基于MIMO技术的WMN MAC协议研究

李 硕，程德强，柳 雪，王仕琛

（中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

在Mesh网络中使用MIMO技术可以通过天线的多发射多接收提高系统容量来弥补WMN多跳后造成带宽下降的不足[1-2]，在实际传输过程中，由于通信链路之间存在干扰问题，每条MIMO链路以其最大数据流发送的方式并不能够获得最佳的网络吞吐量[3]。现有的基于MI⁃MO技术的MAC协议存在或多或少的不足，不能够完全满足实际工作的需要，因此在现有基于MIMO技术的MAC协议基础上进行改进具有十分重要的意义。

1 传统MAC协议分析

在实时视频传输中影响整个系统质量最为关键的两个因素为系统的容量和数据的延迟性[4]。无线Mesh网络多跳传输中，如果系统中的节点具有多个传输模块，并且采用多模多信道（Multi-Radio Multi-Channel）技术可以有效提高链路的带宽，降低系统传输的延时性[5]。

为了能够充分利用MIMO技术，实现网络性能的提高。目前，国内外许多研究人员对基于MIMO技术的WMN中的多址接入协议进行研究，并提出了一些改进的MAC协议。MIMA-MAC（跨层协议）是一种将物理层空间复用技术与MAC层多址接入技术相结合的基于MIMO链路的接入协议[6]。该协议利用物理层的多天线机制减轻来自邻节点的干扰，从而能够使两对收发机实现并行通信。因此系统利用率得到增加，网络吞吐量进一步提高。PRP-MAC协议是一种在MIMA-MAC协议基础上改进的并行RTS处理的媒质接入协议[7]。PRP-MAC是在收到2个RTS请求后再根据网络情况进行数据流分配，因此它能够最大化传输数据流并使更多的传输请求得到响应。然而在MIMA-MAC协议中，发送端只能使用一半数目的天线，不能够充分利用资源，PRP-MAC存在CTS分组与数据分组碰撞的问题等，并且这些协议都是基于单信道的MAC协议。在无线环境复杂的情况下，单信道通信存在信道干扰问题[8]，因此本文在现有协议的基础上进行改进，提出了MPRP-MAC协议。

2 MPRP-MAC协议描述

MPRP-MAC协议是一种多模多信道的通信协议，该协议以MIMO技术为基础，同时考虑到WMN节点的结构特点，利用节点中的多个通信模块以及多个正交信道资源，实现节点可以在无干扰的情况下实现接收与发送同时进行，降低了系统通信的延时性。该协议的结构可以分为以下两个阶段：信道的分配阶段和数据的传送阶段。

2.1 信道分配阶段

信道分配阶段，节点之间有一个公用普通信道，这样有利于节点侦听其他节点的信道分配情况，避免使用相同的信道造成通信时信道干扰问题。MPRP-MAC协议信道控制分组包括ATLM分组、ATCTS分组和ATLMRES分组。其中ATLM分组主要用于发送节点向接收节点信道的请求，ATCTS分组用来表示接收节点对发送节点回应可以使用的信道信息，并且根据不同ATLM分组情况将ATCTS分组分为ATCTS-W，ATCTS-I和ATCTS-S三种类型。ATLM-RES分组主要用于发送和接收节点信道对将要使用的信道达成一致，并将要使用的信道发送给接收节点。发送节点在接收到ATCTS分组处理前，需要记录是否接受过发送给其他节点的ATCTS分组。信道信息分组发送时隙要根据接收节点发送的ATCTS类型以及发送端接收到的ATCTS次数进行确定。

2.2 数据传送阶段

节点之间的信道分配结束之后，数据开始在节点之间进行传送。发送节点首先向接收节点发送一个RTS分组，接收节点会向发送节点回复一个CTS分组，表明接收发送节点发送数据请求，然后发送节点向接收节点发送数据，接收节点收到数据后向发送节点发送一个ACK分组，至此整个通信过程结束。

2.3 实例分析

基于WMN视频传输通信中，节点采用多模形式，如图1所示，B节点可以被分为2个部分，A1部分用于接收上一级节点A发送来的数据，A2部分是用来发送数据到下一级节点C。

假设每个通信节点拥有的天线数为4，则多跳节点基于MPRP-MAC协议的通信示例如图2所示（箭头表示数据传送的方向，括号内部的数据表示使用的天线数）。节点A的A2模块向节点B的B1模块发送数据，节点B的B2模块向节点C的C1模块发送数据。

在信道分配阶段，模块之间使用同一个普通信道进行信息交换。B1模块在2个ATLM分组时隙之后，根据MPRP-MAC协议，由于B1模块接收到一个含有其ID的ATLM分组和一个含有其他模块ID的ATLM分组，所以B1模块回应一个ATCTS-W分组，由于C1模块也在B1模块的通信范围内，C1模块能够侦听B1模块可以使用的信道情况，所以C1模块在回应的ATCTS-I分组中会避免B1模块信道使用情况。接收模块根据各自接收到的ATCTS分组情况，并根据MPRP-MAC协议中规定，发送ATLMRTS分组，确定模块之间数据传送阶段使用的信道，比如A2模块中ATLM-RTS分组确定使用信道m，B2模块中ATLM-RTS分组确定使用信道n。

在数据传送阶段，由于A2和B1之间使用信道m，B2和C1之间使用信道n，m和n时两个相互正交的信道，所以两对模块之间可以同时进行数据传送，而且不会受到信道间的干扰，这样大大提高了系统容量。

3 实验结果分析

3.1 MPRP-MAC协议节点天线利用算法

假设链路节点A，B，C分别配置4根天线，节点B中使用2根天线用于接收节点A的数据流，2根天线用于发送数据流到节点C。在MPRP-MAC协议中，允许最大天线的使用数是由ATLM分组中最大允许发送天线数Nmax和接收端天线数目共同决定的。MPRP-MAC协议允许最大天线利用算法如下：

代码Atcts_num_a代表发送端节点a使用天线数，Atcts_num_b表示f发送端节点b使用天线数。当出现下面任一情况时，允许天线最大数利用计算结束：1）用于发送数据到同一目的节点的天线数之和等于目的节点用于接收数据的天线数目；2）每个用于发送数据的天线等于该节点拥有的天线数目。

3.2 MPRP-MAC协议系统容量仿真

通过应用的各种实例论证了MPRP-MAC协议在使用时可以兼顾MIMO技术的优势也可以充分避免信道干扰造成信号衰落的问题。下面采用MATLAB仿真工具来比较MPRP-MAC协议与PRP-MAC协议和MIMA-MAC协议之间的优劣。仿真环境的设置如表1所示。在仿真环境中设定了每种分组类型的传输功率，以及信号接收门限，载波监听门限等。这些要素规定了数据在随机的发射机发射到接收机接收需要具备的一系列条件。每次发射和接收完成的时间为3 s，然后再重新进行发射与接收活动。

表1 仿真环境设置参数

图3所示为分别基于MPRP-MAC协议、PRP-MAC协议以及MIMA-MAC协议的通信系统容量的仿真对比结果。当节点数较小时，由于PRP-MAC协议不会出现碰撞问题，同时也不会出现信道干扰问题，所以PRP-MAC协议的容量和MPRP-MAC协议的容量相似，但是MIMAMAC协议只能够利用一半的发射天线，所以其系统容量依然最小，而且差距相对明显。当节点数多时由于MPRP-MAC协议在具有PRP-MAC协议优势的基础上，还解决了其CTS分组和数据分组碰撞问题，同时在数据传输时使用不同的信道，避免干扰。因此在图中可以看出MPRP-MAC协议给系统容量带来明显的改善。然而MIMA-MAC协议由于不能充分利用天线资源，其系统容量在这几种协议容量对比中依然是最小的。当系统的节点数达到一定的数量时，基于MPRP-MAC协议的系统成功发射数据流个数增加的幅度逐渐变得缓慢。

4 小结

为了使基于WMN系统的视频传输能够达到更好的效果，本文提出了一种新的多模多信道且基于MIMO技术的MPRP-MAC协议。由于整个数据传送阶段，节点之间是在不同的信道之间进行传输，所以不同组的节点可以同时进行通信，这样降低了节点间通信等待，并且不会产生信道干扰，可以大大提高整个系统容量。同时在信道分配过程中，节点之间已经达成了最大使用天线数的协议，这样就能够充分利用天线资源进行数据的传送，提高系统的吞吐量。通过MATLAB对三种不同的MAC协议系统容量进行仿真，得出MPRP-MAC协议可以充分发挥MIMO技术与多模多信道技术的优势，提高系统的整体性能。

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