文章编号：lOO7-757X(2O2O)l2-OOO5-O4
一种MIMO移动自组织网络的物理层与MAC层联合设计 朴德江，肖子雄，蒋轶
(复旦大学信息科学与工程学院，上海200433)
摘要：多天线MIMO技术不但能够提高点对>通信的传输效率，而且能在无线网络通信场景中实现空分多址，并发传输多路数据流，提高网络吞吐效率#针对MIMO技术在移动N组织网络中的应用，考察其所能带来的通信性能提升，提出一种结
合物理层MIMO技术和多址接入层(MAC)多用户协同CSMA/CA协议的联合设计方案#它通过RTS/CTS获得信道状态 信息，以完成波束赋形、自适应速率选择和功率控制，并基于更新网络分配向量(network allocation vector/NAV)的回避算法
维护多对节点间的同时同频通信链路#MATLAB仿真结果表明文中所提出的设计带来了显著的性能提升# 关键词：MIMO；波束赋形；移动自组织网络；CSMA/CA；多用户协同；自适应速率选择；功率控制
中图分类号：TN92文献标志码：A
Joint Design of Physical Layer and MAC Layer of
MIMO Mobile Ad hoc Network
PIAO Dejiang,XIAO Zixiong,JIANG Yi
(Department of Communication Science and Engineering,Fudan University,Shanghai200433,China)
Abstract:Multi-input multi-output(MIMO)technology can improve the transmission efficiency not only in the point-to-point communicationsbutalsointhenetworkscenariothroughestablishing multipleconcurrenttransmissionlinks.Thispaperdis-cusses the application of MIMO technology in mobile Ad hoc networks(MANET),and examines the communication performance improvements.We propose a PHY-MAC joint design scheme that combines physical layer(PHY)MIMO methods with the CSMA/CA protocol in the media access control(MAC)layer.It obtains the channel state information through RTS/CTS to complete precoding/beamforming,adaptive rate selection and power control.The concurrent co-channel communication link between multiple pairs of nodes is maintained by the CSMA/CA protocol using the network allocation vector(NAV).MAT-LABsimulationresultsshowthattheproposeddesigncanachievesignificantperformanceimprovements.
Key words:MIMO;beamforming；Ad hoc network；CSMA/CA;multi-user collaboration；adaptive rate selection；power con
trol
0引言
在无线通信中，多输入多输出(multiple-input and multi-ple-output/MIMO)使用多个发射和接收天线能成倍扩充无线链路容量'l(&MIMO已经成为包括WLAN,LTE,5G-NR在内的多种无线通信标准'-3(的物理层关键技术&无线自组织网络(MANET,Mobile Ad Hoc Network)和WLAN,LTE等需要基础设施的网络不同，它是一种去中心化的网络，具有部署迅速、应用灵活等优点，可应用于军事通信、应急通信、传感器网络等场景。但和无线局域网和蜂窝网的市场规模巨大，技术发展突飞猛进不同，MANET由于其应用市场较小，技术发展相对较慢，关于MIMO运用到MANET中的研究还不多。目前无线自组网仍然受限于有限的吞吐量，通信时延较高，这些技术因素阻碍了其广泛应用。
为了提高移动自组织网络性能，已有大量物理层或MAC层的研究&H Saggar等⑷提出了利用MIMO抗干扰性强的特点，在保证一条主链路通信的同时，允许其它节点建立二级链路&H.Sui等囚提出用不同编码方案优化FH-CDMA和时隙ALOHA的性能&W.Hu等67(提出并在软件无线电平台实现了负载自适应的LA-MAC设计方案&上述方案仍囿于单层或单个技术点的优化设计，难以完全利用MIMO技术带来
的性能提高&
本文提出了一种结合物理层MIMO技术和多址接入层(MAC)多用户协同CSMA/CA协议的联合设计方案&它通过RTS/CTS获得信道状态信息，以完成预编码/波束赋形、自适应速率选择和功率控制，并基于更新网络分配向量(network allocation vector/NAV)的回避算法维护多对节点间的同时同频通信链路&仿真结果表明，这种跨层多技术点综合系统化的优化设计能带来显著的性能提升&
基金项目：国家自然科学基金(61771005)
作者简介：朴德江(1994-)，男，硕士，研究方向：数据通信与网络等&肖子雄(1998-)，男，本科，研究方向：数据通信与网络等&
蒋轶(1978-)，男，博士，研究员，研究方向：通信信号处理等&
本文使用粗体大写字母符号表示矩阵，粗体小写字母符号表示矢量，普通符号表示标量值，(•)T表示转置，(•)"表示共觇转置，$・$表示欧氏范数，E[•(为求期望"为单位阵&
1物理层模型
1.1MIMO物理层模型
假设网络中有N个节点分布在某个区域内，每个节点有(t个发送天线(个接收天线。第z个节点和第*个节点间的信道记为H*，基于信道互易性+*=+&对于欲接收节点z信号的节点*，记其它干扰节点为集合即接收信号，如式(1)&
=H*"z+%(1)对于任一节点均有$II2'P噪声.服从复高斯分布N(0!2%)&如果通过某种MAC协议使得各节点互不干扰，即#*为空集，则(1)的信道容量，如式(2)&
0=log2|%—"h1",+*|(2)式中1爲可见，在同样的传输条件下，多天线带来更高的信道容量&
12均匀信道分解法
假设信道状态在发送端已知，均匀信道分解(Uniform Channel Decomposition/UCD)能够将MIMO信道分解为多个相同子信道我们简述其基本思想如下&
UCD在发送端采用编码矩阵F a V"1#其中3来源于信道矩阵的奇异值分解(SVD)H=，而"是对角矩阵，其对角元素由最大化信道容量的注水法获得，即%=max (&—右，0),=1,…，K aminC C zO其中!是H的第z 个奇异值&这里，拉格朗日乘数&根据功率约束%：%=/而来&#&R5X6是一个(半)正交矩阵，它能令接收端采用最小均方差判决反馈(MMSE-DFE)接收机将此MIMO信道划分为L(K个信噪比相同的子信道，每个子信道容量为C，1E K-J^(l-%^)'即实现了信道容量的无损等分，每流的信噪比，如式(3)&
卿—2C—1(3)本文中我们仅考虑L=K=min(M r,M t)的情况&郑伯武
1.3波束赋形
天线阵列通过选取合适的发送端波束赋形向量
R叫X1，控制每个天线发射信号的幅度和相位，可以提高特定方向的天线增益，同时降低其它方向的干扰&在某个节点只发送一个空间流齐时，用波束赋形产生发送信号"z a89&在接收端看到的等效信道为一个单入多出(SIMO)信道H 8,&仅考虑最大化接收节点的接收信噪比时，发送节点的归一化波束赋形向量为的最大奇异值对应的右奇异向量，即奇异值分解H*=U$V中右矩阵V的第一列&
经过接收端的波束赋形处理后，节点*的接收信号可重写，如式(4)&
:#—H*89z—%H*89!—⑷!&#*
在接收端可通过MMSE接收机进行干扰抑制，如式(5)&
:*—(H*8z8,H*—%H*8k8k H"—/%)+*8,
(5)
经过和接收的波束赋形处理后，的接收信干噪比，如式(6)&
SIN R*—--------------1
H*8」2--------2——
:(%k&#H*8!8!H*-討
8z H*(%H*8k8k H"—/~%)H*8z(6)
'k&n*r’
对于每个节点有个天线的无线网络，通过上述单流的波束赋形，可支持在单跳距离内的多对节点同时同频通信&
2基于MIMO的协议改进
广西东方外语职业学院2.多用户协同CSMA/CA协议
IEEE802.11标准规定了MAC层的两种接入方式，其中基于竞争的分布协调功能(Distributed Coordination Function/DCF)作为必需功能被广泛应用于无线局域网的实践中，是实现移动无线自组织
网络的基础&标准规定实现DCF的接入方法为CSMA/CA协议，通过二进制指数退避算法降低冲突概率，并提出RTS/CTS机制解决隐藏终端问题，协调无关节点进入虚拟载波监听状态主动静默以降低干扰&
若仅物理层利用MIMO信道的UCD分解提高接收信噪比和速率等指标，MAC层仍维持原协议的单发单收特性时，上述MAC层设计无须改动仍可有效工作，这种设计不妨称为单用户MIMO模式(Single-User MIMO/MIMO-SU)&
考虑到速率大幅提高的情况下，仅允许单一用户发送信号，回退时间和RTS/CTS等控制信息的开销相对于原系统带来了更大的浪费&而RTS/CTS机制具备的良好的可扩展性，能够在保证向后兼容性的同时，通过使用预留字段、扩充功能等方式，使用户具备知晓复杂网络情况的潜力，并有效发挥出MIMO技术具备的同时建立多条链路的能力，实现多用户同时传输的功能，这种设计不妨称为多用户MIMO 模式(Multi-User MIMO/MIMO-MU)&
为了支持MIMO-MU，仿真不仅增加了RTS/CTS的信道估计、控制信息广播等功能，使节点获得信道状态、其它节点发送状态等信息，还重新设计了退避算法，节点根据信道态波态的机，控制传的
量不超过上限&
2.2物理层和MAC层的联合控制码率和功率
在以往的MAC层自适应速率控制中，MAC层依据每次发送数据帧后是否接收到确认帧来估计链路状况，滞后地调整发送速率&多用户通信下时频同步和信道估计方法'0(的提出，给速率选择和功率控制方案带来了新的启发&新的方案通过节点的物理层对RTS/CTS的信道估计传给MAC层，将信道状态信息加入控制帧发送给目的节点，使MAC层具备实时获知信道信息并做出发射速率和功率调整的能力&在多对用户同时通信时的复杂信道情况下，发送节点可以依照接收节点所处的信道情况调整发送参数&若已知信道H，则利用均匀信道分解法，我们获得K个信道的信噪比'母，如式(3)&由此选取该信噪比可支持的最
高调制编码方案，进而计该调制编码方案的最优功，之后将和调制编码方案写入CTS
，实现自适选择和控制&
2.3基于NAV的回避算法改进
网络分配向量(network allocation vector/NAV)是实现波机制的关键，它了)通过RTS/CTS 知的网络中其它的会&为了信息！即将会话的对NAV，预计其它收到ACK后结束会话的= &r NAV]X1
方认为信，否则应允许节点继续通信或回退进程&这里，整数是可调门限&
为了步优对用户通信时的能，在接收收到RTS后，回复CTS边信告知做出适当的选择和控制&当
据接收节点信态调整时，不能简单RTS中声明会為心，此RTS/CTS机制
的能力，转而将其于信计和协户&因此令的无关收到RTS后，如式(7)。
当节点)通过RTS或CTS得知其它节点请求占用的时=nd=SIFS+d u ration c T s(7)
R equest时！计数器NAV,=NAV,+1并将预计的会话结束时间=en d==eq UeSt记入=中，直至经过时间=nd后计数器NAV，减去1并对项也。单用户：下，是SISO还是MIMO，若在此计数器NAV t>=1则为信！波态！物理信并回程，计器后&
当采用了波束赋形技术的MIMO-MU模式允许多对用户传，可调整信的条件,NAV>=((2
收到接收节点反馈的CTS后再从此时记录时间，如(8)。
=nd=SIFS+duration DATA+SIFS+duration ACK(8)中，SIFS为duration DATA为据接收计算出的数据包发送间期,durationACK为ACK览。
流程图，如图1所示&
以)为例，描述了所的基于MIMO的物理层和MAC层联合控制如何维护多对通信&其中CE为节点)发送信号前进行信道检测估计的信道能量, ED threshold为信 (Clear Channel Assessment/CCA)的
。
3仿真结果
通过设计并用Matlab实现物理层和MAC层的事仿真器，我了SISO.MIMO-SU.MIMO-MU的性能对比&仿真场景为在边长为>=50m的正方形区域内，有N 个均机&对 合Erlang 的数据流量，即个数据包的为！的&MIMO有N r=4个天线，SISO有N r =1个天线，带宽均为20MHz，射为20dBm，接收机热噪声为一101dBm，天为2dBi,1m参考路损为一40dB，路损指数为3，即10米处的路损为一40—30=一70dB。
三种流量生成密度下的吞吐量、误包率和时延，如图2—图4所示。
pairs of nodes
MIMO-MU ExpmdMu=l m s -C--MIMO-MU ExpmdMu= 10ms MIMO-SU ExpmdMu=lms -«-■ MIMO-SU ExpmdMu= 10ms SISO ExprndMu=lms STSO nxnmdMu=10ms
图3误包率
-e-MIMO-MU ExprndMu=lms
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风钻工-o- - MIMO-MU ExpmdMu= 10ms -^—MIMO-SU ExpmdMu=lms -«-■ MIMO-SU ExpmdMu=10ms —SISO ExpmdMu=lms
SISO ExpmdMu= 10ms
pairs of nodes
图4 平均时延
相比于传统SISO 系统，MIMO 系统的吞吐量和包均时 延性能
了显
升，而误 能
大& 我们
丹钦柯，尽管MIMO-SU 的吞吐
于SISO
, 节点
，其吞吐
MIMO-MU 的一半，这 了针对MIMO-MU 的MAC 层优化设计带来的优势& 上，随目的 ，接 会导致大量RTS 丢 r
频谱资源 ，这也是为什么图2中SISO 和MIMO-SU
的吞吐 能随网络 加反而有所 &对比了各
个
据
与 RTS 控制 的以
，针对MIMO-MU 的物理层-MAC 层联合优化设计
能有
接入控制
，大大缓解了吞吐量隧的 ，如图5所示&O
电
p j d
S H H 01
s d I Q
图5数据包与RTS 包数量比
4总结
户协同CSMA/CA 协议的联合设计方案&所 对RTS/
CTS 机制的向后
的扩展，既能 信 态信息以完
自适 选择和 控制，又能通过 的NAV 回避维护多对 的通信链路&基于设计搭建的 事仿真器所
的结果，验证了单用户MIMO 和 户MI-MO 两种 的 ，表明所
的联合设计方案
有
&仿真结果中误
能没有显 高！ 干扰消除
技术的成熟，本文所 的方案仍
研究 :&
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(收稿日期:2020.04.15)
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