基于﹢IEEE﹢802.11ac﹢的多用户﹢MIMO传输方案的优化设计及其性能分析 - 学兔兔 ww

2013年5月JournalonCommunicationsMay2013第34卷第5期通信学报Vol.34No.5基于IEEE802.11ac的多用户MIMO传输方案的优化设计及其性能分析冀保峰1,2，宋康1，黄永明1，杨绿溪PerformanceanalysisandoptimaldesignofMU-MIMOtransmissionschemebasedonIEEE802.11ac1（1.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096；2.河南科技大学电子信息工程学院，河南洛阳471003）摘要：在IEEE802.11acDraft2.0标准草案的基础上，针对其新引入的多用户MIMO传输机制进行了深入研究，提出了几点改进的优化设计方案，并完成了相应的性能分析。最后对IEEE802.11ac的多用户MIMO传输方案进行了系统的性能分析，仿真结果表明，改进的传输方案在误比特率(BER)和吞吐量方面获得了明显的性能增益，且与针对性能的理论分析与仿真结果相吻合。关键词：IEEE802.11ac；无线局域网；传输机会；用户分组中图分类号：TP393.1文献标识码：A文章编号：1000-436X(2013)05-0096-11JIBao-feng1,2,SONGKang1,HUANGYong-ming1YANGLv-xi(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.Electronic&InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China)Abstract:TherecentIEEE802.11acadoptedanovelmulti-useraccesstechnique,whichwasthedownlinkmulti-userMIMO(MU-MIMO)transmission.ThiswasverydifferentfromtheformerIEEE802.11standard’sprotocols.TheMU-MIMOtransmissiontechniqueinIEEE802.11acdraftwasstudiedandproposedsomeoptimaldesigns.Finally,theperformanceoftheIEEE802.11acMU-MIMOtransmissionschemesandgivesthesimulations.ThesimulationresultsshowthattheproposaltransmissionschemescanachievegainsofBERandthroughputintheoryandsimulations.Keywords:IEEE802.11ac;WLAN;transmitopportunity;group1引言随着Internet的蓬勃发展，信息获取的及时性和便利性显得越来越重要，无线局域网(WLAN)的灵活性、拓展性、移动性以及简便安装等特性使得WLAN产业成为当前一个重要的发展热点。自2008年上半年起，IEEE就启动了WLAN的新标准IEEE802.11ac的制定工作，它的目标是使无线Wi-Fi的传输速度达到1Gbit/s以上，为此成立了一个专门的工作组，项目名称为超高吞吐量(VHT,veryhighthroughput)。从核心技术来看，IEEE802.11ac是在IEEE802.11a无线Wi-Fi标准之上发展起来的，包括将使用IEEE802.11a的5GHz频段。不过在通道的设置上，IEEE802.11ac将沿用IEEE802.11n的MIMO(多入多出)通信技术，并推广到多用户MIMO通信技术，为它的传输速率达到1Gbit/s打下基础。IEEE802.11ac每个通道的带宽将由IEEE802.11n的最大收稿日期：2012-02-13；修回日期：2012-08-13基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271018,61071113)；国家科技重大专项基金资助项目(2012ZX03004005-003)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2011597)；江苏省工业支撑基金资助项目(BE2012167)；教育部新世纪优秀人才资助计划基金资助项目(NCET-11-0088)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61271018,61071113);TheNationalScienceandTechnolo-gyMajorProjectofChina(2012ZX03004005-003);TheNaturalScienceFoundationofJiangsuProvince(BK2011597);TheRe-searchProjectofJiangsuProvince(BE2012167);TheProgramforNewCenturyExcellentTalentsinUniversity(NCET-11-0088)doi:10.3969/j.issn.1000-436x.2013.05.011第5期冀保峰等：基于IEEE802.11ac的多用户MIMO传输方案的优化设计及其性能分析·97·40MHz提升到80MHz，甚至是160MHz，再加上大约10%的实际频率调制效率提升，最终理论传输速度将由IEEE802.11n最高的600Mbit/s跃升至1Gbit/s以上。当然，实际传输速率可能在300~400Mbit/s之间，接近目前IEEE802.11n实际传输速率的3倍(目前IEEE802.11n无线路由器的实际传输速率为75~150Mbit/s)，完全足以在一条信道上同时传输多路压缩视频流。多天线通信技术中的MIMO预编码和MISO(多入单出)发送波束形成可以充分利用系统的空间复用和阵列增益以及空间分集增益，显著提高MIMO系统的性能。单用户的MIMO/MISO方案是将所有数据流发送给一个用户，而多用户的MIMO/MISO传输方案可以给不同用户分配数据流从而增加整个系统的容量，但它们都需要发射端已知信道状态信息(CSI,channelstateinformation)来进行优化的预编码或发射波束形成设计，消除各数据流或各用户之间的干扰，并通过功率分配获得最优的系统性能。多用户MIMO/MISO的研究主要包括上行多址接入(MAC)信道和下行广播(BC)信道的容量分析，空分多址方案及用户间干扰的消除或减少，有限反馈下的多用户MIMO方案，MIMO-OFDM传输方案设计等方面。IEEE802.11n首先在WLAN中完整引入了单用户MIMO通信技术，它的信道信息的反馈有2种方案，一种是TDD系统下基于信道互易性得到的信道状态信息，另一种是FDD系统下基于接收端的有限反馈而得到信道信息，具体地说，是对用户端等效信道矩阵V(SVD分解后)的有限反馈。IEEE802.11ac在其2011年的标准草案中进一步引入了多用户MIMO(MU-MIMO)通信技术，而且带宽可以最大扩展到160Mbit/s，它也需要在FDD系统下对用户端等效信道矩阵V进行反馈。另外，由于IEEE802.11ac的国际提案征集刚刚尘埃落定，有关IEEE802.11ac传输方案的论文研究尚属空白阶段，因此迫切需要研究IEEE802.11ac的MIMO传输方案，特别是多用户的MIMO传输方案的优化设计与系统性能分析。有关IEEE802.11系列在WLAN场景下的MIMO传输方案及性能分析的研究目前已有较多的进展。Bianchi最早对IEEE802.11的机制DCF进行了性能分析，利用二维Markov链描述了用户接入机制CSMA，并且分析了其吞吐量性能[1]综上所述，目前还没有文献完全基于IEEE802.11ac标准协议的规定而对其多用户MIMO传输方案进行研究。因此本文在IEEE802.11acDraft2.0标准草案的基础上对其多用户MIMO传输机制进行了深入研究，提出了几点改进的优化设计方案，并完成了相应的系统性能分析。所提出的改进方案包括：第一，针对多用户预编码要求的信道信息比较精确的特点提出在其传输机会(TXOP)初始化后用块确认(BA)帧对信噪比进行反馈来提高多用户预编码的性能，并基于该反馈信息，采用“和速率”最大化准则进行了功率分配的优化设计；第二，针对MIMO多用户分组后通信需要进行RTS轮询的机制，规定接入站点(AP)需要先对主接入类别(AC)用户进行轮询以提高TXOP初始化成功的概率；第三，由于MIMO多用户分组后，一个用户组有多个主AC用户，如果只对第一个主AC用户轮询后失败就放弃该TXOP初始化，则对第2个主AC用户不公平，因此提出在多个主AC用户存在时AP需要对第2个主AC用户轮询后再决定是否放弃该TXOP。仿真结果表明，改进的传输方案在误比特率(BER)和吞吐量方面获得明显的性能增益，且针对性能的理论分析与仿真结果相吻合。。Gong等人在文献[2]中研究了CSMA/CA的WLANMAC协议下的多用户MIMO传输方法，然而该研究的多种处理方案和目前IEEE802.11ac标准的多用户方案并不吻合，因而不能得到应用，例如它是挑选竞争到信道的多个用户而进行的多用户传输，而IEEE802.11ac标准的多用户实现是基于4种接入类别(AC，accesscategory)，即话音(voice)、视频(video)、尽最大努力(besteffort)和背景(background)接入来竞争信道，而且多用户传输之前需要对不同用户进行分组(Group),帧结构和作用如图1所示。Choi等人在文献[3]中也研究了IEEE802.11在WLAN中的多用户MIMO传输方法，然而该文献是先定义了多个门限，大于该门限的用户可以进行MU-MIMO操作，无法与当前所定的IEEE802.11ac标准匹配。文献[4]在IEEE802.11n的单用户MIMO的基础上对其RTS帧结构进行改进，并利用随机波束对多用户进行预编码，且不需要信道的反馈，这种随机波束的预编码方案的优点是简单易行，但缺点则是无法有效消除多用户信道之间的干扰从而会降低MU-MIMO传输的性能。·98·通信学报第34卷2IEEE802.11ac中的多用户MIMO传输机制MIMO/MISO的多用户发送方案可以给不同用户分配数据流从而增加整个系统的容量。多用户MIMO/MISO信道主要分为上行多址接入信道(MAC)和下行广播信道(BC)2个方面。由于IEEE802.11ac标准不采用上行多用户的方案，所以其多用户MIMO的研究主要关于下行多用户发送方面的研究，多用户传输的前提是发送端需要获得所需的信道状态信息，若AP已知信道信息(CSI)，用户间的干扰可以通过发送端的预编码来减小或者消除。多用户MIMO预编码主要包括2类，一类是线性预编码方法，如迫零、MMSE预编码方案等，另一类是非线性预编码方法，如DPC预编码等。虽然DPC等非线性预编码方案在理论上有更好的性能改善，但是在IEEE802.11ac的实际应用场景下，信道信息的误差会严重影响其性能的提升，另外它在实现方面更难以求解，包括一些目标函数和约束条件下的优化求解，例如最大化加权“和速率”目标函数下的功率分配问题，非线性预编码方案很难得到解析解，然而线性预编码的方案可以获得最优解，因此这里将研究IEEE802.11ac中的多用户MIMO线性预编码。IEEE802.11ac的MU-MIMO基本实现流程如下。1)用户站点STA通过扫描(分为主动扫描和被动扫描)得到信道列表以决定加入哪个基本服务区(BSS,basicserviceset)。2)用户站点STA需要通过加入BSS的身份认证。3)用户站点STA认证成功后和接入站点AP建立关联(若认证或