一種MIMO移動自組織網(wǎng)絡的物理層與MAC層聯(lián)合設計

樸德江， 肖子雄， 蔣軼

(復旦大學 信息科學與工程學院， 上海 200433)

0 引言

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

無線自組織網(wǎng)絡(MANET,Mobile Ad Hoc Network)和WLAN，LTE等需要基礎(chǔ)設施的網(wǎng)絡不同，它是一種去中心化的網(wǎng)絡，具有部署迅速、應用靈活等優(yōu)點，可應用于軍事通信、應急通信、傳感器網(wǎng)絡等場景。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)展突飛猛進不同，MANET由于其應用市場較小，技術(shù)發(fā)展相對較慢，關(guān)于MIMO運用到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，通信時延較高，這些技術(shù)因素阻礙了其廣泛應用。

為了提高移動自組織網(wǎng)絡性能，已有大量物理層或MAC層的研究。H. Saggar等[4]提出了利用MIMO抗干擾性強的特點，在保證一條主鏈路通信的同時，允許其它節(jié)點建立二級鏈路。H. Sui等[5]提出用不同編碼方案優(yōu)化FH-CDMA和時隙ALOHA的性能。W. Hu等[6-7]提出并在軟件無線電平臺實現(xiàn)了負載自適應的LA-MAC設計方案。上述方案仍囿于單層或單個技術(shù)點的優(yōu)化設計，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)合設計方案。它通過RTS/CTS獲得信道狀態(tài)信息，以完成預編碼/波束賦形、自適應速率選擇和功率控制，并基于更新網(wǎng)絡分配向量(network allocation vector/NAV)的回避算法維護多對節(jié)點間的同時同頻通信鏈路。仿真結(jié)果表明，這種跨層多技術(shù)點綜合系統(tǒng)化的優(yōu)化設計能帶來顯著的性能提升。

本文使用粗體大寫字母符號表示矩陣，粗體小寫字母符號表示矢量，普通符號表示標量值，(·)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，控制每個天線發(fā)射信號的幅度和相位，可以提高特定方向的天線增益，同時降低其它方向的干擾。在某個節(jié)點只發(fā)送一個空間流si時，用波束賦形產(chǎn)生發(fā)送信號xi=pisi。在接收端看到的等效信道為一個單入多出(SIMO)信道Hjipi。僅考慮最大化接收節(jié)點的接收信噪比時，發(fā)送節(jié)點的歸一化波束賦形向量為Hji的最大奇異值對應的右奇異向量，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j的接收信號可重寫,如式(4)。

(4)

在接收端可通過MMSE接收機[9]進行干擾抑制,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j的接收信干噪比,如式(6)。

(6)

對于每個節(jié)點有Mr個天線的無線網(wǎng)絡，通過上述單流的波束賦形，可支持在單跳距離內(nèi)的多對節(jié)點同時同頻通信。

2 基于MIMO的協(xié)議改進

2.1 多用戶協(xié)同CSMA/CA協(xié)議

IEEE 802.11標準規(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用于無線局域網(wǎng)的實踐中，是實現(xiàn)移動無線自組織網(wǎng)絡的基礎(chǔ)。標準規(guī)定實現(xiàn)DCF的接入方法為CSMA/CA協(xié)議，通過二進制指數(shù)退避算法降低沖突概率，并提出RTS/CTS機制解決隱藏終端問題，協(xié)調(diào)無關(guān)節(jié)點進入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)主動靜默以降低干擾。

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，MAC層仍維持原協(xié)議的單發(fā)單收特性時，上述MAC層設計無須改動仍可有效工作，這種設計不妨稱為單用戶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，回退時間和RTS/CTS等控制信息的開銷相對于原系統(tǒng)帶來了更大的浪費。而RTS/CTS機制具備的良好的可擴展性，能夠在保證向后兼容性的同時，通過使用預留字段、擴充功能等方式，使用戶具備知曉復雜網(wǎng)絡情況的潛力，并有效發(fā)揮出MIMO技術(shù)具備的同時建立多條鏈路的能力，實現(xiàn)多用戶同時傳輸?shù)墓δ?，這種設計不妨稱為多用戶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、控制信息廣播等功能，使節(jié)點獲得信道狀態(tài)、其它節(jié)點發(fā)送狀態(tài)等信息，還重新設計了退避算法，節(jié)點根據(jù)信道狀態(tài)判斷進入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)的時機，控制同時傳輸?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幀來估計鏈路狀況，滯后地調(diào)整發(fā)送速率。多用戶通信下時頻同步和信道估計方法[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)點的物理層對RTS/CTS的信道估計傳給MAC層，將信道狀態(tài)信息加入控制幀發(fā)送給目的節(jié)點，使MAC層具備實時獲知信道信息并做出發(fā)射速率和功率調(diào)整的能力。在多對用戶同時通信時的復雜信道情況下，發(fā)送節(jié)點可以依照接收節(jié)點所處的信道情況調(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，進而計算可支持該調(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，實現(xiàn)自適應速率選擇和功率控制。

2.3 基于NAV的回避算法改進

網(wǎng)絡分配向量(network allocation vector/NAV)是實現(xiàn)虛擬載波監(jiān)聽機制的關(guān)鍵，它記錄了節(jié)點i通過RTS/CTS獲知的網(wǎng)絡中其它節(jié)點請求的會話時間。為了保留更多信息，不妨記錄即將或正在進行會話的節(jié)點對數(shù)量NAVi，以及預計其它節(jié)點成功收到ACK后結(jié)束會話的時間ti∈RNAVi×1。

當節(jié)點i通過RTS或CTS得知其它節(jié)點請求占用的時間trequest時，節(jié)點修改計數(shù)器NAVi=NAVi+1并將預計的會話結(jié)束時間tend=trequest記入ti中，直至經(jīng)過時間tend后計數(shù)器NAVi減去1并刪除對應記錄項tend。在單用戶模式下，不管是SISO還是MIMO，若在此期間計數(shù)器NAVi>=1則認為信道忙，節(jié)點應進入虛擬載波監(jiān)聽狀態(tài)，停止檢測物理信道并暫?；赝诉M程，直至計數(shù)器歸零后恢復。

當采用了波束賦形技術(shù)的MIMO-MU模式允許多對用戶同時傳輸時，可調(diào)整判定信道忙的條件，NAVi>=Γ≥2時方認為信道繁忙，否則應允許節(jié)點繼續(xù)通信或回退進程。這里，整數(shù)是可調(diào)門限。

為了進一步優(yōu)化多對用戶同時通信時的系統(tǒng)性能，在接收節(jié)點收到RTS后，回復CTS時可依照周邊信道環(huán)境告知發(fā)送節(jié)點做出適當?shù)乃俾蔬x擇和功率控制。當發(fā)送速率需要依據(jù)接收節(jié)點信道狀態(tài)調(diào)整時，不能簡單地在RTS中聲明會話時長trequest，此時應放棄RTS/CTS機制解決隱藏終端的能力，轉(zhuǎn)而將其應用于信道估計和協(xié)同多用戶發(fā)送。因此可令需要靜默的無關(guān)節(jié)點在收到RTS后先記錄時間,如式(7)。

tend=SIFS+durationCTS

(7)

待收到接收節(jié)點反饋的CTS后再從此時記錄時間,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)點指定速率計算出的數(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多對節(jié)點同時通信。其中CEi為節(jié)點i發(fā)送信號前進行信道檢測估計的信道能量，EDthreshold為信道評估(Clear Channel Assessment/CCA)的閾值。

3 仿真結(jié)果

通過設計并用Matlab實現(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個節(jié)點位置均勻隨機分布。節(jié)點兩兩成對產(chǎn)生符合Erlang分布的數(shù)據(jù)流量，即節(jié)點產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)包的時間間隔為期望的指數(shù)分布。MIMO節(jié)點有Nr=4個天線，SISO節(jié)點有Nr=1個天線，帶寬均為20 MHz，默認發(fā)射功率為20 dBm，接收機熱噪聲為-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、誤包率和時延,如圖2—圖4所示。

圖2 吞吐量

圖3 誤包率

圖4 平均時延

相比于傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)的吞吐量和包均時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的吞吐量遠好于SISO系統(tǒng)，但在節(jié)點數(shù)量多時，其吞吐量不及MIMO-MU的一半，這也體現(xiàn)了針對MIMO-MU的MAC層優(yōu)化設計帶來的優(yōu)勢。實際上，隨著節(jié)點數(shù)目的增多，接入競爭會導致大量RTS包被丟棄造成頻譜資源浪費，這也是為什么圖2中SISO和MIMO-SU的吞吐量性能隨網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)增加反而有所下降。對比了各個模式下發(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MIMO-MU的物理層-MAC層聯(lián)合優(yōu)化設計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)和改進多用戶協(xié)同CSMA/CA協(xié)議的聯(lián)合設計方案。所提出對RTS/CTS機制的向后兼容式的擴展，既能獲得信道狀態(tài)信息以完成自適應速率選擇和功率控制，又能通過改進的NAV回避算法維護多對節(jié)點間的通信鏈路。基于設計搭建的離散事件仿真器所給出的結(jié)果，驗證了單用戶MIMO和多用戶MIMO兩種模式的增益，表明所提出的聯(lián)合設計方案行之有效。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。