[发明专利]一种在多用户多输入多输出无线网络中的多路访问机制

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）平台，同时利用时域和频域在多用户多输入多输出（Multi-User Multiple-Input-Multiple-Output, MU-MIMO）的无线网络里有效进行信道竞争的多路访问机制。该机制能够有效地解决在MU-MIMO的无线网络中多路访问的传输协调问题。本发明属于无线通信技术领域。 

背景技术

在无线通信中，信道利用率一般通过使用数据吞吐量效率进行定义，即通常用实际运行中的网络吞吐量与理想状态下的网络吞吐量之间的比值进行定义，其具体的表达式为如下： 

其中  为实际运行中的网络吞吐量，而  则是理想状态下的网络吞吐量。在只允许单个节点通信的传统网络中， 和  可分别进一步表达为如下：

其中  是在一个周期中进行有效数据传输的时间， 为一个传输周期的时间，而  则是物理层的数据传输速率。所以信道利用率可用时间效率的形式表示为如下：

但是，这种表达方式在MU-MIMO下的无线网络中并不合适。在MU-MIMO的无线网络中，只要并行的总传输流数量不多于网络接入点（Access Point, AP）的总天线数目，多个客户端节点是能够同时向AP发送数据，而彼此之间不会造成影响，即AP能够同时成功收到来自各个客户端节点的数据。显然，相比于传统单节点间传输网络，虽然MU-MIMO的网络用于数据传输的时间是一样的，但是MU-MIMO的网络的实际发送数据是要比传统的单节点间传输多。事实上，这种本质的差异是由AP的天线的使用数目引起的。所以，AP上的天线使用也应该视为信道资源，而那些AP上未被使用的天线则应该视为一种新的信道资源的浪费。

因此，在MU-MIMO的网络中，信道利用率不应该仅仅考虑时域，同时也应该考虑空间域的使用率，即AP的天线使用率。假设  为在第  个周期中AP上用来进行数据传输的天线数目，m为整个通信的总周期数目，  为AP的总天线数目， 为每个数据流的物理层速率，则信道利用率可表示为如下： 

上述公式可以进一步简化成如下：

然后，如果我们定义  为时域上的效率， 为空间域上的效率，即AP上的天线使用数目，那么它们可以分别具体表示为如下：

因此，信道利用率最终可以被定义为时间和空间域上的效率乘积，即：

例如，如果用上述的信道利用率定义，那么使用IEEE 802.11标准下的物理层速率的包含一个4根天线AP和10个单根天线客户端的网络的信道利用率少于20%，在高速率的情况下甚至低于10%。可见，现行的标准会造成很低的信道利用率。

而本发明提出了一种新的应用于MU-MIMO网络下的多路访问机制，能够解决现行无线局域网的低利用率问题，有效地进行无线网络中多路访问的传输协调。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种同时考虑时间和空间域上的多路访问机制，加强现行物理层结构的功能，从而有效地实现MU-MIMO的无线网络中多路访问传输协调，解决现行标准中低利用率的问题。本发明基于正交频分多路复用平台，但也可相应地扩展到其他无线传输平台。 

为了实现上述目的所采用的技术方案是：在收发端分别加入三大新模块，即频域信道竞争模块，天线信息加载模块和频域传输确认（ACK）模块。 

本发明根据新的功能模块建立的多路访问机制如下：当网络中的节点都需要发送数据包时，他们需要先等待AP发送授权（Grant），然后它们才开始同时在频域向AP发送请求（Request）进行信道竞争。而这些请求都会分别加载了各自的天线信息。AP在接收到请求后，会基于所有信道竞争的信息（包括各个竞争参与节点的天线信息），根据其能力和一些既定好的规则去挑选一个或多个信道竞争优胜者。被选定作为优胜者的节点则在此轮发送时间中向AP发送其数据包。AP在成功接收到来自节点的数据包后，将会在频域上把ACK和Grant结合发送出去，以此来开始一个新的竞争周期。 

具体的模块信息如下： 

本发明主要在原有无线通信系统的基础上，加上三个新的模块：频域信道竞争模块，天线信息加载模块和频域传输确认（ACK）模块。