Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Введение

Многопользовательские беспроводные локальные сети MIMO Wave 2 [107] являются частью стандарта IEEE 802.11ac. Однопользовательская сеть WLAN может обслуживать несколько активных устройств (персональный компьютер, планшет, телевизор, мобильный телефон).

Совсем недавно маршрутизаторы ставились только в солидных организациях и компаниях, но в последние пять лет они все чаще стали появляться в частных домах, так как многие пользователи имеет по паре компьютеров дома, плюс планшет и смартфон. И это при условии, что другие члены семью не пользуются Интернет. Строго говоря, это не маршрутизаторы в классическом понимании этот термина. Протоколы маршрутизации для таких устройств в стадии разработки.

Из-за бума в беспроводых технологиях, а также благодаря росту числа приложений, требующих большой полосы пропускания (напр., видео и облачные загрузки) современные беспроводные LAN становятся достаточно загруженными. Multi-user Multiple-Input и Multiple-Output (MU-MIMO) обращают на себя внимание из-за их огромного потенциала увеличения пропускной способности WLAN (смотри [107, Chip 12/14, стр. 106]).

В стандарте IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных для каждого из потоков достигает 150 Мбит/c. Устройства с четырьмя антеннами теоретически смогут передавать данные со скоростью 600 Мбит/c. Но увеличение числа антенн не может гарантировать кратного ускорения передачи информации. Современная технология MIMO может управлять диаграммой направленности каждой из антенн и оптимизировать ее для каждого радио сигнала.

Если через WLAN передается файл и используется MIMO-маршрутизатор с тремя антеннами, каждое передающее устройство при наличии у приемника трех антенн отправит треть файла. Но не следует думать, что чем больше антенн, тем больше пропускная способность. MU-MIMO c тремя антеннами может одновременно обслуживать трех клиентов. В многопользовательской системе каждые 10 мс производится анализ свойств канала. В однопользовательском варианте это делается каждые 100мс.

Чтобы маршрутизатор мог работать с несколькими клиентами, ему нужны данные об из расположении. Для получения такой информации по всем направлениям посылаются тестовые пакеты. Клиенты откликаются на эти пакеты, а базовая станция сохраняет информацию об уровне сигнала. Многопользовательская MIMO может одновременно обслуживать четырех клиентов, при этом каждый клиент может параллельно принимать до четырех потоков данных.

Одной из основных проблем MU-MIMO является интерференция сигналов от разных клиентов.

Ниже представлен обзор по проблематике SU-MIMO и MU-MIMO [106].

Основная часть

Multiple-input multiple-output (MIMO) является одной из форм технологии смарт антенн, где для улучшения коммуникаций используется несколько антенн, как у передатчика, так и у приемника. Ниже рассматривается проблема управления доступом для беспроводных локальных сетей (WLAN) с возможностью обслуживания большого числа пользователей (DL MU MIMO). Для решения задачи предлагается использовать протокол CSMA/CA MAC с тремя механизмами отклика для DL MU MIMO. Проводилось исследование работы DL MU MIMO с подходом BF (beam-forming). Предлагается новый по-станционный механизм организации очередей, который предназначен для уменьшения влияния проблемы скрытого сетевого узла. Анализ рабочих характеристик и моделирование показывают, что предлагаемый механизм DL MU MIMO приводит к низкой избыточности и обеспечивает большую полосу пропускания по сравнению с подходом BF.

Стандарт IEEE 802.11 представляет собой набор регламентаций для физического (PHY) и промежуточного (MAC) уровней управления беспроводных локальных сетей (WLAN). В настоящий момент сети IEEE 802.11 WLAN вмещают в себя 40% Internet трафика [1].

Multi-user Multiple-Input и Multiple-Output (MU-MIMO), введенные в рамках IEEE 802.11ac [2], являются шагом в направлении WLAN гигабитного диапазона. По сравнению с Single-user MIMO (SU-MIMO), который ориентирован на передачу данных для одного места назначения, MU-MIMO имеет следующие три преимущества:

(1) Увеличенную пропускную способность. При использовании SU-MIMO, теоретическое значение емкости канала характеризуется мультипликативным фактором min{Nt;Nr}, где Nt и Nr являются числами передающих и принимающих антенн [3] [4]; в то время как в случае MU-MIMO, мультиплекативный фактор становится равным min{aNt; bNr}, где a и b равны числу одновременно используемых передатчиков и приемников;
(2) Увеличенная вариативность. Пространственно распределенные станции делает систему MU-MIMO менее чувствительной к канальным потерям и корреляциям антенн [5], которая может повлиять на рабочие характеристики SU-MIMO системы через ограничения доступной полосы пропускания;
(3) Уменьшенная стоимость терминала. Система MU-MIMO поддерживает несколько отдельных станций (оборудованных одной антенной) для одновременных коммуникаций с точкой доступа (AP), что делает возможным разработку компактных и дешевых пользовательских терминалов.

MAC, используемый несколькими станциями (STA), работающими через общий беспроводной канал, может быть соотнесен со старыми протоколами, использованными в сетях ALOHA в 1970-х [9] и сравнен с современным протоколом доступа CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) базирующимся на DCF (Distributed Coordination Function) IEEE 802.11. Так как механизм IEEE 802.11 MAC поддерживает одновременно только один обмен, который не может реализовать потенциал обменов MU-MIMO, таким образом, предложения MU-MIMO MAC пытаются адаптировать кадровую структуру, а также их операционные процедуры для управления параллельным обменом между станциями.

Существует две основные MAC-категории: (1) С фиксированной привязкой, где рабочие частоты канала, время доступа, взаимно ортогональные коды или разная поляризация определены заранее для каждой станции, в частности, Frequency Division (деление по частоте), Time Division (деление по времени), Code Division (кодовое деление) или Polarization Division Multiple Access (FDMA, TDMA, CDMA и PDMA); и (2) произвольный доступ, где каждая станция независимо определяют, когда претендовать на канал, напр., Aloha и CSMA/CA. Важно заметить, что Space Division Multiple Access (SDMA - пространственное разделение) является схемой доступа к среде, использующей параллельные пространственные потоки. В этом смысле обмен MU-MIMO, где несколько пространственно разнесенных узлов участвуют в параллельной передаче данных, является формой SDMA.

В силу следующих трех причин, произвольный доступ, базирующийся на CSMA/CA, определяет MAC-механизм WLAN.
Во-первых, обратная совместимость. Исходный трафик WLAN является спорадическим, импульсивным, и асимметричным. Хотя за последние десять лет, трафик увеличился значительно, и форматы трафика включают в себя web-просмотр и файловый обмен.
Во-вторых, сосуществование с другими сетям. Соседние WLAN, беспроводные сенсорные сети и частные Bluetooth сети, которые все работают в диапазоне ISM (Industrial Scientific Medical), создают заметные помехи друг другу. CSMA/CA предлагает простое но эффективное решение (т.e., слушать и только потом передавать) для разделения нелицензированного спектра частот между конкурирующими сетями.
В-третьих, простота реализации. Реализация схемы произвольного доступа проще по сравнению с другими. По этой причине нет необходимости использовать точные часы для целей синхронизации, или реализовывать сложные функции для выполнения диспетчеризации.

Центральным пунктом документа является изучение произвольного доступа на основе MAC-механизмов для MU-MIMO WLAN. Существует три важных пункта в данном документе. (1) Сообщается о IEEE прогрессе в области MAC, дается обзор важных предложений MU-MIMO MAC в литературе. (2) В процессе этого обзора, идентифицируются ключевые требования для создания эффективных протоколов MU-MIMO MAC, таких как получение информации о состоянии канала (CSI), кодировка/декодировка и схемы диспетчеризации. Эти требования используются как критерии MU-MIMO MAC предложений в литературе. (3) Обсуждаются важные принципы и нерешенные проблемы после обзора литературы в каждом субразделе, рассматриваются также некоторые прогнозы на будущее MU-MIMO MAC структуры, такой как uplink MU-MIMO, новые алгоритмы возврата и полно-дуплексный обмен.

Далее, в разделе кратко рассматриваются эволюция стандартов и поправок IEEE 802.11 и их фундаментальные MAC-механизмы, чтобы разъяснить MAC разработку, продвигаемую комитетом IEEE. Далее, в разделе III определяются ключевые требования для протоколов MU-MIMO MA. После этого, в разделе V обсуждаются некоторые проблемы и будущие направления развития.

Таблица 1. Термины и сокращения

Access Category (AC)
Категория доступа Additive White Gaussian Noise (AWGN)
Белый Гауссов шум Network Allocation Vector (NAV)
Сетевой вектор Access Point (AP)
Точка доступа Aggregated MAC Protocol Data Unit (A-MPDU)
Агрегированный протокольный блок данных МАС-протокола Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
Ортогональное мультиплексирование по частоте Acknowledgement (ACK)
Подтверждение Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA)
Протокол доступа CSMA/CA Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Квадратурная амплитудная модуляция Backoff (BO)
Возврат/отсрочка Channel State Information (CSI)
Данные о состоянии канала Quality of Service (QoS)
Качество обслуживания Clear-to-Send (CTS)
Code Division Multiple Access (CDMA)
Кодовое мультиплексирование Reduced Inter Frame Space (RIFS)
Уменьшенное межкадровое расстояние Contention Window (CW)
Окно соревнования Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
Short Inter Frame Space (SIFS)
Малое межкадровое расстояние DCF Inter Frame Space (DIFS)
Межкадровое расстояние DCF Distributed Coordination Function (DCF)
Распределенная функция координации Signal-Interference-Noise Ratio (SINR)
Отношение шум - сигнальная интерференция Dirty Paper Coding (DPC)
Кодирование типа "Dirty Paper" Enhanced Distribution Channel Access EDCA
Улучшенный распределенный доступ к каналу Signal-Noise Ratio (SNR)
Отношение сигнал-шум Explicit Compressed Feedback (ECFB)
Явная сжатая обратная связь Frequency Division Multiple Access (FDMA)
Доступ с разделением по частоте Single-user Multiple-Input Multiple-Output (SU-MIMO)
Однопользовательский MIMO First-in First-out (FIFO)
Стековая схема буфера Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
Схема переключения несущей частоты Software Defined Radio (SDR)
Программно управляемое радио High Throughput (HT)
Высокая пропускная способность Minimum Mean Square Error (MMSE)
Минимальная средне-квадратичная ошибка Interference Cancellation (SIC)
Последовательное подавление интерференции Maximum Likelihood (ML)
Максимальное правдоподобие Multi-Packet Reception (MPR)
Многопакетный прием Time Division Multiple Access (TDMA)
Доступ с разделением по времени Medium Access Control (MAC)
Управление доступом к сетевой среде Multi-Packet Transmission (MPT)
Многопакетная передача Transmit Opportunity (TXOP)
Возможность передачи Physical Layer (PHY)
Физический уровень Multi-user Detection (MUD)
Многопользовательское детектирование Very High Throughput (VHT)
Очень высокая пропускная способность Request-to-Send (RTS)
Запрос посылки Multi-user Interference Cancellation (MUIC)
Блокировка интерференции при большом числе пользователей Wireless Local Area Networks (WLAN)
Локальная беспроводная сеть Station (STA)
Станция Multiple-user Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO)
Многопользовательский MIMO Zero Forcing Beamforming (ZFBF)
Вид формирования диаграммы направленности


II. Эволюция IEEE 802.11 и MAC-схем

В данном разделе дается обзор эволюции стандартов-поправок IEEE 802.11, а также рассматривается то, как работает специфицированная IEEE 802.11 схема МАС. Этот обзор не рассматривает все аспекты стандартов/обновлений IEEE 802.11, а концентрируется на фоновой информации, которая тесно связана с темой обзора, в частности, с управлением доступом к среде.

A. IEEE 802.11 Стандарты/Поправки

1) Стандарты: Вообще говоря, как стандарты, так и обновления могут использоваться совместно, как разные варианты IEEE стандартов или обновлений. Однако, более точная номенклатура определяет стандарты документов с обязательными требованиями (называемые как IEEE 802.11, за которым следует год опубликования, напр., IEEE 802.11-2012), а поправки-обновления как документы, которые что-то дополняют, удаляют, или модифицируют материалы в части существующих стандартов [10] (обозначенных как IEEE 802.11, за которым следует строчная буква или буквы, напр., IEEE 802.11n или 802.11ac).

С 1997, IEEE выпущено четыре стандарта: 802.11-1997, 802.11-1999, 802.11-2007 и 802.11- 2012. IEEE 802.11-2012 [11] является последней и единственной версией, которая готовится к публикации. Стандарты непрерывно совершенствуются с помощью обновлений, напр., 802.11-2012 был создан путем объединения десяти обновлений, таких как 802.11n и 802.11p с базовым стандартом 802.11-2007, который был заменен позднее 802.11-2012. Другими словами, каждый стандарт будет заменен своим последователем.

2) Обновления: В 1999, было два обновления: (1) IEEE 802.11a работает в диапазоне 5 ГГц, используя мультиплексирование OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) при максимальной скорости передачи данных 54 Mbps; (2) IEEE 802.11b работает в диапазоне 2:4 ГГц, используя DSSS-модуляцию (Direct Sequence Spread Spectrum) с максимальной скоростью передачи 11 Mbps. По сравнению с 802.11-1997, 802.11b существенно увеличивает скорость передачи данных (с 2 Mbps до 11 Mbps), используя ту же технику модуляции и частотный диапазон, который делает 802.11b WLAN-технологией. В 2003, IEEE 802.11g, было утверждено новое обновление, работающее в диапазоне 2,4 GHz. Оно расширяет максимальную скорость передачи 802.11b до 54 Mbps. IEEE 802.11n [12], принятое в 2009, работает либо в диапазоне 2,4 GHz, либо 5 GHz, расширяя скорость передачи данных до 150 Mbps (600 Mbps при 4 потоках) при использовании MIMO.

802.11ac [2] является последним обновлением IEEE, одобренным в 2013. Он работает в диапазоне 5 ГГц. В связи с требованиями высокой пропускной способности 802.11ac имеет целью предоставить пропускную способность для нескольких станций по крайней мере 1 Гбит/сек, в частности, Very High Throughput (VHT) WLAN. По сравнению с 802.11n, это существенное улучшение достигнуто путем введения новых PHY и MAC возможностей, таких как более широкие полосы пропускания (80 и 160 MHz), эффективные схемы модуляции (256-QAM: Quadrature Amplitude Modulation - квадратурная амплитудная модуляция), обязательный формат кадра (A-MPDU: агрегированный блок протокольных MAC-данных), и что особенно важно, обмены данными downlink MU-MIMO (поддерживается одновременный обмен с четырьмя станциями с максимальным числом потоков 8).

Хотя каждое обновление отменяется, когда оно становится частью нового стандарта, обозначение IEEE 802.11a/b/g/n/ac часто используется поставщиками для обозначения совместимости их продуктов.

Таблица II. Характеристики стандартов и обновлений IEEE 802.11

Версия Описание Частота Макс. скорость передачи данных Модуляция 802.11-1997 WLAN MAC and PHY Specifications 20 (MHz) @ 2.4 (GHz) 2 (Mbps) DSSS, FHSS 802.11-1999 Part II WLAN MAC and PHY Specifications 20 @ 2.4 2 DSSS, FHSS a Higher Speed PHY Extension 20 @ 5 54 OFDM b Higher Speed PHY Extension 20 @ 2.4 - DSSS g Further Higher Data Rate Extension 20 @ 2.4 54 OFDM, DSSS 802.11-2007 Standard Maintenance Revision - - - n Высокая пропускная способность 20, 40 @ 2.4, 5 150 x 4 OFDM 802.11-2012 Accumulated Maintenance Changes - - - ac Очень высокая пропускная способность 20, 40, 80, 160 @ 5 866.7 x 8 OFDM ax Высокая эффективность WLAN (примерно. 2019) Менее 6 GHz - OFDM


3) Следующее обновление-802.11ax: В марте 2014, IEEE сформировало новую рабочую группу-802.11ax [13], целью которой является достижение высокой эффективности WLAN (HEW) как в помещениях, так и вне. 802.11ax будет работать в частотных диапазонах между 1 и 6 GHz. При описании рабочих характеристик фокус обновления смещается с улучшения полосы пропускания на полосу, полученную каждой станцией, конечной целью четырехкратного увеличения пропускной способности каждой станцией по сравнению с существующими стандартами и обновлениями. Проводящееся обновление находится на ранней стадии, ожидается, что работа будет завершена в 2019.

Ключевые характеристики стандартов/обновлений IEEE 802.11 представлены в таблице II, где FHSS означает Frequency Hopping Spread Spectrum.

4) Новые частотные диапазоны IEEE 802.11: Помимо традиционных частотных диапазонов (2,4 и 5 GHz), IEEE 802.11 расширен для поддержки других частотных диапазонов.

IEEE 802.11ad [17], еще одно расширение VHT WLAN будет работать в диапазоне 60 GHz и ориентировано на работу при нескольких гигабайт данных в сек для каналов точка-точка (при расстоянии около 10 метров). Типичным сценарием приложения 802.11ad является беспроводная пересылка слегка сжатых или вообще не сжатых данных в видео высокого разрешения для домашних систем развлечения. Благодаря характеристикам диапазона 60 GHz, сопряженных с высокими потерями и ослаблением сигнала следует использовать узконаправленную систему передачи и приема.

IEEE 802.11ah [18] будет работать в субдиапазоне GHz. Главной целью расширения является повышения энергоэффективности и сохранение механизмов группирования станций. Типичным случаем применения является умная измерительная сеть с большим числом датчиков, где высока вероятность столкновений и возможно наличие скрытых узлов. 802.11ah будет разделять узлы на группы, чтобы экономить энергию и сократить конкуренцию узлов за канал для данной группы в данный момент [19] [20].

Из-за специального назначения каждого расширения и уникальных особенностей используемой частоты MU-MIMO MAC-схемы, которые были ориентированы на WLAN традиционных частотных диапазонов, не могут быть применены для этих расширений. Например, 802.11ah полагается на весьма централизованную схему доступа к среде, в то время как 802.11ad должен использовать технику сканирования луча для детектирования станции, а не всенаправленный вариант, принятый в IEEE 802.11 DCF. Следовательно, данный документ сконцентрирован на MAC-предложениях для традиционных диапазонов, т.e., 2,4 и 5 GHz. Однако, потенциальное сотрудничество на MAC-уровне между протоколами традиционных и новых частотных диапазонов будет обсуждено в разделе V-Future Directions.

B. Управление доступом к сетевой среде IEEE 802.11

Хотя IEEE 802.11 специфицирует три MAC-механизма, в частности, DCF, PCF (Point Coordination Function) и HCCA (Hybrid Coordination Function Controlled Access), данный документ рассматривает только распределенный и произвольный доступ, базирующийся на MAC-схемах, так как PCF и HCCA (т.e., централизованные схемы) не адаптированы ни в промышленности, ни в академической среде.

1) Функция распределенной координации: DCF является фундаментальной схемой доступа к сетевой среде для WLAN, базирующейся на IEEE 802.11. Схема базируется на CSMA/CA, чтобы детектировать и разделять беспроводный канал для нескольких станций. DCF может работать либо в базовом режиме доступа, (рис. 1(a)) либо в рамках опционной схемы Request-to-Send/Clear-to-Send (RTS/CTS, рис. 1(b)). DCF требует от станции отслеживания состояния канала. Если канал был в пассивном состоянии в течение DIFS (DCF Inter Frame Space), каждая станция запускает обратный отсчет таймера (BO), чтобы претендовать на доступ к каналу в соответствии с CW (Contention Window). Станция с самым низким BO выиграет соревнование за канал и начнет передавать кадры. Если более одной станции выберет один и тот же BO, произойдет столкновение. Когда переданный кадр успешно получен, получатель ждет завершения SIFS (Short Inter Frame Space) и после этого посылает ACK (Acknowledgement - подтверждение). Заметим, что как только выигравшая станция отправляет кадр, другие станции увидят, что канал оказался занят, следовательно нужно немедленно остановить свои BO таймеры. Эти станции будут ждать пассивности канала до следующего DIFS, и возобновят обратный отсчет оставшихся значений BO таймеров. Станция, которая выиграла соревнование за канал в предыдущем цикле, переустанавливает свой BO таймер и готовится к следующей попытке передачи.

Примеры успешной передачи для базовой схемы доступа и RTS/CTS представлены на рис. 1, где B обозначает, что в исходном состоянии канал занят. Более детальное описание DCF можно найти в стандарте 802.11-2012 [11].

Рис. 1. Процедуры передачи 802.11 DCF

2) Улучшенный распределенный доступ к каналу: IEEE 802.11e [21] предлагает расширение для DCF-Enhanced Distribution Channel Access (EDCA), в качестве отклика на требование качества обслуживания (QoS) для голосовых и видео приложений. Существует два главных отличия между DCF и EDCA. Во-первых, DCF не различает трафик для разных приложений, в то время как EDCA классифицирует трафик по четырем категориям доступа AC (Access Categories) с разными приоритетами: голос (AC VO), видео (AC VI), наилучшее возможное (AC BE) и фон (AC BK). Делая так, EDCA может присвоить AC разные параметры. Например, возможность максимальной передачи (TXOP, бесконкурентный интервал, во время которого станция может передать столько кадров, сколько возможно) для AC VO и AC VI это 1,504 ms и 3,008 ms, соответственно. Во-вторых, существует различие, когда DCF и EDCA предоставляют возможность станции декриментировать таймер BO. В DCF станция уменьшает значение BO таймера в конце каждого периода (slot), в то время как в EDCA, декриментация таймера производится в начале каждого периода (slot). Смотрите [11] и [22] для детального сравнения DCF и EDCA, и [23] для варианта поддержки QoS в WLAN.

III. Требования к протоколам MU-MIMO MAC для WLAN

MU-MIMO обмен в WLAN имеет два пути обмена, uplink (т.е., станции передают кадры в AP, который называется также MIMO-MAC каналом) и downlink (т.е., когда AP посылает данные группе станций одновременно, этот путь называется также широковещательным MIMO каналом). MU-MIMO uplink и downlink обмены сталкиваются с разными трудностями, и, следовательно, имеет разные требования к структуре MAC-протоколов.

A. Схемы De/Pre-coding для одновременного приема/передачи

В uplink AP должен разделить одновременно передаваемые сигналы от станций, где возникает проблема с детектированием большого числа пользователей (MUD - Multi-user Detection). В downlink AP должен, во-первых, на основе определенных критериев, таких как состояние очередей, выбрать группу станций, которые пространственно не взаимодействуют (проблема диспетчеризации), и, во-вторых, предварительно закодировать исходящие кадры, чтобы исключить интерференцию между одновременными потоками в пространстве (проблема подавления многопользовательской интерференции - MUIC).

Иллюстрация схемы передачи MU-MIMO uplink и downlink приведена на рис. 2 (MUD и MUID).


Рис. 2. Многопользовательская передача для Up/Down-link

1) Схемы MUD для одновременного приема Uplink:

  1. Минимальная средне-квадратичная ошибка (MMSE): Сигналы AP, полученные каждой антенной, умножаются на комплексный вес и затем суммируются. Вес настраивается путем минимизации разности между складываемым и эталонным сигналами, которые известны как AP, так и станции. Рабочие характеристики схемы MMSE MUD улучшаются по мере увеличения числа AP антенн, и ухудшаются по мере роста масштаба сети [24].
  2. Максимум правдоподобия (ML): ML MUD проводит исчерпывающий поиск, с тем чтобы найти переданные сигналы. Система предоставляет наилучшие условия работы, но сопряжена с большой сложностью, которая увеличивается экспоненциально с ростом числа станций, которые допускаются в практических системах.
  3. Сфера декодирования (SD): Некоторые SD, базирующиеся на алгоритмах MUD предлагают уменьшить сложность ML MUD. Идея заключается в уменьшении радиуса области поиска, ограничиваясь окрестностями решения ML.
  4. Предотвращение последовательной интерференции (SIC): SIC MUD является улучшением MMSE. Алгоритм улучшения детектирования используется для оценки полученной мощности AP. Детектируется сигнал с наибольшей мощностью, который в наименьшей мере интерферирует с другими. Этот детектированный сигнал затем вычитается из микшированных сигналов, и с привлечением того же процесса выделяется следующий наибольший сигнал пока не будет определен наиболее слабый сигнал станции. Неверное выделение сигнала из суперпозиции сигналов станций может сказываться на результатах последующих операций [25].

Схемы MUIC для одновременной передачи Downlink: Хотя одновременная передача downlink от AP к нескольким станциям может рассматриваться как комбинация нескольких однопользовательских передач, произвольное и независимое положение станции усложняет процесс на стороне STA при нескольких станциях. Следовательно, большая часть предложений в литературе связана с предварительным кодированием исходящих сигналов AP для минимизации интерференции при нескольких информационных потоках.

  1. Нулевое усилие (ZF): В схеме ZF, исходный сигнал умножается на псевдоинвертированную матрицу канала при полностью нулевом MUI. Условиями являются (1) AP имеет полный CSI, а (2) канал является инвертируемым. Путем умножения на псевдо инверсный вес, схема ZF увеличивает частоту ошибок (из-за усиления шумового вектора). Усиленный шумовой вектор указывает, что ZF может работать только в области высоких отношений сигнал-шум (SNR). Кроме того, схема ZF требует, чтобы полное число приемных антенн было не меньше числа передающих антенн [26].

    Схема MMSE может минимизировать общую частоту ошибок без увеличения уровня шума. [25] и [26] показали, что схема MMSE работает лучше, чем ZF в области низких значений SNR, и приближается по характеристикам к ZF в области высоких значений SNR.

  2. Диагонализация блока (BD): BD является обобщенной техникой инверсии канала, особенно когда приемники имеют несколько антенн [6]. Декомпозиция сингулярного значения (SVD) используется для удаления унитарных матриц, которые делают сложность вычислений BD выше, чем для MMSE.
  3. Кодирование Dirty Paper (DPC): DPC является нелинейной схемой предварительного кодирования, впервые использованной Costa [27], которая может достичь оптимальных рабочих характеристик за счет заметного увеличения вычислительной сложности. Идея заключается в том, чтобы добавить смещение (негативное значение интерференции, которое известно на стороне AP) к переданному сигналу, который подразумевает, что (1) AP должен знать интерференцию заранее, и (2) AP всегда имеет кодовые слова, т.е., бесконечную длину кодовых слов, которые делают DPC не приемлемым для практического использования.

B. Получения информации о состоянии канала

Схемы MUD и MUIC позволяют системам MU-MIMO разделить одновременно получаемые/отправляемые кадры, и достичь выигрыша при пространственном мультиплексировании. Однако, важно отметить, что в выше приведенном описании владельцем CSI является AP.

Большинство предложений в литературе встраивает получение CSI в операции MAC. Существует два типа CSI: статистический CSI и немедленный. Первый использует статистические свойства канала (напр., распределение затухания, среднее значение усиления канала и пространственную корреляцию), для того чтобы определить CSI, которая работает хорошо в сценарии, где канал имеет большое среднее значение параметра (т.е., большой фактор Rician) или большую корреляцию (в пространстве, времени, или по частоте) [28].

Таблица III. Характеристики схем MUD/MUIC

Имя Тип Основные характеристики Замечания Нулевое усилие (ZF) Линейный, MUD/MUIC Полное подавление интерференции с полным CSI Усиленный шум Минимальная среднеквадратичная ошибка(MMSE) Линейный, MUD/MUIC Полное подавление интерференции с полным CSI Превосходит ZF при низком SNR Максимальное правдоподобие (ML) Нелинейный, MUD Performance bound of MUD Исчерпывающий поиск; Экспоненциальная сложность Подавление последовательной интерференции (SIC) Нелинейный MUD компромисс между ML & MMSE Перенос ошибки Block diagonalization (BD) Linear, MUIC Более сложный чем MMSE SVD; Многоантенные приемники; Обобщенная инверсия канала Dirty Paper Coding (DPC) Нелинейной, MUIC Performance bound of MUIC Бесконечные кодовые слова; Непрактично для использования


Немедленный CSI (или краткосрочный CSI) означает, что состояние текущего канала известно и может быть приспособлено для передачи выходного сигнала. Так как беспроводный сигнал постоянно варьируется, немедленный CSI должен оцениваться периодически и достаточно часто. Получение данных CSI может быть выполнено путем оценки специальных последовательностей, известных как передатчикам, так и приемникам. В uplink AP может легко извлечь uplink CSI из PHY-преамбул полученных кадров. В то время как в downlink, получение CSI не является непосредственным. В зависимости от того, кто вычисляет CSI, существует две схемы обратной связи CSI: (1) неявная обратная связь (рис. 3(a)), где AP вычисляет CSI путем оценки последовательностей, посланных станциями, и (2) явная схема обратной связи (рис. 3(b)), где станции вычисляют CSI путем анализа последовательностей, посланных AP, а станции затем посылают вычисленную CSI к AP.

Рис. 3. Неявная & явная процедуры обратной связи CSI

Предполагая взаимное влияние каналов up/down-link, неявная схема обратной связи требует меньшей избыточности по сравнению с явной. Однако, в практических WLAN-системах, канал и интерференция, видимые станцией, вообще говоря не являются теми же, что видит AP из-за их разных передающих/приемных фильтров и PHY-путей. Следовательно, обычно нужна калибровка антенн [2], чтобы уменьшить искажения, если применена неявная обратная связь.

Явная схема обратной связи (explicit feedback), т.e., обратная связь CSI станции, предоставляет более высокое CSI разрешение, но в то же время большие издержки. Кадры управления MAC обычно расширяются для поддержки обратной связи CSI, в то время как явная компрессированная схема обратной связи (ECFB) введена IEEE 802.11ac, чтобы упорядочить и сжать данные обратной связи CSI.

Не важно, какая схема обратной связи CSI применена, неявная или явная, частота обратной связи CSI будет существенно влиять на работу сети. Это происходит из-за того, что частые обратные связи CSI увеличивают издержки, в то время как редкие приводят к устареванию данных CSI, что ведет к интерференции между параллельными потоками. Пожалуйста, смотрите [29] и [30] для более детального знакомства с неявными и явными схемами обратной связи CSI.

C. Схема диспетчеризации

Другим ключевым моментом устройства протоколов MU-MIMO MAC является схема диспетчеризации. Она используется для выбора группы станций или кадров для обмена, что может оптимизировать определенные аспекты работы системы в соответствии со специфическими критериями группирования. Структура схемы диспетчеризации может быть разделена на две части: диспетчеризация в uplink и downlink. Последняя может быть легко категорирована отдельными алгоритмами диспетчеризации (напр., схемой с карусельной диспетчеризацией или покадровой схемой FIFO (first-in first-out), в то время как первая не является непосредственной. Причина и категорирование схем диспетчеризации uplink могут быть описаны следующим образом.

1)Диспетчеризация в Uplink: В uplink, очень не просто принимать решение о диспетчеризации для станций, разнесенных в пространстве. Как показано на рис. 4, только три рассматриваемые статьи обсуждают схемы диспетчеризации, которые будут подробно описаны в разделе IV, посвященном протоколам.

Рис. 4. Категории uplink обменов

В зависимости от того, используется ли процесс обмена RTS/CTS (т.е., играет ли AP координирующую роль в ходе процесса передачи данных и проверяет ли кадры перед отправкой данных), обмены uplink относятся к координированным и некоординированным. В некоординированном сценарии станции используют механизм произвольного MAC-доступа для определения того, кому разрешен обмен, который имеет два варианта: синхронный [31] и асинхронный [32] информационный обмен, как показано на рис. 5. Синхронная схема позволяет работать нескольким станциям, которые выбрали один и тот же BO для одновременной передачи кадров, в то время как асинхронный режим позволяет станциям передавать кадры одновременно в обоих направлениях.

Рис. 5. Категории обменов uplink

В координированном сценарии станции используют произвольный доступ к каналу, в то же время позволяя AP решать, кто будет участвовать в последующих параллельных обменах. Схема доступа координированного uplink предполагает участие AP (в качестве координатора) и использование обмена RTS/CTS [33]. AP извлекает нужную информацию из RTS, посланного станциями, и затем принимает диспетчерское решение для одновременной передачи кадра (т.е., обмен по расписанию), или AP просто откликается на полученное RTS, чтобы уведомить, кто выиграл право использовать канал (т.е., обмен вне расписания). Общий пример координированного доступа uplink показан на рис. 6, который может быть отнесен как к диспетчеризованному и недисптчризованному варианту в зависимости от того, был ли CTS расширен для поддержки диспетчеризации.


Рис. 6. Доступ к координатному каналу uplink

Хотя некоординированный доступ к каналу требует мало модификаций по сравнению с координированным, похоже, что пространственный домен не будет использован полностью. Причина заключается в том, что одновременный доступ uplink по некоординированной схеме базируется на механизме произвольности отката IEEE 802.11. Координированный доступ uplink-канала позволяет AP быть посредником при обмене, либо уведомляя группу станций, которая выиграла доступ к каналу, либо принимая решение диспетчеризации, которое имеет целью оптимизацию работы системы. Очевидно, координированная схема будет создавать избыточность (напр., дополнительные поля в RTS/CTS), которые нужны AP для лучшего использования пространственного домена.

2) Диспетчеризация в Downlink: По сравнению с uplink, AP играет более прямую роль в диспетчеризации downlink, которая может быть классифицирована как диспетчеризация, базирующаяся на пакетах и базирующаяся на станциях. В принципе, при обменах uplink могут быть использованы следующие схемы downlink диспетчеризации. Однако, они были адаптированы к очень малому числу предложений из-за трудности и избыточности при реализации uplink диспетчеризации для распределенных в пространстве станций.

Алгоритмы диспетчеризации, базирующиеся на пакетах, используют состояние очереди пакетов в AP в качестве метрики диспетчеризации при мультипакетном обмене для MU-MIMO downlink. Алгоритмы пакетной диспетчеризации включают First-in First-out (FIFO) [34]–[37], взвешенные справедливые очереди (WFQ, с разбивкой пакетов определенных типов по приоритетам) [38], [39], динамические алгоритмы диспетчеризации реального времени (EDF, базирующиеся на времени ожидания пакетов в очереди), прожорливые [40], [41] и т.д.

Диспетчеризация, базирующаяся на станциях, использует некоторые критерии, чтобы идентифицировать набор станций для организации одновременных downlink обменов. Эти критерии включают в себя состояние канала [42]–[46], пространственную совместимость, справедливое распределение ресурсов и т.д.. Диспетчеризация, базирующаяся исключительно на состоянии канала, называемая также оппортунистической диспетчеризацией, выделяет набор станций с наилучшими условиями канала. Сходная концепция применяется в случае диспетчеризации, базирующейся на пространственной совместимости, которая рассматривает взаимное влияние станций с целью минимизации интерференции. Ни одна из этих версий не учитывает справедливость распределения ресурсов, которая часто работает в карусельной схеме диспетчеризации.

Обычно рассматривается комбинация вышеупомянутых схем диспетчеризации. Например, диспетчер с пропорциональным распределением ресурсов обычно рассматривает произведение емкости канала и справедливость распределения ресурсов. Однако, как это было описано выше, наиболее часто используемой схемой диспетчеризации является FIFO и оппортунистическая, за которыми следуют WFQ и "прожорливая" (greedy). Причины заключаются в следующем. По сравнению с сотовыми сетями, (1) WLAN состоит из небольшого числа станций, (2) Станция WLAN является более стабильной с точки зрения скорости перемещения и окружающей среды, и (3) AP обычно является менее мощным по отношения к базовой станции сотовой сети.

Комбинация нескольких критериев указывает, что параметры с различных уровней следует рассматривать совместно [47], что является принципом межслойной диспетчеризации, как это показано на рис. 7, где q(t) и H(t) представляют собой очередь и состояние канала в момент времени t.


Рис. 7. Организация очередей и канальная диспетчеризация

3) Межслойная диспетчеризация: Межслойная диспетчеризация способствует получению оптимальных рабочих характеристик системы путем совместного использования и конфигурирования параметров различных слоев, таких как канальная информация о физическом слое, состояние очередей на МАС-уровне и маршрутная информация на сетевом уровне. К сожалению, межслойная диспетчеризация остается более сложной, чем простое комбинирование этих параметров. Причина заключается в том, что взаимодействие между слоями нарушает традиционные структуры OSI (Open System Interconnection) и создает напряженность между рабочими характеристиками и стабильностью систем, которые могут приводить к непредсказуемым последствиям при масштабировании беспроводной сети [48].

Вообще, совместно с получением CSI и других ключевых параметров слоя, следующие моменты должны быть приняты во внимание для межслойных схем.

  • Сложность системы: Так как межслойные решения нарушают традиционные послойные структуры, новая беспроводная система может быть несовместимой с традиционными. Кроме того, так как работа или обновление межслойного протокола не остается исключительно в рамках одного слоя, любое изменение параметра должно тщательно отслеживаться и координироваться [48].
  • Конструктивные ограничения: В системах с распределенными в пространстве станциями могут использоваться различные потоки данных, которые могут вызвать искажения слабых сигналов со стороны более сильных сигналов в каналах downlink или эффектов для слабоудаленных uplink каналов. Следовательно, в процессе проектирования МАС нужно учесть управление мощностью или схему выбора потока данных. Кроме того, некоторые QoS-метрики, такие как средняя задержка и временной разброс, часто не учитываются в процессе разработке MAC-среды (напр., уменьшение столкновений и увеличение пропускной способности). Иногда, максимизация пропускной способности требует снижения возможностей передачи для некоторых тихоходных станций. Таким образом, требуется компромисс для выбора различных рабочих метрик и весов [49] [50].

IV. Обзор протоколов MU-MIMO MAC для WLAN

A. MAC-протоколы для Uplink

1) Некоординированный доступ к каналу:

  • Синхронная передача данных: Jin и др. в [31] предлагают простую схему MU-MIMO MAC, которая предполагает одновременную передачу данных несколькими станциями. MAC-процедура является такой же, как показана на рис. 5(a). Авторы предполагают, что каждая станция имеет ортогональную преамбулу, так что AP может различать станции. Раз AP знает канал, он может использовать ZF-схему, чтобы разделять получаемые сигналы. Авторы расширяют модель цепей Маркова, предложенную Bianchi в [51], чтобы анализировать рабочие характеристики предлагаемой схемы MU-MIMO в условиях насыщения. При сравнении с SU-MIMO, числовые результаты показывают, что предложенные схемы MU-MIMO получают меньшие вероятности столкновений, более короткие задержки и более высокую пропускную способность в условиях низкого SNR и сетей малого размера.
  • Асинхронная передача данных: Tan и др. в [52] предлагают практическую схему множественного доступа SAM (Spatial Multiple Access) для WLAN. SAM базируется на распределенной MAC-схеме, называемой CCMA (Carrier Counting Multiple Access), чтобы разрешить асинхронные одновременные обмены. Используется техника цепного декодирования, чтобы разделять одновременно полученные кадры. Каждая станция поддерживает счетчик обменов и детектирует преамбулы кадров других станций и решает, следует ли бороться за доступ к каналу. SAM оценивается в SORA, SDR-платформе (Software Defined Radio), разработанной Microsoft [53]. Результаты оценки показывают, что предложение может увеличить пропускную способность на 70% по сравнению с обычным IEEE 802.11 DCF.

Babich и др. в [32] разработали аналитическую модель на базе цепей Маркова для асинхронного многопакетного приема (MPR), где станции позволено передавать, даже если другие станции уже осуществляют передачу. Более того, станции разрешено декриментировать свой BO-счетчик, когда канал пуст или зарегистрированное число исходящих обменов ниже заданного порога. Предполагается что для защиты кадров используется программа коррекции ошибок. MAC-процедура показана на рис. 5(b). На основе результатов, полученных в рамках теоретической модели и моделирования, авторы утверждают, что асинхронная МАС-схема может предоставить заметное улучшение рабочих характеристик, по сравнению с синхронной схемой за счет более интенсивного использования канала.

Ettefagh и др. в [54] предлагают кластерный MAC-протокол для MU-MIMO обменов, называемый CB-CSMA/CA. В CB-CSMA/CA станции группируются в кластеры, предполагается, что AP имеет возможности MPR. Станции, принадлежащие одному кластеру, используют совместно счетчик отсрочки передачи (BO), который позволяет одновременные обмены нескольким станциям, когда счетчик достигает нуля. В результате этого, за доступ к каналу борется несколько кластеров. Результаты моделирования и аналитики показывают, что CB-CSMA/CA превосходит подход, базирующийся исключительно на соревновании отдельных станций, так как это увеличивает вероятность того, что только одна станция может осуществлять обмен в одном и том же временном домене.

Mukhopadhyay и др. в [55] исследуют проблему ACK-задержек, которые возникают в асинхронном MPR. Проблема задержек ACK возникает из-за разных длительностей передачи данных в асинхронном uplink обмене, задержанные ACK, посланные AP ранее завершившим обмен станциям, могут запустить таймаут-таймеры станций, которые могут прервать отправку ACK и ухудшить работу сети. Так как Babich и др. в [32] не рассматривают проблему задержек подтверждения, авторы в [55] предлагают изменить для станций логику работы таймера backoff, чтобы он декриментировался только в случае пассивности канала для DIFS. Одновременные обмены предполагаются декодируемыми AP. Сравнение со схемами Babich и стандарта IEEE 802.11, показывает, что предлагаемая схема не только понижает вероятность столкновения и среднее значение задержки, но также увеличивает пропускную способность.

Lin и др. в [56] предлагают схему одновременной MIMO uplink передачи, названную MIMO/CON, которая может поддерживать как асинхронный, так и синхронный информационный обмен. Для оценки CSI для нескольких одновременно полученных преамбул используется специальная техника [57], и ZF адаптировано для разделения информационных кадров. Разработан механизм декодирования задержанных пакетов, в частности, частично повторно переданных данных при декодировании столкнувшихся кадров, чтобы избежать полной повторной передачи поврежденных кадров. Предполагается фиксированная длина кадров, и известная станции оптимальная вероятность передачи. В работе Tan’s CCMA [52] проводится сравнение с MIMO/CON. Результаты показывают, что CCMA превосходит по характеристикам MIMO/CON, когда AP имеет меньше антенн, в то время как MIMO/CON масштабируется лучше, когда число антенн AP увеличивается.

Wu и др. в [58] предлагают аналитическую модель пропускной способности для асинхронных обменов uplink, которая базируется на Bianchi модели с привлечением цепей Маркова [51]. Сигнал beacon, посланный AP, объявит максимальное число станций, которым позволено вести передачу в параллель. Процедура MAC подобна описанной выше, в [52]. Предполагается фиксированная скорость передачи данных. Используется техника Zero-forcing с обнулением интерференции (ZF-SIC), чтобы декодировать параллельные потоки данных. Путем вычисления размера окна соревнования и других сетевых параметров, пропускная способность uplink делается максимальной. С помощью этих параметров авторы вычисляют пороговое число антенн у AP, после которого нельзя получить дальнейшего улучшения, добавляя еще антенны. Причинами этого являются: (1) возможное время передачи падает, так как число станций, вовлеченных в параллельный обмен возрастает; и (2) вероятность столкновения увеличивается, по мере роста числа антенн, используемых AP.

Kuo и др. в [59] предлагают MAC-протокол, базирующийся на лидере для обменов uplink MU-MIMO. Аналогично другим асинхронным предложениям каждая станция подсчитывает одновременные асинхронные обмены, чтобы решить, может ли она начать новую передачу. В случае нескольких параллельных обменов предлагаемый протокол требует, чтобы они завершались одновременно. Главное отличие по сравнению с предыдущими предложениями только первый обмен выбирается произвольно (т.e., лидер будет следовать правилам CSMA/CA). Остальные станции будут запускать только одновременные обмены, если они узнали об обмене от лидера. Диспетчеризация станций определяется пользователем, подбирающим решение, разработанное в статье и имеющее целью максимизировать пропускную способность и равенство возможностей.

В таблице IV собраны основные характеристики рассматриваемых некоординированных протоколов uplink MU-MIMO MAC.

2) Координированный доступ к каналу:

a) Диспетчеризованные обмены данными: Huang и др. в [42] предлагают протокол MPR MAC, который реализует доступ CDMA, чтобы разделить составные кадры. Когда счетчик обратного отсчета станции достигает нуля, тогда для диспетчеризации станций производится анализ числа станций в сети, текущее состояние канала и возможности MPR. MAC-процедура проиллюстрирована на рис. 6. CSI считается полученной из обмена downlink. Информационные кадры дожны быть равной длины. Анализ базируется на модели Bianchi [51], и оптимальная вероятность передачи получается из одномерной поисковой процедуры, такой как в методах Bisection и Newton-Raphson [60]. Результаты, полученные из аналитической модели и моделирования показывают, что предложенная схема сокращает число столкновений и существенно уменьшает число ошибок передачи.

Tandai и др. в [43] предлагают синхронную схему доступа, координируемую AP. При получении от станции applying-RTSs (A-RTSs), AP реагирует посредством pilot-requesting CTS (pR-CTS), чтобы ожидать pilots. На основе CSI-оценки из последовательных pilots, AP посылает Notifying-CTS (N-CTS), чтобы проинформировать выбранные станции для параллельного обмена. Предполагается использование уникальной субнесущей для каждой станции, чтобы разделять A-RTSs, а MMSE-декодер приспособлен разделять полученные одновременно сигналы. На основе данных моделирования показано, что предлагаемая схема может уменьшить избыточность и увеличить пропускную способность.

Таблица IV. Некоординированные протоколы Uplink MU-MIMO MAC

Заметки Средство реализации Схема CSI MUD Базовые предположения Диспетчеризация Jin [31], compare SU and MU-MIMO, 2008 Анализ Неявная обратная связь Zero forcing Ортогональные преамбулы - Tan [52], carrier counting, 2009 Testbed Ettefagh [54], cluster-based MU-MIMO, 2011 Цепное декодирование - - Babich [32], asynchronous MPR, 2010 Анализ - - Схема коррекции кодов - Ettefagh [54], cluster-based MU-MIMO, 2011 Моделирование + Анализ Неявная обратная связь - Идеальный канал - Mukhopadhyay [55], ACK-aware MPR, 2012 Моделирование + Анализ - - MPR frames decodable - Lin [56], delay packet decoding, 2013 Моделирование + Testbed Compressive sensing Zero forcing Фиксированная длина кадра - Wu [58], throughput model, 2014 Моделирование + Анализ Неявная обратная связь ZF-SIC Фиксированный поток данных - Kuo [59], leader-based contention, 2014 Моделирование + Анализ Неявная обратная связь ZF-SIC Rayleigh fading User matching


Li и др. в [61] предлагают координированный MAC-протокол для улучшения использования канала в временной и пространственной областях (CUTS). В рассматриваемом подходе AP сначала посылает гранд пакет всем станциям. Эти станции отвечают AP посылкой запроса. Затем AP анализирует всю полученную информацию, выбирает и уведомляет эти станции о возможности одновременного обмена. Главная инновация заключается в том, что конкуренция в канале происходит за частотный домен. В CUTS, каждая станция выбирает для передачи предопределенного сигнала одну из доступных субнесущих, которая используется AP для идентификации победившей станции. Результаты измерений и моделирования показывают заметный выигрыш, достижимый при CUTS.

b) Недиспетчеризуемая передача данных: Zheng и др. в [33] предлагают протокол MU-MIMO MAC, названный MPR-MAC, который расширяет CTS и ACK, чтобы приспособить для работы с несколькими передатчиками. Процедура MPR-MAC показана на рис. 6, когда станции, которые выиграли соревнование за канал, пошлют RTS. AP откликнется отправкой extended CTS, который предоставляет возможность одновременной передачи всем запросившим станциям. Набор ортогональных кодов присваивается станциям AP. Для разделения кадров используется схема слепого детектирования FA (Finite Alphabet). Сеть предполагается насыщенной, и все информационные кадры имеют равную длину. Аналитическая модель оценки пропускной способности базируется на работе Bianchi [51], и наилучшая вероятность обмена достигается посредством числовых процедур. Авторы заявляют, что пропускная способность увеличивается почти линейно с числом антенн AP.

Так как MPR-MAC следует традиционной схеме доступа IEEE DCF, вероятность того, что более чем одна станция выберет тот же самый BO мала. Для того чтобы увеличить число параллельных обменов, в [33] предложено улучшение, названное Two-Round RTS Contention (TRRC, рис. 8). По сравнению с MPR-MAC, TRRC имеет два цикла RTS-соревнования. В частности, вместо посылки CTS после первого цикла RTS, AP ждет дополнительного цикла, чтобы получить больше RTS. Результаты показывают, что TRRC обеспечивает дополнительно 7% увеличения пропускной способности.


Рис. 8. TRRC: Двухкруговой цикл RTS конкуренции

Barghi и др. в [62] предлагают MPR MAC протокол для получения двух одновременных кадров путем введения временного окна ожидания (tw) со стороны AP. В особенности, когда AP получает первый RTS, он ждет в течение времени tw получения следующего RTS для приема двух кадров. CTS и ACK расширяются за счет дополнительных адресов, чтобы обслужить две станции. Пространственно-временная кодовая схема используется для детектирования нескольких кадров. Предполагается, что в канале нет ошибок и параметры канала известны. Базируясь на полученных результатах, авторы утверждают, что при расширении tw, (1) вероятность передачи сдвоенных кадров увеличивается, в то время как вероятность столкновений (т.е., вероятность того, что число переданных RTS больше двух) также возрастает; и (2) характеристики предложенной схемы MPR MAC значительно улучшается по сравнению о стандартом IEEE 802.11.

Zhou и др. в [63] предлагают двухцикловый механизм конкуренции за канал, который делит MAC процедуру на две части. Эти две части, в частности, произвольный доступ и передача данных, показаны на рис. 9. Произвольный доступ завершается, когда AP получает Mrandom (максимальное число станций, осуществляют передачу одновременно) успешного RTS, и затем начинается передача данных. В части произвольного доступа, AP отправляет два типа CTS: Ожидающий CTS (PCTS) и окончательный CTS (FCTS). Первый является откликом на RTS, а последний уведомляет все станции о начале передачи данных. Те станции, которые послали RTS в пределах оговоренного времени (Ttimeout), начнут передачу немедленно. Если число конкурирующих пользователей меньше Mrandom, Ttimeout также запустит обмен данными. AP получает CSI от RTS, и использует MMSE-детектор для разделения сигналов. Предполагается, что информационные кадры имеют фиксированную длину. Как моделирование, так и аналитические оценки показывают, что двухцикловая схема конкуренции превосходит одноцикловый вариант IEEE 802.11 по пропускной способности и задержке.

Рис. 9. Двухцикловые MAC-процедуры, Mrandom = 3

Сходная работа с двумя циклами конкуренции за канал представлена в [64]. По сравнению с [63], [64] представляют более короткий второй цикл конкуренции, где используется одно сообщение для отклика на все последовательно полученные RTS. Кроме того, особое внимание уделяется CW2nd (окно конкуренции 2-го цикла), параметр, делающий длительность второго раунда конкуренции более эластичным.

Zhang в [65] предлагает дальнейшее расширение двухцикловой конкуренции до многоцикловой, что дает станциям больше возможностей бороться за канал, используя порог, полученный из оптимального алгоритма остановки [66]. Тем временем, предлагается возврат к одноцикловой схеме для вариантов с низким трафиком, где можно ожидать получения в этом случае большей пропускной способности. Предполагается, что приход кадров подчиняется распределению Пуассона. Результаты моделирования и аналитики показывают, что многоцикловая конкуренция может увеличить уровень использования канала в небольших и средних сетях.

Jung и др. в [67] предлагает координированную схему uplink MPR, которая расширяет работу в [32], позволяя как синхронную так и асинхронную передачу путем использования дополнительного канала обратной связи. Предлагаемая MAC-процедура показана на рис. 10. После получения RTS от STA2, AP откликнется, послав CTS, который включает в себя MPR-вакансию (оставшееся пространство предназначено для параллельных uplink обменов). Станции, которые обнаружили MPR вакансию, будут конкурировать за канал, чтобы осуществить обмен с STA2. Раз станция закончила передачу раньше другой, AP немедленно пошлет ACK с обновленной MPR-вакансией через дополнительный канал, чтобы позволить другим станциям участвовать в соревновании за вновь доступное пространство MPR. Авторы предполагают наличие ортогональных кодов в преамбуле каждого кадра. На основе результатов, полученных из аналитической модели цепей Маркова и моделирования авторы заявляют, что предлагаемая схема достигает большей эффективности канала в сценариях, где размер кадра и скорость передачи динамически изменяются.

Рис. 10. Асинхронная передача данных с одной MPR вакансией

В таблице V приведены основные характеристики рассматриваемых координированных протоколов uplink MU-MIMO MAC.

3) Обсуждение предложения Uplink MU-MIMO MAC.

a) Основные результаты:

  • В некоординированной категории, асинхронному доступу уделено больше внимания, чем синхронному. Это связано с тем, что в синхронном случае, мы можем осуществлять только одновременные мультикадровые обмены, когда несколько станций переходят в базовое состояние одновременно. Одна проблема похоже не вполне решена для асинхронных вариантов, это то насколько надежной будет работа распределенных счетчиков при одновременных обменах в каждом из узлов. Это может приводить к росту числа столкновений. Кроме того, неясно, как может быть реализовано отслеживание несущей, так как узлы должны идентифицировать точное число одновременных обменов.

Таблица V. Координированные Uplink протоколы MU-MIMO MAC

Заметки Средство реализации Схема CSI MUD & MUIC Базовые предположения Диспетчеризация Huang [42], SNR based MPR, 2008 Моделирование+Анализ Оценка Downlink CDMA Фиксированная длина данных Оптимальный SNR Tandai [43], TDMA signalling, 200 Моделирование Неявная обратная связь MMSE Уникальная субнесущая Best CSI Li [61], subcarrier contention, 2014 Моделирование+Testbed Неявная обратная связь - Канал без ошибок Субнесущая Zheng [33], DCF based MPR, 2006 Анализ Неявная обратная связь Blind detection Фиксированная длина данных - Barghi [62], MPR-aware MAC, 2011 Моделирование+Анализ - STC Совершенный канал - Zhou [63], two-round contentions, 2010 Моделирование+Анализ Неявная обратная связь MMSE Фиксированная длина данных - Liao [64], elastic 2-nd round, 2012 Моделирование Неявная обратная связь - Канал без ошибок - Zhang [65], multi-round contentions, 2010 Моделирование+Анализ - - Пуассоновское распределение на входе - Jung [67], asynchronous MPR, 2012 Моделирование+Анализ Неявная обратная связь - Канал с дополнительным ACK -


  • В координированной категории, AP может диспетчеризовать (диспетчеризуемые) или не диспетчеризовать (недиспетчеризуемые), определяя, каким станциям передавать. Удивительно обнаружить, что существует много предложений без диспетчеризации. Причина может заключаться в (1) трудности и избыточности для uplink диспетчеризации и (2) в поддержке философии ”децентрализованного” доступа для WLAN.
  • b) Открытые особенности:

  • Сравнение различных предложений является непростым из-за разных рассматриваемых сценариев (напр., предположений модели канала CSI и положений станций).
  • Большинство uplink предложений предполагает неявную CSI. Однако, проблемы калибровки, связанные с присутствием разбросанных устройств и особенностями канала, делает неявную CSI трудно реализуемой.
  • Похоже, что в следующем поколении стандарта 802.11 будет использоваться расширенный обмен RTS/CTS для уведомления и защиты кадров MU-MIMO. Должны быть рассмотрены решения, где будет уменьшена избыточность диалога.
  • c) Следующие шаги:

  • Исследовательская группа IEEE 802.11ax обсуждает включение uplink MU-MIMO [68] [69]. На данном этапе, еще не ясно, как будут реализованы такие механизмы. В нашей перспективе uplink MUMIMO будет следовать координированному и диспетчеризованному подходу с контролем со стороны AP. Этот вывод сделан на основе следующих двух причин. Во-первых, AP играет центральную роль в объединении CSI из всего списка станций для обменов downlink MU-MIMO в 802.11ac. Мы полагаем, что этот явный механизм обратной связи CSI будет поддерживаться в 802.11ax для обеспечения обратной совместимости. Кроме того, AP, играющий центральную роль, может запросить буфер и другую информацию у станций, обеспечивая оптимизацию для диспетчера в условиях высоких загрузок.
  • Что касается CSI uplink, 802.11ax может расширить использование схемы CSI периодически осуществляемой 802.11ac для downlink MU-MIMO обменов. Например, AP может оценить коэффициенты uplink-канала на основе данных пакета, переносящих канальные коэффициенты downlink.
  • 802.11ax должен помещать станции в виртуальные группы, и опрашивать станции в каждой группе на основе информации CSI, а также оценки заполнения буфера станций, чтобы уменьшить избыточность.

B. MAC-протоколы для Downlink

Обычно используемая MAC-процедура для обменов MU-MIMO downlink проиллюстрирована на рис. 11. AP сначала посылает модифицированный RTS, содержащий группу адресуемых станций. По получении RTS, эти перечисленные станции оценивают канал, вводят CSI в расширенный CTS и отсылают его назад. Как только AP получает все успешные CTS, он предкодирует исходящие кадры на основе обратной связи от CSI.

1) Предложения Downlink MU-MIMO MAC: Cai и др. в [38] предлагают распределенный протокол MU-MIMO MAC с расширенными кадрами RTS/CTS. CSI получается в результате обмена RTS/CTS. Предполагается наличие в канале адитивного белого гауссова шума (AWGN), и использование схемы предварительного кодирования, чтобы избежать интерференции. Авторы адаптировали схему диспетчеризации, базирующейся на очередях, которая дает приоритет кадрам с более долгим временем ожидания в буфере AP. Результаты полученные из ненасыщенной модели, базирующейся на очередях [70] и моделировании показывают, что предложенный многопользовательский MAC существенно превосходит однопользовательский вариант.

Kartsakli и др. в [44] предлагают четыре многопользовательские схемы диспетчеризации для одновременной передачи кадров, в частности, MU-Basic, MU-Deterministic, MU-Threshold Selective и MU-Probability. Используется оппортунистическое формирование диаграммы направленности, которую выбирает станция для наивысшего отношения SINR (signal-to-interference-plus-noise). Обратная связь CSI подается рабочей станцией во время реализации фазы конкуренции за канал. Канал предполагается block fading, что означает, что канал остается неизменным во время передачи кадров. Согласно результатам моделирования, авторы утверждают, что предлагаемые схемы позволяют получить заметный выигрыш по сравнению с однопользовательским случаем.

Рис. 11. Успешная передача downlink MU-MIMO

Gong и др. в [39] предлагают модифицированный протокол CSMA/CA с тремя различными механизмами ACK-подтверждения, в частности, polled ACK, диспетчеризованный ACK-отклик и ACK восстановление после неудачи. Предлагается также механизм взвешенных очередей, который ассоциирован с AC, где веса участников конкуренции оцениваются по ширине окна ожидания. Схема предкодирования MMSE адаптирована, а CSI предполагается известным. Результаты моделирования показывают, что предложенный протокол дает существенное улучшение характеристик по сравнению с 802.11n формированием диаграммы направленности, когда отношение SNR высоко.

Zhang и др. в [40] представляют схему передачи OSMR (One-Sender-Multiple-Receiver) для WLAN. Авторы сначала реализовали OSMR-прототип, использовали USRP (Universal Software Radio Peripheral) [71], чтобы исследовать применимость OSMR на физическом уровне. Затем, на основе изучения характеристик OSMR PHY, они модифицировали кадры RTS/CTS, чтобы поддержать выявление параметров канала. Моделирование предложенного расширения было проведено на MAC-уровне. Использован greedy-алгоритм дисптчеризации для передачи как можно большего числа кадров в TXOP со срочными кадрами, имеющими более высокий приоритет по сравнению с обычными. Адаптирована схема предкодирования ZF, в предположении плавного замирания канала. Результаты моделирования показывают, что при использовании OSMR-обменов достигается заметное улучшение рабочих характеристик.

Liao и др. в [34] предлагают MAC-протокол для обменов downlink MU-MIMO, где кадры диспетчеризованы для каждой станции посредством FIFO. CSI получается с помощью последовательности, включенной в преамбулу CTS. Канал предполагается лишенным ошибок и независимо варьируется от кадра к кадру, что делает каналы, независимыми от AP. Результаты моделирования показывают, что при использовании всего пространственного домена канала достигается заметное увеличение пропускной способности.

Bellalta и др. в [35] исследуют работу downlink MU-MIMO с агрегацией пакетов, и рассматривают взаимное влияние размера буфера и числа антенн AP. Исследовано влияние этих двух параметров на пропускную способность системы и задержки пакетов. Предложенный диспетчер пытается увеличить число переданных пакетов в каждом из потоков, а также сбалансировать длительности всех потоков. Управляющие кадры RTS/CTS модифицированы для оценки CSI, а ZF используется для обнуления интерференции. Аналитическая модель базируется на работе, представленной в [72], при этом предполагается, что входные пакеты в не насыщенной сети имеют пуассоновское распределение. Как моделирование, так и аналитика показывают, что рабочие характеристики предложенной системы близки к оптимальным.

Redieteab и др. в [73] исследуют три различные схемы передачи в PHY и в кросс-платформенном MAC, среди которых SU-MIMO, MU-MIMO с многопользовательской интерференцией и MU-MIMO без многопользовательской интерференции. Используется модель канала IEEE 802.11ac [74] для эмуляции вариаций канала. MAC-уровень сделан совместимым с проектом спецификации 802.11ac, а расширение, определяющее ECFB-протокол, предполагается предназначенным для определения CSI. Схема ZF предкодирования используется для декодирования кадров. На основе результатов моделирования, авторы приходят к выводу, что многопользовательская интерференция имеет важное влияние на обмены MU-MIMO, напр., она приводит к падению пропускной способности. Авторами предложен автоматический алгоритм коммутации между SU-MIMO и MU-MIMO.

Cha и др. в [75] сравнивают характеристики downlink MU-MIMO с Space Time Block Coding. Используется ZF-предкодер, а CSI получается за счет обратной связи AP. Предполагается Rayeigh-затухание и канал без ошибок. Результаты показывают, что схема downlink MU-MIMO обеспечивает большую пропускную способность, чем STBC, если передаваемые кадры имеют сходную длину, в то время как результаты оказываются противоположными в случае быстро изменяющихся каналов, что связно с большой избыточностью обратной связи CSI.

Balan и др. в [76] реализуют распределенную систему MU-MIMO, которая состоит из нескольких многоантенных AP, которые соединены и предполагаются синхронизованными координирующим сервером. Авторы используют технику ZFBF (Zero Forcing Beamforming) для разделения кадров. CSI извлекается из uplink-пилотных символов. Когда CSI недоступны, используются BIA (Blind Interference Alignment). Система работает в рамках платформы WARP (Wireless Open-Access Research Platform) [77]. Экспериментальные результаты показывают, что настоящая система MU-MIMO может обеспечить высокою пропускную способность и близка к теоретическому пределу по полосе.

Zhu и др. в [78] исследуют необходимые модификации для TXOP, чтобы осуществлять поддержку многопользовательских обменов. Предложенная схема, называемая многопользовательским TXOP (MU-TXOP), разрешает станциям, чьи AC выиграли TXOP, совместно использовать период передачи с MPDU других AC. Авторы предполагают, что все станции могут быть сгруппированы для многопользовательского обмена downlink. Результаты моделирования показывают, что предложенная схема не только гарантирует большую пропускную способность, но также и более эффективна по сравнению с традиционной.

Таблица VI. Downlink протоколы MU-MIMO MAC

Заметки Средство реализации Схема CSI MUD & MUIC Базовые предположения Диспетчеризация Cai [38], reduce AP-bottleneck effect, 2008 Моделирование+Анализ Явная обратная связь Leakage coding Канал AWGN Приоритетная очередь Kartsakli [44], 4 scheduling schemes, 2009 Моделирование Явная обратная связь Формирование диаграммы направленности Block fading Highest SINR Gong [39], ACK-replying schemes, 2010 Моделирование - MMSE CSI предполагается известным Весовая очередь Zhang [40], OSMR, 2010 Simulation + Testbed Явная обратная связь Zero Forcing Плавное затухание Greedy Liao [34], throughput and delay gain, 2011 Моделирование Неявная обратная связь - Канал без ошибок Per-STA FIFO Bellalta [35], packet aggregation, 2012 Моделирование+Анализ Явная обратная связь Zero Forcing Пуассоновское распределение на входе Per-STA FIFO Redieteab [73], PHY+MAC platform, 2012 Моделирование Явная обратная связь Zero Forcing - - Cha [75], STBC & MU-MIMO, 2012 Анализ Явная обратная связь Zero Forcing Канал без ошибок - Balan [76], multi-AP system, 2012 Simulation + Testbed Неявная обратная связь ZFBF, BIA Phase Phase synchronous - Zhu [78], multi-user TXOP, 2012 Моделирование - - Все STA сгруппированы - Ji [79], outdated NAV and SINR, 2014 Моделирование+Анализ Явная обратная связь - Пуассоновское входное распределение -


Ji и др. в [79] предлагают кооперативную схему обмена, которая соотносится с заданием вектора положения в сети NAV (Network Allocation Vector), и решают проблему устаревшего SINR. Установка избыточного NAV обычно происходит на станциях, размещенных в перекрывающихся зонах соседних WLAN, в то время как проблема устаревшего SINR вызывается задержкой между оценкой канала и передачей данных. Авторы используют резервные биты управляющих кадров, чтобы анонсировать последний кадр в передаче и синхронизовать установки NAV, и использовать ACK станции, чтобы повторно оценить и поправить SINR. Модель анализа предполагает, что кадры на входе станции имеют пуассоновское распределение. Результаты, полученные из модели и моделирования, показывают, что предлагаемая схема может дать заметное улучшение рабочих характеристик системы.

В таблице VI собраны основные характеристики протоколов downlink MU-MIMO MAC.

a) Базовые моменты

  • Что касается получения CSI, то здесь предполагается гибкое взаимодействие с каналом [34] [76], которое позволяет AP получить CSI непосредственно из кадров, переданных станциями, в то время как большинство статей предполагают явный путь, хотя не один из них не соответствует подходу, определенному в IEEE 802.11ac. Однако, имеет смысл отметить, что ни в одной из статей не обсуждается, достаточно ли протяженен SIFS-интервал для станции, чтобы обработать полученные преамбулы и оценить свойства канала.
  • В терминах схемы MUIC, подход Zero Forcing является наиболее часто используемым из-за своей простоты и эффективности.

b) Открытые подходы:

  • Сравнение рабочих характеристик различных решений, включая подход, рассмотренный IEEE 802.11ac, пока отсутствует. Имеется отдельный интерес сравнить что лучше - получать CSI для каждого отдельного обмена, где гарантируется актуальность CSI, или только периодически с риском того, что CSI может устареть, и как следствие создать интерференцию между разными пространственными потоками. Первые публикации на эту тему можно найти в [80] [81].
  • Кроме того, аналитические модели для понимания взаимодействия между CSI-состоянием, числом активных пользователей, размером буфера, и другими специфическими механизмами, такими как агрегация пакетов, нуждаются в дальнейших исследованиях. Первая работа, представлена в [35], где авторы оценивают влияние ограничений размера буфера при случайном поступлении пакетов в AP в режиме donwlink MU-MIMO.

c) Следующие шаги: Так как IEEE 802.11ac расширение уже стандартизовано, дальнейшее исследование downlink MU-MIMO должно быть сфокусировано на то, как можно расширить подход 802.11ac. Следующие шаги должны быть направлены на настройку downlink MU-MIMO механизмов 802.11ac, таких как процесс получения CSI (напр., частота запросов и набор рабочих узлов), алгоритмы диспетчеризации, рассматривающие как мгновенный уровень трафика, так и QoS-требования, а также интеграцию с другими механизмами IEEE 802.11 (напр., мультикастные видео коммуникации, как определено в IEEE 802.11aa [82]).

C. MAC-предложения для интегрированного канала Up/down

Лишь в нескольких работах рассматриваются как MU-MIMO uplink, так и downlink обмены в одном MAC-протоколе.

1) Интегрированные предложения Up/down-link MU-MIMO MAC: Kim и др. в [83] разрабатывают схему передачи down/up-link back-to-back для синхронизации станций. Схема названа Per-flow MAC (PF-MAC, рис. 12), где RIFS означает Reduced Inter Frame Space (уменьшенное межкадровое расстояние). AP сначала посылает GRTS (Group-RTS), который включает в себя список адресов станций, чтобы начать downlink-обмен. Как только AP получает ожидаемый CTS, он посылает информационные кадры, перечисленным станциям. Станции, которые получают кадры, посылают в ответ ACK. За счет обмена downlink и RTR (Ready to Receive) кадра от AP, станции синхронизуются для параллельной uplink-передачи. CSI извлекается из uplink-кадров. Ограничение данного предложения заключается в том, что uplink-обмен может инициироваться только со стороны downlink, что может быть нежелательным в некоторых сценариях, где требуется срочный uplink-доступ. Заметим, что предложение является лишь концептуальной моделью, неподтвержденной аналитикой или моделированием.

Рис. 12. PF-MAC: Per-flow MAC

Zhao и др. в [45] предлагает оппортунистический MU-MIMO MAC-протокол для многоканальных Multi-radio WLAN. В downlink группе RTS используется для уведомления выбранных станций, которые откликаются, посылая CTS. В uplink после обмена RTS/CTS станциям предлагается начать передачу, используя сообщение Group CTS. Заметим, что как uplink, так и downlink обмены могут осуществляться одновременно, используя различные каналы. Для обмена статусными пакетами и получения данных о доступных каналах для будущих обменов используется общий канал управления. Предполагается, что CSI доступно для AP. Результаты показывают, что это предложение может превзойти другие многоканальные MAC-схемы.

Li и др. в [46] предлагают многопользовательский протокол MAC (MU-MAC), который поддерживает многопакетный обмен (MPT) в downlink с несколькими управляющими пакетами (напр., CTS или ACK) получаемыми в uplink. OFDM-преамбулы используются для получения CSI из одновременно приходящих управляющих пакетов. Предполагается, что ошибки в кадрах происходят исключительно из-за столкновений, и все кадры передаются с одной и той же частотой. Схема диспетчеризации рассматривает историю CSI, состояние очереди AP и используемые категории кадров. Аналитическая модель базируется на [38]. Проанализировав результаты, авторы утверждают, что MU-MAC превосходит MPT MAC по максимальному числу поддерживаемых станций, и этот выигрыш будет увеличиваться по мере роста числа передающих антенн AP.

Shen и др. в [41] рассматривают протокол MIMO (HT-MIMO) MAC с высокой пропускной способностью, который использует частотные сигнатуры для разделения одновременно приходящих управляющих кадров. HT-MIMO работает в режиме PCF, следовательно, как uplink, так и downlink обмены могут инициироваться только AP. CSI получается методом канальных измерений. Каналы uplink и downlink предполагаются симметричными. Алгоритм диспетчеризации "greedy" реализован с учетом справедливого распределения ресурсов и организации очереди. При сравнение с предложением Cai’s [38], анализ результатов показывает, что HT-MIMO MAC превосходит схемы 802.11n SU-MIMO и Cai’s MU-MIMO.

Таблица VII. Интегрированные протоколы Up/Downlink MU-MIMO MAC

Заметки Средство реализации Схема CSI MUD & MUIC Базовые предположения Диспетчеризация Kim [83], back-to-back transmissions, 2008 Концептуальная модель Неявная обратная связь - - - Zhao [45], multi-radio WLANs, 2009 Моделирование - - CSI known Оппортунистическая Li [46], MU-MAC, 2010 Моделирование+анализ Явная обратная связь - Канал без ошибок История CSI Shen [41], control frames’ encoding, 2012 Анализ - - Симметричный канал Greedy Liao [36], unified up/downlink MAC, 2013 Моделирование+анализ Неявная обратная связь - Channel reciprocity FIFO Yun [37], multi-APs to multi-STA, 2013 Протестировано Последовательные преамбулы Zero Forcing - FIFO

Liao и др. в [36] предлагают унифицированный протокол MU-MIMO MAC (Uni-MUMAC) для IEEE 802.11ac WLAN с улучшениями интегрированных uplink и downlink. На основе [51] разработана аналитическая модель. Схема неявного получения информации о канале ориентирована на взаимодействие с каналом. За счет адаптивной настройки CW2nd, и сравнения с предложением Li [46], авторы приходят к выводу, что (1) Uni-MUMAC работает хорошо, как в традиционном downlink-доминировании, так и в сценариях с балансировкой down/up-link; (2) одностороннее расширение (напр., расширение uplink) не приносит той же выгоды другой стороне.

Yun и др. в [37] предлагает MIMO-систему многоточка-многоточка, где мультиплексирование uplink использует платформу SORA, в то время как downlink реализуется на основе платформы USRP. Множественные AP координируются контроллером, и соединяются друг с другом с помощью кабеля Ethernet. Концепция лидера при доступе к сетевой среде принята, как для uplink, так и downlink. Триггерный кадр, который содержит адреса совместных отправителей, посылается лидером, который первым выиграл соревнование за канал. Затем совместные отправители последовательно посылают преамбулы, как это специфицировано в триггер-кадре для оценки CSI. Диспетчеризация downlink базируется на времени прибытия пакетов и протяженности времени ожидания в очереди, в то время как выбор совместных отправителей в uplink осуществляется произвольно. ZF используется как в uplink, так и downlink для де/предкодирования кадров.

В таблице VII собраны основные характеристики протоколов Up/down-link MU-MIMO MAC.

i>2) Обсуждения интегрированных Up/down-link MAC/i>:

  • Комментарии, рассмотренные в предыдущем подразделе, справедливы и здесь. Относительно интегрированных протоколов up/downlink MU-MIMO MAC мы бы хотели заметить, что существует слишком мало работ, чтобы было можно их категорировать. Первая простая классификация может исходить из того, что AP управляет как downlink, так и uplink обменами [41] [46] [83], или произвольный доступ рассматривается в качестве основы инициации обменов, исходящих от станций [36] [37].
  • Следующее обновление IEEE является эволюцией в направлении 802.11ac, мы полагаем, что AP будет также играть координирующую роль в диспетчеризации обменов uplink MU-MIMO.
  • Однако, существует другая причина, которая требует дальнейших совместных исследований протоколов up/down-link MU-MIMO MAC, а не простого комбинирования решений подготовленных независимо. Причина заключается в том, что одностороннее улучшение может негативно сказаться на противоположной стороне. Например, как было отмечено в [36], оптимальный параметр для обмена uplink MU-MIMO не принесет того же выигрыша для downlink.

V. Дальнейшие направления

Целью всех рассмотренных MAC-протоколов является улучшение эффективности MAC. Более конкретно, они пытаются преобразовать поток исходных данных на физическом уровне (т.е., MU-MIMO) в MAC пропускную способность так эффективно, как только возможно.

С этой целью в уме, мы обсуждаем возможные будущие направления исследований для протоколов MU-MIMO MAC в микро перспективе и макро перспективе, соответственно. Для первой, мы обсуждаем некоторые важные аспекты, влияюшие на рабочие характеристики, которые не были специфицированы в IEEE 802.11ac; мы также идентифицировали ключевые факторы, которые делают преобразование от PHY скорости к МАС пропускной способности неэффективным, и далее мы представили наши соображения о возможных путях улучшения MAC-эффективности. Во второй, мы обдумываем роль MAC в облегчении интеграции будущих неоднородных сетей.

A. Микро перспектива: В WLAN, базирующейся на MU-MIMO

1) Что не специфицировано 802.11a?: Downlink MU-MIMO обмен является одной из наиболее важных особенностей, введенных в IEEE 802.11ac. Для того чтобы выполнять многопользовательские пересылки, расширение предлагает схему ECFB для обратной связи, необходимой для CSI, и рекомендует ввести поле группового идентификатора (Group-ID) в преамбулу PHY, чтобы облегчить работу с группами станций. Однако, следующие два важных фактора не специфицированы в данном расширении.

  • Область и частота обратной связи CSI: [80] и [81] показали заметное влияние обратной связи CSI на работоспособность системы. Ясная дилемма относительно области и частоты обратной связи CSI заключается в том, что большой масштаб (напр., все станции сети) или частые запросы CSI добавят огромную избыточность, в то время как противоположный путь ведет к тому, что предоставленная информация окажется устаревшей. Следовательно, нужны адаптивные алгоритмы для динамической настройки области частот обратной связи CSI.
  • Условия для group/re-group STA: Хотя можно обосновать то, что способ группирования станций зависит от специфики приложения, разработан разумный алгоритм группирования станций, чтобы идентифицировать те станции, которые могут быть совместно диспетчеризованы, или при каких условиях будет запущена перегруппировка станций.


2) Как улучшить эффективность MAC?: Как показано в статье, значительные исследования были выполнены, чтобы адаптировать IEEE 802.11 MAC, например, для мультиантенной технологии. Однако, пропускная способность MAC все еще много ниже, чем исходная скорость обмена PHY (в большинстве случаев ниже 70% [84]). Потеря пропускной способности происходит из-за так называемой избыточности, которая включает кадры управления (напр., запросы/отклики подключения), принудительные периоды пассивности (напр., произвольный BO, DIFS/SIFS), управляющие кадры (напр., RTS/CTS/ACK) и заголовки кадров (напр., преамбулы PHY, заголовки PHY/MAC). Другие факторы, не сопряженные с избыточностью, вносящие вклад в потери пропускной способности, включают в себя столкновения кадров и не эффективное распределение ресурсов из-за низкого быстродействия некоторых станций, которые монополизируют канал. Эти фундаментальные механизмы и особенности IEEE 802.11 ограничивают эффективность MAC. Во время теста по перехвату пакетов в загруженной области Tokyo [85], результаты показывают, что информационные кадры составляют только 23% всех типов кадров (46% кадры менеджмента, 30% управляющие кадры, 1% все остальные); более того, большинство кадров менеджмента имеют формат 802.11b и передаются на скорости 1 Mbps, чтобы обеспечить совместимость.

Вновь созданная исследовательская группа 802.11ax High Efficiency WLAN находится в начале пути. Здесь мы делимся мыслями о возможных решениях для улучшения эффективности MAC.

  • Кооперация между большим числом диапазонов: Управляющие кадры и заголовки кадров необходимы, чтобы облегчить получение информации. Они не могут быть отброшены в современной коммуникационной архитектуре 802.11. По крайней мере в процессе эволюция от IEEE 802.11-1997 к 802.11ac мы наблюдали увеличение длины преамбулы PHY. Кооперация между большим числом диапазонов может быть эффективным путем управления избыточностью. В частности, будущее умное устройство будет вероятно оборудовано несколькими интерфейсами, работающими в разных диапазонах [86]. Таким образом, 802.11ac при 5 GHz, может быть кандидатом для несущей и передачи данных в закрытых помещениях; 802.11ah ниже 1 GHz может использоваться для передачи кадров менеджмента и управления; в то время как 802.11ad при 60 GHz может служить для очень скоростной передачи данных в пределах прямой видимости. [87] предлагает возможную модель использования 802.11ah для уведомления AP, в то время как 802.11ac - для информационных кадров.
  • Схема исправления в случае ошибки: Схема произвольного BO является ключевой функцией, используемой IEEE 802.11, чтобы избежать столкновений. К сожалению, столкновения не могут быть исключены и остаются как один из факторов, ухудшающих эксплуатационные характеристики. [88] предлагает решение, свободное от столкновений, где станции воспринимают детерминированный BO вместо произвольного после успешной передачи для WLAN с одной антенной. С другой стороны, в статьях [61] и [89] предлагается перенести обратный отсчет BO из временного пространства в частотное, рассматривая субнесущие OFDM как целые числа. Эти инновационные идеи могут рассматриваться для поддержки мультиантенных WLAN, как для downlink, так и uplink.
  • Пересылки Uplink MU-MIMO: Трафик Интернет включает в себя просмотр web-страниц и пересылку файлов в рамках огромного многообразия приложений, которое включает в себя значительное число информационных файлов, сформированных пользователями, таких как видео-конференции, социальные сети и облачные сервисы. Хотя улучшению обменов uplink уделялось последнее время много внимания, осталось еще много места для улучшений, так как последнее обновление IEEE 802.11ac не поддерживает обмены uplink MU-MIMO. Кроме того, существует только несколько работ, которые унифицируют MU-MIMO протоколы downlink и uplink в единую коммуникационную систему.
  • Ортогональная FDMA: В настоящее время OFDMA рассматривается в качестве WLAN следующего поколения с целью дальнейшего улучшения эффективности системы [15]. Интерес к OFDMA происходит из-за потерь эффективности, вызванных каналом 802.11ac (вплоть до 160 MГц). Передача через более широкий канал уменьшает длительность передачи, хотя и усиливает негативное влияние избыточности, так как межпакетные расстояния и управляющие пакеты остаются неизменными несмотря расширение полосы канала. OFDMA позволяет WLAN мультиплексировать обмены от/к различным станциям через один канал, приписывая разные субнесущие OFDM для каждого из обменов. В результате обмен длится дольше, так как передача осуществляется с более низкой скоростью, но эффективность системы улучшается, так как больше данных передается в параллель. Касательно обменов MU-MIMO, применение OFDMA будет иметь положительное воздействие на избыточность, так как станциям нужно только прислать небольшой объем данных CSI, который пропорционален субнесущим, используемым субканалом.
  • Двунаправленные обмены: Настоящая форма коммуникаций в WLAN является полудуплексной, в частности, передачи и приемы привязаны к разным временных слотам или частотным диапазонам. Полнодуплексная передача потенциально может удвоить емкость канала, разрешив одновременную передачу и прием на той же частоте [90] [91]. Кроме того, переход к полнодуплексным обменам подводит нас к необходимости переосмыслить фундаментальный механизм МАС CSMA/CA IEEE 802.11, который базируется на предположениях, что (1) беспроводные устройства не могут передавать и принимать в одно и то же время, и (2) беспроводные устройства не могут детектировать столкновения при передаче [92]. Исследование полнодуплексных обменов началось лишь в последние годы. Хотя основная проблема связана предотвращением самоинтерференции для полнодуплексного трансивера, схема MAC должна быть также пересмотрена [93] [94].
  • Массовые MIMO обмены: Имея MU-MIMO уже интегрированной в последние стандарты (напр., IEEE 802.11ac и 4G LTE), и для того чтобы извлечь выгоду из MIMO в еще большем масштабе, в последнее время всеобщее внимание исследователей привлек Massive MIMO, с передатчиками, снабженными большим числом антенн. Massive MIMO обещает увеличение спектральной эффективности до десятков сотен бит/с на Гц, и одновременно энергетической эффективности [95] [96], которая может стать хорошим кандидатом для беспроводных стандартов следующего поколения. Первой проблемой для использования Massive MIMO является ограниченное пространство в районе AP, так как антенны должны быть размещены по крайней мере на расстоянии половины длины волны друг от друга. Второй проблемой является избыточность. IEEE 802.11ac использует явную обратную связь ECFB CSI. Время зондирования канала и объем CSI пропорциональны числу антенн AP, пересылка этих данных занимает много времени и заметную долю полосы канала, особенно в случае Massive MIMO. Первая проблема в данном обзоре не рассматривается, в то время как вторая требует дополнительных исследовательских усилий для решения задачи предварительного кодирования, выбора антенн и анализа антенных корреляций, чтобы уменьшить время зондирования и объем CSI.

B. Макро перспектива: Интеграция с неоднородными сетями

В будущем большое число сетей со встроенным интеллектом будет интегрировано в единую неоднородную сеть (напр., WLAN, широкополосные мобильные сети и сети датчиков), что означает, что индивидуальные сети будут вынуждены взаимодействовать друг с другом для предоставления определенных сервисов, а не сосуществовать. Очевидно, что интеграция или включение WLAN требуют уникального изменения MAC-уровня.

  1. Как, кто и когда должен осуществлять калибровку?: С точки зрения PHY-уровня все определяется радио-интерфейсом, а для сетевого уровня все определяется маршрутизацией, MAC-уровень играет роль в решении того, как взаимодействовать, кто взаимодействует и когда [97] [98]. Например, представим себе сценарий, когда сеть, обслуживающая систему измерительных датчиков, запрашивает AP, чтобы переслать собранные данные на мобильный телефон пользователя, AP сначала проверяет, находится ли мобильный телефон в пределах досягаемости и решает переслать ли данные самому или переадресовать их другому AP. И затем, AP проверяет условия канала и состояние очереди, чтобы решить, кто и когда будет передавать данные. Несмотря на масштаб и тип коллабораций, обмен кадрами менеджмента и управления необходим, чтобы построить соединение с другими объектами. Заметим, что современные коммуникации устройство-устройство требуют заметной доли общего беспроводного трафика, и они рассматриваются как одни из наиболее существенных вызовов для 5G-сетей [99] [100].
  2. Многошаговый кооперативный MAC: В дополнение к вышеприведенным соображениям, для MAC-протоколов интегрированных сетей необходима поддержка многошаговых ненаправленных связей. Типичный кооперативный сценарий заключается в том, что получатель, находящийся на границе зоны передатчика, может воспользоваться помощью соседа для ретрансляции. Это открывает следующие направления для исследования. Во-первых, выбор оптимального ретранслятора: (1) кто будет делать выбор, отправитель или получатель? (2) что является критерием для выбора оптимальной ретрансляции, уровень сигнала, энергетический уровень или соображения безопасности? (3) будет ли выбранный вариант одобрен или готов к передаче? Во-вторых, время передачи: (1) немедленно после передачи отправителя, или (2) бороться за канал и затем передать. В третьих, формат трансляции: (1) усилить-передать, декодировать-передать или сжать-передать, и (2) одиночная ретрансляция или групповая ретрансляция [101]. Должны быть также рассмотрены [102] [103] и другие аспекты, такие как проблема скрытого узла, кооперативное разнообразие, MPT/MPR функциональность и структура общей MAC-маршрутизации.
  3. Уличные и мобильные WLAN: Включение WLAN в уличные применения представляет некоторую проблему для традиционного MAC, так как такая среда предполагает ограниченную поддержку мобильности. Во-первых, из-за перемещения пользователя и широкомаштабному падению сигнала уличный сигнал меняется быстрее, чем внутри помещения даже при той же скорости перемещения [104]. По этой причине схема обратной связи CSI должна быть пересмотрена, чтобы своевременно получать данные о состоянии канала. Во-вторых, сотовые операторы могут загружать трафик в общую или частную WLAN (напр., класс несущей Wi-Fi [105]) в перегруженную публичную среду, в таком случае, обмен и QoS, предлагаемый в сотовой сети, должны быть гарантированы на MAC-уровне.


На рис. 13 показана структура кадра для однопользовательской сети, а на рис. 14 - для многопользовательской

Рис. 13. Структура кадра для однопользовательской сети (su-mimo) [107]

Рис. 14. Структура кадра для многопользовательской сети (IEEE 802.11ac) [107]

Ссылки

[1] Cisco, “The Zettabyte Era-Trends and Analysis,” in Cisco White Paper, pp. 1–19, 2013.
[2] “IEEE Draft Standard for Information Technology–LAN/MAN–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications–Amendment: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands Below 6GHz,” IEEE P802.11ac/D6.0, pp. 1–446, 2013.
[3] A. Goldsmith, S. A. Jafar, N. Jindal, and S. Vishwanath, “Capacity limits of MIMO channels,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 21, no. 5, pp. 684–702, 2003.
[4] G. Caire and S. Shamai, “On the achievable throughput of a multiantenna Gaussian broadcast channel,” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 49, no. 7, pp. 1691–1706, 2003.
[5] D. Gesbert, M. Kountouris, R. W. Heath, C.-B. Chae, and T. Salzer, “Shifting the MIMO paradigm: From Single User to Multiuser Communications,” IEEE Signal Processing Magazine, vol. 24, no. 5, pp. 36–46, 2007.
[6] Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, “Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser mimo channels,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 52, no. 2, pp. 461–471, 2004.
[7] C. B. Peel, B. M. Hochwald, and A. L. Swindlehurst, “A vector-perturbation technique for near-capacity multiantenna multiuser communication-part i: channel inversion and regularization,” IEEE Transactions on Communications, vol. 53, no. 1, pp. 195–202, 2005.
[8] J. Mietzner, R. Schober, L. Lampe, W. H. Gerstacker, and P. A. Hoeher, “Multiple-antenna techniques for wireless communications-a comprehensive literature survey,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 11, no. 2, pp. 87– 105, 2009.
[9] N. Abramson, “THE ALOHA SYSTEM: another alternative for computer communications,” in Proceedings of the AFIPS Fall Joint Computer Conference, pp. 281–285, ACM, 1970.
[10] IEEE, “IEEE STANDARDS BOARD OPERATIONS MANUAL.” http://standards:ieee:org/develop/policies/opman/ sect1:html. [Accessed 15 October 2014].
[11] “IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks–Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,” IEEE Std 802.11-2012, pp. 1–2793, 2012.
[12] “IEEE Standard for Information technology–LAN/MAN– Specific requirements– Part 11: Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput,” IEEE 802.11n, pp. 1–565, 2009.
[13] IEEE 802.11ax, “Project IEEE 802.11ax High Efficiency WLAN (HEW).” http://grouper:ieee:org/groups/802/11/Reports/ tgax update:htm. [Accessed 15 October 2014].
[14] L. Cariou, “Usage models for IEEE 802.11 High Efficiency WLAN study group (HEW SG).” https://mentor:ieee:org/ 802:11/dcn/13/11-13-0657-06-0hew-hew-sg-usage-models-and-requirements-liaison-with-wfa:ppt. [Accessed 15 October 2014].
[15] M. X. Gong, B. Hart, and S. Mao, “Advanced Wireless LAN Technologies: IEEE 802.11 ac and Beyond,” ACM Mobile Computing and Communications Review (MC2R), 2014.
[16] L. Wang, H. Lou, H. Zhang, Y. Sun, L. Chu, Z. Lan, J. Zhang, H. Kang, S. Chang and R. Taori, “Proposed 802.11ax Functional Requirements.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/14/11-14-0567-03-00ax-proposed-tgaxfunctional- requirements:doc. [Accessed 15 October 2014].
[17] IEEE 802.11ad, “Very High Throughput in 60 GHz.” http://www:ieee802:org/11/Reports/tgad update:htm. [Accessed 15 October 2014].
[18] IEEE 802.11 11ah, “Proposed TGah Draft Amendment.” http://www:ieee802:org/11/Reports/tgah update:htm. [Accessed 15 October 2014].
[19] T. Adame, A. Bel, B. Bellalta, J. Barcelo, J. Gonzalez, and M. Oliver, “Capacity Analysis of IEEE 802.11 ah WLANs for M2M Communications,” in Multiple Access Communcations, pp. 139–155, Springer, 2013.
[20] T. Adame, A. Bel, B. Bellalta, J. Barcelo, and M. Oliver, “Ieee 802.11 ah: The wi-fi approach for m2m communications,” IEEE Wireless Communications, 2014.
[21] “IEEE Standard for Information Technology–LAN/MAN–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications–Amendment: Medium access control (MAC) Enhancements for Quality of Service,” IEEE 802.11e, pp. 1–211, 2005.
[22] G. Bianchi, I. Tinnirello, and L. Scalia, “Understanding 802.11 e contention-based prioritization mechanisms and their coexistence with legacy 802.11 stations,” Network, IEEE, vol. 19, no. 4, pp. 28–34, 2005.
[23] E. Charfi, L. Chaari, and L. Kamoun, “PHY/MAC enhancements and QoS mechanisms for very high throughput WLANs: a survey,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013.
[24] M. Jiang and L. Hanzo, “Multiuser MIMO-OFDM for next-generation wireless systems,” Proceedings of the IEEE, vol. 95, no. 7, pp. 1430–1469, 2007. [25] F. Khalid and J. Speidel, “Advances in MIMO Techniques for Mobile Communications-A Survey,” Int’l J. of Communications, Network and System Sciences, vol. 3, no. 3, pp. 213–252, 2010.
[26] A. Paulraj, R. Nabar, and D. Gore, Introduction to space time wireless communications. Cambridge university press, 2003.
[27] M. Costa, “Writing on dirty paper (Correspondence),” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 29, no. 3, pp. 439– 441, 1983.
[28] D. J. Love, R. W. Heath, V. K. Lau, D. Gesbert, B. D. Rao, and M. Andrews, “An overview of limited feedback in wireless communication systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 26, no. 8, pp. 1341–1365, 2008.
[29] H. Lou, M. Ghosh, P. Xia, and R. Olesen, “A comparison of implicit and explicit channel feedback methods for MUMIMO WLAN systems,” in PIMRC, pp. 419–424, IEEE, 2013.
[30] M. X. Gong, E. Perahia, R. Want, and S. Mao, “Training protocols for multi-user MIMO wireless LANs,” in PIMRC, pp. 1218–1223, IEEE, 2010.
[31] H. Jin, B. C. Jung, H. Y. Hwang, and D. K. Sung, “Performance Comparison of Uplink WLANs with Single-User and Multi-User MIMO Schemes,” in WCNC, pp. 1854–1859, 2008.
[32] F. Babich and M. Comisso, “Theoretical Analysis of Asynchronous Multi-packet Reception in 802.11 Networks,” IEEE Transactions on Communications, vol. 58, no. 6, pp. 1782–1794, 2010.
[33] P. X. Zheng, Y. J. Zhang, and S. C. Liew, “Multipacket Reception in Wireless Local Area Networks,” in ICC, vol. 8, pp. 3670–3675, 2006.
[34] R. Liao, B. Bellalta, C. Cano, and M. Oliver, “DCF/DSDMA: Enhanced DCF with SDMA Downlink Transmissions for WLANs,” in BCFIC, pp. 96–102, 2011.
[35] B. Bellalta, J. Barcelo, D. Staehle, A. Vinel, and M. Oliver, “On the performance of packet aggregation in IEEE 802.11 ac MU-MIMO WLANs,” IEEE Communications Letters, vol. 16, no. 10, pp. 1588–1591, 2012.
[36] R. Liao, B. Bellalta, T. C. Minh, J. Barcelo, and M. Oliver, “Uni-MUMAC: A Unified Down/Up-link MU-MIMO MAC Protocol for IEEE 802.11 ac WLANs,” arXiv preprint arXiv:1309.5049, 2013.
[37] S. Yun, L. Qiu, and A. Bhartia, “Multi-point to multi-point MIMO in wireless LANs,” in INFOCOM, pp. 125–129, 2013.
[38] L. X. Cai, H. Shan, W. Zhuang, X. Shen, J. W. Mark, and Z. Wang, “A Distributed Multi-User MIMO MAC Protocol for Wireless Local Area Networks,” in GLOBECOM, pp. 4976–4980, 2008.
[39] M. X. Gong, E. Perahia, R. Stacey, R. Want, and S. Mao, “A CSMA/CA MAC Protocol for Multi-User MIMO Wireless LANs,” in GLOBECOM, pp. 1–6, 2010.
[40] Z. Zhang, S. Bronson, J. Xie, and H. Wei, “Employing the one-sender-multiple-receiver technique in wireless LANs,” in INFOCOM, pp. 1–9, IEEE, 2010.
[41] H. Shen, S. Lv, Y. Sun, X. Dong, X. Wang, and X. Zhou, “Concurrent Access Control Using Subcarrier Signature in Heterogeneous MIMO-Based WLAN,” in MACOM, pp. 109–121, 2012.
[42] W. L. Huang, K. Ben Letaief, and Y. J. Zhang, “Joint Channel State Based Random Access and Adaptive Modulation in Wireless LANs with Multi-Packet Reception,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, no. 11, pp. 4185– 4197, 2008.
[43] T. Tandai, H. Mori, K. Toshimitsu, and T. Kobayashi, “An efficient uplink multiuser MIMO protocol in IEEE 802.11 WLANs,” in PIMRC, pp. 1153–1157, IEEE, 2009.
[44] E. Kartsakli, N. Zorba, L. Alonso, and C. V. Verikoukis, “Multiuser MAC Protocols for 802.11n Wireless Networks,” in ICC, pp. 1–5, 2009.
[45] M. Zhao, M. Ma, and Y. Yang, “Applying opportunistic medium access and multiuser MIMO techniques in multi-channel multi-radio WLANs,” Mobile Networks and Applications, vol. 14, no. 4, pp. 486–507, 2009.
[46] H. Li, A. Attar, and V. C. M. Leung, “Multi-User Medium Access Control in Wireless Local Area Network,” in WCNC, pp. 1–6, 2010.
[47] C. Anton-Haro, P. Svedman, M. Bengtsson, A. Alexiou, and A. Gameiro, “Cross-layer scheduling for multi-user MIMO systems,” IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 9, pp. 39–45, 2006.
[48] V. Kawadia and P. Kumar, “A cautionary perspective on cross-layer design,” IEEE Wireless Communications, vol. 12, no. 1, pp. 3–11, 2005.
[49] W. L. Huang, K. Letaief, and Y. J. Zhang, “Cross-layer multi-packet reception based medium access control and resource allocation for space-time coded MIMO/OFDM,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, no. 9, pp. 3372– 3384, 2008.
[50] X. Yu, P. Navaratnam, and K. Moessner, “Resource Reservation Schemes for IEEE 802.11-Based Wireless Networks: A Survey,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 15, no. 3, pp. 1042–1061, 2013.
[51] G. Bianchi, “Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 3, pp. 535–547, 2000.
[52] K. Tan, H. Liu, J. Fang, W. Wang, J. Zhang, M. Chen, and G. M. Voelker, “SAM: enabling practical spatial multiple access in wireless LAN,” in INFOCOM, pp. 49–60, ACM, 2009.
[53] Microsoft, “Research Software Radio (SORA).” http://research:microsoft:com/en-us/projects/sora. [Accessed 15 October 2014].
[54] A. Ettefagh, M. Kuhn, C. Es?li, and A. Wittneben, “Performance analysis of distributed cluster-based MAC protocol for multiuser MIMO wireless networks,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2011, no. 1, pp. 1–14, 2011.
[55] A. Mukhopadhyay, N. B. Mehta, and V. Srinivasan, “Acknowledgement-aware MPR MAC protocol for distributed WLANs: Design and analysis,” in GLOBECOM, pp. 5087–5092, IEEE, 2012.
[56] T.-H. Lin and H. Kung, “Concurrent channel access and estimation for scalable multiuser mimo networking,” in INFOCOM, pp. 140–144, April 2013.
[57] E. J. Cand`es and M. B. Wakin, “An introduction to compressive sampling,” IEEE Signal Processing Magazine, vol. 25, no. 2, pp. 21–30, 2008.
[58] S. Wu, W. Mao, and X. Wang, “Performance Study on a CSMA/CA-Based MAC Protocol for Multi-User MIMO Wireless LANs,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 6, pp. 3153–3166, 2014.
[59] T.-W. Kuo, K.-C. Lee, K.-J. Lin, and M.-J. Tsai, “Leader-Contention-Based User Matching for 802.11 Multiuser MIMO Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications 13(8): 4389-4400.
[60] E. K. Chong and S. H. Zak, An introduction to optimization, vol. 76. John Wiley & Sons, 2013.
[61] H. Li, K. Wu, Q. Zhang, and L. M. Ni, “CUTS: Improving channel utilization in both time and spatial domains in WLANs,” IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, Vol. 25, No. 6, 2014.
[62] S. Barghi, H. Jafarkhani, and H. Yousefi’zadeh, “MIMO-assisted MPR-aware MAC design for asynchronous WLANs,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 19, no. 6, pp. 1652–1665, 2011.
[63] S. Zhou and Z. Niu, “Distributed Medium Access Control with SDMA Support for WLANs,” IEICE Transactions, vol. 93-B, no. 4, pp. 961–970, 2010.
[64] R. Liao, B. Bellalta, and M. Oliver, “DCF/USDMA: Enhanced DCF for Uplink SDMA Transmissions in WLANs,” in IWCMC, pp. 263–268, 2012.
[65] Y. J. Zhang, “Multi-round contention in wireless LANs with multipacket reception,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 9, pp. 1503–1513, Apr. 2010.
[66] Y. S. Chow, H. Robbins, and D. Siegmund, Great expectations: The theory of optimal stopping. Houghton Mifflin Boston, 1971.
[67] D. Jung, R. Kim, and H. Lim, “Asynchronous Medium Access Protocol for Multi-User MIMO Based Uplink WLANs,” IEEE Transactions on Communications, vol. 60, no. 12, pp. 3745–3754, 2012.
[68] T. Nguyen, L. Lanante, H. Ochi, T. Uwai and Y. Nagao, “Uplink multi-user MAC protocol for 11ax.” https: //mentor:ieee:org/802:11/dcn/14/11-14-0598-00-00ax-uplink-multi-user-mac-protocol-for-11ax:pptx. [Accessed 15 October 2014].
[69] Z. Lan, Y. Li, D. Yang, J. Zhang, R. Luo, P. Loc and P. Barber, “Frame Exchange Control for Uplink Multi-user transmission.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/14/11-14-1190-03-00ax-frame-exchange-control-for-uplink-multi-usertransmission :pptx. [Accessed 15 October 2014].
[70] L. X. Cai, X. Shen, J. W. Mark, L. Cai, and Y. Xiao, “Voice capacity analysis of wlan with unbalanced traffic,” Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol. 55, no. 3, pp. 752–761, 2006.
[71] Ettus, “Universal Software Radio Peripheral (USRP).” http://www:ettus:com. [Accessed 15 October 2014].
[72] B. Bellalta and M. Oliver, “A space-time batch-service queueing model for multi-user MIMO communication systems,” in ACM international conference on Modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems, pp. 357–364, ACM, 2009.
[73] G. Redieteab, L. Cariou, P. Christin, and J.-F. H?elard, “SU/MU-MIMO in IEEE 802.11 ac: PHY+ MAC performance comparison for single antenna stations,” in Wireless Telecommunications Symposium, pp. 1–5, IEEE, 2012.
[74] G. Breit, et al., “IEEE P802.11 Wireless LANs TGac Channel Model Addendum.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/09/ 11-09-0308-03-00ac-tgac-channel-model-addendum-document:doc. [Accessed 15 October 2014].
[75] J. Cha, H. Jin, B. C. Jung, and D. K. Sung, “Performance Comparison of Downlink User Multiplexing Schemes in IEEE 802.11ac: Multi-user MIMO vs. Frame Aggregation,” in WCNC, pp. 1514–1519, 2012.
[76] H. V. Balan, R. Rogalin, A. Michaloliakos, K. Psounis, and G. Caire, “Achieving high data rates in a distributed mimo system,” in MOBICOM, pp. 41–52, ACM, 2012.
[77] Rice University, “Wireless Open-Access Research Platform (WARP).” http://warp:rice:edu/trac/wiki/about. [Accessed 15 October 2014].
[78] C. Zhu, A. Bhatt, Y. Kim, O. Aboul-magd, and C. Ngo, “MAC Enhancements for Downlink Multi-user MIMO Transmission in Next Generation WLAN,” in CCNC, pp. 832–837, 2012.
[79] B. Ji, K. Song, Y. Hu, and H. Chen, “Cooperative Transmission Mechanisms in Next Generation WiFi: IEEE 802.11 ac,” International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 2014, 2014.
[80] G. Redieteab, L. Cariou, P. Christin, and J. F. Helard, “PHY+MAC channel sounding interval analysis for IEEE 802.11ac MU-MIMO,” in ISWCS, pp. 1054–1058, 2012.
[81] R. Liao, B. Bellalta, J. Barcelo, V. Valls, and M. Oliver, “Performance analysis of IEEE 802.11 ac wireless backhaul networks in saturated conditions,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2013, no. 1, pp. 1–14, 2013.
[82] K. Maraslis, P. Chatzimisios, and A. Boucouvalas, “IEEE 802.11 aa: Improvements on video transmission over Wireless LANs,” in ICC, pp. 115–119, IEEE, 2012.
[83] T. Kim and N. Vaidya, “MAC Protocol Design for Multiuser MIMO Wireless Networks,” Technical Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008.
[84] Cisco, “802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi,” in Cisco White Paper, pp. 1–25, 2012.
[85] A. Kishida, M. Iwabuchi, Y. Inoue, Y. Asai, Y. Takatori, T. Shintaku, T. Sakata and A. Yamada, “Issues of Low-Rate Transmission.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/13/11-13-0801-01-0hew-issues-of-low-rate-transmission:pptx. [Accessed 15 October 2014].
[86] H. Singh, J. Hsu, L. Verma, S. S. Lee, and C. Ngo, “Green operation of multi-band wireless LAN in 60 GHz and 2.4/5 GHz,” in CCNC, pp. 787–792, IEEE, 2011.
[87] T. D. Laurent Cariou and J.-P. L. Rouzic, “Carrier-oriented WIFI for cellular offload.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/ 12/11-12-0910-00-0wng-carrier-oriented-wifi-cellular-offload:ppt. [Accessed 15 October 2014].
[88] J. Barcelo, B. Bellalta, C. Cano, A. Sfairopoulou, M. Oliver, and K. Verma, “Towards a collision-free WLAN: dynamic parameter adjustment in CSMA/E2CA,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2011, pp. 1–11, 2011.
[89] S. Sen, R. Roy Choudhury, and S. Nelakuditi, “No time to countdown: Migrating backoff to the frequency domain,” in Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 241–252, ACM, 2011.
[90] E. Aryafar, M. A. Khojastepour, K. Sundaresan, S. Rangarajan, and M. Chiang, “MIDU: enabling MIMO full duplex,” in MobiCom, pp. 257–268, ACM, 2012.
[91] M. Duarte, A. Sabharwal, V. Aggarwal, R. Jana, K. Ramakrishnan, C. Rice, and N. Shankaranarayanan, “Design and Characterization of a Full-Duplex Multiantenna System for WiFi Networks,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 63, no. 3, pp. 1160–1177, 2014.
[92] J. I. Choi, S. Hong, M. Jain, S. Katti, P. Levis, and J. Mehlman, “Beyond full duplex wireless,” in ASILOMAR, pp. 40–44, IEEE, 2012.
[93] A. Sahai, G. Patel, and A. Sabharwal, “Pushing the limits of full-duplex: Design and real-time implementation,” arXiv preprint arXiv:1107.0607, 2011.
[94] W. Zhou, K. Srinivasan, and P. Sinha, “RCTC: Rapid concurrent transmission coordination in full DuplexWireless networks,” in ICNP, pp. 1–10, 2013.
[95] E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, and T. L. Marzetta, “Massive mimo for next generation wireless systems,” arXiv preprint arXiv:1304.6690, 2013.
[96] L. Lu, G. Li, A. Swindlehurst, A. Ashikhmin, and R. Zhang, “An overview of massive mimo: Benefits and challenges,” 2013.
[97] W. Zhuang and M. ISMAIL, “Cooperation in wireless communication networks,” IEEE Wireless Communications, vol. 19, no. 2, pp. 10–20, 2012.
[98] T. C. Minh, B. Bellalta, S. Oechsner, R. Liao, and M. Oliver, “Managing Heterogeneous WSNs in Smart Cities: Challenges and Requirements,” arXiv preprint arXiv:1310.6901, 2013.
[99] E. Hossain, Z. Han, and H. V. Poor, Smart grid communications and networking. Cambridge University Press, 2012.
[100] E. Hossain, M. Rasti, H. Tabassum, and A. Abdelnasser, “Evolution toward 5g multi-tier cellular wireless networks: An interference management perspective,” Wireless Communications, IEEE, vol. 21, pp. 118–127, June 2014.
[101] P. Ju, W. Song, and D. Zhou, “Survey on cooperative medium access control protocols,” IET Communications, vol. 7, no. 9, pp. 893–902, 2013.
[102] H. Shan, W. Zhuang, and Z. Wang, “Distributed cooperative mac for multihop wireless networks,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, no. 2, pp. 126–133, 2009.
[103] L. Le and E. Hossain, “Cross-layer optimization frameworks for multihop wireless networks using cooperative diversity,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, no. 7, pp. 2592–2602, 2008.
[104] W. Lee, et al., “HEW SG PHY Considerations For Outdoor Environment.” https://mentor:ieee:org/802:11/dcn/13/11-13- 0536-00-0hew-hew-sg-phy-considerations-for-outdoor-environment:pptx. [Accessed 15 October 2014].
[105] R. Agarwal and A. Tomer,“Carrier Wi-Fi Offload: Charting the Road Ahead,” in Tata Consultancy Services White Paper, pp. 1–14, 2013.
[106] "MU-MIMO MAC Protocols for Wireless Local Area Networks: A Survey", Ruizhi Liao, Boris Bellalta, Miquel Oliver, Zhisheng Niu
[107] "802.11AC Wave 2", Chip 12/14, стр. 106


Источник: http://book.itep.ru/4/4/mimo.htm


Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях

Как улучшить сигнал антенны в домашних условиях