冀保峰，宋康，黃永明，楊綠溪

（1.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

1 引言

隨著 Internet的蓬勃發(fā)展，信息獲取的及時(shí)性和便利性顯得越來(lái)越重要，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的靈活性、拓展性、移動(dòng)性以及簡(jiǎn)便安裝等特性使得WLAN產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展熱點(diǎn)。自2008年上半年起，IEEE就啟動(dòng)了WLAN的新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac的制定工作，它的目標(biāo)是使無(wú)線Wi-Fi的傳輸速度達(dá)到 1Gbit/s以上，為此成立了一個(gè)專門的工作組，項(xiàng)目名稱為超高吞吐量(VHT, very high throughput)。

從核心技術(shù)來(lái)看，IEEE 802.11ac是在 IEEE 802.11a無(wú)線Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)之上發(fā)展起來(lái)的，包括將使用IEEE 802.11a的5GHz頻段。不過(guò)在通道的設(shè)置上，IEEE 802.11ac將沿用IEEE 802.11n的MIMO(多入多出)通信技術(shù)，并推廣到多用戶 MIMO通信技術(shù)，為它的傳輸速率達(dá)到 1Gbit/s打下基礎(chǔ)。IEEE 802.11ac每個(gè)通道的帶寬將由IEEE 802.11n的最大40MHz提升到80MHz，甚至是160MHz，再加上大約10%的實(shí)際頻率調(diào)制效率提升，最終理論傳輸速度將由 IEEE 802.11n最高的 600Mbit/s躍升至1Gbit/s以上。當(dāng)然，實(shí)際傳輸速率可能在 300～400Mbit/s之間，接近目前IEEE 802.11n實(shí)際傳輸速率的3倍(目前IEEE 802.11n無(wú)線路由器的實(shí)際傳輸速率為75～150Mbit/s)，完全足以在一條信道上同時(shí)傳輸多路壓縮視頻流。

多天線通信技術(shù)中的 MIMO預(yù)編碼和 MISO(多入單出)發(fā)送波束形成可以充分利用系統(tǒng)的空間復(fù)用和陣列增益以及空間分集增益，顯著提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的性能。單用戶的MIMO/MISO方案是將所有數(shù)據(jù)流發(fā)送給一個(gè)用戶，而多用戶的MIMO/MISO傳輸方案可以給不同用戶分配數(shù)據(jù)流從而增加整個(gè)系統(tǒng)的容量，但它們都需要發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息(CSI, channel state information)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化的預(yù)編碼或發(fā)射波束形成設(shè)計(jì)，消除各數(shù)據(jù)流或各用戶之間的干擾，并通過(guò)功率分配獲得最優(yōu)的系統(tǒng)性能。多用戶MIMO/MISO的研究主要包括上行多址接入(MAC)信道和下行廣播(BC)信道的容量分析，空分多址方案及用戶間干擾的消除或減少，有限反饋下的多用戶 MIMO方案，MIMOOFDM傳輸方案設(shè)計(jì)等方面。

IEEE 802.11n首先在WLAN中完整引入了單用戶 MIMO通信技術(shù)，它的信道信息的反饋有 2種方案，一種是 TDD系統(tǒng)下基于信道互易性得到的信道狀態(tài)信息，另一種是 FDD系統(tǒng)下基于接收端的有限反饋而得到信道信息，具體地說(shuō)，是對(duì)用戶端等效信道矩陣V(SVD分解后)的有限反饋。IEEE 802.11ac在其2011年的標(biāo)準(zhǔn)草案中進(jìn)一步引入了多用戶MIMO (MU-MIMO)通信技術(shù)，而且?guī)捒梢宰畲髷U(kuò)展到160Mbit/s，它也需要在FDD系統(tǒng)下對(duì)用戶端等效信道矩陣V進(jìn)行反饋。另外，由于IEEE 802.11ac的國(guó)際提案征集剛剛塵埃落定，有關(guān)IEEE 802.11ac傳輸方案的論文研究尚屬空白階段，因此迫切需要研究IEEE 802.11ac的MIMO傳輸方案，特別是多用戶的MIMO傳輸方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能分析。有關(guān) IEEE 802.11系列在WLAN場(chǎng)景下的MIMO傳輸方案及性能分析的研究目前已有較多的進(jìn)展。Bianchi最早對(duì) IEEE 802.11的機(jī)制 DCF進(jìn)行了性能分析，利用二維Markov鏈描述了用戶接入機(jī)制 CSMA，并且分析了其吞吐量性能[1]。Gong等人在文獻(xiàn)[2]中研究了CSMA/CA的WLAN MAC協(xié)議下的多用戶MIMO傳輸方法，然而該研究的多種處理方案和目前IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的多用戶方案并不吻合，因而不能得到應(yīng)用，例如它是挑選競(jìng)爭(zhēng)到信道的多個(gè)用戶而進(jìn)行的多用戶傳輸，而IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的多用戶實(shí)現(xiàn)是基于4種接入類別(AC，access category)，即話音(voice)、視頻(video)、盡最大努力(best effort)和背景(background)接入來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道，而且多用戶傳輸之前需要對(duì)不同用戶進(jìn)行分組(Group),幀結(jié)構(gòu)和作用如圖 1所示。Choi等人在文獻(xiàn)[3]中也研究了IEEE 802.11在WLAN中的多用戶MIMO傳輸方法，然而該文獻(xiàn)是先定義了多個(gè)門限，大于該門限的用戶可以進(jìn)行 MU-MIMO操作，無(wú)法與當(dāng)前所定的 IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)匹配。文獻(xiàn)[4]在IEEE 802.11n的單用戶MIMO的基礎(chǔ)上對(duì)其RTS幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并利用隨機(jī)波束對(duì)多用戶進(jìn)行預(yù)編碼，且不需要信道的反饋，這種隨機(jī)波束的預(yù)編碼方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)則是無(wú)法有效消除多用戶信道之間的干擾從而會(huì)降低MU-MIMO傳輸?shù)男阅堋?/p>

綜上所述，目前還沒(méi)有文獻(xiàn)完全基于 IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的規(guī)定而對(duì)其多用戶MIMO傳輸方案進(jìn)行研究。因此本文在IEEE 802.11ac Draft 2.0 標(biāo)準(zhǔn)草案的基礎(chǔ)上對(duì)其多用戶 MIMO傳輸機(jī)制進(jìn)行了深入研究，提出了幾點(diǎn)改進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并完成了相應(yīng)的系統(tǒng)性能分析。所提出的改進(jìn)方案包括：第一，針對(duì)多用戶預(yù)編碼要求的信道信息比較精確的特點(diǎn)提出在其傳輸機(jī)會(huì)(TXOP)初始化后用塊確認(rèn)(BA)幀對(duì)信噪比進(jìn)行反饋來(lái)提高多用戶預(yù)編碼的性能，并基于該反饋信息，采用“和速率”最大化準(zhǔn)則進(jìn)行了功率分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)；第二，針對(duì)MIMO多用戶分組后通信需要進(jìn)行RTS輪詢的機(jī)制，規(guī)定接入站點(diǎn)(AP)需要先對(duì)主接入類別(AC)用戶進(jìn)行輪詢以提高 TXOP初始化成功的概率；第三，由于MIMO多用戶分組后，一個(gè)用戶組有多個(gè)主AC用戶，如果只對(duì)第一個(gè)主AC用戶輪詢后失敗就放棄該 TXOP初始化，則對(duì)第 2個(gè)主AC用戶不公平，因此提出在多個(gè)主AC用戶存在時(shí)AP需要對(duì)第2個(gè)主AC用戶輪詢后再?zèng)Q定是否放棄該 TXOP。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的傳輸方案在誤比特率(BER)和吞吐量方面獲得明顯的性能增益，且針對(duì)性能的理論分析與仿真結(jié)果相吻合。

2 IEEE 802.11ac中的多用戶MIMO傳輸機(jī)制

MIMO/MISO的多用戶發(fā)送方案可以給不同用戶分配數(shù)據(jù)流從而增加整個(gè)系統(tǒng)的容量。多用戶MIMO/MISO信道主要分為上行多址接入信道(MAC)和下行廣播信道(BC)2個(gè)方面。由于 IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)不采用上行多用戶的方案，所以其多用戶 MIMO的研究主要關(guān)于下行多用戶發(fā)送方面的研究，多用戶傳輸?shù)那疤崾前l(fā)送端需要獲得所需的信道狀態(tài)信息，若AP已知信道信息(CSI)，用戶間的干擾可以通過(guò)發(fā)送端的預(yù)編碼來(lái)減小或者消除。多用戶MIMO預(yù)編碼主要包括2類，一類是線性預(yù)編碼方法，如迫零、MMSE預(yù)編碼方案等，另一類是非線性預(yù)編碼方法，如 DPC預(yù)編碼等。雖然 DPC等非線性預(yù)編碼方案在理論上有更好的性能改善，但是在IEEE 802.11ac的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，信道信息的誤差會(huì)嚴(yán)重影響其性能的提升，另外它在實(shí)現(xiàn)方面更難以求解，包括一些目標(biāo)函數(shù)和約束條件下的優(yōu)化求解，例如最大化加權(quán)“和速率”目標(biāo)函數(shù)下的功率分配問(wèn)題，非線性預(yù)編碼方案很難得到解析解，然而線性預(yù)編碼的方案可以獲得最優(yōu)解，因此這里將研究 IEEE 802.11ac中的多用戶MIMO線性預(yù)編碼。

IEEE 802.11ac的 MU-MIMO基本實(shí)現(xiàn)流程如下。

1) 用戶站點(diǎn)STA通過(guò)掃描(分為主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描)得到信道列表以決定加入哪個(gè)基本服務(wù)區(qū)(BSS, basic service set)。

2) 用戶站點(diǎn)STA需要通過(guò)加入BSS的身份認(rèn)證。

3) 用戶站點(diǎn) STA認(rèn)證成功后和接入站點(diǎn) AP建立關(guān)聯(lián)(若認(rèn)證或關(guān)聯(lián)不成功需重認(rèn)證或重關(guān)聯(lián)幀操作)，AP根據(jù) STA的信息(位置、業(yè)務(wù)類型等參數(shù))進(jìn)行分組，如圖1所示。

4) 接入站點(diǎn) AP通過(guò)空數(shù)據(jù)分組通告幀NDPA(幀結(jié)構(gòu)和作用如圖2所示)來(lái)通知STA反饋所需的等效信道狀態(tài)信息。

5) 用戶站點(diǎn)STA通過(guò)空數(shù)據(jù)分組幀NDP(幀結(jié)構(gòu)和作用如圖3所示所示)反饋多用戶信道狀態(tài)信息。

6) 接入站點(diǎn)AP競(jìng)爭(zhēng)到信道后，對(duì)其中一個(gè)分組進(jìn)行 MU-MIMO操作的第一步——傳輸機(jī)會(huì)(TXOP)的初始化(即對(duì)分組中的STA發(fā)送RTS或短數(shù)據(jù)幀進(jìn)行輪詢)。

7) TXOP初始化成功后，AP可以在其業(yè)務(wù)類型所限的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)MU-MIMO傳輸，包括多用戶MIMO預(yù)編碼等，而不是其服務(wù)對(duì)象的STA可以進(jìn)入Power Saving狀態(tài)(省電模式以節(jié)省電量)。

8) 若數(shù)據(jù)發(fā)完后仍有時(shí)長(zhǎng)剩余，AP可通過(guò)CF-END幀對(duì)TXOP剩余時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行清除，其他STA等待DIFS時(shí)長(zhǎng)后可以開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)信道。

需要說(shuō)明的是IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在多用戶MIMO傳輸時(shí)，多用戶多個(gè)流的傳輸場(chǎng)景下每個(gè)用戶的多個(gè)流只能使用一個(gè)編碼調(diào)制方式(MCS)。

在圖 1的 SIG-A 幀結(jié)構(gòu)中 B4～B9 6bit標(biāo)識(shí)GroupID，分組號(hào)可以到63個(gè)。分為一個(gè)Group的用戶具有相同的GroupID號(hào)，而且一個(gè)Group可以有多于 4個(gè)的用戶數(shù)，因此若實(shí)現(xiàn)該 Group用戶MU-MIMO時(shí)有對(duì)用戶進(jìn)行選擇的需要。

圖1 SIG-A 幀結(jié)構(gòu)

圖2 NDPA幀結(jié)構(gòu)

圖3 NDP幀結(jié)構(gòu)

上述MU-MIMO實(shí)現(xiàn)流程中的NDPA(null data packet announcement)是空數(shù)據(jù)分組通告幀，其作用就是對(duì)需要反饋信道信息的用戶通告，每個(gè)被通告的用戶地址信息放置在STA Info 1到STA Infon中，緊跟其后的是NDP幀如圖3所示。

NDP(null data packet)幀中包含了legacy的短訓(xùn)練字段(L-STF)和長(zhǎng)訓(xùn)練字段(L-LTF)分別用于分組開(kāi)始的檢測(cè)和自動(dòng)增益控制(AGC)設(shè)置和信道估計(jì)以及更精確的頻偏估計(jì)和時(shí)間同步；其中，VHT-STF和VHT-LTF是VHT格式的短訓(xùn)練字段和長(zhǎng)訓(xùn)練字段，作用和legacy相同，不過(guò)是用于超高吞吐量模式下。

上述實(shí)現(xiàn)流程中的傳輸機(jī)會(huì) TXOP (transmit opportunity)是自 IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始引入的概念，指的是當(dāng)一個(gè)AP站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到一個(gè)信道接入機(jī)會(huì)后可以在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)(具體多長(zhǎng)時(shí)間基于其接入類別)給一個(gè)用戶連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)幀，IEEE 802.11ac同樣沿用了TXOP的機(jī)制并且在TXOP內(nèi)實(shí)現(xiàn)MU-MIMO操作，IEEE 802.11ac草案Draft 1.4給這種多用戶TXOP的機(jī)制定義為TXOP sharing。

總之IEEE 802.11ac中的多用戶MIMO (MUMIMO)傳輸機(jī)制是將IEEE 802.11n的單用戶TXOP的機(jī)制擴(kuò)展為多用戶的 TXOP sharing，而 MUMIMO傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)中需要考慮多方面的因素使得系統(tǒng)吞吐量最大化，例如用戶的選擇和調(diào)度，信道信息的精確與否，預(yù)編碼方案以及發(fā)送端對(duì)不同用戶的功率分配等方面，下面針對(duì)所需考慮的這些問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)吞吐量最大化。

3 改進(jìn)的IEEE 802.11ac多用戶MIMO傳輸方案

3.1 多用戶預(yù)編碼方案的改進(jìn)和最優(yōu)功率分配

因?yàn)槎嘤脩纛A(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)需要發(fā)送端已知精確的信道狀態(tài)信息，然而遵循現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)草案 Draft 1.4的背景下，發(fā)送端AP準(zhǔn)備給多用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)并不能獲知各用戶信道是否有所波動(dòng)，針對(duì)這種情況本文提出利用物理層TXOP時(shí)長(zhǎng)內(nèi)信干噪比的反饋對(duì)現(xiàn)有的多用戶預(yù)編碼方案進(jìn)行改進(jìn)，即發(fā)送端通過(guò)信干噪比的反饋來(lái)調(diào)整多用戶預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)。尤其是在一個(gè) TXOP期間，次 AC用戶(相對(duì)于該TXOP期間搶到信道接入類別的其他用戶)數(shù)據(jù)發(fā)完后，剩下的TXOP時(shí)間可以通過(guò)調(diào)整加入新的用戶來(lái)使系統(tǒng)容量最大化，由于此時(shí)新加入用戶的信道狀態(tài)信息是之前反饋的，此時(shí)多用戶預(yù)編碼精確與否AP是未知的，所以可以在TXOP初始化的第一幀后，STA回復(fù)塊確認(rèn)(BA)幀時(shí)反饋信干噪比信息來(lái)調(diào)整編碼調(diào)制方式(MCS)和確定是否需要信道信息的重新反饋，然后再進(jìn)行多用戶MIMO傳輸。

因此這里提出在TXOP開(kāi)始的第一幀時(shí)，用戶對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行處理，然后通過(guò)反饋所設(shè)計(jì)的塊確認(rèn)BA幀將所需的信干噪比和真實(shí)的信干噪比反饋給AP，AP通過(guò)均衡處理來(lái)調(diào)整發(fā)射功率，由于不同用戶的AC不同則可以對(duì)不同用戶和容量進(jìn)行加權(quán)，從而可對(duì)不同AC的用戶容量進(jìn)行最優(yōu)分配。如前所述，由于非線性MU-MIMO預(yù)編碼無(wú)法求得最優(yōu)解，因此本節(jié)選擇線性MU-MIMO預(yù)編碼進(jìn)行物理層的最優(yōu)設(shè)計(jì)。下一節(jié)將提出改進(jìn)的MAC調(diào)度方案來(lái)進(jìn)一步提升其多用戶MIMO傳輸性能。

注意 IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其多用戶MIMO傳輸是采用MIMO-OFDM模式，并工作于5GHz頻段，基本帶寬40MHz，必選帶寬80MHz，可選帶寬160MHz或80+80MHz。IEEE 802.11ac的帶寬示意圖如圖4所示。

圖4 IEEE 802.11ac工作帶寬示意

為了使多用戶 MIMO線性預(yù)編碼的吞吐量最大化，并進(jìn)行最優(yōu)的功率分配，可以采用基于業(yè)務(wù)類型 QoS要求的 Goodput為將要最大化的目標(biāo)函數(shù)，由于用戶業(yè)務(wù)類型分為4類：voice用戶，Video用戶、best effort用戶和background用戶、不同用戶有相應(yīng)的 QoS要求，因此最后可構(gòu)成 IEEE 802.11ac場(chǎng)景下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

其中，α1、α2、α3、α4是加權(quán)系數(shù)，最優(yōu)加權(quán)可以為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大的“和速率”[6]。t1、t2、t3、t4是不同用戶對(duì)速率的QoS要求，ρ1、ρ2、ρ3、ρ4是不同用戶的功率分配系數(shù)，求解式(4)對(duì) IEEE 802.11ac用戶實(shí)現(xiàn)加權(quán)“和速率”目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)的功率分配，式(4)最優(yōu)解的計(jì)算可以通過(guò)非線性規(guī)劃獲得。本文可借助MATLAB的fmincon函數(shù)求解，命令的基本格式和所含參數(shù)分別為

通過(guò)計(jì)算即可獲得式(4)的最優(yōu)解。

式(4)中的Pe1rPer2Per3Per4分別是4類用戶的誤分組率，都可通過(guò)式(5)計(jì)算。

因此根據(jù)該CDF和表2(用來(lái)實(shí)現(xiàn)Group多于4個(gè)用戶時(shí)用戶信干噪比的選擇門限和最終發(fā)送時(shí)所對(duì)應(yīng)的可達(dá)速率)可以得到不同可達(dá)信噪比下的概率，從而可以用來(lái)計(jì)算多用戶場(chǎng)景下（如第4節(jié)）的吞吐量性能。下面分析在線性MU-MIMO預(yù)編碼下的MAC層用戶選擇和調(diào)度方案。

表1 IEEE 802.11ac所采用的MCS方式

表2 用戶組多于4個(gè)用戶時(shí)的信干噪比(SNIR)選擇門限和最終發(fā)送的可達(dá)速率

3.2 多用戶MIMO傳輸?shù)腗AC層調(diào)度優(yōu)化方案

AP站點(diǎn)獲得一個(gè)傳輸機(jī)會(huì)后，只要滿足TXOP時(shí)限，它可以在指定的輪詢TXOP內(nèi)傳輸多個(gè)幀交換序列?！八?qǐng)求的TXOP時(shí)長(zhǎng)”以32μs為單位指定?！八?qǐng)求的TXOP時(shí)長(zhǎng)”為0表示對(duì)于指定通信標(biāo)識(shí)符(TID, traffic identifier)沒(méi)有請(qǐng)求TXOP?！八?qǐng)求的 TXOP時(shí)長(zhǎng)”不是累加的，對(duì)于一個(gè)特定TID的TXOP時(shí)長(zhǎng)請(qǐng)求將改寫任何之前的對(duì)該TID的TXOP時(shí)長(zhǎng)請(qǐng)求，也就是說(shuō)IEEE 802.11ac場(chǎng)景下用戶站點(diǎn)STA必須回復(fù)TXOP holder(初始化成功TXOP的STA)的信息。

因?yàn)楝F(xiàn)有的機(jī)制在 MU-MIMO傳輸之前獲得的信干噪比信息相對(duì)于實(shí)際發(fā)送 MU-MIMO數(shù)據(jù)時(shí)的信干噪比而言是不精確的。這樣會(huì)使 MU-MIMO的性能降低，體現(xiàn)不出MU-MIMO對(duì)于吞吐量的提升作用。因此本節(jié)提出一種簡(jiǎn)單的改進(jìn)方案可以解決MU-MIMO傳輸時(shí)吞吐量的降低問(wèn)題，具體的改進(jìn)方案如下。

1) 在TXOP內(nèi)的MU-MIMO實(shí)現(xiàn)期間發(fā)送端AP第一幀(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定RTS或短數(shù)據(jù)分組可作為第一幀)發(fā)送時(shí)，以保守MCS(即低階MCS)發(fā)送。

2) 用戶(STA)在該 TXOP時(shí)長(zhǎng)內(nèi)收到第一個(gè)MU-MIMO幀后，基于該幀重新估計(jì) SINR。此時(shí)由用戶完成的 SINR的計(jì)算可有效考慮其他用戶(STA)數(shù)據(jù)流的干擾。

3) 在用戶(STA)響應(yīng)的塊確認(rèn)(BA)幀中將量化的SINR的修正量(4bit左右)反饋給AP，該步驟需要對(duì)幀結(jié)構(gòu)做一些修改，如圖5所示。

注意對(duì)于單用戶MIMO傳輸，本改進(jìn)方案也可適用，同樣可帶來(lái)性能增益。

圖5 BA幀結(jié)構(gòu)修改

對(duì)于反饋的主動(dòng)權(quán)而言，AP和STA都可以實(shí)現(xiàn)。

1) 對(duì)于AP而言，為了觸發(fā)STA在非Sounding(探測(cè))階段重新估計(jì)SINR值并在接下來(lái)的BA幀中返回修正SINR量化值，需要在數(shù)據(jù)幀的VHT-SIGA字段使用1bit指示該操作，或者將比特信息以擾碼的形式加進(jìn)去，指示該操作。

2) 對(duì)于STA而言，為了讓AP獲知自身重新估計(jì)了 SINR值，所響應(yīng)的 BA幀中帶有修正SINR量化值，那么可以在BA幀中加1bit，或者以擾碼的形式來(lái)指示該操作。

STA重新獲得了帶干擾的每個(gè)空間流的子載波上的SINR以后，取整體的平均值，即將每個(gè)空間流的每個(gè)子載波上的SINR求和，然后除以每個(gè)空間流的子載波數(shù)再除以流數(shù)，得到一個(gè)總體平均SINR，再計(jì)算出此 SINR與之前反饋的總體平均SINR的差值 SINR_correction。將這個(gè)差值量化成4bit，放在BA幀里的BA控制域中來(lái)反饋。用4bit（B3～B6）來(lái)指示這個(gè)差值，由于每個(gè)STA最多可以接收 4個(gè)空間流，也就最多需要反饋 4個(gè)平均SINR修正量，因此一共需要BA control域中分配8bit(B3～B10)來(lái)指示。

B3、B4指示第1個(gè)空間流的平均SNR，B5、B6 指示第 2個(gè)空間流的平均 SNR，B7、B8指示第3個(gè)空間流的平均SNR，B9、B10指示第4個(gè)空間流的平均SNR。

主要工作流程如圖6所示，即第1步發(fā)送端在TXOP內(nèi)以低階MCS發(fā)送第1個(gè)MU-MIMO幀；第2步用戶在收到第一個(gè)MU-MIMO幀后，基于該幀重新估算 SINR；第 3步用戶在響應(yīng)幀(BA,塊確認(rèn)幀)中將額外攜帶 SINR糾正信息的BA幀反饋給發(fā)送端；第4步發(fā)送端在收到該修正的反饋幀后對(duì)多用戶預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整(可進(jìn)行功率分配，調(diào)整不同用戶的加權(quán)系數(shù)等)以最大化系統(tǒng)的吞吐量。

圖6 修改后工作流程

該方案的主要好處是：不需控制包裹幀反饋的復(fù)雜度也不需在MAC層增加多余信令開(kāi)銷的情況下，使AP得到更為精確的包含多用戶干擾的SINR反饋值，提高AP設(shè)計(jì)多用戶預(yù)編碼的性能，最終提高物理層的MU-MIMO吞吐量。

而且由于在初始化TXOP時(shí)，對(duì)主AC用戶第一幀的成功與否至關(guān)重要，如果第一幀交互失敗，那么TXOP初始化就失敗，而當(dāng)進(jìn)行多用戶傳輸時(shí)會(huì)有多個(gè)用戶，所以應(yīng)該先詢問(wèn)哪個(gè)用戶對(duì)TXOP初始化成功與否也就顯得十分重要，而且如果Group包括2個(gè)以上主AC用戶時(shí)候，若詢問(wèn)第1個(gè)主AC用戶失敗則TXOP初始化失敗，這樣對(duì)第2個(gè)主AC用戶不公平而且降低了TXOP初始化成功的概率。針對(duì)這2方面的問(wèn)題本文建議對(duì)用戶調(diào)度進(jìn)行改進(jìn)。

1) TXOP初始化時(shí)先對(duì)主AC用戶進(jìn)行輪詢以提高TXOP初始化的概率。

2) 如果對(duì)第1個(gè)主AC用戶第一幀交互失敗可以嘗試對(duì)第2個(gè)主AC用戶交互，這樣一方面可以改善多個(gè)主AC用戶的公平性問(wèn)題，另一方面增加了TXOP初始化成功的概率。

下面針對(duì)以上物理層和MAC層的MU-MIMO優(yōu)化方案進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。

4 IEEE 802.11ac多用戶MIMO傳輸方案的性能分析

本節(jié)將結(jié)合前面所述多用戶預(yù)編碼方案對(duì)IEEE 802.11ac場(chǎng)景下的吞吐量性能進(jìn)行分析，由文獻(xiàn)[4]可知，平均發(fā)送幀長(zhǎng)和所用的平均時(shí)長(zhǎng)之比即為吞吐量，而且實(shí)現(xiàn)下行多用戶需要AP競(jìng)爭(zhēng)到信道，因而吞吐量可以表示為

索引i表示可能幀類型，i=0表示無(wú)發(fā)送情況的空幀，i=1表示一個(gè)波束的幀類型，其數(shù)據(jù)分組幀長(zhǎng)度為lbit，i=2表示2個(gè)波束的幀類型，其數(shù)據(jù)分組幀長(zhǎng)度為2lbit，i=3表示 3個(gè)波束的幀類型，其數(shù)據(jù)分組幀長(zhǎng)度為3lbit，i=4表示4個(gè)波束的幀類型，其數(shù)據(jù)分組幀長(zhǎng)度為4lbit。則平均發(fā)送幀長(zhǎng)可通過(guò)不同幀類型的比特?cái)?shù)與該幀類型的發(fā)送概率的乘積計(jì)算獲得，而Pf(i,m,N,rγ,rω)表示第i個(gè)幀類型在N個(gè)用戶m個(gè)時(shí)隙內(nèi)門限為rγ發(fā)送速率rω的概率，其計(jì)算將在下面進(jìn)行分析。

式(10)中的PAP為 AP競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率，則AP與n-1個(gè)站點(diǎn)在m個(gè)時(shí)隙內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率可以表示為[8]

因?yàn)橄滦卸嘤脩粜枰?AP競(jìng)爭(zhēng)到信道，Group所含用戶不需要競(jìng)爭(zhēng)信道，但是由于一個(gè)用戶可以在不同Group中，所以下行多用戶需要對(duì)用戶進(jìn)行選擇，選取用戶信噪比較大的作為多用戶服務(wù)的對(duì)象，若選擇用戶的門限為rγ，則從N個(gè)用戶中選擇n個(gè)SINR大于rγ的概率為

第1種幀類型i=0即空幀，則有

Tdata(i, rω)表示幀類型i數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時(shí)間，Toverhead(i,m)是TXOP期間所需的幀交換控制代價(jià)，例如RTS、CTS和SIFS等時(shí)間，具體時(shí)間如表3所示。

表3 幀交換控制代價(jià)

5 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)IEEE 802.11ac的多用戶MIMO傳輸?shù)母倪M(jìn)方案性能進(jìn)行了仿真和分析。仿真假定AP有M根發(fā)送天線，用戶為單天線，噪聲方差為1，控制代價(jià)如表3所示，預(yù)編碼為迫零預(yù)編碼。假定4個(gè)用戶分別代表不同接入類別，如語(yǔ)音用戶、視頻用戶、盡最大努力用戶和背景用戶。設(shè)定信道環(huán)境為住宅信道環(huán)境[5]。

在主AC業(yè)務(wù)類型為語(yǔ)音時(shí)，本文對(duì)AP有不同天線情況下，語(yǔ)音用戶隨著信噪比的增加其BER的變化情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明其 BER隨著天線數(shù)的增加而顯著下降，如圖7所示。

圖7 天線數(shù)不同主AC用戶BER和SNR之間的關(guān)系

當(dāng)采用迫零MU-MIMO預(yù)編碼時(shí)，由于采用信干噪比反饋和不采用反饋時(shí)AP將決定是否需要信道信息的重新反饋，圖8對(duì)比了不同反饋下主AC用戶的BER隨著信噪比的變化情況。

圖8 SNR反饋的MAC方案和無(wú)反饋的BER性能對(duì)比

圖9對(duì)采用式(4)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行功率分配的情況下，進(jìn)行信干噪比反饋和無(wú)反饋時(shí)Goodput的性能差別，仿真表明，反饋精確信道信息下 Goodput的性能要大于不進(jìn)行反饋的情況。

圖9 SNR反饋的MAC方案和無(wú)反饋的Goodput性能對(duì)比

圖 10對(duì)系統(tǒng)吞吐量性能的分析結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其中仿真參數(shù)如下：門限速率rγ分別取值-8dB、14dB和16dB，仿真表明，理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，隨著時(shí)隙數(shù)的增加，吞吐量的增加也逐漸緩慢，且門限值越高其吞吐量越小，因?yàn)殚T限值選擇較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致能服務(wù)的用戶數(shù)變少，所以吞吐量會(huì)降低。

圖11是對(duì)MAC優(yōu)化方案的第1種，即在多用戶的情況下，TXOP初始化第1幀時(shí)候先詢問(wèn)主AC用戶和不一定先詢問(wèn)主AC用戶時(shí)的TXOP初始化成功的概率進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明，先對(duì)主AC用戶詢問(wèn)TXOP初始化成功的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不一定先對(duì)主AC用戶詢問(wèn)的情況。

圖10 可達(dá)發(fā)送速率不同時(shí)吞吐量隨時(shí)隙變化性能對(duì)比

圖11 先詢問(wèn)主AC用戶TXOP初始化成功概率隨著詢問(wèn)次數(shù)的變化

圖12 AP詢問(wèn)第2主用戶AP吞吐量和無(wú)詢問(wèn)吞吐量對(duì)比

圖12是對(duì)MAC優(yōu)化方案的第2種，即在Group中多個(gè)主AC用戶存在的情況下，AP對(duì)第2個(gè)主AC用戶嘗試詢問(wèn)和不對(duì)第2個(gè)主AC用戶詢問(wèn)的性能進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明對(duì)第 2個(gè)主 AC用戶詢問(wèn)會(huì)大大增加下行多用戶的吞吐量，這是因?yàn)閷?duì)第2個(gè)主AC用戶的詢問(wèn)一方面使TXOP初始化成功的概率增加，另一方面也增加了 AP占用信道的時(shí)間，從而使得IEEE 802.11ac下行多用戶的吞吐量增加。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于IEEE 802.11ac/D1.4標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)其多用戶MIMO (MU-MIMO)傳輸方案進(jìn)行了改進(jìn)和仿真分析，針對(duì)多用戶時(shí)用戶信道信息有延遲的特點(diǎn)需要TXOP期間用戶通過(guò)響應(yīng)BA幀進(jìn)行信干噪比的反饋，結(jié)果表明MU-MIMO傳輸時(shí)信干噪比的反饋會(huì)使多用戶 BER的性能有很大的提高，也提高了系統(tǒng)正確接收的比特?cái)?shù)(即goodput)，本文又在加權(quán)“和速率”最大化的目標(biāo)函數(shù)下進(jìn)行了功率的最優(yōu)分配，結(jié)果表明有反饋相比于無(wú)反饋的系統(tǒng)性能有較大的提升。

針對(duì)TXOP初始化對(duì)主AC詢問(wèn)失敗的特點(diǎn)，本文還提出2個(gè)MAC層的優(yōu)化方案，這2個(gè)方案是對(duì)主AC用戶的優(yōu)先詢問(wèn)和對(duì)第 2個(gè)主AC用戶的嘗試詢問(wèn)，降低了TXOP初始化失敗的概率，同時(shí)增加了IEEE 802.11ac下行多用戶MIMO傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

本文基于IEEE 802.11ac/D1.4標(biāo)準(zhǔn)草案并結(jié)合本文所述多用戶預(yù)編碼方案對(duì) IEEE 802.11ac場(chǎng)景下的吞吐量性能進(jìn)行了分析，針對(duì)5種不同的幀類型計(jì)算了不同的平均發(fā)送幀長(zhǎng)和所用的平均時(shí)長(zhǎng)，從而計(jì)算出該幀類型下的吞吐量性能，通過(guò)仿真表明隨著門限速率的增加吞吐量降低，并隨著時(shí)隙的增加吞吐量趨于平坦，表明了本文分析結(jié)果的正確性。

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