)。而RTS/CTS機(jī)制具備的良好的可擴(kuò)展性，能夠在保證向后兼容性的同時(shí)，通過使用預(yù)留字段、擴(kuò)充功能等方式，使用戶具備知曉復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)情況的潛力，并有效發(fā)揮出MIMO技術(shù)具備的同時(shí)建立多條鏈路的能力，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)傳輸?shù)墓δ?，這種設(shè)計(jì)不妨稱為多用戶MIMO模式(Multi-User MIMO/MIMO-MU)。

為了支持MIMO-MU，仿真不僅增加了RTS/CTS的信道估計(jì)、控制信息廣播等功能，使節(jié)點(diǎn)獲得信道狀態(tài)、其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)等信息，還重新設(shè)計(jì)了退避算法，節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)判斷進(jìn)入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)的時(shí)機(jī)，控制同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)量不超過上限。

2.2 物理層和MAC層的聯(lián)合控制碼率和功率

在以往的MAC層自適應(yīng)速率控制中，MAC層依據(jù)每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀后是否接收到確認(rèn)幀來估計(jì)鏈路狀況，滯后地調(diào)整發(fā)送速率。多用戶通信下時(shí)頻同步和信道估計(jì)方法[10]的提出，給速率選擇和功率控制方案帶來了新的啟發(fā)。

新的方案通過節(jié)點(diǎn)的物理層對(duì)RTS/CTS的信道估計(jì)傳給MAC層，將信道狀態(tài)信息加入控制幀發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，使MAC層具備實(shí)時(shí)獲知信道信息并做出發(fā)射速率和功率調(diào)整的能力。在多對(duì)用戶同時(shí)通信時(shí)的復(fù)雜信道情況下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以依照接收節(jié)點(diǎn)所處的信道情況調(diào)整發(fā)送參數(shù)。

若已知信道H，則利用均勻信道分解法，我們獲得K個(gè)信道的信噪比ρeff,如式(3)。由此選取該信噪比可支持的最高調(diào)制編碼方案，進(jìn)而計(jì)算可支持該調(diào)制編碼方案的最優(yōu)功率，之后將發(fā)送功率和調(diào)制編碼方案寫入CTS反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)速率選擇和功率控制。

2.3 基于NAV的回避算法改進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)分配向量(network allocation vector/NAV)是實(shí)現(xiàn)虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制的關(guān)鍵，它記錄了節(jié)點(diǎn)i通過RTS/CTS獲知的網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的會(huì)話時(shí)間。為了保留更多信息，不妨記錄即將或正在進(jìn)行會(huì)話的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)量NAVi，以及預(yù)計(jì)其它節(jié)點(diǎn)成功收到ACK后結(jié)束會(huì)話的時(shí)間ti∈RNAVi×1。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i通過RTS或CTS得知其它節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求占用的時(shí)間trequest時(shí)，節(jié)點(diǎn)修改計(jì)數(shù)器NAVi=NAVi+1并將預(yù)計(jì)的會(huì)話結(jié)束時(shí)間tend=trequest記入ti中，直至經(jīng)過時(shí)間tend后計(jì)數(shù)器NAVi減去1并刪除對(duì)應(yīng)記錄項(xiàng)tend。在單用戶模式下，不管是SISO還是MIMO，若在此期間計(jì)數(shù)器NAVi>=1則認(rèn)為信道忙，節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)，停止檢測物理信道并暫?；赝诉M(jìn)程，直至計(jì)數(shù)器歸零后恢復(fù)。

當(dāng)采用了波束賦形技術(shù)的MIMO-MU模式允許多對(duì)用戶同時(shí)傳輸時(shí)，可調(diào)整判定信道忙的條件，NAVi>=?！?時(shí)方認(rèn)為信道繁忙，否則應(yīng)允許節(jié)點(diǎn)繼續(xù)通信或回退進(jìn)程。這里，整數(shù)是可調(diào)門限。

為了進(jìn)一步優(yōu)化多對(duì)用戶同時(shí)通信時(shí)的系統(tǒng)性能，在接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，回復(fù)CTS時(shí)可依照周邊信道環(huán)境告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)做出適當(dāng)?shù)乃俾蔬x擇和功率控制。當(dāng)發(fā)送速率需要依據(jù)接收節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)調(diào)整時(shí)，不能簡單地在RTS中聲明會(huì)話時(shí)長trequest，此時(shí)應(yīng)放棄RTS/CTS機(jī)制解決隱藏終端的能力，轉(zhuǎn)而將其應(yīng)用于信道估計(jì)和協(xié)同多用戶發(fā)送。因此可令需要靜默的無關(guān)節(jié)點(diǎn)在收到RTS后先記錄時(shí)間,如式(7)。

tend=SIFS+durationCTS

(7)

待收到接收節(jié)點(diǎn)反饋的CTS后再從此時(shí)記錄時(shí)間,如式(8)。

tend=SIFS+durationDATA+SIFS+durationACK

(8)

式中,SIFS為短幀間間隔，durationDATA為依據(jù)接收節(jié)點(diǎn)指定速率計(jì)算出的數(shù)據(jù)包發(fā)送間期，durationACK為ACK發(fā)送間期。

算法流程圖,如圖1所示。

圖1 算法流程圖

以節(jié)點(diǎn)i為例，描述了所提出的基于MIMO的物理層和MAC層聯(lián)合控制算法如何維護(hù)多對(duì)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信。其中CEi為節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號(hào)前進(jìn)行信道檢測估計(jì)的信道能量，EDthreshold為信道評(píng)估(Clear Channel Assessment/CCA)的閾值。

3 仿真結(jié)果

通過設(shè)計(jì)并用Matlab實(shí)現(xiàn)物理層和MAC層的離散事件仿真器，我們得到了SISO、MIMO-SU、MIMO-MU的性能對(duì)比。仿真場景為在邊長為d=50 m的正方形區(qū)域內(nèi)，有N個(gè)節(jié)點(diǎn)位置均勻隨機(jī)分布。節(jié)點(diǎn)兩兩成對(duì)產(chǎn)生符合Erlang分布的數(shù)據(jù)流量，即節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔為期望的指數(shù)分布。MIMO節(jié)點(diǎn)有Nr=4個(gè)天線，SISO節(jié)點(diǎn)有Nr=1個(gè)天線，帶寬均為20 MHz，默認(rèn)發(fā)射功率為20 dBm，接收機(jī)熱噪聲為-101 dBm，天線增益為2 dBi，1 m參考路損為-40 dB，路損指數(shù)為3，即10米處的路損為-40-30=-70 dB。

三種模式在不同流量生成密度下的吞吐量、誤包率和時(shí)延,如圖2—圖4所示。

圖2 吞吐量

圖3 誤包率

圖4 平均時(shí)延

相比于傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)的吞吐量和包均時(shí)延性能得到了顯著提升，而誤包率性能差異不大。而且我們看到，盡管MIMO-SU的吞吐量遠(yuǎn)好于SISO系統(tǒng)，但在節(jié)點(diǎn)數(shù)量多時(shí)，其吞吐量不及MIMO-MU的一半，這也體現(xiàn)了針對(duì)MIMO-MU的MAC層優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢。實(shí)際上，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，接入競爭會(huì)導(dǎo)致大量RTS包被丟棄造成頻譜資源浪費(fèi)，這也是為什么圖2中SISO和MIMO-SU的吞吐量性能隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加反而有所下降。對(duì)比了各個(gè)模式下發(fā)出數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)出RTS控制包數(shù)量的比例，可以看出，針對(duì)MIMO-MU的物理層-MAC層聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效降低接入控制開銷，大大緩解了吞吐量隨競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多反而下降的問題,如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)包與RTS包數(shù)量比

4 總結(jié)

本文提出了一種利用MIMO波束賦形技術(shù)和改進(jìn)多用戶協(xié)同CSMA/CA協(xié)議的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。所提出對(duì)RTS/CTS機(jī)制的向后兼容式的擴(kuò)展，既能獲得信道狀態(tài)信息以完成自適應(yīng)速率選擇和功率控制，又能通過改進(jìn)的NAV回避算法維護(hù)多對(duì)節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路?；谠O(shè)計(jì)搭建的離散事件仿真器所給出的結(jié)果，驗(yàn)證了單用戶MIMO和多用戶MIMO兩種模式的增益，表明所提出的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案行之有效。仿真結(jié)果中誤包率性能沒有顯著提高，而隨著干擾消除等技術(shù)的成熟，本文所提出的方案仍值得繼續(xù)研究改進(jìn)。