基于MIMO技術的WMN MAC協議研究

李 碩，程德強，柳 雪，王仕琛

（中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008）

在Mesh網絡中使用MIMO技術可以通過天線的多發射多接收提高系統容量來彌補WMN多跳后造成帶寬下降的不足[1-2]，在實際傳輸過程中，由于通信鏈路之間存在干擾問題，每條MIMO鏈路以其最大數據流發送的方式并不能夠獲得最佳的網絡吞吐量[3]。現有的基于MI?MO技術的MAC協議存在或多或少的不足，不能夠完全滿足實際工作的需要，因此在現有基于MIMO技術的MAC協議基礎上進行改進具有十分重要的意義。

1 傳統MAC協議分析

在實時視頻傳輸中影響整個系統質量最為關鍵的兩個因素為系統的容量和數據的延遲性[4]。無線Mesh網絡多跳傳輸中，如果系統中的節點具有多個傳輸模塊，并且采用多模多信道（Multi-Radio Multi-Channel）技術可以有效提高鏈路的帶寬，降低系統傳輸的延時性[5]。

為了能夠充分利用MIMO技術，實現網絡性能的提高。目前，國內外許多研究人員對基于MIMO技術的WMN中的多址接入協議進行研究，并提出了一些改進的MAC協議。MIMA-MAC（跨層協議）是一種將物理層空間復用技術與MAC層多址接入技術相結合的基于MIMO鏈路的接入協議[6]。該協議利用物理層的多天線機制減輕來自鄰節點的干擾，從而能夠使兩對收發機實現并行通信。因此系統利用率得到增加，網絡吞吐量進一步提高。PRP-MAC協議是一種在MIMA-MAC協議基礎上改進的并行RTS處理的媒質接入協議[7]。PRP-MAC是在收到2個RTS請求后再根據網絡情況進行數據流分配，因此它能夠最大化傳輸數據流并使更多的傳輸請求得到響應。然而在MIMA-MAC協議中，發送端只能使用一半數目的天線，不能夠充分利用資源，PRP-MAC存在CTS分組與數據分組碰撞的問題等，并且這些協議都是基于單信道的MAC協議。在無線環境復雜的情況下，單信道通信存在信道干擾問題[8]，因此本文在現有協議的基礎上進行改進，提出了MPRP-MAC協議。

2 MPRP-MAC協議描述

MPRP-MAC協議是一種多模多信道的通信協議，該協議以MIMO技術為基礎，同時考慮到WMN節點的結構特點，利用節點中的多個通信模塊以及多個正交信道資源，實現節點可以在無干擾的情況下實現接收與發送同時進行，降低了系統通信的延時性。該協議的結構可以分為以下兩個階段：信道的分配階段和數據的傳送階段。

2.1 信道分配階段

信道分配階段，節點之間有一個公用普通信道，這樣有利于節點偵聽其他節點的信道分配情況，避免使用相同的信道造成通信時信道干擾問題。MPRP-MAC協議信道控制分組包括ATLM分組、ATCTS分組和ATLMRES分組。其中ATLM分組主要用于發送節點向接收節點信道的請求，ATCTS分組用來表示接收節點對發送節點回應可以使用的信道信息，并且根據不同ATLM分組情況將ATCTS分組分為ATCTS-W，ATCTS-I和ATCTS-S三種類型。ATLM-RES分組主要用于發送和接收節點信道對將要使用的信道達成一致，并將要使用的信道發送給接收節點。發送節點在接收到ATCTS分組處理前，需要記錄是否接受過發送給其他節點的ATCTS分組。信道信息分組發送時隙要根據接收節點發送的ATCTS類型以及發送端接收到的ATCTS次數進行確定。

2.2 數據傳送階段

節點之間的信道分配結束之后，數據開始在節點之間進行傳送。發送節點首先向接收節點發送一個RTS分組，接收節點會向發送節點回復一個CTS分組，表明接收發送節點發送數據請求，然后發送節點向接收節點發送數據，接收節點收到數據后向發送節點發送一個ACK分組，至此整個通信過程結束。

2.3 實例分析

基于WMN視頻傳輸通信中，節點采用多模形式，如圖1所示，B節點可以被分為2個部分，A1部分用于接收上一級節點A發送來的數據，A2部分是用來發送數據到下一級節點C。

假設每個通信節點擁有的天線數為4，則多跳節點基于MPRP-MAC協議的通信示例如圖2所示（箭頭表示數據傳送的方向，括號內部的數據表示使用的天線數）。節點A的A2模塊向節點B的B1模塊發送數據，節點B的B2模塊向節點C的C1模塊發送數據。

在信道分配階段，模塊之間使用同一個普通信道進行信息交換。B1模塊在2個ATLM分組時隙之后，根據MPRP-MAC協議，由于B1模塊接收到一個含有其ID的ATLM分組和一個含有其他模塊ID的ATLM分組，所以B1模塊回應一個ATCTS-W分組，由于C1模塊也在B1模塊的通信范圍內，C1模塊能夠偵聽B1模塊可以使用的信道情況，所以C1模塊在回應的ATCTS-I分組中會避免B1模塊信道使用情況。接收模塊根據各自接收到的ATCTS分組情況，并根據MPRP-MAC協議中規定，發送ATLMRTS分組，確定模塊之間數據傳送階段使用的信道，比如A2模塊中ATLM-RTS分組確定使用信道m，B2模塊中ATLM-RTS分組確定使用信道n。

在數據傳送階段，由于A2和B1之間使用信道m，B2和C1之間使用信道n，m和n時兩個相互正交的信道，所以兩對模塊之間可以同時進行數據傳送，而且不會受到信道間的干擾，這樣大大提高了系統容量。

3 實驗結果分析

3.1 MPRP-MAC協議節點天線利用算法

假設鏈路節點A，B，C分別配置4根天線，節點B中使用2根天線用于接收節點A的數據流，2根天線用于發送數據流到節點C。在MPRP-MAC協議中，允許最大天線的使用數是由ATLM分組中最大允許發送天線數Nmax和接收端天線數目共同決定的。MPRP-MAC協議允許最大天線利用算法如下：

代碼Atcts_num_a代表發送端節點a使用天線數，Atcts_num_b表示f發送端節點b使用天線數。當出現下面任一情況時，允許天線最大數利用計算結束：1）用于發送數據到同一目的節點的天線數之和等于目的節點用于接收數據的天線數目；2）每個用于發送數據的天線等于該節點擁有的天線數目。

3.2 MPRP-MAC協議系統容量仿真

通過應用的各種實例論證了MPRP-MAC協議在使用時可以兼顧MIMO技術的優勢也可以充分避免信道干擾造成信號衰落的問題。下面采用MATLAB仿真工具來比較MPRP-MAC協議與PRP-MAC協議和MIMA-MAC協議之間的優劣。仿真環境的設置如表1所示。在仿真環境中設定了每種分組類型的傳輸功率，以及信號接收門限，載波監聽門限等。這些要素規定了數據在隨機的發射機發射到接收機接收需要具備的一系列條件。每次發射和接收完成的時間為3 s，然后再重新進行發射與接收活動。

表1 仿真環境設置參數

圖3所示為分別基于MPRP-MAC協議、PRP-MAC協議以及MIMA-MAC協議的通信系統容量的仿真對比結果。當節點數較小時，由于PRP-MAC協議不會出現碰撞問題，同時也不會出現信道干擾問題，所以PRP-MAC協議的容量和MPRP-MAC協議的容量相似，但是MIMAMAC協議只能夠利用一半的發射天線，所以其系統容量依然最小，而且差距相對明顯。當節點數多時由于MPRP-MAC協議在具有PRP-MAC協議優勢的基礎上，還解決了其CTS分組和數據分組碰撞問題，同時在數據傳輸時使用不同的信道，避免干擾。因此在圖中可以看出MPRP-MAC協議給系統容量帶來明顯的改善。然而MIMA-MAC協議由于不能充分利用天線資源，其系統容量在這幾種協議容量對比中依然是最小的。當系統的節點數達到一定的數量時，基于MPRP-MAC協議的系統成功發射數據流個數增加的幅度逐漸變得緩慢。

4 小結

為了使基于WMN系統的視頻傳輸能夠達到更好的效果，本文提出了一種新的多模多信道且基于MIMO技術的MPRP-MAC協議。由于整個數據傳送階段，節點之間是在不同的信道之間進行傳輸，所以不同組的節點可以同時進行通信，這樣降低了節點間通信等待，并且不會產生信道干擾，可以大大提高整個系統容量。同時在信道分配過程中，節點之間已經達成了最大使用天線數的協議，這樣就能夠充分利用天線資源進行數據的傳送，提高系統的吞吐量。通過MATLAB對三種不同的MAC協議系統容量進行仿真，得出MPRP-MAC協議可以充分發揮MIMO技術與多模多信道技術的優勢，提高系統的整體性能。

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