[发明专利]MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术，具体涉及MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法。

背景技术

Ad Hoc网络是自组织通信系统，节点之间的通信不需要基础设施的帮助，因此它能在突发事件、灾难救护与军事上快速安装布置。传统上，Ad Hoc网络的MAC协议一般是基于802.11的DCF协议，节点在发射RTS信号包时需要监听信道，如果信道忙碌，则选择退避；如果信道空闲，则发射RTS信号包。当接收节点成功接收RTS信号包后，接收节点发射CTS信号包进行响应，完成RTS/CTS的握手过程。当发射节点成功接收CTS信号包，表明接收节点正在等待数据，发射节点开始发送数据包，接收节点对成功检测的数据包以ACK信号包进行响应。一旦数据包传输完毕，发射节点释放信道的占有权。所有节点进入下一轮竞争阶段。虽然这种机制很好的解决了信道资源占用问题，但是网络中只允许单个节点发射数据包，加上无线衰落环境的影响，竞争共享信道产生的碰撞、信道干扰等因素的存在，很大程度上限制了自组织网络的容量。

MIMO技术即多输入多输出技术，不但利用发射（接收）波束成型来获取发射（接收）功率增益，而且能够产生额外的空间自由度，使得系统中允许多个数据流同时发射，假设每一个数据流用于发射一个数据包，也就是说网络中允许多个数据包同时发射，从而能够极大的提高自组织网络容量。值得注意的是，同时发射数据包的数目一定不能大于节点的接收天线数目，否则不能正确检测。MIMO和MAC最简单的结合是：获得信道使用权的节点使用MIMO技术同时发射多个数据包，但是这种结合未能最大发挥MIMO的特性。因为受制于单个节点的发射功率，网络容量提升有限。所以现阶段的研究是利用MIMO技术允许多个节点同时发射数据包，在最大化程度上挖掘MIMO的空间复用特性，避免受制于单个节点发射功率。然而允许哪些节点同时发射数据包，各节点分别发送多少数据包，如何解决隐藏节点，这些问题的解决都与MAC层息息相关。而传统上的MAC协议只允许单个节点发射。

M. Park（M. Park, S.-H. Choi, and S. M. Nettles. Cross-layer MAC design for wireless networks using MIMO. IEEE Global Telecommunications Conference, St Louis, 28 NOV-02 DEC, 2005, vol.5:2870–2874）提出了一种MIMA-MAC（Mitigating Interference using Multiple Antennas MAC）优化方案，其核心思想是每一个MAC层的数据帧包含协商阶段和无竞争阶段，协商阶段包含两个竞争时隙，在这两个竞争时隙中，各个节点通过RTS/CTS握手过程获得信道使用权。节点每发射一个RTS，需要接收节点以CTS响应，发射RTS信号包占用的时间与CTS信号包相同。该方案允许两个节点同时使用一半天线进行发射，但只是通过提高发射功率来提升遍历容量。

P. Casari（P. Casari, M. Levorato, and M. Zorzi. MAC/PHY crosslayer design of MIMO ad hoc networks with layered multiuser detection. IEEE Trans. on Wireless Commun., Nov. 2008, vol.7:4596–4607）提出了一种同步RTS/CTS的MAC层优化方案，其核心思想是RTS/CTS信号包是同时发射的，并且RTS/CTS不再用于控制节点的接入数量，而是用于业务负载估计，从仿真来看，极大的提高了网络容量。然而MAC层设计方案要求各个节点安装数量较多的天线，否则节点很难正确检测同时发射的RTS/CTS信号包。

总体而言，现阶段结合MIMO优化MAC层协议大致可以划分为RTS/CTS竞争发射和RTS/CTS同步发射。基于RTS/CTS竞争发射的MAC层协议需要长时间的RTS/CTS信号包交互；而基于RTS/CTS同步发射的MAC层协议要求各个节点安装数量较多的天线。但是在实际情况，由于成本和工艺等问题，节点不可能安装数目较多的天线。

发明内容

为克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法。