回顾移动无线网络的信道访问机制通过利用物理层技术

文摘

无线局域网络(无线局域网)已被广泛部署移动设备的快速发展和进一步被带进新的应用程序和基础设施流动由于无人机(uav)的增长。然而,无线局域网仍然面临着持续的挑战增加网络吞吐量以满足客户的要求和对抗节点移动性。干扰是一个众所周知的问题,降低网络性能由于广播无线信号的特性。此外,随着基础设施的流动性,干扰成为追求信道容量的关键障碍。遗留干扰管理机制通过通道访问控制在MAC层设计802.11标准的一些著名的缺点,如暴露和隐藏终端问题,效率低下的适应,和重传方案,使有效的干扰管理一个永恒的研究课题。最近,通过利用物理层干扰管理机制吸引了许多研究兴趣和已被证明是一个有前途的方法来提高网络吞吐量,特别是基础设施的移动场景下提供更多的节点动力学指标。在本文中,我们介绍了一系列代表物理层技术和分析他们是如何利用干扰管理改善网络性能。我们还提供一些讨论研究的挑战,给潜在的未来在这一领域的研究主题。

1。介绍

随着移动设备的快速发展,无线局域网络(无线局域网,通常被称为无线网络)广泛部署在不同的地方,从家到办公室,餐厅、俱乐部、等,由于其可接受的性能和易于部署特性(1]。目前,无人机(uav)的增长让这些网络新应用程序和基础设施的移动,接入点(AP)的移动来缓解一些不可预知的问题,如自然灾害和贫困的报道。然而,无线局域网在信道容量仍然面临着持续的挑战由于大量的移动数据流量。以思科视觉网络指数预测(2](VNI),全球移动数据流量将增加七倍从2016年到2021年,无线局域网的流量将被卸载。

实际上,IEEE任务组做出了非常多的努力对吞吐量提高无线局域网通过802.11标准的发展在过去的20年。从1997年IEEE 802.11标准的基本版本支持1/2 Mbps数据率被释放,发布了一系列的802.11标准增加物理层数据速率。802.11和802.11 b / g增加单流的数据率11 Mbps和54 Mbps,分别通过利用高阶调节;802.11 n和802.11交流提高数据传输速率高达600 Mbps和> 6 Gbps,分别通过进一步利用多输入和多输出(MIMO)技术。现在即将到来的802.11 ax旨在实现10 Gbps的数据率,预计将于2019年发布。然而,有一个巨大的差距物理层数据速率和网络吞吐量3),这主要是由于低效的信道访问机制干扰管理无线移动网络。

干扰是众所周知的降低网络吞吐量由于广播无线信号的特性。理论上,干涉发生在接收到的信号的信号干扰噪声比(SINR)低于所需的阈值。问题将更糟糕的基础设施移动场景下移动APs可能导致接收信号功率的动态变化。802.11家庭建议载波监听多路访问(CSMA)机制在MAC层管理干预。发射机可以继续传输只有当它确定信道是空闲的;否则,它应该保持沉默,直到变为空闲时为了避免干扰的频道。这种机制很简单但效率低下,因为它有以下著名的缺陷可能会导致网络性能低:(1)它可能不能有效地避免干扰由于隐藏终端问题,节点将干扰进行链接,因为它不能发送器的数据传输但可以干扰接收器的数据接收;(2)它可以禁止并发传输的干扰链接由于暴露终端问题(禁止一个节点的传输信号,因为它可以听到来自发射机的数据传输,虽然它不会干扰接收器的数据接收;(3)可能无法在最优数据率传输数据包根据实际信道情况下,当数据当然可以以更高的速度,当无线信道传播更好;(4)它有一个低效率的重传方案当检测到数据包并不正确,因为它使得整个数据包传送虽然很大部分的这个包可以正确检测到。 The above listed drawbacks would degrade the network performance to a great extent in some situations and thus motivate the researchers to work on more effective interference management mechanisms.

利用物理层技术是一种很有前途的方法来管理一个或多个干扰上述四个方面,吸引了许多研究对近十年来的兴趣。物理层技术带来的好处,如干扰阻力和实时信道估计,激励新一为设计高效的信道访问机制,特别是在基础设施的移动情况。本文将提出一系列的物理层技术和研究他们是如何利用干扰管理,如图1。具有较高的交叉相关性interference-resistant特点和可以忍受在某种程度上控制或数据包的碰撞;总是利用战斗的公开和隐藏终端问题或降低协调成本。SoftPHY提供每个收到一些上层的物理层的信心(4),以确定哪些部分需要转播的和最优数据速率。连续干扰消除(原文如此)检测到强干扰信号首先恢复一个劣质的强烈信号,如果SINR高于阈值减去后最强的一个(5];它主要是用来增加并发传输。Rateless编码旨在与固定信号编码和解码调制方案在任何信噪比环境中,通过多次使信号传输,结合有效地在物理层的接收器,从而实现最优数据率(6]。也利用一些物理层独特特性设计高效干扰管理机制;例如,冗余设计沟通通常是用来传达协调信息,协助避免干扰,增加并发传输,或减少协调开销。

虽然通过硬件实验或仿真,演示了高性能的采用这些技术代表了当前无线网络的一些主要挑战,尤其是高计算开销在信号过程中,僵化的MAC层设计由于场景的限制技术,等等。这个调查还将调查每个物理层技术的挑战当申请真实网络干扰管理。

本文的其余部分组织如下:部分2IEEE 802.11家族的概述,包括其物理层和MAC层规范。部分3遗留信道访问机制存在的问题进行了探讨,IEEE 802.11 MAC。推荐的部分4调查一系列的物理层技术和干扰管理如何被应用。部分5讨论了各种干扰管理机制的优缺点并提出一些对相关研究领域未来的发展方向。部分6本文总结道。

2。对IEEE 802.11标准

本节将简要介绍了IEEE 802.11标准的家庭,包括物理层和MAC规范(体育)。

2.1。IEEE 802.11 PHY规范

在过去的20年中,IEEE 802.11任务组做出了非常多的努力来增加无线设备的数据速率通过物理层的演进。

如表所示1802.11基本版本在1997年被释放,它指定两个1/2 Mbps的数据速率在2.4 GHz频段工作并使用直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)调制类型。之后,他们发布了一系列的802.11标准增加物理层数据速率。1999年,802.11,5 GHz频段和使用正交频分复用(OFDM)调制类型,介绍了提高数据速率54 Mbps。同年,802.11 b,在相同的频带和基本版本使用相同的调制技术,还介绍了支持多达11 Mbps数据速率。由于其戏剧性的增加吞吐量和类似的体育技术与基本版本相比,802.11 b成为明确的WLAN技术。2003年,IEEE工作组发布了802.11 g,它使用OFDM作为其调制技术(802.11一样),最后达到了54 Mbps数据率在2.4 GHz的乐队。它总是被视为802.11 b的延伸。

的利用多输入和多输出(MIMO)天线大幅提高了频谱效率,最终提高了无线局域网的物理数据速率。802.11 n, 2009年,第一个标准,支持分布式天线,被批准支持高达600 Mbps的数据速率通过四个空间流和40 MHz带宽。最新发布的版本是802.11交流,增加数据速率> 6 Gbps通过160 MHz带宽,八个空间流,高阶256 - qam调制和多用户MIMO (MU-MIMO)。即将到来的802.11 ax,目前在开发的早期阶段,预计实现> 10 Gbps的数据率,通过进一步引入正交频分多址(OFDMA)技术和高阶1024 - qam调制。

说明无线局域网物理层的进化过程更清楚,我们展示其在传感器端基本图,如图2。接收者的逆过程。虚线的组件,包括撒布机,OFDM调制器和MIMO编码器,可选为特定802.11标准支持相应的功能。

2.2。IEEE 802.11 MAC规范

尽管物理层技术已经更新为高阶调节,更广泛的带宽和MIMO增加数据速率,干扰管理过程是定义在802.11基础版本的MAC层只有一个小的更改和更新标准。802.11 MAC推荐两种干扰管理协调功能:分布式机制称为分布式协调功能(DCF)和一个集中的机制称为点协调功能(PCF)。DCF广泛部署在当前无线局域网,而色散没有实现在大多数设备不是wi - fi联盟的标准的一部分。

DCF进一步包含两种机制:一个物理载波监听机制称为载波监听多路访问(CSMA)和一个虚拟载波监听机制称为RTS / CTS。他们都是旨在降低碰撞概率在一个分布式的方式当多个节点访问相同的频道。

CSMA和RTS / CTS遵循相同的基本的信道访问机制,如图3。在传输之前,发送方首先感官中是否可用的通道;如果通道决心很忙当附近的一个节点发送一个信号,发送方应该推迟其传播,直到再次可用频道,以避免干扰正在进行链接。当信道空闲dif(分布式帧间空间)期间,该节点将生成一个随机补偿额外的传输延迟时间。倒扣时期时随时间递减通道吃闲饭,否则暂停。只有当补偿期到期可以节点传输信号。

倒扣失效时,两个信道访问机制有不同的操作。CSMA立即使得节点发送数据包,而RTS / CTS利用RTS的交换和CTS帧保留下列数据传输媒介,通过导航值进行两帧;所有相邻节点接收RTS或CTS帧将导航期间保持沉默时间,以避免干扰这个数据传输。两个机制,接收方应该回复一个确认(ACK)收到数据包后;发射机决定了数据传输成功只有当它检测到的ACK接收机;否则,它会重新发送这个数据包。

3所示。问题遗留信道访问机制

在本节中,我们将详细描述当前的信道访问机制的四个问题。

3.1。隐藏和暴露终端问题

CSMA有严重的隐藏终端问题导致冲突,因为它使用在发射机端通道情况来确定,在接收端,过程总是不当在现实网络。如图4当站1传输一个数据包美联社,站5月2日确定信道空闲,因为它远离车站1和其覆盖范围,应当同时传输信号。这个传输干扰美联社从站数据接收1,使其无法正确检测数据包。RTS / CTS提出主要解决这个问题通过CTS帧传输的接收器。根据RTS / CTS机制,如站2可以接收CTS帧通过AP,它将保持沉默在这传播,从而避免诱导碰撞。

然而,CSMA和RTS / CTS暴露终端问题,禁止并行传输。如图5当AP1传输一个数据包站1,站2靠近AP1禁止传输信号同时AP2确定信道忙,虽然这两个链接的数据包传输没有互相干扰。

3.2。协调开销

有两种主要的协调成本在802.11标准,可能降低网络吞吐量显著:补偿和控制帧的传输开销。

如图3补偿时间显然会引起大量的开销随着节点传输之前,应该等待很长一段时间,尤其是当多个节点同时进行补偿。此外,数据传输失败将导致指数增加补偿期,从而进一步增加开销。研究人员指出,倒扣导致吞吐量降低30%以上802.11 b系统(7),结果会更糟糕在更高的数据速率情况下(8]。

RTS, CTS和ACK控制帧的传输也引起太多的系统开销,尤其是在数据包传播率高的情况,即时战略和CTS仍以最低的速度传播。出于这个原因,当前广泛使用的机制是CSMA但不是RTS / CTS,尽管RTS / CTS可以有效地解决隐藏终端问题。

3.3。率的适应问题

802.11标准推荐一组相关的数据传输速率不同的调节,编码类型和数量的空间流。文中。表2802.11列出了八所支持的数据速率为例。由于所需的不同信噪比阈值为每个数据率,很容易理解,根据信道质量优化数据传输速度可以显著提高网络的吞吐量。802.11标准不给任何建议的速度适应过程,让它开放研究课题到现在。

3.4。低有效的传输

根据贴现过程中,发射机决定了数据传输成功只有当它检测到的ACK接收机;否则,它将重新发送数据包。然而,当研究人员观察到无线频道经常引发错误的只有几位包(4),整个数据包的传输是浪费多次作为正确的位传输。如何组织错误的部分,让他们转播的有效也吸引了许多研究的兴趣。

3.5。讨论

已经有大量的研究解决这些问题的一个或多个通过上层设计,提高网络吞吐量等构造一个干涉图解决暴露和隐藏终端问题[9),集中调度数据传输减少协调开销(10),调整传输速率通过观察数据包损失率或在接收端信噪比(11)等。然而,机制通过利用物理层技术成为近年来更有前途,将在以下部分描述。

4所示。通过利用物理层调查干扰管理技术

在本节中,我们将探讨一系列的物理层技术和它们是如何探索干扰管理无线网络,如图1。

4.1。互相关

互相关技术提出了多年,它已经被应用在无线局域网中同步和DSSS调制过程当802.11标准成立于1997年。然而,它开始被利用为目的的干扰管理无线局域网从约2008只。

以下4.4.1。引入交叉相关性

在通信系统中,通常用于交叉关联搜索已知的发送序列的接收信号。根据数字通信,无线信号表示为流复杂的样品,和一个接收信号不同于传播的在振幅、频率和相位,由于信道衰减,多个路径,振荡器的差异,等等。他们的关系总是表示为 ,在那里是振幅衰减因子,频率偏移,是采样周期,是初始相抵消。当一个节点接收到的信号并打算弄清楚一个已知的序列 收到,将计算结果之间的相关性和在每个位置 ,通过方程 。例如图所示6的价值,将是非常小的,除了在工作 ,在哪里开始出现。

4.1.2。调查交叉相关性

这项技术已经被用于战斗暴露和隐藏终端和降低协调成本。

(1)避免干扰和利用并发性。目前很多策略利用互相关技术恢复干扰下的控制信息,以协调节点之间(12- - - - - -17]。在这些协议,作者精心设计一些已知符号序列传递控制信息,进行接收信号之间的互相关和已知的序列确定接收序列,以便获取控制信息干扰下,如图7。

CSMA / CN [13]试图实现类似的CSMA / CD(载波监听多路访问/冲突检测,一个著名的碰撞避免机制在有线网络)的无线网络。在数据包接收,接收传输碰撞通知信息立即发生碰撞时,通过利用相关的符号序列。发射机可以正确检测这个序列在强干扰和中止立即传输,以避免进一步的冲突。802.11电子商务(15)利用互相关来完成控制帧的传输。802.11标准比较,本协议使用三种已知序列转达RTS, CTS和应答信息。已知的序列可以忍受强烈的干扰,这些序列的时间远小于相应的数据包,该协议可以提高网络吞吐量通过避免碰撞和减少控制帧的传输开销。RTS / S-CTS [14)提出了一种符号的检测机制应对CTS碰撞问题和远程隐藏终端问题,把有用的信息的符号序列在新的S-CTS包中可以检测到非常低的SINR和信噪比环境。厄玛(16提出解决暴露终端问题通过利用这项技术。它设计一个物理层机制,称为签名检测、战斗CTS / ACK碰撞在发射机的一面。它还在MAC层设计新的机制来区分干扰和noninterfering链接。两种机制合作利用并发传输,避免干扰。

其他一些研究人员利用这种技术来恢复数据信号相撞。第一个工作是锯齿形(18),如图8。它关注的上行传输客户美联社,让解码的信号再传输相撞。因为这些冲突有不同的抗干扰的块,然后利用这种碰撞的多样性引导其解码。图8可以扩展到相撞的数据包的场景。该方法可以解决隐藏终端问题,实现相同的吞吐量如果碰撞包预定TDMA方式。交响曲(19]multiple-AP交错的场景的概念延伸至APs中利用有线主干。它鼓励碰撞的数据包传输从客户到APs和合作解码所有的数据包通过Zigzag-like过程。这种想法也被扩展到其他场景,比如无线协作中继DAC (20.和高效的广播合唱团21]。

(2)降低协调成本。研究人员还利用这项技术来降低协调成本补偿。的semidistributed倒扣(SDB)算法在22)提出了节点执行接收端倒扣。他们使用深发展算法,设计一个MAC协议Semi-DCF,利用碰撞检测功能的接收器对传播信息最优退避的竞争者使用特征向量,以补偿从随机迁移到确定性,很大程度上减少倒扣802.11标准。CWM (23)利用碰撞宽容机制来减少补偿时间,提高无线网络的信道利用率。在检测到碰撞信号从多个发送者、接收者获取发送者的id通过利用相关的物理层的序言,然后分配每个发送者一个不同的时隙,这样一个接一个发送方可以传输数据包在接下来的时间,而不互相干扰。

4.2。SoftPHY

4.2.1。准备引入SoftPHY

最先引入SoftPHY [24)提供PHY-independent提示关于体育的信心每一位到上层,以确定哪些部分需要重新传输。如图9(一个),SoftPHY的基本思想是计算的距离接收信号的星座点之间和相应的理论观点 ;也就是说, ,在那里是一个常数因子相关调制类型。

SoftPHY设计合适的与真正的通信系统,通过添加冗余编码,使数据传输更加健壮的无线信道中存在的干扰。这意味着每个节点地图一些字符串,位码字( ),而码字选择密码本 。的将转换为位码字 符号后调制过程,显示每个符号的比特数,由调制类型决定。然后SoftPHY任何暗示位码字是 。更大的码字决定价值较高的正确检测概率和更高的信心。

4.2.2。调查SoftPHY

这项技术主要是利用增加传输效率或适应。

(我)高效的传输。通过观察,目前的无线协议让所有的数据包传送即使检测少量的一点错误,作者在24]提出部分包恢复(PPR)基于SoftPHY接口来提高传输效率。PPR包含一个链路层协议设计允许接收器编码重传请求,以便发射机只会重新发送位较低的信心。它还包含一个后同步信号方案,可以用来恢复包“回滚”的序言时相撞,以进一步提高网络的吞吐量。

(2)适应。不同于PPR (24]在SoftPHY利用估计的信心的象征重传的决心,SoftRate [25)开始利用SoftPHY提示估计收到的帧速率适应的方方面面。节点使用这种误码率估算捡起最优比特率下一帧传输,从而实现帧的速度适应水平。这种机制可以迅速应对不同信道条件。它也可以识别数量估计的变化是否引起的干扰,只有应用速度适应频道错误的情况。然而,作者在26)指出,很难直接跳转到一个节点的最佳利率根据误码率估算。他们建议准确的“回放”频道的信号分散在所有可能的利率和选择的数据速率达到最佳的吞吐量。这种“重播”行动是模拟接收机和没有必要每次发射机传输信号。准确可以超越SoftRate为代价实现的复杂性。

作者在27(LLR)]利用对数似然比估计来确定每一位解调技术的信心,让那些较低的转播的信心。与此同时,他们还利用这些低比特和组合来自多个失败的传输通过添加LLR。所有的结果将被送入联邦选举委员会解码器解码效率增加。由于较低的传输开销在该机制中,可以选择更高的数据速率,提高信道容量。

习题课(28)利用SoftPHY-like理念在发射机的一面。作者观察到无线物理层确定性信号加扰的过程时,编码、交叉,调制是已知的。因此,在实际传输之前,发射机可以“排练”每个操作在解码过程中接收到的比特预测的信心,称错误事件概率(执行),根据这信息,然后它需要以下数据传输的最佳行动通过不等错误保护等一些可能的方案,部分包复苏,和适应。作者进一步提出UnPKT [29日]添加更多的选举委员会的冗余比特估计执行较高的包,以确保其在接收端解码。

4.3。原文如此

4.3.1。介绍原文如此

连续干扰消除技术(原文如此)的一个版本的干扰消除技术利用干扰的数据结构来减轻其危害,从而提高信道利用率。碳化硅是大约2008以来首次在无线局域网中实现。

假设一个接收信号包含两个信号和从不同的发射器: 在哪里表示高斯背景噪声。

假设的信号强度比这更强的吗 ,和 在哪里SINR阈值解调信号。

在这种情况下,信号可以通过正常检测到正确解调过程。解调的位流可以利用重建其接收信号 。在这个时候,这个信号 ,在接收信号的SINR很明显低于 ,也可以通过减去发现从如果满足以下条件:

图10说明了SIC过程在一个场景的一个示例两个信号相撞时,正确检测和信号都可以通过这一过程。SIC过程可以扩展到 包场景理论上相撞。

4.3.2。碳化硅的调查

这项技术已经被用来增加并发传输或调整最佳的传输速度。

(1)避免干扰和利用并发性。SIC介绍了无线局域网主要通过使更多的并发传输增加信道容量。作者在5)第一个实现这一技术在无线局域网。图11给出了一个简单的示例应用程序,在三个客户打算传送数据包美联社。不同于802.11标准,利用CSMA避免相互干扰,SIC允许他们同时传输通过仔细调节传动功率来满足SIC解码的要求。收到信号相撞后,美联社首先解码包之后1与最强大的力量,可以取消这个数据包的接收信号;然后重复这个过程解码包2和包3。

有不同意见原文如此,作者在30.]研究碳化硅的吞吐量增益从MAC层的角度来看。他们指出,可以提高网络性能通过SIC只在某些限制条件下传输数据率和信噪比的要求。这些条件非常严格,很难得到满足,使原文如此难以实现在实际网络的收益。

碳化硅的想法也被用于(31日- - - - - -33改善网络性能通过Aloha-based随机访问,传输分为时段,每个客户端随机选择一个槽的数据传输。应用碳化硅允许多个传输在每个槽,和解码约束满足通过改变客户的传动功率、数据速率等。

逆流式(34]是一种碳化硅MAC协议为全双工无线网络设计的。基于全双工的集成和CSMA / CA的标准,它的设计一个dual-link允许同时进行两个链接增加空间重用和消除隐藏终端。最低音的(35]进一步利用这种技术的MIMO系统启用了渠道培训当一个接收器接收多个数据包从不同的发射器。CSMA碳化硅(36)利用了碳化硅在分布式随机存取协议,使接收机能够取消强干扰信号,通过确定哪些链接可以安排和陷接收器必须取消。

基本(37这种技术适用于企业无线局域网。它利用美联社骨干设计一个上行传输策略,它允许从多个客户端同时传输APs和控制客户的数据速率,以协同利用APs SIC机制解码所有的数据包,通过利用跨多个接收器接收信号的多样性。

(2)适应。碳化硅的基本概念与rateless编码也被利用,进一步提高网络性能,如黾[6]和AutoMAC [38),这将在接下来的部分讨论。

4.4。Rateless编码

4.1.1。引入Rateless编码

Rateless编码引入了很长一段时间,从自动重发请求(ARQ)计划。其目标是使信号解码与固定信道编码和调制方案在任何信噪比环境。第一种实用rateless编码是LT编码(39),这是专为消除通道传输数据包丢失概率。猛禽代码(40)后来介绍了实现更多的计算效率和能力实现的性能。AWGN信道,“分层”的编码和解码方式(41)提出了把原码与固定利率来生成一个rateless流。

rateless编码的主要挑战之一是减少处理复杂性,使它更实用42]。一些当前作品关注设计实用rateless代码或相应的分层协议和使系统上实现台来评估他们的表现。

10/24/11。调查Rateless编码

rateless编码的目的是为了实现最佳的传输速率在任何无线环境。

水黾[6)是第一个工作,利用rateless编码WLAN-like场景和实现在系统试验台。它设计rateless编码技术并结合SIC允许多个编码流的并发传输,从而实现在任何信噪比情况下最优的数据速率。如图12,分为原始数据流块,每一块复杂的符号。的块是线性组合起来形成一个新的传输数据包。发件人将创建多个数据包使用不同的线性组合和传送到接收方可以解码块。收到这些数据包后,接收方首先解码第一块通过治疗其他块噪声然后reencodes减去从接收到的信号进行下一个块。它会重复这个过程,直到所有的块解码。通过这种方式,发送方可以实现最优比特率不知道信道状态。

作者进一步提出AutoMAC [38),水黾的MAC协议来提高其效率。水黾,rateless传输的数据包的数量取决于在接收端信噪比的环境下,信息发射器不知道。AutoMAC使接收机ACK相应的发射机一旦确定已收到足够数量的信号解码包。ack发射机随后进入下一个包传输,不浪费通道带宽。

不同于线性组合,脊柱代码(43)利用pseudo-hash函数将原始数据转换为编码的符号。由于连续应用哈希函数,这个编码过程确保两个相似流连一比特的不同有不同的编码序列,因此更有弹性噪声和错误。作者还利用顺序结构的编码解码过程通过tree-searching方法。他们展示脊柱代码的更高的吞吐量和部署的能力实际上通过硬件原型。

RateMore [44]是一个链路层协议设计rateless代码来确定需要多少数据传输,以保证成功的数据解码和避免浪费传输时间。发送方学习解码CDF(累积概率分布函数),代表的概率分布符号解码数据包所需的数量,根据来自接收者的承认。解码CDF和反馈延迟,得到最优的传输调度来最大化网络性能。

进行(45]利用rateless线性编码的特征识别和恢复错误包段的部分包恢复上下文。器不断的线性组合原始数据包来创建新的传输。在收到 包,接收方开始区分错误符号通过利用设计方案称为代数一致性规则检查(ACR)。对于每个符号列,它迭代进行ACR检查,搜索算法确定正确的符号,并进行CRC检查直到ACR检查满意。这种机制可以减少转播的段,从而大大提高了传输效率。

4.5。物理特色

在这一部分中,我们将调查一系列的特性在OFDM调制过程中利用干扰管理;与此同时,其他系统的一些功能也总结道。

4.5.1。OFDM系统的介绍

如图2OFDM是数字调制和解调过程的一部分在当前802.11标准。一个OFDM信号可以被描述为一群密集副载波调制,这是正交的,不会互相干扰,从理论上讲,作为显示在图(13日)。OFDM调制过程如图13 (b);调制数据首先经过串并联(S / P)在每个副载波模块映射数据,然后送入传输线(快速傅里叶逆变换)输出时域OFDM符号。插入循环前缀在这个阶段来消除符号间干扰。信号最终将被输出的连续流过程。

4.5.2。调查利用OFDM的特性

管理有效地干扰,利用一些已知的OFDM特性来避免干扰,提高并发传输,或降低开销的协调。

(1)避免干扰和利用并发性。hJam [46)的控制信息传输的数据包,以减少其传输开销。它利用一些“干净”的副载波没有数据包中携带的信号除了噪声控制信息。然后提出附件编码,使这些“干净”的副载波的控制信息传输的数据包。如图(14日),干净的副载波2,4,6,控制信息附加在副载波2是0101100。接收者可以确定有一个附加在副载波信号,如果它检测到一个相对较高的水平能源副载波。附加检测信号后,节点可以获得相应的控制信息。与此同时,数据信号可以通过分离回收的附加控制信号从接收到的信号。作者进一步提出Attached-RTS [47和快48)解决隐藏终端和暴露终端问题通过利用附加的控制信息。

CPRecycle [49)利用冗余循环前缀的OFDM PHY减轻干扰。如图14 (c)循环前缀是一份以下的符号,尾巴的一部分,它是用来消除码间干扰无线信道的多径传播引起的。现在众所周知的获得。例如,802.11建议CP时间是0.8μ年代20 MHz带宽,但在大多数情况下多路延迟的顺序(50]。作者得到一把钥匙从不同的位置观察,当一个接收器执行FFT的冗余循环前缀,信号解调将不受影响但可以大大降低并发传输的干扰。然后设计一个算法来找到最佳的起始位置来最大化性能。

(2)降低协调成本。T2F [51]和Back2F [52]提出减少协调补偿引发的开销,通过随机迁移补偿从时域到频域。每个节点需要两个天线,一个用于数据传输,另一个用于听所有的副载波网络。每个节点在传输之前,选择一个副载波在这副载波和传输信号,同时表明其倒扣的子载波数时间。节点数量最少的副载波赢得竞争和传送数据包。如图14 (b),当AP1和AP2打算将数据包传送给他们的客户,AP1赢得竞争的补偿值是8。AP2 AP1后立即将传输数据包的传输,因为它有subminimal补偿价值。作者也提出多个争用轮对抗某些情况下,如多个冲突域。不同于T2F [51]和Back2F [52),只有使用副载波减少补偿时间,重新选择英雄(53]进一步利用OFDM子载波降低引起的其他开销802.11 MAC,包括dif和应答;因此,可以显著提高网络的性能。

4.5.3。在其他系统上的调查

一些策略利用已知的特性在其他系统中降低协调成本,实现并行传输。侧槽(54,55)直接序列扩频(DSSS)利用系统抵抗干扰的能力在一定程度上(56]。作者精心设计一些“目标模式”,把控制信息,使其与原始数据同时传输数据包,以降低协调成本但没有降低数据传输的有效吞吐量。可可(57]倡导者同时访问多个发送者共享通道,乐观地允许碰撞而不是简单地避免它们,通过利用捕获效应和利用的能力忍受因为冗余在物理层实现碰撞。mZig [58]利用已知的塑造功能的无线个域网物理层的设计。在此基础上形成的功能,它可以解决一个数据包本身碰撞的碰撞,从而可以实现倍提高吞吐量与遗产机制进行比较。

一些策略利用物理层特性来提高传输效率。MISC [59)合并来自多个传输的符号产生不正确的。它利用星座多样性重新安排重发的星座图,以便改善相结合,在接收端解码效率。中心(60]利用骨干网企业无线局域网,一个数据包通过客户端将接收到多个APs和彼此之间共享。他们利用接收到的错误符号的多个副本恢复传输信号和设计的粗表示符号之间传播时APs减少开销。

5。讨论

调查论文的目的是利用物理层技术管理无线网络有效地干扰,以提高网络的吞吐量。这一部分论述了应用这些技术的挑战,给一些潜在的研究在这一领域未来的发展方向。

5.1。讨论的物理层技术

采用物理层技术激发设计高效的信道访问机制的新方法。在这里,我们要讨论这些技术的优势和挑战作为总结。

5.1.1。互相关

可以利用互相关检测控制和数据包碰撞发生一次。当这项技术被用来恢复控制数据包相撞,更有效地协调节点之间的信息交换,从而避免干扰,使并发传输,或减少开销的协调。当这项技术被用来恢复数据包相撞,节点有一个新的方法来管理通过拥抱它但不能避免干扰。

应用互相关技术的主要挑战在于干扰管理高计算开销。根据节4.1。1,一个互相关进程的需要复杂的乘法计算。利用这种技术来恢复相撞时控制分组假设可能的已知序列的数量由控制包 ,一个节点应该进行接收信号的互相关过程在每一个位置,以确定哪些检测到已知的序列(13,22,23];这将导致 复杂的乘法计算在每个位置。计算开销甚至会更高,这技术是利用恢复数据包[相撞18,19),互相关时应该进行多次引导数据包解码。没有现成的设备上实现的工作一直到现在,和所有的评估基于特殊平台如USRP [61年和经62年]。

5.1.2中。SoftPHY

SoftPHY提供体育的信心每一位的上层,以提高传输效率通过只有使位低转播的或通过校准调整最优传输速率信道估计。

SoftPHY的主要问题是它的低性能时应用于无线环境差。SoftPHY依赖序言同步输入信号和估计以下部分的信心。然而,干扰或噪音较高的情况下,接收方无法正确检测到序言,做出以下部分解码计算和信心不可以实现的。作者在PPR (4)利用后同步信号在每个数据包SoftPHY工作序言时损坏。然而,这种设计并不实用的网络包的所有部分可能有一个高概率时损坏无线频道很差。

5.1.3。原文如此

SIC允许并发传输多个数据包和检测正确的接收功率满足约束。在SIC接收过程中,一个节点首先解码最强的信号,然后减去它和解码下信号如果剩下的SINR高于阈值;这个过程可以重复解码更多的信号。

在无线网络部署SIC的实际障碍是如何满足约束的力量。尽管有些进步设法利用碳化硅以分布式方式提高网络吞吐量(34- - - - - -36),它是直观上很难实现多个并发传输并让他们接受权力满足限制要求通过协议设计。实际上,一些研究人员已经研究了碳化硅的吞吐量增益从MAC层的角度来看(30.),并指出在极限条件下获得的吞吐量增益只能传输数据率和信噪比的要求,这是很难在实际网络中得到满足。集中协调碳化硅的应用程序可能是一个更好的选择,提出的基本(37)利用美联社骨干集中控制同步传输的数据速率和传输能力。

5.1.4。Rateless编码

Rateless编码使undecodable包在一个固定的数据速率恢复通过结合多个传输,导致不同的数据传输速度。比较与传统的速度适应机制选择最好的数据通过无线信道的信噪比估计,该方法可以实现最优比特率事先不知道信道状态。

rateless编码的主要挑战之一是减少其处理复杂性使它更实用。一些当前的进展都集中在这一挑战和负担得起的计算复杂度和设计机制实现,如黾[6)和脊髓代码(43]。然而,这些类型的机制带来了相当大的修改在基带过程要求发射机传输相关的符号,让这些机制很难被嵌入到当前的无线设备。

是5.1.5。独特的物理层特征

一些独特的特性在物理层利用干扰管理,如OFDM副载波,OFDM和DSSS系统冗余设计。

利用OFDM副载波来传达信息的协调,以有效地解决隐藏或暴露终端问题[47,48),或减少协调开销引起的补偿(52]。这是一个好主意利用OFDM副载波来传达信息的协调。然而,当前的一些作品需要额外的天线来完成传输(48,52]。尽管多个天线通常部署在当前无线设备由于采用MIMO(多输入和多输出)技术在近802.11 n和802.11交流标准,它仍然是不经济的,让一个天线传输控制信息。

编码冗余在OFDM和DSSS系统最初设计为干扰阻力,这样可以在相对较低的SINR解码的信号环境。当控制信息同时传输数据包,数据包的干扰,将减少数据包的接收SINR,使系统抵御其他干扰的能力较低。因此,这些机制只会在高信噪比环境中也能工作很出色。

5.1.6。总结的局限性

基于上面的讨论,我们总结的主要限制部署这些真实网络物理层技术如下:(我)高计算开销:每个物理层技术的部署系统肯定会引起额外的计算开销,已成为主要的障碍使他们适用,如互相关和rateless编码。大部分的作品刚刚评估基于特殊的软件定义的无线电平台有巨大的计算资源;其中的一些可以在商业设备来实现。(2)严格的系统约束:一些物理层技术的成功应用只能发生在严格的约束。例如,SoftPHY需要uncollided序言同步和碳化硅有严格的权力约束的多个接收数据包。这些需求很难完全满足在现实网络中,特别是在移动场景时,基础设施(APs)和车站是移动,使干扰和接收电力网络中更多的不确定。这个问题将明显中断性能改善的机制。(3)硬件不兼容:几乎所有的物理层技术添加或修改一些组件在基带信号过程中,使它们不兼容当前商业设备。

5.2。讨论未来的发展方向

5.2.1。克服的局限性物理层技术

正如上面所讨论的,当前机制基于利用物理层技术有一些严重的限制阻碍了他们的应用程序,如高的计算开销,严格的制度约束和硬件不兼容。克服这些限制将明显增强部署在现实网络的能力。例如,硬件兼容性是现在成为一个重要的规范评估拟议的机制,这个问题已经被许多人认为当前基于物理层设计工作,如WeBee [63年]。值得反思的是,机制设计从这个角度来看。

5.2.2。进一步探索物理层技术

当前的进展已经给出了一些例子利用物理层技术干扰管理和展示了令人兴奋的吞吐量改进通过硬件实验或模拟。然而,我们认为这些技术在这些领域的潜力远未完全释放。研究人员可能会发现其他一些有效的方法来改善网络性能通过利用这些物理层技术。例如,SIC一直利用实现并发传输的数据包,如何设计时的干扰管理机制用于并发传输的数据和控制包,和预期的性能是什么?

5.2.3。集中管理干预

研究人员已经观察到遗留干扰管理的一些问题,如暴露和隐藏终端和协调大开销,是内在属性存在的分布式协调方法10]。这意味着优化CSMA或设计新的分布式干扰管理机制只能缓解这些问题但不是消除它们。实际上,802.11标准已经建议集中协调机制,称为PCF(点协调功能),美联社集中调度上行和下行传输来实现更高的吞吐量。然而,这种机制是当前无线局域网中很少使用,因为它不适合一个常见的场景,当有多个APs的网络。

如今,许多研究人员关注集中协调机制通过利用APs中有线骨干网企业无线局域网。例如,交响乐[19)扩展了锯齿形的概念(18在通过利用美联社骨干multiple-AP场景;基本(37)也利用这个主干控制数据速率和同步传输在上行方向,利用碳化硅APs解码所有的数据包。设计集中的干扰管理机制似乎是一个更有前途的方式来达到高性能的无线网络。这个概念也可以延长设计有效的适应速度和传输方案。此外,在考虑基础设施移动场景与多个移动APs但没有骨干网络,如何解决这样的问题是一个非常有意义的话题。

5.2.4。扩展到MIMO设计

当前干扰管理研究通过利用物理层技术主要集中在单流系统;只有很少的设计或测试基于MIMO系统,如背诵(28]。实际上,已经有一些研究在理论上分析利用这些性能的物理层技术的MIMO通信,例如,利用rateless编码MIMO衰落信道(64年)和提出了大规模SIC算法配置(65年和5 g系统66年]。然而,这些作品完成从沟通的角度来看,他们不考虑合适的网络中的信道访问机制的设计。是值得期待的利用这些MIMO系统的物理层技术。

6。结论

在本文中,我们调查的干扰管理机制在无线网络利用物理层技术。我们首先给出一些背景信息中的PHY和MAC特征802.11标准,然后讨论存在的问题在当前的干扰管理过程。之后,我们将介绍五种物理层技术和研究如何利用这些技术来管理干扰,提高网络吞吐量。根据这项研究,我们最后提出一些讨论从物理层和MAC层的观点。我们希望这个调查将有助于读者总结当前的研究进展和激发他们未来的工作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金委(61702343,61702343,61601308),中国博士后基金(2017 m610548),联合中国国家自然科学基金重点项目(U1736207)、广东省自然科学基金(2017 a030312008),香港RGC(香港理工大学- 521312年),香港理大(4-BCB6, M-N020 G-YBXY),深圳科技资金(JCYJ20170302140946299和JCYJ20170412110753954)、霍英东教育基金会青年教师在中国的高等教育机构(161064),广东人才项目(2014 tq01x238和2015 tx01x111),和GDUPS (2015)。Kaishun吴是通讯作者。

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