李 碩，程德強(qiáng)，柳 雪，王仕琛

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用MIMO技術(shù)可以通過(guò)天線的多發(fā)射多接收提高系統(tǒng)容量來(lái)彌補(bǔ)WMN多跳后造成帶寬下降的不足[1-2]，在實(shí)際傳輸過(guò)程中，由于通信鏈路之間存在干擾問(wèn)題，每條MIMO鏈路以其最大數(shù)據(jù)流發(fā)送的方式并不能夠獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)吞吐量[3]。現(xiàn)有的基于MI?MO技術(shù)的MAC協(xié)議存在或多或少的不足，不能夠完全滿足實(shí)際工作的需要，因此在現(xiàn)有基于MIMO技術(shù)的MAC協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)具有十分重要的意義。

1 傳統(tǒng)MAC協(xié)議分析

在實(shí)時(shí)視頻傳輸中影響整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量最為關(guān)鍵的兩個(gè)因素為系統(tǒng)的容量和數(shù)據(jù)的延遲性[4]。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸中，如果系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)傳輸模塊，并且采用多模多信道（Multi-Radio Multi-Channel）技術(shù)可以有效提高鏈路的帶寬，降低系統(tǒng)傳輸?shù)难訒r(shí)性[5]。

為了能夠充分利用MIMO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提高。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)基于MIMO技術(shù)的WMN中的多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行研究，并提出了一些改進(jìn)的MAC協(xié)議。MIMA-MAC（跨層協(xié)議）是一種將物理層空間復(fù)用技術(shù)與MAC層多址接入技術(shù)相結(jié)合的基于MIMO鏈路的接入?yún)f(xié)議[6]。該協(xié)議利用物理層的多天線機(jī)制減輕來(lái)自鄰節(jié)點(diǎn)的干擾，從而能夠使兩對(duì)收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)并行通信。因此系統(tǒng)利用率得到增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)一步提高。PRP-MAC協(xié)議是一種在MIMA-MAC協(xié)議基礎(chǔ)上改進(jìn)的并行RTS處理的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議[7]。PRP-MAC是在收到2個(gè)RTS請(qǐng)求后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)流分配，因此它能夠最大化傳輸數(shù)據(jù)流并使更多的傳輸請(qǐng)求得到響應(yīng)。然而在MIMA-MAC協(xié)議中，發(fā)送端只能使用一半數(shù)目的天線，不能夠充分利用資源，PRP-MAC存在CTS分組與數(shù)據(jù)分組碰撞的問(wèn)題等，并且這些協(xié)議都是基于單信道的MAC協(xié)議。在無(wú)線環(huán)境復(fù)雜的情況下，單信道通信存在信道干擾問(wèn)題[8]，因此本文在現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了MPRP-MAC協(xié)議。

2 MPRP-MAC協(xié)議描述

MPRP-MAC協(xié)議是一種多模多信道的通信協(xié)議，該協(xié)議以MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到WMN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)中的多個(gè)通信模塊以及多個(gè)正交信道資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)可以在無(wú)干擾的情況下實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)送同時(shí)進(jìn)行，降低了系統(tǒng)通信的延時(shí)性。該協(xié)議的結(jié)構(gòu)可以分為以下兩個(gè)階段：信道的分配階段和數(shù)據(jù)的傳送階段。

2.1 信道分配階段

信道分配階段，節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)公用普通信道，這樣有利于節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)其他節(jié)點(diǎn)的信道分配情況，避免使用相同的信道造成通信時(shí)信道干擾問(wèn)題。MPRP-MAC協(xié)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(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)信道的請(qǐng)求，ATCTS分組用來(lái)表示接收節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)回應(yīng)可以使用的信道信息，并且根據(jù)不同ATLM分組情況將ATCTS分組分為ATCTS-W，ATCTS-I和ATCTS-S三種類(lèi)型。ATLM-RES分組主要用于發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)信道對(duì)將要使用的信道達(dá)成一致，并將要使用的信道發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在接收到ATCTS分組處理前，需要記錄是否接受過(guò)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)的ATCTS分組。信道信息分組發(fā)送時(shí)隙要根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ATCTS類(lèi)型以及發(fā)送端接收到的ATCTS次數(shù)進(jìn)行確定。

2.2 數(shù)據(jù)傳送階段

節(jié)點(diǎn)之間的信道分配結(jié)束之后，數(shù)據(jù)開(kāi)始在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送。發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS分組，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)CTS分組，表明接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK分組，至此整個(gè)通信過(guò)程結(jié)束。

2.3 實(shí)例分析

基于WMN視頻傳輸通信中，節(jié)點(diǎn)采用多模形式，如圖1所示，B節(jié)點(diǎn)可以被分為2個(gè)部分，A1部分用于接收上一級(jí)節(jié)點(diǎn)A發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，A2部分是用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到下一級(jí)節(jié)點(diǎn)C。

假設(shè)每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)擁有的天線數(shù)為4，則多跳節(jié)點(diǎn)基于MPRP-MAC協(xié)議的通信示例如圖2所示（箭頭表示數(shù)據(jù)傳送的方向，括號(hào)內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示使用的天線數(shù)）。節(jié)點(diǎn)A的A2模塊向節(jié)點(diǎn)B的B1模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B的B2模塊向節(jié)點(diǎn)C的C1模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

在信道分配階段，模塊之間使用同一個(gè)普通信道進(jìn)行信息交換。B1模塊在2個(gè)ATLM分組時(shí)隙之后，根據(jù)MPRP-MAC協(xié)議，由于B1模塊接收到一個(gè)含有其ID的ATLM分組和一個(gè)含有其他模塊ID的ATLM分組，所以B1模塊回應(yīng)一個(gè)ATCTS-W分組，由于C1模塊也在B1模塊的通信范圍內(nèi)，C1模塊能夠偵聽(tīng)B1模塊可以使用的信道情況，所以C1模塊在回應(yīng)的ATCTS-I分組中會(huì)避免B1模塊信道使用情況。接收模塊根據(jù)各自接收到的ATCTS分組情況，并根據(jù)MPRP-MAC協(xié)議中規(guī)定，發(fā)送ATLMRTS分組，確定模塊之間數(shù)據(jù)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(xù)，B2模塊中ATLM-RTS分組確定使用信道n。

在數(shù)據(jù)傳送階段，由于A2和B1之間使用信道m(xù)，B2和C1之間使用信道n，m和n時(shí)兩個(gè)相互正交的信道，所以?xún)蓪?duì)模塊之間可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，而且不會(huì)受到信道間的干擾，這樣大大提高了系統(tǒng)容量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 MPRP-MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)天線利用算法

假設(shè)鏈路節(jié)點(diǎn)A，B，C分別配置4根天線，節(jié)點(diǎn)B中使用2根天線用于接收節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)流，2根天線用于發(fā)送數(shù)據(jù)流到節(jié)點(diǎn)C。在MPRP-MAC協(xié)議中，允許最大天線的使用數(shù)是由ATLM分組中最大允許發(fā)送天線數(shù)Nmax和接收端天線數(shù)目共同決定的。MPRP-MAC協(xié)議允許最大天線利用算法如下：

代碼Atcts_num_a代表發(fā)送端節(jié)點(diǎn)a使用天線數(shù)，Atcts_num_b表示f發(fā)送端節(jié)點(diǎn)b使用天線數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)下面任一情況時(shí)，允許天線最大數(shù)利用計(jì)算結(jié)束：1）用于發(fā)送數(shù)據(jù)到同一目的節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)之和等于目的節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)的天線數(shù)目；2）每個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)的天線等于該節(jié)點(diǎn)擁有的天線數(shù)目。

3.2 MPRP-MAC協(xié)議系統(tǒng)容量仿真

通過(guò)應(yīng)用的各種實(shí)例論證了MPRP-MAC協(xié)議在使用時(shí)可以兼顧MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也可以充分避免信道干擾造成信號(hào)衰落的問(wèn)題。下面采用MATLAB仿真工具來(lái)比較MPRP-MAC協(xié)議與PRP-MAC協(xié)議和MIMA-MAC協(xié)議之間的優(yōu)劣。仿真環(huán)境的設(shè)置如表1所示。在仿真環(huán)境中設(shè)定了每種分組類(lèi)型的傳輸功率，以及信號(hào)接收門(mén)限，載波監(jiān)聽(tīng)門(mén)限等。這些要素規(guī)定了數(shù)據(jù)在隨機(jī)的發(fā)射機(jī)發(fā)射到接收機(jī)接收需要具備的一系列條件。每次發(fā)射和接收完成的時(shí)間為3 s，然后再重新進(jìn)行發(fā)射與接收活動(dòng)。

表1 仿真環(huán)境設(shè)置參數(shù)

圖3所示為分別基于MPRP-MAC協(xié)議、PRP-MAC協(xié)議以及MIMA-MAC協(xié)議的通信系統(tǒng)容量的仿真對(duì)比結(jié)果。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較小時(shí)，由于PRP-MAC協(xié)議不會(huì)出現(xiàn)碰撞問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)信道干擾問(wèn)題，所以PRP-MAC協(xié)議的容量和MPRP-MAC協(xié)議的容量相似，但是MIMAMAC協(xié)議只能夠利用一半的發(fā)射天線，所以其系統(tǒng)容量依然最小，而且差距相對(duì)明顯。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)多時(shí)由于MPRP-MAC協(xié)議在具有PRP-MAC協(xié)議優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，還解決了其CTS分組和數(shù)據(jù)分組碰撞問(wèn)題，同時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用不同的信道，避免干擾。因此在圖中可以看出MPRP-MAC協(xié)議給系統(tǒng)容量帶來(lái)明顯的改善。然而MIMA-MAC協(xié)議由于不能充分利用天線資源，其系統(tǒng)容量在這幾種協(xié)議容量對(duì)比中依然是最小的。當(dāng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，基于MPRP-MAC協(xié)議的系統(tǒng)成功發(fā)射數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)增加的幅度逐漸變得緩慢。

4 小結(jié)

為了使基于WMN系統(tǒng)的視頻傳輸能夠達(dá)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(shù)的MPRP-MAC協(xié)議。由于整個(gè)數(shù)據(jù)傳送階段，節(jié)點(diǎn)之間是在不同的信道之間進(jìn)行傳輸，所以不同組的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行通信，這樣降低了節(jié)點(diǎn)間通信等待，并且不會(huì)產(chǎn)生信道干擾，可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)容量。同時(shí)在信道分配過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)之間已經(jīng)達(dá)成了最大使用天線數(shù)的協(xié)議，這樣就能夠充分利用天線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，提高系統(tǒng)的吞吐量。通過(guò)MATLAB對(duì)三種不同的MAC協(xié)議系統(tǒng)容量進(jìn)行仿真，得出MPRP-MAC協(xié)議可以充分發(fā)揮MIMO技術(shù)與多模多信道技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的整體性能。

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