第40卷第1期2011年2月信息與控制Information and ControlFebDoI:10.3724/SPJ.1219201100一種基于空分復用的無線自組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型劉洋12,詹宜巨3,蔡慶玲3(1中山大學信息科學與技術學院,廣東廣州510275;2廣東工業(yè)大學信息工程學院,廣東廣州5100063.中山大學工學院,廣東廣州510006)摘要:為充分利用無線自組織網(wǎng)絡節(jié)點所裝備的多天線以提高網(wǎng)絡性能,提出一種基于空分復用的無線日組織網(wǎng)絡接入層協(xié)議 MADB-MAO( multiple antennas dual backoff-media access control).通過在傳輸幀的競爭時隙交換多個握手信總,使網(wǎng)絡中節(jié)點能夠以空分復用的方式并行傳輸。建饑網(wǎng)絡性能跨層分析模型,考慮物理層檢測錯誤傳播的影響,對此協(xié)議進行分析.理論分析和數(shù)值計算結果表明 MADB-MAC能夠在不增加占用帶寬的前提下有效提高網(wǎng)絡吞吐率關鍵詞:無線自組網(wǎng):跨層設計;接入層協(xié)議:空分復用中圖分類號:TN9295文獻標識碼:A文章編號:10020411(2011)0140105-05A Spatial Multiplexing Based Ad Hoc MAC Protocol and Its Cross-LayerAnalytical ModelLIU Yang,2, ZHAN Yiju, CAI Qingling(1. School of information Science and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China:2. College of Information Engineering, Guangdong Universiry of Technology, Guangzhou 510006, China,3. School of Engineering, Sun Yat-sen Universiry, Guangzhou 510275, China)Abstract: To take full advantages of multiple antennas equipped by nodesplexing, an MAC protocol named multi-antenna dual backoff (MADB-MAC) is presented. Nodes can exchange hand-shakesignals in contention slot of transmission frame to implement simultaneous transmission based on spatial multiplexing to a detailed consideration of detection emor propagation in physical layer, a cross-layer analytical model isto analyze this protocol. Results of theoretical analysis and numerical computation show that MADB-MAC canetwork throughput remarkably.Keywords: ad hoc; cross-layer design; MAC (media access control) protocol; spatial multiplexing1引言( Introduction)對物理層采用定向天線和空間分集2習.如果在物理層采用多大線空分復用技術,有希望顯著提高鏈路無線自組織網(wǎng)絡( ad hoc)由不需要任何基礎設傳輸速率進而提高整個網(wǎng)絡吞吐施的一組具有動態(tài)組網(wǎng)能力的節(jié)點組成.這種網(wǎng)絡空分復用的典型技術如貝爾實驗室空時分層結適應了軍事和商用中對網(wǎng)絡和設備移動性的要求,構( BLAST),這其中垂直編碼( V-BLAST)技術由是無線通信領域研究的一個熱點.給節(jié)點裝備多天于結構較簡單直觀且性能優(yōu)異得到很多研究者的重線,是有效提高網(wǎng)絡性能的手段.但是這種措施并視不一定帶來最優(yōu)性能,如果各層協(xié)議設計不當,甚文[4]提出 MIMA-MAC( mitigating interference至會造成負面效果. ad hoc是由眾多沒有基礎設施 using multiple antennas-MAC)協(xié)議,利用MIMO的支持的節(jié)點自發(fā)組成的臨時網(wǎng)絡,沒有中心節(jié)點,干擾取消機制支持并行傳輸.此協(xié)議簡單限定發(fā)送無線信道是復雜的廣播媒體,帶寬受限、分布式控節(jié)點使用單根大線發(fā)送數(shù)據(jù),顯然當幀內(nèi)獲得信道制等特點導致傳統(tǒng)的分層協(xié)議設計思想難以適應網(wǎng)數(shù)小于節(jié)點裝備大線數(shù)時存在資源浪費文S順絡全局優(yōu)化的需要叫.目前已經(jīng)有一些研究采用多延這一思路,但注意到之前的協(xié)議競爭時隙仍是基天線技術的跨層協(xié)議設計,這方面早期工作一般針于時分機制,沒有充分利用物理層自由度,限制了基金項目:園家自然科學基金資助項月(610710381);廣東省自然科學基金資助項日(9151027501000076)通訊作者:劉洋, liuyangatgdute@126c0m,收稿/錄用/修山:2001228201003-302010407-26信息與控制40卷同時傳輸?shù)墓?jié)點個數(shù)和最大天線數(shù).基于這一考慮,采用 V-BLAST,提出一種基于空分復用并行傳輸?shù)奈腫5]設計了物理層采用 BLAST及多用戶檢測的MADB-MAC協(xié)議,建立其分析模型.利用此分析模MAC協(xié)議,將節(jié)點的信道估計能力和可用天線數(shù)型結合數(shù)值分析證明了MADB-MAC能夠在限制握作為資源限度,利用 RTS/CTS( request to send/clear手開銷和不增加額外頻帶占用的前提下有效提高網(wǎng)to send)幀窮盡資源以實現(xiàn)性能優(yōu)化.其層間交互絡吞吐.表現(xiàn)在MAC根據(jù)物理層可用資源設計握手幀,盡量響應多個RTS要求.同時,對其余傳輸(相對2 MADB-MAC及其跨層分析模型(MADB于當前節(jié)點就是干擾)進行抑制,并在干擾消除及MAC and its cross-layer analytical model解碼多個數(shù)據(jù)流之間尋求資源的平衡,此協(xié)議需本文提出一種名為多天線二重退避媒體接入要對多個RTS幀進行排隊,且RTS幀和CTs頓結 MADB-MAC的MAC層協(xié)議.操作流程如圖1所構復雜、開銷大.由于自組織網(wǎng)絡的特點,實際上示,所謂二重退避指節(jié)點在幀內(nèi)通過競爭獲得信要滿足假定的精確正交碼條件也非常困難文]道后,只要競爭時隙沒有用完,仍可多次競爭信道設計的HYB( Hybrid)協(xié)議,將握手信號通過控制為節(jié)點剩余天線分配信道,根據(jù)文45]的思想,信道進行傳送,競爭控制信道的方式使用傳統(tǒng)的在MAC協(xié)議幀的競爭時隙中采用時分的方式進行CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision握手信息發(fā)送,避免了碼分方式同步問題以及附加detection/collision avoidance).此協(xié)議由于需使用專用控制信道,部署靈活性差且頻譜效率低數(shù)據(jù)幀需發(fā)送以上工作存在共同的不足在于缺乏MAC協(xié)議分析模型.廣泛使用的網(wǎng)絡仿真工具如NS2等,偵聽信道DFS時間物理層支持非常簡單.另一方面,跨層聯(lián)合仿真在物理層需要一個比特一個比特地描述物理層的行為.整個仿真時間窗必須保證所取得的結果遍歷了凍結當前 backoff信道忙?各種條件與系統(tǒng)狀態(tài),具有統(tǒng)計意義,這將會導致time counter計算量和計算時間難以接受.所以尋找一種定量分析的手段去評價跨層協(xié)議設計,給出分析或半分析偵聽到cTS隨機 backoff timecounter模型以評價協(xié)議性能是一個非常有意義的問題.這backoff time方面在研究基本的802DCF單跳網(wǎng)絡的飽和容量ounter減到1后發(fā)IFCC++方面存在比較好的結果,如基于二維馬爾可夫鏈描述的 Bianchi模型.此模型局限性在于單獨針對MAC層,假定PHY無噪聲、衰減與干擾,無錯誤傳IFCC=M?偵聽到cTs輸,與無線網(wǎng)絡實際相差非常大.文[9]嘗試建立了采用空時分組碼的PHY與MAC聯(lián)合分析模型.這一結果不足之處是沒有涉及前述采用空間復用以支IFCC艸持并行傳輸?shù)膫鬏敳呗?由于 BLAST性能分析較為復雜,特別是當采用干擾消除檢測方法,需要考IFCC=N慮每層估計錯誤在其余各層的傳播,單獨針對PHY層面都難以給出性能表達的封閉解.當MAC層面涉及到多流干擾時,給出跨層定量分析模型就更加進入數(shù)據(jù)時隙困難.文口0]嘗試了物理層近似建模以及快速計算的方法針對BPSK( binary phase- shift keying)調(diào)制,根據(jù)發(fā)送的RTS序號發(fā)送ACK指出每層的錯誤信號的方差與發(fā)送功率和當層誤碼偵聽ACK序號率成正比,得到了逐層誤碼分析的遞歸表達.此結偵聽到N個ACK果沒有討論MAC層協(xié)議對PHY傳輸場景建立的影號后,結束當前幀響,缺乏跨層分析,使其應用受到了限制圖1 MADB-MAC操作流程在上述研究工作的基礎上,本文著眼于物理層Fig 1 Flow diagram of MADB-MAC1期劉洋等:一種基于空分復用的無線自組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型控制信道帶來的開銷.RTS/CTS握手信號在網(wǎng)絡中為U=∑v≤N.從第一個發(fā)送節(jié)點第一根天線采用傳統(tǒng)的時分方式傳送,為減小沖突的可能,節(jié)點在隨機退避后發(fā)送RTS.退避算法同8021DCF.到最后一個發(fā)射節(jié)點最后一根天線進行編號,則第在每個RTS之后為CTS信號,網(wǎng)絡中節(jié)點均偵聽全p個節(jié)點的第i根發(fā)射大線的功率為a2()=E/H部CTS信號并計數(shù).當偵聽到N個CTS信號時表接收節(jié)點使用全部天線,每幀中第q個接收節(jié)點的示競爭時隙已經(jīng)結束(獲得信道的節(jié)點的總發(fā)射天接收數(shù)據(jù)向量為線數(shù)已達最大),進入訓練時隙.在握手周期中獲得r=Hs+y信道的節(jié)點按順序發(fā)送導頻信號估計信道.在數(shù)據(jù)時隙中,獲得信道的節(jié)點按照競爭時隙中分配的天s=(s1,…,)為當前幀發(fā)送數(shù)據(jù)向量.分為發(fā)線數(shù)進行并行發(fā)送,數(shù)據(jù)傳送完成后接收節(jié)點依同送到q節(jié)點的數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)兩部分.對r進行順序發(fā)送ACK( Acknowledge)應答信號BLAST檢測.在第i層用迫零向量乘P,經(jīng)硬判決后在 MADB-MAC中,不同于802lDCF的CS作為第層信號的估計值,從待判決向量中減去此信MACA,裝備了多天線的節(jié)點可以選擇發(fā)射天線號后再重復上一過程直到全部層檢測完畢分析q數(shù),在一定約束條件下實現(xiàn)多個節(jié)點并行傳輸以提接收節(jié)點鏈路的誤碼率,需要考慮前層檢測的錯誤高網(wǎng)絡吞吐,本文的物理層建模不同于文[10,不傳播、噪聲以及剩余未檢層信號的干擾.考慮BPSK采用多用戶檢測以避免正交碼同步問題.不失一般調(diào)制,第k層信號s=±a(k)=±√/,其判決錯誤全同步,假定網(wǎng)絡為單跳全連接,節(jié)點完全估計信可能的情況為e=8-∈{-20).20()道設此層BER為P(k),則有每個節(jié)點裝備N根天線,節(jié)點總發(fā)射功率限制(k)=E[]=42(k)P()為E.網(wǎng)絡每幀中有M個發(fā)送節(jié)點,每個發(fā)送節(jié)點使用根天線發(fā)送數(shù)據(jù).總發(fā)射天線數(shù)(符號數(shù))第i層信號與干擾加噪聲比為(k)=O( k)w(OH.A2|tonA()+∑wnc:(式中K()={k1,k2,…k-}且K(1)=0,MK(i+1)首先求幀內(nèi)分組傳輸概率τ.令W=CWm為表示尚未檢測的層的標號的集合.Hx表示H的第最小競爭窗口(具體值與PHY層技術有關),Wek列.w(i)與所有其它層信號張成的空間正交,其2w為節(jié)點退避狀態(tài).假定幀內(nèi)某微時隙節(jié)點申計算方法為通過將矩陣釅的k1,k2,…,k_1列置零請信道碰撞的概率為p.比照 Bianchi模型,由于退后取 Moore-Penrose偽逆,所得矩陣的第k列即為避算法同802DCF,MADB-MAC協(xié)議幀內(nèi)節(jié)點所求.有獲得信道的機會擴大到N.則單個節(jié)點幀內(nèi)獲得信P(k)=Q(√(k)(4)道(1≤t≤N)次的概率為q節(jié)點鏈路總BER為∑P()N2P=∑1+W+pW∑(2p)N指總共k層信號中目的為q節(jié)點的集合.有了單鏈路誤碼率結果,下面針對 MADB-MAC給出單跳網(wǎng)絡吞吐分析模型.網(wǎng)絡中的節(jié)點通過發(fā)送和偵聽1+W+p∑(2p)yRTS與cTS幀建立網(wǎng)絡預期傳輸場景.在數(shù)據(jù)時隙中各發(fā)送節(jié)點并行發(fā)送數(shù)據(jù).不同于802IDCF,單個節(jié)點獲得信道的概率為:每個節(jié)點設置幀內(nèi)競爭計數(shù)器IFCC( in frame contention counter),當它增加到等于N時進入訓練時隙(流程圖中省略),之后進行數(shù)據(jù)傳送r(p)=∑叫(p)信息與控制40卷單個節(jié)點不獲得信道的概率為式中團=EMh,每個節(jié)點使用一根天線以全部功率發(fā)送信號.有G2=E,同式(4)可知其BER為τ(p,O)=1-r(p)根據(jù)式(6)~(8)考慮網(wǎng)絡傳輸飽和容量,即假設網(wǎng)絡中所有節(jié)點在每一幀中都有數(shù)據(jù)包需要根據(jù) Bianchi模型,每幀中單個節(jié)點獲得信道的發(fā)送.網(wǎng)絡的當前傳輸場景為m個節(jié)點獲得信概率為道進行傳輸.不失一般性,將此m個節(jié)點編號為(14)(1,2,…,m),每個節(jié)點使用的天線數(shù)t1,h,…,m,構1+W+pW∑(2p)成向量T.顯而易見, MADB-MAC有約束條件可以考慮平均意義下一幀中有Gcr(p)個節(jié)點(9)獲得信道,網(wǎng)絡平均飽和容量為為簡便起見,僅考慮發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點一Cave= Gtac(P)(1-Rder) bit/frame (15)對應的情況.根據(jù)之前的分析知此場景網(wǎng)絡容量僅MADB-MAC由于握手期存在多次競爭信道時與T有關,記為C(T)隙,一直要等到所有天線都被分配完才能進入后續(xù)基于式(9),此網(wǎng)絡傳輸場景在當前幀出現(xiàn)的概階段,所以單幀內(nèi)握手開銷比8021DCF要多.但率為握手信號持續(xù)時間短,遠小于數(shù)據(jù)信號,所以這種開銷的增多相對于整個系統(tǒng)吞吐的增加是可以忽略T(p,4)r(p,0)0m的,本文不計入它的影響.其次,碰撞概率p并不依(10)用的MAC協(xié)議不同而改變,此參數(shù)與節(jié)點個數(shù)P∑1=N)及節(jié)點碰撞(RTS碰撞)中偵聽到信道忙的平均時間T有關,可以在最終的分析中約去,在前面的基由以上步驟可得空分復用情況下 MADB-MAC礎上, Bianchi模型給出的近似推導結果為的網(wǎng)絡吞吐量計算定理定理1若節(jié)點最大可用天線數(shù)為N,傳輸場景T定義為當前幀中m個節(jié)點使用的傳輸天線數(shù)則根據(jù)式(6、(7), MADB-MAC對應的節(jié)點幀t1,l2…,lm構成的向量,則網(wǎng)絡飽和吞吐計算為:內(nèi)獲得信道概率為τ(p)=紙(:)ovez(17)式中T=,σ為空時隙時間.不考慮傳送延遲第j號節(jié)點每層信號功率為E,定理1中C(r)TC=RTS+DIFS可由式(3)~(5)求得.3數(shù)值分析結果( Results of numerical anal對比使用單天線的802DCF與 MADB-MAC的網(wǎng)絡飽和吞吐性能.80211DCF一幀中只能有數(shù)值分析場景如下:根據(jù)8021標準,PHY對節(jié)點使用單天線進行通信,發(fā)送節(jié)點使用全部功層采用FHSS技術,空時隙持續(xù)時間σ=50率發(fā)送數(shù)據(jù),不存在多流干擾,僅受噪聲影響.接收μs,DIFS=128μs,假定碼率為1Mbvs,RTS占端信號為據(jù)228bit,則T=8.34.每幀中數(shù)據(jù)域 payload設rdef= hs+v(11為800bt網(wǎng)絡拓撲為單位面積上隨機分布的20單鏈路平均SINR為個節(jié)點(節(jié)點位置不重疊).信道采用準靜態(tài)衰落信道模型,即幀內(nèi)所有發(fā)射符號的信道增益不變.不同幀上的信道增益是獨立變化的復高斯隨機變量1期劉洋等:一種基于空分復用的無線臼組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型式中h、h是相互獨立且服從N(b)的正態(tài)隨機可見采用跨層方式,MAC層與物理層進行聯(lián)合設變量.不失一般性,令E=1計,比傳統(tǒng)的分層設計方式能夠充分利用物理層所由圖2可看出 MADB-MAC由于采用空分復用裝備的多天線,顯著提高網(wǎng)絡性能技術,所得單幀網(wǎng)絡吞吐在各種信噪比情況下均優(yōu)于802l1DCF.網(wǎng)絡性能隨節(jié)點配置天線數(shù)增加而提升2.Il sing氫eeSNR-5 dB SNR=lo dB SNR=15 dBgee-ee-eSNR/antenna/dB圖3特定信噪比下不同天線數(shù)網(wǎng)絡吞吐對比10Fig 3 Comparison of network throughput, for varying numberSNR/antenna/dB圖2 MADB-MAC與8021DCF不同天線數(shù)網(wǎng)絡吞吐噪聲of antennas with some special SNR value性能的對比Fig 2 Network throughput versus SNR of MADB-MAC andf三4802.1IDCF for varying number of antennas以上結果要注意的是:首先隨將大線數(shù)增34加,多層錯誤傳播引起的干擾也越來越大,導致吞吐增加的速度放慢錯誤傳播表現(xiàn)在式()中的分2十母項e∈∑w(HA2q2()本模型中此項為以第一層干擾為零啟始,遞推計算得來,故給出天線數(shù)與網(wǎng)絡吞吐增加關系的封閉解析表達比較困難.特定信噪比條件下MADB-MAC不同天線數(shù)目下網(wǎng)絡吞吐情況如圖3所示SNR/antenna/dB迫零向量放大噪聲的作用對 MADB-MAC的性圖4多天線 MADB-MAC與802.1DCF吞葉噪聲性能對比能提升有顯著影響,可以考慮采用MMSE檢測方式Fg4 Network throughput versus SNR, for MADB-MAC and以避免這種作用.同時,還可以注意到 MADB-MAC802. 11DCF with multiple antennas性能提升在高信噪比環(huán)境下更為明顯,通過式(3)可知這是因為迫零向量放大噪聲的作用在高信噪比4結論( Conclusion)環(huán)境中得到了抑制針對節(jié)點裝備多天線的無線自組織網(wǎng)絡,本文提出可在物理層使用 V-BLAST空分復用技術的圖4為節(jié)點裝備多根天線,采用 MADB-MAC MAO層協(xié)議 MADB-MAC.不同于過往研究單一依與采用802DCF無跨層兩種情況下網(wǎng)絡飽和吞吐靠仿真手段驗證,本文研究了 V-BLAST結構應用于ad hoc所得跨層協(xié)議的分析模型.利用此模型,基量的對比低信噪比時802DCF與 MADB-MAC于理論分析和數(shù)值計算表明 MADB-MAC與傳統(tǒng)的有較大性能差距.造成這種差距的原因在于跨層聯(lián)8021DCF機制比較,可以充分利用節(jié)點所裝備的合設計可以在節(jié)點公平競爭的前提下將更多發(fā)射節(jié)多大線,顯著提高網(wǎng)絡吞吐點引入到一幀的傳輸當中,增加了總的發(fā)射功率(下轉(zhuǎn)第114頁)114信息與控40卷Yang Q D, Wang F L, Chang Y Q. 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