CN104837211B - 一种基于mimo传输机制的多信道多址接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于MIMO传输机制的多信道多址接入方法，在竞争阶段中，节点通过复用数据天线在公共控制信道上进行信道竞争，当信道竞争成功后，通过2x2MIMO的方式交互信息完成对数据信道的选择以及数据传输时段时长的确认；在传输阶段节点通过复用控制天线，在数据信道上传输数据分组。本发明实现简单，可在支持多信道网卡的固件中实现，同时也可以实现在驱动程序中；大幅度提高了网络吞吐量；由于采用分布式的工作方式，无须中心控制节点及全网时同步，通过采用2*2MIMO的传输方式来传输控制分组和数据分组，带来了显著的空间复用增益，进而大幅度提升了系统性能，即提升了网络吞吐量并降低了端到端时延。

Description

一种基于MIMO传输机制的多信道多址接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是多输入多输出传输机制。
背景技术
目前，由于WLAN的方便性及其灵活性等特点，已经得到了突飞猛进的发展。然而随着移动用户数量的持续增长以及用户对大带宽业务需求的不断增加，如视频会议等大带宽业务，信道资源变得愈发紧张。因此，如何最大程度地使用目前有限的信道资源，已成为WLAN中最为关注的问题之一。
目前，传统基于IEEE 802.11的单信道多址接入方法已经无法有效地满足日益增长的大带宽业务需求。因而，为了更加有效地使用无线网络中的多信道资源，如IEEE802.11a标准中提供了12个非重叠信道，人们提出了多信道的多址接入MMAC(Multi-channel MAC)技术，进而使得不同的数据传输可同时在不同的信道中无干扰地进行，从而提升系统吞吐量。目前，人们已经针对不同的应用场景提出了多种MMAC，主要包括以下三类：(1)基于跳频的MMAC；(2)基于时隙划分的MMAC；(3)基于公共控制信道的MMAC。其中在(1)和(2)这两类MMAC中，需要实现全网时间同步，这并不利于在WLAN中使用。而基于公共控制信道的MMAC是适用于WLAN的一类多信道MAC协议，其中Shih-Lin和Chinh-Yu等人提出的DCA(Dynamic Channel Assignment)协议最具代表性的现有技术之一。
在DCA协议中，所有节点配备了两套独立的收发天线，其中一套收发机固定在一个公共的控制信道上进行侦听并传输控制分组，当在公共控制信道上通过交互控制信息完成数据信道的选择后，将另一套收发机调整到协商好的数据信道上进行数据传输。相对于IEEE802.11单信道MAC协议，DCA可获得更高的吞吐量性能。但是，由于在DCA协议中，所有节点均在同一个公共控制信道上通过IEEE 802.11 DCF机制进行竞争并传输控制分组，因此当可用信道数足够多时，随着网络负载的增大，控制信道迅速达到饱和，进而成为该协议的性能瓶颈。本发明提出了一个将MIMO传输机制应用于DCA协议来解决该瓶颈问题的方案，仿真结果表明本发明很好的解决了该问题，大幅度提升了网络吞吐量性能。
随着WLAN中的大规模普及和各种大带宽业务的不断增长，传统的IEEE802.11标准已无法提供足够的带宽来满足这些大带宽业务的需求，因而多信道多址接入技术正备受关注。但是，针对适用于WLAN的基于公共控制信道的DCA协议而言，其相比于IEEE 802.11单信道MAC，能够提供更高的带宽，但是在网络负载较大的情况下，其控制信道达到饱和成为系统吞吐量的瓶颈，因此仍然无法很好满足大带宽业务的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本专利旨在利用多输入多输出MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)传输技术，在不需要网络时间同步并且不引入额外开销的前提下，解决DCA协议存在的控制信道瓶颈问题，进一步提高系统吞吐量性能。
本发明包括两大阶段：竞争阶段和传输阶段。在竞争阶段中，源节点和目的节点通过分别复用自己的数据天线，并与控制天线形成2x2 MIMO，进而在公共控制信道上按照IEEE 802.11分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)标准进行信道竞争。当信道竞争成功后，源节点与目的节点通过2x2 MIMO的方式交互请求发送RTS(Requestto Send)、允许发送CTS(Clear To Send)和预留RES(Reservation)信息，完成对数据信道的选择以及数据传输时段DTP(Data Transmission Period)时长的确认；在传输阶段中，源节点和目的节点通过复用自己的控制天线，并与数据天线构成2x2 MIMO，在协商好的数据信道上传输数据分组。
在本发明的技术方案中，收发节点对通过复用各自的控制天线和数据天线，组成一对2x2的MIMO天线，并交替工作在控制信道和数据信道上，每经过一次以2x2 MIMO方式的控制分组RTS/CTS/RES的交换后，收发节点将各自的收发天线同时切换至协商好的数据信道上，同样以2x2 MIMO的方式完成数据分组的传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案详细实施步骤如下：
步骤1：该多信道多址接入方法假设在网络中有K+1个可用信道，其中1个为公共控制信道CCH(Common Control Channel)，其余K个为等带宽的数据信道，分别表示为DHi,i＝1,...,K，每个节点配备两副半双工天线：控制天线和数据天线；
在初始状态，所有节点均将自己的两套收发天线放置在公共控制信道CCH上，构成2x2 MIMO并侦听控制信息，当节点有数据发送时，转入步骤2；
步骤2：发送节点在公共控制信道CCH上按照IEEE 802.11分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)协议进行二进制指数退避竞争信道，当信道竞争成功后转入步骤3，否则停留在步骤2中继续竞争；
步骤3：发送节点通过2x2 MIMO的方式发送请求发送RTS(Request to Send)分组，并等待接收节点回复的允许发送CTS(Clear To Send)分组，该CTS分组同样以2x2 MIMO的方式传输，若在预定时间内收到CTS分组则转入步骤4，此时完成了数据信道的协商，否则转入步骤2；
在所述多信道多址接入方法所采用的RTS帧格式中，添加了用于指示数据信道空闲与否状态的字段，即增加了3个字节的“信息控制”字段，其中4比特用于指示“数据传输时段DTP(Data Transmission Period)”长度，其余20比特为“可用数据信道信息”字段，用于指示数据信道1～20的空闲与否的信息；
在所述多信道多址接入方法所采用的CTS帧格式中，添加了用于指示所选择数据信道的字段，即增加2字节的“信息控制”字段，其中4比特用于指示“DTP”长度，其余12比特为“选择的数据信道标号”字段，用于指示所协商好的数据信道标号信息；
步骤4：发送节点收到CTS分组后，在公共控制信道CCH上通过2x2 MIMO的方式发送预留RES(Reservation)分组，RES帧格式与步骤3中CTS帧格式的定义相同，将在步骤3所协商的数据信道以及DTP信息告知给其邻居节点，之后转入步骤5；
步骤5：当RES分组传输完成后，发送节点与接收节点均将自己的两套收发天线同时切换至步骤3协商的数据信道上，发送节点在DTP内以2x2 MIMO的方式发送Data分组并等待确认ACK(Acknowledgement)回复，ACK分组也是通过2x2 MIMO的方式发送；若在预定时间内收到ACK回复，则转入步骤6，否则转入步骤2；
步骤6：发送节点判断是否是本DTP中的最后一个Data分组，若不是，则继续以2x2MIMO的方式发送下一个Data分组并等待ACK，否则表明Data分组发送完成，那么发送节点与接收节点再次将自己的两套收发天线切换回到公共控制信道CCH上侦听，直至有新的数据发送或接收需求。
本发明的有益效果是实现简单，可在支持多信道网卡的固件中实现，同时也可以实现在驱动程序中；大幅度提高了网络吞吐量；由于采用分布式的工作方式，无须中心控制节点及全网时同步。因此本发明通过采用2*2 MIMO的传输方式来传输控制分组和数据分组，带来了显著的空间复用增益，进而大幅度提升了系统性能，即提升了网络吞吐量并降低了端到端时延。
附图说明
图1是技术方案原理，其中SIFS是短帧间间隔Short Inter-frame Space，DIFS是分布式帧间间隙Distributed Inter-frame Space，DTP是数据传输时间段DataTransmission Period，BK退避，即Back-off，ts表示进入传输阶段并开始发送数据的时刻。
图2是吞吐量曲线，其中DCA是要对比的现有技术。
图3是平均分组时延曲线。
图4是RTS帧格式的参考设计，其中，RTS是请求发送Request to Send，NAV是网络分配矢量Network Allocation Vector。
图5是CTS/RES帧格式的参考设计，其中，CTS是允许发送Clear To Send，RES是预留Reservation。
图6是实施例的时序图，其中，NAVRTS表示RTS包中指示的NAV信息，NAVCTS表示CTS包中指示的NAV信息，TDTP表示数据传输时间段的长度；ts表示进入传输阶段并开始发送数据的时刻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明方案原理可参考图1。本发明可以在无线网卡中通过固件实现，或实现在无线网卡的驱动程序之中。下面结合实例对本发明的实现进行详细的说明。
1、信道使用情况列表的构建方法
使用本发明接入方法的每个节点会创建并维护两个结构体链表：数据信道使用列表DCUL(Data Channel Usage List)和可用信道列表ACL(Available Channel List)。DCUL中存放着所有邻居节点对数据信道的使用信息，而ACL中存放着当前节点可以使用的数据信道标号。DCUL与ACL的详细信息如下所示：
DCUL中的结构体有以下几个变量：
host：该变量用于存储邻居节点编号；
channel：该变量用于存储邻居节点所预约的数据信道编号；
stime：该变量用于存储数据分组将在数据信道开始发送的时刻；
time：该变量用于存储数据分组的传输将要占用数据信道的总时长，如图6中的DTP时长TDTP。
ACL中的结构体主要包含一个变量：
channel：该变量用于存储节点自身可以使用的数据信道编号。
2、数据信道使用情况列表的更新方法
当节点在收到不是给自己的CTS/RES分组后，会更新自己的DCUL。具体步骤如下：
在DCUL中增加一个新结构体DCUL[i]。将CTS/RES分组的接收地址赋值给DCUL[i].host，即第i条数据信道使用列表中存储的邻居节点编号；
将CTS/RES分组中“选择的数据信道编号”字段的值赋给DCUL[i].channel，即第i条数据信道使用列表中存储的邻居节点所预约的数据信道编号；
假设Tcurrent表示当前时刻，并进行以下的赋值操作：如果收到的是CTS分组，则DCUL[i].stime＝tS＝Tcurrent+SIFS+TRES+δ且DCUL[i].time＝TDTP；如果收到的是RES分组，DCUL[i].stime＝tS＝Tcurrent且DCUL[i].time＝TDTP，其中DCUL[i].stime表示第i条数据信道使用列表中存储的数据分组将在数据信道开始发送的时刻，即tS，SIFS为短帧间间隔，TRES为RES包的传输时长，δ为传播延迟，DCUL[i].time表示数据分组的传输将要占用数据信道的总时长，即数据传输时间段的长度TDTP。
3、数据信道空闲的判断方法
数据信道列表用于提前判断数据信道在DTP的时间段内是否空闲：假设控制信息握手完成后的当前时间为图6中的tS，DTP的时长为TDTP。那么判断数据信道为空闲，仅需满足一个条件：DCUL链表中没有与即将进行的数据分组传输相冲突的信息，即对于DCUL中的任意一条信息DCUL[i]，节点将要传输的时间段[tS,tS+TDTP]与DCUL[i]中的时间段信息[DCUL[i].stime,DCUL[i].stime+TDTP]无重叠。
4、计算一个DTP内可以发送Data分组个数的方法
假设一个DTP内可以发送的Data个数为Num，则其中TData'＝TData/min(nT,nR)，TACK'＝TACK/min(nT,nR)，nT和nR分别代表当使用2x2 MIMO传输机制时的发送天线和接收天线的个数，TData和TACK分别表示传输一个Data分组和一个ACK分组所需要的时间。
5、实施例
考虑WLAN中有一个公共控制信道CCH以若干个数据信道，本发明方案具体的实施过程可参考图6。
步骤1：发送节点将自己的两套收发天线放置在公共控制信道CCH上构成2x2 MIMO并侦听控制信息，进而判断自己的队列中是否有待发送的数据分组，若没有，则节点继续在公共控制信道CCH上通过2x2 MIMO的方式侦听控制信息，否则转入步骤2；
步骤2：发送节点在公共控制信道CCH上按照IEEE 802.11 DCF协议进行二进制指数退避竞争信道，当信道竞争成功后转入步骤3，否则停留在步骤2中继续竞争；与此同时，接收节点也将自己的两套收发天线放置在公共控制信道CCH上构成2x2 MIMO并侦听控制分组信息。
步骤3：发送节点通过2x2 MIMO的方式发送RTS分组，并等待接收节点回复的CTS分组，该CTS分组同样以2x2 MIMO的方式传输。具体步骤如下：
步骤3.1：节点根据DTP的取值，采用“数据信道空闲的判断方法”判断数据信道是否空闲，进而将可用的数据信道编号存放在ACL(Available Channel List)链表中，否则转入步骤2；该步骤可以细分为3.1.1～3.1.2这两个步骤，假设当前时刻为Tcurrent，δ表示分组传播时延：
步骤3.1.1：根据当前时刻，计算出将要使用数据信道的时刻：tS＝Tcurrent+TRTS+TCTS+TRES+2SIFS+3δ，其中TRTS、TCTS和TRES分别表示RTS分组、CTS分组和RES分组的传输时间，SIFS表示短帧间间隔时间，之后进入步骤3.1.2；
步骤3.1.2：参考“数据信道空闲的判断方法”，判断时间段[tS,tS+TDTP]内是各个数据信道是否空闲，其中tS表示进入传输阶段并开始发送数据的时刻，TDTP表示DTP的时长，tS+TDTP表示数数据传输时段结束的时刻；如都不空闲则返回步骤2，如有一个或一个以上的数据信道空闲，则将所有空闲数据信道的编号记录在ACL中并转入步骤3.2；
步骤3.2：发送节点通过2x2 MIMO的方式发送RTS分组，并等待CTS分组；在预定时间内没有收到CTS分组，则转入步骤2；该步骤可以细分为3.2.1～3.2.2两个步骤：
步骤3.2.1：发送节点构建RTS分组，RTS帧格式的参考设计可参考图4。将“NAV”值设置为NAVRTS，其中NAVRTS＝TCTS+TRES+SIFS+2δ，将DTP的长度填入“DTP”字段中，比如设置为“0001”表示为1ms；对于“可用数据信道信息”的值，将步骤3.2中得到的空闲数据信道编号，填写“1”在对应的位置上，其余为“0”。例如，如果数据信道编号为1和7的数据信道信道空闲，则“可用数据信道信息”的值为“1000001000000000”。RTS分组的其余字段按照IEEE802.11标准设置，设置完成后进入步骤3.2.2；
步骤3.2.2：发送节点将生成的RTS分组以2x2 MIMO的方式在公共控制信道CCH上发送，并按照IEEE802.11标准等待CTS分组，若等待超时则返回步骤2，否则转入步骤3.3；
步骤3.3：接收节点通过2x2 MIMO的方式接收RTS分组，并生成CTS分组，进而在公共控制信道CCH上通过2x2 MIMO的方式发送CTS分组，之后转入步骤4；若收到不是给自己的RTS分组后，则节点按照IEEE 802.11标准在公共控制信道CCH上设置NAVRTS时间长度的虚拟载波侦听忙；该步骤可以细分为3.3.1～3.3.3这三个步骤：
步骤3.3.1：记录当前时刻为Trts-current，按照“信道使用情况列表的构建方法”构建DCUL链表，并按照“数据信道空闲的判断方法”在自己维持的DCUL链表中搜索在以tS＝Trts-current+TCTS+TRES+2δ+2SIFS为开始时刻、且长度为TDTP的时间段内空闲的数据信道编号，进而与接收到的RTS分组中的“可用数据信道信息”进行比较，(其中TCTS表示CTS分组的传输时长，TRES表示RES分组的传输时长。如果没有共同的空闲数据信道则不理会该RTS分组，如果有一条或多条共同的空闲数据信道编号则转入步骤3.3.2；
步骤3.3.2：构建CTS分组，接收节点将RTS中的“DTP”字段的值赋给CTS中相同的“DTP”字段中；如果步骤3.3.1中只有一条公共的空闲数据信道，则将该信道编号的值赋给CTS分组中的“选择的数据信道标号”域；如果有多条公共的空闲信道，则随机或按照某种原则选择一条数据信道并赋值给CTS分组中的“选择的数据信道标号”域。CTS分组的其余域按照IEEE 802.11标准进行设置；设置完成后转入步骤3.3.3；CTS帧格式的参考设计可参考图5；
步骤3.3.3：接收节点在公共控制信道CCH通过2x2 MIMO的方式回复CTS分组，之后转入步骤4；
步骤4：发送节点收到给自己的CTS分组后，在公共控制信道CCH上通过2x2 MIMO的方式发送RES分组，将在步骤3.3.2中所协商的数据信道以及DTP信息告知给其邻居节点，之后转入步骤5；若收到不是给自己的CTS分组后，则节点按照IEEE 802.11标准在公共控制信道CCH上设置NAVCTS时间长度的虚拟载波侦听忙，并按照“数据信道使用情况列表的更新方法”对DCUL进行更新操作；具体步骤如下：
步骤4.1：发送节点收到CTS分组并等待SIFS时间后，构建RES分组，即分别将CTS分组中的“DTP”字段以及“选择的数据信道标号”字段的值赋给RES分组中相同的域中，RES的其余字段按照IEEE 802.11标准的CTS分组对应域设置。之后转入步骤4.2；RES帧格式的参考设计可参考图5，
步骤4.2：完成RES分组的构建后，发送节点在公共控制信道CCH采用2x2 MIMO的方式发送RES分组。与此同时，接收节点通过2x2 MIMO的方式在公共控制信道CCH上接收RES分组。若接收到不是自己的RES的分组，则节点按照“数据信道使用情况列表的更新方法”对DCUL进行更新操作；之后转入步骤5；
步骤5：当RES分组传输完成后，发送节点与接收节点均自己的两套收发天线同时切换至协商好的数据信道上，以2x2 MIMO的方式发送Data分组并等待确认ACK回复，进而转入步骤6，否则转入步骤2；若节点收到不是自己ACK/Data分组，则节点无需进行任何操作。具体步骤如下：
步骤5.1：发送节点与接收节点均将自己的控制天线和数据天线切换至所选择的数据信道上构成2x2 MIMO。在一个DTP时间内，发送节点通过2x2 MIMO在协商好的数据信道上发送Data分组，之后进入步骤5.2；
步骤5.2：接收节点在相同的数据信道上接收给自己的Data分组，进而按照IEEE802.11标准生成ACK分组，并在该数据信道上通过2x2 MIMO的方式发送，若发送节点在规定的时间内没有接收到ACK，则返回步骤2，否则转入步骤6；
步骤6：收发双方节点完成DTP内所有Data分组的收发后，分别将各自的两套收发天线切换回到控制信道上侦听，直至有新的数据发送或接收需求。具体步骤如下：
步骤6.1：节点判断本次发送是否是DTP内的最后一个Data分组，若是，则表明DTP内的Data分组发送完成，进入步骤6.2，否则继续发送下一个Date分组，并等待ACK，直至DTP内所有的Data分组发送完成；其中，一个DTP内可以发送Data分组的个数Num的计算可参考“计算一个DTP内可以发送Data分组个数的方法”进行。
步骤6.2：收发双方节点在发完成所有Data分组的传输后，再次将自己的两套收发天线切换回到控制信道上侦听，直至有新的数据发送或接收需求。
仿真中统计了系统吞吐量和平均分组时延这两项性能指标，其中“Mi-MMAC”代表本技术方案，而图2和图3中的“Mi-MMAC w/o MIMOCH”则代表在本技术方案中不使用控制信道MIMO的情况，进而将这二者与IEEE 802.11 DCF和DCA协议进行对比。
主要仿真参数如下：主要考虑单跳无线网络并忽略天线的切换时延，网络中有11个信道，包括一个带宽为2Mbps的控制信道和10个带宽为11Mbps的等带宽数据信道，并且所有的信道均为理想信道。发送节点为10个，DTP设为1ms，数据分组的载荷大小为1024bytes，SIFS＝10μs，DIFS＝50μs，CWmin＝15slots，slot time＝20μs，其中CWmin为最小竞争窗(Theminimum of Contention Window)，Slot time为时隙长度。通过仿真结果可以看出，本技术方案的吞吐量性能远高于IEEE 802.11 DCF和DCA协议，约为DCA的3.3倍，并且本方案的平均分组时延也大大降低了。

Claims (1)

1.一种基于MIMO传输机制的多信道多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：该多信道多址接入方法假设在网络中有K+1个可用信道，其中1个为公共控制信道CCH(Common Control Channel)，其余K个为等带宽的数据信道，分别表示为DHi,i＝1,...,K，每个节点配备两副半双工天线：控制天线和数据天线；
在初始状态，所有节点均将自己的两套收发天线放置在公共控制信道CCH上，构成2x2MIMO并侦听控制信息，当节点有数据发送时，转入步骤2；
步骤2：发送节点在公共控制信道CCH上按照IEEE 802.11分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)协议进行二进制指数退避竞争信道，当信道竞争成功后转入步骤3，否则停留在步骤2中继续竞争；
步骤3：发送节点通过2x2 MIMO的方式发送请求发送RTS(Request to Send)分组，并等待接收节点回复的允许发送CTS(Clear To Send)分组，该CTS分组同样以2x2 MIMO的方式传输，若在预定时间内收到CTS分组则转入步骤4，此时完成了数据信道的协商，否则转入步骤2；
在所述多信道多址接入方法所采用的RTS帧格式中，添加了用于指示数据信道空闲与否状态的字段，即增加了3个字节的“信息控制”字段，其中4比特用于指示“数据传输时段DTP(Data Transmission Period)”长度，其余20比特为“可用数据信道信息”字段，用于指示数据信道1～20的空闲与否的信息；
在所述多信道多址接入方法所采用的CTS帧格式中，添加了用于指示所选择数据信道的字段，即增加2字节的“信息控制”字段，其中4比特用于指示“DTP”长度，其余12比特为“选择的数据信道标号”字段，用于指示所协商好的数据信道标号信息；
步骤4：发送节点收到CTS分组后，在公共控制信道CCH上通过2x2 MIMO的方式发送预留RES(Reservation)分组，RES帧格式与步骤3中CTS帧格式的定义相同，将在步骤3所协商的数据信道以及DTP信息告知给其邻居节点，之后转入步骤5；
步骤5：当RES分组传输完成后，发送节点与接收节点均将自己的两套收发天线同时切换至步骤3协商的数据信道上，发送节点在DTP内以2x2 MIMO的方式发送Data分组并等待确认ACK(Acknowledgement)回复，ACK分组也是通过2x2 MIMO的方式发送；若在预定时间内收到ACK回复，则转入步骤6，否则转入步骤2；
步骤6：发送节点判断是否是本DTP中的最后一个Data分组，若不是，则继续以2x2 MIMO的方式发送下一个Data分组并等待ACK，否则表明Data分组发送完成，那么发送节点与接收节点再次将自己的两套收发天线切换回到公共控制信道CCH上侦听，直至有新的数据发送或接收需求。
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