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1、(10)申请公布号 CN 102857437 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102857437 A *CN102857437A* (21)申请号 201210340094.8 (22)申请日 2012.09.14 H04L 12/801(2013.01) H04L 12/927(2013.01) (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正街 174 号 重庆大学通信工程学院 (72)发明人 张承畅 牛晓军 杨力生 李平 (54) 发明名称 一种链路 QoS 限制下的 MIMO MAC 接入协议 (57) 摘要 本发明提出一种跨层的 SCMA/QA 协。
2、议， 该协 议充分考虑了每个链路中不同流的信道状态， 建 立了一个基于流的信道状态离散马尔科夫链模 型， 并融合考虑了每条链路的 QoS 需求， 采用修改 的 RTS/CTS 进行链路 QoS 的信息交换， 通过链路 QoS 权重作为链路选择的主要因素， 将 MIMO 下基 于 QoS 的链路调度问题建模为一个最优化问题， 并在卡罗需 - 库恩 - 塔克 (Karush-Kuhn-Tucker， KKT) 条件下得到最优链路以及通信的流数目。最 后， 以吞吐量为 QoS 指标进行了数值分析， 结果表 明在相同网络环境下， SCMA/QA 比 SCMA 和 QCSCMA 能更好地提高系统的吞吐量。
3、。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种进行链路 QoS 限制下的 MIMO MAC 接入协议进行 QoS 信息的交换， 过程如下 ： 1） 建立了一个基于流的信道状态离散马尔科夫链模型 ； 2） 并融合考虑了每条链路的 QoS 需求， 采用修改的 RTS/CTS 进行链路 QoS 的信息交换 ； 3） 通过链路 QoS 权重作为链路选择的主要因素， 将 MIMO 下基于 QoS 的链路调度问题建 模为一个最优化问题， 并。
4、在卡罗需 - 库恩 - 塔克 (Karush-Kuhn-Tucker， KKT) 条件下得到最 优链路以及通信的流数目。 2. 根据权利要求 1 所述的 QoS 信息交换过程， 其特征在于 ： 所述步骤 3）中引入冲 突指示函数c(i,j,t)， 它表示在时隙t时链路i和j的干扰值， 如果存在相互干扰， 那么 c(i,j,t)=1， 否则为 0。 3. 根据权利要求 1 所述的 QoS 信息交换过程， 其特征在于 ： 所述步骤 3）中P(t) 表 示t时隙的调度策略，si(t) 表示链路i的流数目 ； 如果链路i在时隙t没有传输， 那么 并且si(t)=0 ； 定义一个指示函数IX； 如果X为。
5、真， 那么IX=1， 否则为0 ； 定义一个系统 性能函数fi(ui(t)，ui(t) 为链路i在时隙t上的最大速度，fi(.) 是一个关于速率的增函 数。 权 利 要 求 书 CN 102857437 A 2 1/3 页 3 一种链路 QoS 限制下的 MIMO MAC 接入协议 技术领域 0001 本发明设计一种跨层的基于链路 QoS 的流控制媒体接入协议 SCMA/QA， 可以兼顾 两跳之内的目的节点、 中继节点以及可能并发通信节点的 QoS 需求。 背景技术 0002 无线局域网技术近年来得到了飞速发展， 人们对其吞吐量的要求也越来越高， 多 输入多输出 (MIMO) 技术的出现可以在。
6、多径传输环境中通过多个空间信道来实现很高的频 谱利用率， 同时不会产生额外的带宽需求， 较好地解决了人们对带宽需求量的这个问题。 0003 但是传统的无线局域网标准 (IEEE 802.11b/g) 媒体接入控制 (MAC) 协议是工作 在单天线的情况下， 即使目前最新的IEEE 802.11n 根据MIMO进行了MAC的增强， 但是仍然 不能很好地适应 MIMO 环境， 所以设计和优化 MIMO 环境下的 MAC 协议成为是否能发挥 MIMO 分集增益和复用增益的关键。 0004 目前， 解决 MIMO 环境下的动态地址分配技术有以下几种 ： 一、 SD(Spatial Diversity)。
7、-MAC， 该方案利用了 MIMO 系统的空间分集增益技术。SD-MAC 协议是以 IEEE 802.11 协议中分布式协调功能 (DCF) 的请求发送 / 允许发送 (RTS/CTS) 机制为基础的。尽 管 SD-MAC 方案利用了 MIMO 系统的空间分集技术， 但是 SD-MAC 方案仍然无法实现复用增 益。二、 MIMO 下的 MAC 协议， 分别是集中式 SCMA(Stream Control Multiple Access) 和分 布式 SCMA。三、 将物理层 (PHY) 的 MIMO 和 IEEE 802.11e MAC 综合考虑， 并将这个问题建 模为网络利用率最大化问题。通。
8、过跨层设计将 IEEE 802.11e MAC 层的最小竞争窗 (CW) 和 MIMO 中的复用增益进行整体考虑。不过该文只局限于基于中心汇集点的网络工作拓扑， 并 没有考虑分布式的多跳 Mesh 网络环境。 发明内容 0005 为了克服上述现有协议的不足， 本发明提供了一种跨层的 SCMA/QA(QoS Awareness) 协议， 该协议充分考虑了每个链路中不同流的信道状态， 建立了一个基于流的 信道状态离散马尔科夫链模型， 并融合考虑了每条链路的 QoS 需求， 将 MIMO 下 QoS 的链路 调度问题归结为一个最优化问题， 并通过卡罗需 - 库恩 - 塔克 (Karush-Kuhn-。
9、Tucker， KKT) 条件得到最优解。最后数值分析了 SCMA/QA 协议的有效性。 0006 本发明所提出的协议方案描述是 ： 修改 RTS/CTS 即 Broadcast RTS (BRTS) /CTS 进行链路 QoS 信息的交换。过程如下 ： (1) 发送节点首先向两跳范围之内的所有节点发送 BRTS， 里面包含所有可能的接收节 点的地址列表， 传输此控制帧采用的是K条流中的一条。 0007 (2) 距离发送节点两跳范围内的节点在接收到 BRTS 之后， 将对地址进行判断， 如 果其地址在地址列表中， 将根据自己所在地址列表中的位置， 计算发送 CTS 的时隙， 并且将 整个链路所。
10、需的 QoS 因子 以捎 带负载的形式返回给发送节点， 并且定义此条链路的 QoS 权重为； 如果接收节点未 说 明 书 CN 102857437 A 3 2/3 页 4 发现其地址在地址列表中， 将丢弃此控制报文。 0008 (3) 发送节点将接收到的所有链路的权重按照式 (7) 进行最优化计算， 最后将计 算出来的最大值所对应的链路作为通信链路， 并确定其采用的流的数目。 0009 (4) 确定节点之间的通信链路之后， 进入数据传输节点， 规定在每次可以同时传输 2 个报文， 这样与一次传输一个报文相比， 可以进一步提高系统的吞吐量。 0010 (5) 节点完成数据交换之后， 进入到信道空。
11、闲时隙， 在此阶段， 所有节点按照式 (8) 完成其链路 QoS 因子以及 QoS 权重的更新。 附图说明 0011 图 1 为 MIMO 链路 图 2 为 MIMO 网络拓扑图 图 3 为基于流的通信链路说明 图 4 基于流的信道状态离散马尔科夫链模型。 具体实施方式 0012 参照图 1 5， SCMA/QA 协议的最优调度策略 ： 基于流的信道状态离散马尔科夫链的分析中， 调度策略是一个关键问题， 调度策略的 好坏将会直接影响吞吐量的大小以及节点之间通信的公平性问题。 最优调度策略的目的是 寻找最优的链路和对应链路通信的流数目。 0013 从图 2(c) 中， 引入冲突指示函数c(i,j。
12、,t)， 它表示在时隙t时链路i和j的干扰 值， 如果存在相互干扰， 那么c(i,j,t)=1， 否则为 0。n(i) 表示链路i。 0014 令P表示某一种调度策略，P(t) 表示t时隙的调度策略。si(t) 表示链路i的流 数目。如果链路i在时隙t没有传输， 那么并且si(t)=0。定义一个指示函数IX， 如 果X为真， 那么IX=1， 否则为 0。定义一个系统性能函数fi(ui(t)，ui(t) 为链路i在时隙t 上的最大速度，fi(.) 是一个关于速率的增函数。为了最大化系统性能， 我们定义目标函数 为所有链路系统性能函数之和， 即 (1) 其中，E表示数学期望，N是指两跳范围内链路数。
13、目。 0015 考虑到实际的链路 QoS 需求， 我们定义hi(ui(t) 为链路i在时隙t的 QoS 限制， 综上， 我们可以将最优调度问题定义为 (2) 限制条件 (s.t.) (3) (4) 说 明 书 CN 102857437 A 4 3/3 页 5 (5) 式 (3) 表示每个链路的 QoS 限制为Ci， 式 (4) 表示受到冲突图限制条件的链路不允许 同时通信， 式 (5) 表示所有链路总的通信的流的数目不能超过K。 0016 为了求得上式的最优解， 我们引入一种最优化方法 (6) P*表示最优调度策略， 为卡罗需 - 库恩 - 塔克 ( Karush-Kuhn-Tucker， K。
14、KT) 系数， 其 KKT 条件为 至此， 我们得到， 最优调度策略可达到的系统性能要比其它调度策略的更高。 0017 由于 QoS 性能有吞吐量、 丢包率、 包延迟以及系统抖动等指标， 本文就其中的吞吐 量指标做定性讨论。 0018 我们令， 那么式 (6) 可以表示为 (7) 的计算依赖于的多维分布， 计算过程较为复杂。在实际使用中， 可以通过近 似的方法进行计算， 本文采用文献 14 中的迭代算法 (8) 表示第k次迭代时对应的实际吞吐量， 此时Ci对应为预期的最小带宽， 在一般情况 下， 我们可以设置为一个随系统变化的小于 1 的常数， 本发明设置。 说 明 书 CN 102857437 A 5 1/3 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102857437 A 6 2/3 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 102857437 A 7 3/3 页 8 图 4 说 明 书 附 图 CN 102857437 A 8 。