文摘

通常,全向天线辐射模式是用于移动ad hoc网络(MANET)干扰,导致邻居节点消耗更多的能量,只支持有限的传播范围。为了克服这些问题,使用智能天线。大量的介质访问控制(MAC)协议提出了使用智能天线。现有工作解决各种问题,如隐藏终端问题,隐藏梁问题,耳聋的节点,主管线阻塞问题。然而,某些因素包括确定权向量并将其传达给邻居节点免于扭曲不考虑传输。在这项研究中,提出了取消MAC (NULLMAC)框架使用一个自适应天线阵列(AAA)在MANET改善网络性能。NULLMAC框架使用频道信息实现高吞吐量和空间复用通过物理和MAC层集成。数据包的传输,接收方之前首先确定其权向量和传达到发射机通过控制包。然后,发射机计算其重量取消动态接收器在附近地区寻找所需的接收机。Beamformer权重确定通过一对收发两用机之间的信道系数建立免于扭曲的传播。 Extensive simulations are performed using OPNET integrated with MATLAB. NULLMAC framework achieves 27.22% more throughput and 40.46% increase in signal-to-noise ratio.

1。介绍

在未来的通信系统,马奈的技术进步将起到至关重要的作用。可以在网络中每个节点使用大量的天线。在点对点的通信链路,利用几个天线提供了重要的获得能力和改善联系也克服了各种衰落和多用户干扰等影响。天线阵结合取消介质访问控制(NULLMAC)协议建立了实现高吞吐量,减少干扰更大的水平,实现高效的数据通信(1]。

IEEE 802.11 MAC利用DCF(分布式协调功能)作为基本MAC协议被认为是马奈的全向天线。与防撞技术命名的载波监听多路访问(CSMA / CA)是使用握手机制。近年来,智能天线代替全向天线,因为他们提供了传播范围由于高增益天线的存在,从而提供更多的节点之间的连接。信号传输发生在有限的范围内可以延长电池寿命,减少高频辐射。智能天线的使用有助于提高网络容量通过改进空间重复使用的无线介质。全向天线相比,这似乎是一个有吸引力的优势在使用定向天线。对于成功的传输场景而采用定向天线,节点容量已经与增加的节点数为零(2]。

NULLMAC机制在视线和多路径场景。本协议使用信道知识保护能源和空间复用调零效应在正在进行的通信会话的帮助下通过自适应天线阵列(AAA)。这个模块使用AAA提供更好的物理和MAC层的集成资源,有助于优化网络的整体性能。

本文组织良好的方式进行了文献调查部分2。节3,讨论自适应天线阵列执行机制。提出NULLMAC协议中描述部分4。节5,提出了协议性能。研究的结论提出了部分6。

2。相关的工作

许多研究人员已经开发出各种MAC协议增加空间重复使用。其中一个是自适应定向MAC (ADMAC)协议支持多种同步传输。躺在节点传输范围的发射器(TX)和接收器(RX)应该闲置在整个传播。因此,传播率会降低。在天线阵列的帮助下,有限的空间复用可以解决的问题。

马哈茂德et al。3]提出的自适应和可靠的多通道无线网络使用MAC设计合作,定向多通道合作方法。定向多通道耳聋和使用双重合作方法是解决隐藏终端问题。通过并行传输,在相同的数据通道,使用多向数据包传输提高了有效信道带宽的利用率。同时,基于全球定位系统的邻居发现。

王等人。4)提出了合作多通道方向定向特设网络MAC (CMDMAC)协议,其中包括minorlobe干扰。CMDMAC不涉及任何额外的工具或同步机制来处理耳聋和隐藏终端问题,因为大多数现有的MAC协议需要的类型。定向传输采用单一数据通道在许多实例。CMDMAC定向和多通道传输提供了重要的网络性能。

Kulcu et al。5)提出了一个框架提供可操纵的智能天线解决方案可靠和可伸缩的无线网络使用IETF 6 tisch协议。MAC层和调度机制用于上述协议集成智能天线以最小的复杂性。6 tisch协议的性能方面的数据交付更密集的网络流量相比,现有的协议。

时et al。6)提出了切换波束天线阵列MAC (SBAA-MAC)协议使用一个模糊逻辑控制器切换波束天线。额外的时间间隔,即额外控制差距(ACG)介绍了在控制,并使用模糊规则的数据包。每个节点计算自己的独特价值ACG使用模糊逻辑方法基于指标从竞争获得节点通过窃听。ACG帮助邻居节点交换控制数据包和组织同步数据传输。保持所有节点数据结构称为活跃邻居表(蚂蚁)。数据包传输之前,发射机和接收机必须熟悉彼此的位置进行一个成功的传播。这个协议包含一个空闲节点听它的天线元素正在进行的传输。同步传输是通过定向请求发送和定向清楚(DRTS-DCTS)数据包发送到网络中所有节点存在除了活跃节点。结果表明,信噪比和吞吐量的SBAA-MAC增长了29.9%和48.7%。

小王和黄7]提出S-MAC协议与ESPAR特设网络天线。从空间上分开SDMA系统允许多个数据包接收发射机。隐藏终端和其他相关问题可以解决使用这个协议。S-MAC使用RTS和CTS帧(全方位)来确定一个节点的位置。Beam-direction-to-send (bdt),一个全方位控制包,提供通信节点的梁到邻居节点的信息。所有网络节点梁表和更新通过控制帧广播找忙射束方向,促进有效的沟通。这个方案经历了多个传输,因此,网络的网络性能大大扩展的能力,这主要是基于SDMA机制。修改全向网络分配向量(NAV)比传统的导航和短允许节点确定传输媒介的地位,因此,冲突是可以预防的。另一方面,数据包传输时间略有上升与数据包大小的增加。

AMAC-MLSR框架提出的帮派et al。8)获得最小误比特率和网络延迟。在这里,每个节点提供一个ESPAR天线。一个活跃的元素周围是被动的数组元素。这地方空的方向干扰信号和期望信号方向最大值。定期收集邻居signal-angle表中的信息维护(坐),允许重叠的沟通在不同的方向。它还有助于在定向路由找到最好的路线与邻居节点通信传输方向数据和确认(ACK)数据包通过邻居链路状态表(NLST)。MLSR、修改链路状态表驱动路由协议收集网络状态信息在特定的时间间隔和全球链路状态更新表(GLST)。节点将其topology-related信息发送给它的一个相邻节点至少拜访邻居断断续续间隔基于第一个有效的路由算法。

陆et al。9)提出了一个ADMAC有4个部分:(1)载体传感机制的避碰方法,(2)自适应信道访问机制,(3)自适应的邻居发现,和(4)的邻居节点表更新。节点发送控制包全向和定向的方式。该方法的主要目的是提高网络吞吐量提高同步交流。然而,这种方法不执行任何信道估计。

3所示。自适应天线阵的机制

自适应天线阵列提供更好的信号处理算法等空间信号特征识别信号的到达方向(DOA)和找到波束形成的向量。自适应阵列天线相比,切换波束天线将梁对期望用户和零陷,因为他们通过区。数组直接向特定的方向,正确地选择阶段。取消干预,一个平面波终止null-directing梁前达到某一特定方向上。信号处理器的自适应天线阵列天线可以自动调节变量权重获取改善信噪比。

图1显示了自适应天线阵系统的框图和信号处理单元。一种自适应天线系统描述了一个主瓣方向向用户和导演对陷null。


图1
自适应天线系统。

NULLMAC利用MIMO信道知识分配天线重量,取消当前通信会话。这使得更多的同步通信。信道带宽划分为互相正交的两个逻辑通道。一个频道分配控制消息传输(10]。另一个是对数据和应答数据包的传输。多路访问计划,即FDMA(频域)或CDMA(空间域)可以合并。通道的通道是假定为对称参数从传感器节点到接收节点,反之亦然是相同的。发现这种假设是有效的,当上下联系的频率是相似的。这个协议可以用于使用分配系数值的反馈渠道。但对于不对称通道,头增加细节。

这里的通道模型认为是窄带信道模型,在链接的带宽小于信道带宽。它使NULLMAC评估数据通道系数使用控制信号。如果通道不认为是窄带,然后NULLMAC修改等方式估计数据信道系数的帮助下在物理层正交频分复用(11,12]。数据和控制通道实现为组副载波没有重叠。

活动neighbors-nullifying(安)算法是用来测量对每个节点的权重向量需要沟通与已知的信道特征。4天线的MIMO信道使用两端在图描述2(13]。(1)年代(t),已调信号通过传输光束前发送(2)年代(t)和重量 通过每个天线发送吗(3)信号与权重 接收机的总结来获得 收到beamformer输出(4)r(t)是发现和原来的位流


图2
分布式天线系统4天线。

考虑一个节点N天线,说米=N。让 (N 1)向量的重量和传输 (N 1)接收权重向量。以下方程显示接收到的信号我th天线:

接收到的信号输出 是由以下表达式:

因此, 。复杂的获得的价值 传输波束形成后,给出了通道和接收波束形成 。选择合适的重量、发射机和接收机的信号是否正常接收或nul可以保证。一般来说,要么 或 将一个已知的价值和其他价值已被发现(14]。

ANN算法考虑三种情况来确定所需的通信对给出如下:(我)如果发射机和接收机被认为是理想的沟通和固定 , 发现使用 。(2)如果在另一个与固定通信接收机忙 , 发现使用 。(3)如果在另一个与固定通信发射机忙 ,接收方与 发现使用

3.1。设计自适应天线的重量

让 信道矩阵与l圣节点是发射机和米th节点被接收者。考虑第一个节点可以接受一个包从节点2干扰节点 目前从事传播到其他节点的权重吗 。计算得到beamformer设计的步骤如下:(我)计算基本频道向量发射器, ,在哪里 (2)计算所需的发射机的有效信道矢量, 。 计算使用 。(3)然后,表单N通过 信道向量的矩阵 (iv)找到 这 在哪里 提供单位增益值所需的发射机和零获得剩下的传输节点。(v)然后,扩大规模 使用这个公式 实现单位正常接收权向量。

接收方在节点1能够在大多数其他调零 发射器。缩放操作确保器能够达到所需的信噪比( )。同时,发现接收机增益不能提高信噪比的值,因为接收机增益对信号和噪声具有相同的影响(15- - - - - -18]。

考虑节点1到2传输不创建任何干扰节点 。他们认为从事一些传输接收权重 , 。计算传输beamformer设计的步骤如下:(我)剩余的接收器计算有效信道向量:h米= ,在哪里 (2)计算所需的接收机的有效信道矢量, = 。同时,考虑到 已经设计的帮助下beamformer接收机的设计步骤如上所述。(3)然后,表单N通过P+ 1频道向量的矩阵表示X= (h2h3h4···hP+ 2](iv)确定 这 =z,z= (1 0···0)T从而实现单位增益值从节点1到2和null获得剩余价值接收器。

伸缩器恒定值权重,在接收端可以获得所需的信噪比。类似于beamformer设计接收机、发射机在节点1是导演null的最大的能力N−1接收器。必要的传输能量需要获得统一信号强度在接收节点匹配 。信道系数的估计,而控制消息之前开始交换数据包传输的出现。传输通道大约是被认为是常数在控制和数据包传输(19]。

4所示。NULLMAC协议

NULLMAC协议设计了自适应阵列天线负责传播权向量的主动节点通过控制数据包的信息。在发射机和接收机之间的数据包传输数据,接收方最初决定了它的权向量为了取消入侵在邻里的帮助下之前讨论的方法。接收机权重确定并通知发射机区域的节点(20.]。然后,发射机计算其重量取消活动和动态接收器出现在附近地区为了获得单位增益值的首选接收器。最后,发射机和接收机告知邻居节点权向量选择细节。

NULLMAC认为总带宽(BW)有两个渠道,即数据通道(DC)和控制通道(CC),以FDMA互相正交或CDMA。两个正交通道使每个节点能够轻松地跟踪其他正在进行的通信发生在邻近的节点。CC表现为分配带宽αBW,α是在0和1之间。这个参数取决于网络拓扑和可用的自由度。两个物理属性考虑NULLMAC给出如下:(我)一个节点可以接收数据包同时直流和CC(2)在传输过程中在任何渠道,节点无法接收数据包在另一个频道

NULLMAC协议使用CSMA / CA技术/ CC为了访问华盛顿。大多数情况下,碰撞不会倾向于发生在直流。如果节点传递数据节点B,然后直流的帮助下可以访问三个控制数据包,即RTS, CTS和数据发送(DS)。节点发送RTS数据包(包括 接收节点B CC的CTS包)。如果空闲节点B,它与CTS(包括响应 获取数据包 对CC发送ACK)节点,节点发送DS数据包(包括 传输的数据包 收到ACK)节点B / CC。当DS传输完成后,数据传输。完成后,接收方发送ACK数据包。超时的概念的使用是为了恢复意想不到的情况。如果超时,那么当前交换过程被取消,并重复一段时间以后。自适应天线重量都包含在控制包,他们向邻居节点(21]。

只有全方位与恒功率传输发生在CC。飞行员的控制分组交换使用所有天线。一个全向或者使用多个天线的消息组件控制数据包。简单的时空编码方法中使用RTS / CTS / DS交流。如果改进空间和时间计划用于控制封包传输,然后全向传输/ CC深衰落环境中很容易成为可能。修改可以通过NULLMAC协议完成工作等情况下大延迟传播通过先进的信号处理技术22]。

修改后的RTS, CTS和DS帧格式用于NULLMAC权向量信息都用表表示1。

表1
修改后的RTS, CTS和DS帧格式。

考虑网络场景如图3与6节点从A到f .虚线代表的节点对的传输范围内。考虑一个案例,C和E节点发送数据包到D和F节点,分别在某些瞬间的时间。A和B是空闲节点,节点要发送数据包到B节点通常不能传输节点B,因为它可能撞上数据包接收节点D和F。


图3
NULLMAC场景。

如果节点有四个自适应天线,它集零增益值方向的节点C, D, F,以避免碰撞与当前通信。以同样的方式,节点B有能力抵消干扰的效果由D, E, F节点,节点包如图4。


图4
自适应波束形成。

还要注意,从节点传输F必须无效为了克服干扰,当节点F发送确认接收数据包从e节点必须取消节点C以这样一种方式,它可以有ACK数据包的接收节点B没有干扰。节点之间的A / B必须检查正在进行的传输C / D (E / F)。它还必须检查F / D是否在其他链接。节点A / B必须意识到天线的重量指标节点使用的C、D和F / D, E, F .节点A / B必须注意使用的天线重量指标节点B /接收数据/ ACK包。节点A / B必须知道节点的信道系数矩阵C、D和F / D, E和F。

A和B节点倾向于知道通信发生在他们的社区通过仔细观察NULLMAC CC。毕业典礼前考虑案件中,C和D之间的数据传输,节点D将直接CTS包针对RTS数据包发送的节点C . C的节点将与DS包回复CTS包。现在,节点听到C和D之间的传输,如果不参与任何传输时间在那一瞬间。同样,节点听CTS包从节点F但不听DS数据包从节点e .因此,节点确定节点C、D和F在其社区和参与其他一些交流。一个节点无法听到CTS或DS数据包在传输过程中。因此,节点E是知道最近A和B之间传输数据包后将开始转移到节点f .当一个节点发送数据包的缺乏知识的传输,那么腐败发生在一个数据包的接收。为了避免这个问题,所有节点必须等待一个特定的时间之前启动另一个传播。

定向传输的优点和需要讨论的控制通道已经通道(方向)知识所有邻国可能发生在非移动场景或使用全向数据包传输信道估计和确定你的邻居节点。NULLMAC网络涉及运动的主要节点。信道估计和邻居发现发生每包(23,24]。没有假设之前通道的可用性(定向)信息消息接收者和邻近的节点后可能涉及到在接下来的沟通过程。

节点必须有知识有关H矩阵到邻近的节点。方法用于测量通道系数是通过包括飞行员在RTS信号和CTS数据包。控制节点,听到消息,测量相应的信道系数和储存它。通道具有类似通道系数都是倒数,在传输直流(常系数25- - - - - -27]。

5。仿真结果

仿真进行了同时采用OPNET建模者使用(离散事件仿真器)来评估网络性能特征。MATLAB代码集成到自适应天线的天线模型允许重复使用null和实施各种各样的波束形成算法。分析是完全基于性能和影响发生在各种上层尤其是网络层和数据链路层。MATLAB纯利润MX界面同时采用OPNET和MATLAB接口,它允许C程序调用MATLAB开发的功能如图5。


图5
同时采用OPNET和MATLAB接口。

同时采用OPNET和MATLAB处理同时NULLMAC允许信息交换发生在执行。OPNET的实现有两个渠道:控制通道(CC)和数据通道(DC)。数据包传输发生在CC中可用的所有网络节点传输范围。节点接收全方位控制消息当谎言在这个范围内。取消也可以发送通信场景中。节点未能得到控制数据包被认为是“飞出他的射程。“这些节点有可怜的知识进行交流。因此,他们可能会导致冲突。

航空遥感进行在直流和CC开始前沟通,以避免碰撞。信道状态信息和权重向量在MATLAB注册。同时采用OPNET被运送到的事件发生在MATLAB定期状态更新。接收信噪比、发射机功率测量和beamformer设计实现MATLAB同时采用OPNET。然后从数值反馈,成功与NULLMAC战略协议免责声明进行了。仿真结果相对于ADMAC NULLMAC如下。

5.1。性能分析

进行了模拟提出NULLMAC框架。因素如吞吐量、信噪比、误比特率,延迟,和能源消费被认为是。这些参数的NULLMAC被现有的方法进行比较,即CMDMAC, SBAA-MAC, S-MAC AMAC-MLSR, ADMAC。

图6同时采用OPNET仿真显示了节点与MATLAB形成和界面的截图。进行了模拟提出NULLMAC框架与某些现有的方法。参数如吞吐量、比特误码率、信噪比、能耗和延迟是模拟。这些参数测量,以确定服务质量和整体网络性能。


图6
项目:马奈项目测试[子网:。办公室网络)。
5.1.1。吞吐量的比较

吞吐量是指数据包成功发送的速率数据传输通道。它以每秒位数(bps)。

它是观察从图7NULLMAC是27.22%的吞吐量获得更多与现有方法CMDMAC的平均值相比,SBAA-MAC, S-MAC AMAC-MLSR, ADMAC。总的来说,获得的吞吐量在NULLMAC似乎高相比,所有其他的方法。吞吐量的增加由于带宽的有效利用和零干扰。


图7
比较的吞吐量。
5.1.2中。误比特率的比较

误比特率的速率比特错误。换句话说,误码率也表示的数量错误位总位时间内传播。它是单位少的因素,通常用百分比表示。

它是观察从图8NULLMAC的方方面面与平均值相比低45.97%的现有方法CMDMAC SBAA-MAC, S-MAC AMAC-MLSR, ADMAC。总的来说,NULLMAC似乎非常少的数量比其他方法。错误率似乎非常少以来NULLMAC权重向量是向邻居节点传输数据所需的接收器,从而消除干扰和提供免于扭曲沟通。


图8
误比特率的比较。
5.1.3。信噪比的比较

信噪比的比值平均信息信号力量累积平均功率的干扰和噪声来源。它通常用分贝表示。

从图9的信噪比得到NULLMAC比平均值高出40.46%的现有方法CMDMAC SBAA-MAC, S-MAC AMAC-MLSR, ADMAC。总的来说,NULLMAC显示了良好的性能而言,信噪比与其他方法相比。以来NULLMAC更信噪比的最大功率是使用自适应天线辐射方向对所需的用户。


图9
信噪比的比较。
5.1.4。能源消耗的比较

能源消费在信息分布的比例是由移动节点的能源消耗对网络的整体能量。

图10描述NULLMAC被减少了13.43%的能源消耗与现有方法CMDMAC的平均值相比,AMAC-MLSR S-MAC, ADMAC。但SBAA-MAC的能源消耗减少8.1%相比,NULLMAC协议。节能更以来NULLMAC所有可用的自由度不用于调零,进一步降低传输能量。


图10
比较能源消耗。
是5.1.5。比较延迟

网络延迟表示一个数据位旅行所需的时间从源到目标网络中。它通常是用分数来衡量的秒。

图11描述了该方法推迟NULLMAC得到比现有方法S-MAC增加了14.96%。延迟NULLMAC似乎少与其他现有方法CMDMAC相比,SBAA-MAC, ADMAC。总的来说,推迟S-MAC似乎非常少与其他方法相比。NULLMAC花费更多的时间由于天线权向量的确定和输送到邻居节点。推迟NULLMAC协议并没有减少多少比现有的方法由于多余的时间需要发送和接收beamformer体重的决心。


图11
比较延迟。

6。结论

在无线通信中,上升的主要动机兴趣智能天线系统是网络容量的增加,减少干扰,低功耗。智能天线技术的原则和传统特设网络协议进行了分析。介质访问控制技术使用智能天线仍然作为一个活跃的研究领域与视野探索。与大多数现有的工作,此方法适用于节点在网络多路径传播。其路线null除了所有其他节点所需的邻居节点允许并行数据传输。beamformer权重是指导null的设计和实现。NULLMAC协议是专为窄带信道模型和可以扩展为宽带场景。同时采用OPNET结合MATLAB的实现是用来执行模拟。性能分析表明,NULLMAC收益率增加27.22%的吞吐量,约45.97%的40.46%增加信噪比,降低误码率。NULLMAC的唯一缺点是能耗被AMAC-MLSR相比增加了8.1%,延迟变得S-MAC相比增加了14.96%。 However, NULLMAC shows better performance in terms of throughput, SNR, and BER compared to other existing protocols.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者要求[Mahendrakumar Subramaniam、电子邮件id:(电子邮件保护)]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。