一種帶內(nèi)全雙工無線網(wǎng)絡(luò)MAC機制及性能分析

孫彥景， 渠倩倩， 王博文， 左海維， 王曉琳

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

帶內(nèi)全雙工(In-Band Full-Duplex，IBFD)無線通信技術(shù)允許節(jié)點在同一頻帶上同時進行發(fā)送和接收，與現(xiàn)有雙工技術(shù)相比理論上最大可成倍提高頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量[1-2]．近年來，物理層自干擾消除技術(shù)日趨成熟，能夠?qū)⒆愿蓴_信號降低到不影響有用信號接收的噪聲水平[3-4]，實現(xiàn)了單節(jié)點同時同頻發(fā)送和接收．為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點間IBFD無線通信，還需要相關(guān)媒體接入控制(Medium Access Control，MAC)機制的支持．當(dāng)前已有相關(guān)研究為IBFD無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了MAC機制[5-12]．文獻[7]將帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機制應(yīng)用于IBFD無線網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置無線接入點(Access Point，AP)節(jié)點或用戶節(jié)點在接收到源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀頭部信息后即刻向源節(jié)點發(fā)送自身數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)發(fā)送，則需發(fā)送忙音(Busy Tone)以占用信道．文獻[10]基于請求發(fā)送(Request-To-Send，RTS)/允許發(fā)送(Clear To Send，CTS)機制設(shè)計了RTS/全雙工允許發(fā)送(Full-duplex Clear To Send，F(xiàn)CTS)機制，該機制下能夠建立分布式IBFD無線網(wǎng)絡(luò)中對稱或非對稱雙向通信鏈路．然而，上述文獻均在不考慮節(jié)點間干擾影響的情況下開展研究．

圖1 IBFD無線網(wǎng)絡(luò)非對稱雙向鏈路傳輸模式

文中考慮AP為IBFD節(jié)點，用戶為半雙工(Half Duplex， HD)節(jié)點的IBFD無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境．AP能夠在同一頻帶上接收來自用戶數(shù)據(jù)的同時向另一用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖1所示．在圖1(a)中，若上行鏈路發(fā)送節(jié)點C1為下行鏈路接收節(jié)點C4的暴露終端，則上行鏈路的發(fā)送信號亦為下行鏈路的節(jié)點間干擾(Inter-Node Interference，INI)信號，將干擾C4正確接收AP的有用信號．節(jié)點物理層(Physical Layer， PHY)可根據(jù)信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio， SINR)等信息減小節(jié)點間干擾的影響[7]，若設(shè)計的MAC層機制能夠輔助PHY層工作，為INI抑制提供所需的參數(shù)，將能夠進一步提高節(jié)點接收有用信號的能力．

用戶C1發(fā)起信道接入請求時，AP在與C1建立上行鏈路的同時利用信道接入機會與用戶C2建立下行鏈路，實現(xiàn)上下行鏈路同時發(fā)送和接收，如此可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量．文獻[8-9]針對此種情況設(shè)計了相應(yīng)的IBFD MAC機制．但是，當(dāng)AP發(fā)起信道接入請求時，由于所有用戶均為半雙工終端，AP只能與用戶建立下行鏈路，致使在數(shù)據(jù)傳輸階段AP的上行鏈路處于空閑狀態(tài)，此時的網(wǎng)絡(luò)吞吐量與半雙工無線網(wǎng)絡(luò)無異．而文獻[8-9]未考慮此種情況．

在考慮INI影響的條件下，提出一種應(yīng)用于IBFD無線網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制機制AFD-MAC，能夠通過一次信道接入實現(xiàn)非對稱雙向鏈路的建立．AFD-MAC在用戶先接入信道或AP先接入信道時均可以建立非對稱雙向鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸階段AP始終保持上下行鏈路同時同頻工作，進一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量．另外，AFD-MAC通過媒體接入傳遞接收功率信息，為目的用戶PHY層估算INI值提供參數(shù)，并決定是否建立非對稱雙向鏈路避免由INI導(dǎo)致的失敗傳輸問題．采用離散Markov模型分析AFD-MAC機制的吞吐量性能并進行仿真驗證，在相同環(huán)境下與RTS/CTS機制和A-Duplex[9]進行對比．

1 系統(tǒng)模型

文中將IBFD無線網(wǎng)絡(luò)非對稱雙向鏈路傳輸模式分為: 基于目的節(jié)點的非對稱IBFD(Destination-based Asymmetric IBFD， DAFD)傳輸模式和基于源節(jié)點的非對稱IBFD(Source-based Asymmetric IBFD， SAFD)傳輸模式[12]，如圖1所示．產(chǎn)生兩種不同模式的原因在于前者首先爭得信道并發(fā)起媒體接入請求的節(jié)點為用戶，而后者為AP．

如圖1(a)所示，在DAFD傳輸模式中，用戶C1先接入信道，C1通過上行鏈路向AP發(fā)送數(shù)據(jù)(Packet1)，AP在接收Packet1的同時借用此信道通過下行鏈路向C4發(fā)送數(shù)據(jù)(Packet2)．定義C1向AP發(fā)送數(shù)據(jù)的上行鏈路為主要傳輸(Primary Transmission)鏈路，其中，C1為主發(fā)送器(Primary Transmitter， PT)，AP為主接收器(Primary Receiver， PR); AP向C4發(fā)送數(shù)據(jù)的下行鏈路為次要傳輸(Secondary Transmission)鏈路，其中AP為次發(fā)送器(Secondary Transmitter， ST)，C4為次接收器(Secondary Receiver， SR)．

如圖1(b)所示，在SAFD傳輸模式中，AP先接入信道，通過下行鏈路向C3發(fā)送Packet1，C1同時借用此信道通過上行鏈路向AP發(fā)送Packet2．其中，AP既是PT也是SR，C3是PR，C1是ST．

2 AFD-MAC機制

在IBFD無線網(wǎng)絡(luò)非對稱雙向鏈路通信中，802.11RTS/CTS機制僅能建立主要傳輸鏈路，不能為次要傳輸保留信道．若要實現(xiàn)3節(jié)點之間非對稱雙向鏈路通信，需要進行兩次RTS/CTS媒體接入和數(shù)據(jù)傳輸，這與HD無線通信相同．為解決上述問題，在考慮INI影響的條件下，文中基于3次握手機制提出AFD-MAC機制，通過一次信道接入完成非對稱雙向通信鏈路的建立．

2.1 幀 結(jié) 構(gòu)

在文中提出的AFD-MAC機制中，使用了5種控制幀結(jié)構(gòu)．控制幀分別為ARTS幀、URTS幀、DCTS幀、UCTS幀和ACK幀，如圖2所示．其中，由AP發(fā)送的UCTS幀和ARTS幀中的“TM”位指IBFD非對稱雙向鏈路傳輸模式，“0”表示DAFD模式，“1”表示SAFD模式，“TM”僅占 1 bit．DCTS幀中的“Pr”位指此用戶接收到AP發(fā)送數(shù)據(jù)的信號功率信息，“Pr”占2個字節(jié)．URTS幀和ACK幀與802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義相同．

圖2 控制幀結(jié)構(gòu)

2.2 AFD-MAC工作過程

在AFD-MAC機制中，假設(shè)所有節(jié)點都能夠感知信道狀態(tài)及其相鄰節(jié)點狀態(tài)．若某一節(jié)點有數(shù)據(jù)要傳輸且感知信道在DIFS時間內(nèi)一直處于空閑狀態(tài)，則執(zhí)行二進制退避機制并在退避計數(shù)器減到0時向目的節(jié)點發(fā)送請求幀．期間若節(jié)點感知信道處于忙碌狀態(tài)，則凍結(jié)退避計數(shù)器并等待．如圖3所示，文中分別對IBFD無線網(wǎng)絡(luò)中非對稱雙向鏈路傳輸?shù)膬煞N模式進行描述，具體媒體接入和數(shù)據(jù)傳輸過程如下．

圖3 IBFD非對稱雙向鏈路成功傳輸過程

2.2.1 DAFD媒體接入和數(shù)據(jù)傳輸過程

DAFD成功傳輸過程如圖3(a)所示．用戶C1成功爭得信道并向目的節(jié)點AP發(fā)送URTS幀，AP接收URTS幀，等待SIFS時長后向C1返回UCTS幀，允許上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸．若AP有數(shù)據(jù)(Packet2)要發(fā)送給C4，則UCTS幀中“TM”為0并且此幀中包含SR(C4)的地址，通知網(wǎng)絡(luò)中其他用戶AP要與C1和C4兩個用戶建立DAFD非對稱雙向鏈路．C1在收到UCTS幀后等待收到AP發(fā)送的Packet2幀頭Hdr時，立刻向AP發(fā)送Packet1．用戶C4收到UCTS幀后得知AP將要向其發(fā)送Packet2，由于AP向用戶C4發(fā)送Packet2時用戶C1同時向AP發(fā)送Packet1，C1發(fā)送的Packet1會干擾用戶C4對Packet2的接收，此時用戶C4需要通過物理層計算出它收到信號的信干噪比，C4收到C1發(fā)送的URTS幀后通過物理層估算出收到信號的功率為Pr，C1-C4，C4收到AP發(fā)送的UCTS幀后通過物理層估算出收到信號的功率為Pr，AP-C4，定義NC4為用戶C4處的噪聲功率，則C4可估算出它收到數(shù)據(jù)的信干噪比為

RSINC4=Pr，AP-C4(Pr，C1-C4+NC4) ．(1)

若RSINC4大于最小閾值γ，表明在C1和AP同時發(fā)送數(shù)據(jù)時C4可正確接收AP發(fā)送的數(shù)據(jù)，則向AP返回DCTS幀，允許下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸．此時DCTS幀中“Pr”位置零．AP收到DCTS幀后等待SIFS時長向C4發(fā)送Packet2．C1在收到AP發(fā)送的Packet2的幀頭Hdr后，立刻向AP發(fā)送Packet1．上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸完成后，如果C4正確接收Packet2，則等待SIFS時長向AP發(fā)送ACK幀，AP收到ACK幀后即向C1發(fā)送ACK幀，用戶C1收到ACK幀后，本次通信結(jié)束．

若RSINC4小于最小閾值γ，則表明在C1和AP同時發(fā)送數(shù)據(jù)時C4不能正確接收AP發(fā)送的數(shù)據(jù)，C4不必向AP發(fā)送回復(fù)幀．AP等DCTS+SIFS時長后，向C4發(fā)送數(shù)據(jù)幀頭Hdr，注意此時AP僅發(fā)送數(shù)據(jù)幀頭，通知C1開始向其發(fā)送Packet1，此時只進行由C1到AP的上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后，若AP正確接收Packet1，則AP等待SIFS時長后向C1發(fā)送ACK幀，本次通信結(jié)束．

2.2.2 SAFD 媒體接入和數(shù)據(jù)傳輸過程

SAFD成功傳輸過程如圖3(b)所示．AP成功爭得信道并向C3發(fā)送ARTS幀，此幀中包含C3的地址并且此幀中的“TM”位為“1”，通知其他用戶在AP向C3發(fā)送數(shù)據(jù)的同時可以競用AP的上行鏈路向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，C3收到ARTS幀后，通過物理層估算出其收到AP數(shù)據(jù)的信號功率為Pr，AP-C3，并將其上傳至MAC層封裝在DCTS幀中的“Pr”位發(fā)送給AP．其他用戶收到ARTS幀后得知AP將要向C3發(fā)送Packet1，與此同時有數(shù)據(jù)要發(fā)送給AP的用戶可以借用此信道向AP發(fā)送數(shù)據(jù)．此時可能有多個用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送給AP，它們在收到DCTS幀后要估算出C3的信干噪比．例如，C1有數(shù)據(jù)要發(fā)送給AP，C1收到DCTS幀后通過物理層估算出收到信號的功率為Pr，C3-C1，假設(shè)Pr，C1-C3=Pr，C3-C1．由DCTS幀中“Pr”位可知C3收到AP發(fā)送數(shù)據(jù)的信號功率Pr，AP-C3，定義NC1為用戶C1處的噪聲功率，它與C3處的噪聲功率近似相等．因此，可估算出C3處的信干噪比為

RSINC3=Pr，AP-C3(Pr，C1-C3+NC1) ．(2)

若RSINC3大于最小閾值γ，則C1向AP發(fā)送URTS幀，AP收到URTS幀后等待SIFS時長向C3發(fā)送Packet1，AP在Packet1幀頭中添加一位標(biāo)記位，設(shè)置為“Y”，允許上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸．C1收到AP發(fā)送的Packet1的幀頭Hdr后立刻向AP發(fā)送Packet2．上下行鏈路數(shù)據(jù)同時傳輸完成后，若C3正確接收Packet2，等待SIFS時長向AP發(fā)送ACK幀，AP收到ACK幀后即向C1發(fā)送ACK幀，C1收到ACK幀，本次通信結(jié)束．

若有多個用戶滿足RSINC3大于最小閾值γ，則他們同時向AP發(fā)送URTS幀，發(fā)生碰撞，此時AP不能正確接收URTS幀，因此，AP在Packet1的幀頭中添加一位標(biāo)記位，標(biāo)記位設(shè)置為“N”，通知將要競用上行鏈路的所有用戶不要向其發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞．此時只進行由AP到C3的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后，若C3正確接收Packet1，則C3等待SIFS時長后向AP發(fā)送ACK幀，本次通信結(jié)束．

3 性能分析

3.1 飽和吞吐量

文中采用離散時間Markov模型[13]，對基于AFD-MAC機制的IBFD無線網(wǎng)絡(luò)進行吞吐量性能分析．假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個用戶，1個AP，所有節(jié)點都能夠正常偵聽信道、競爭IBFD無線通信機會和檢測碰撞．

在AFD-MAC機制中，AP和用戶有不同離散時間Markov鏈．AP的最大競爭窗口和最大退避階數(shù)分別為WAP和mA; 一個隨機時隙中發(fā)送概率和條件碰撞概率分別是τA和pA．用戶的最大競爭窗口和最大退避階數(shù)分別為W和m; 一個隨機時隙中發(fā)送概率和條件碰撞概率分別是τ和p．競爭窗口范圍可表示為(0，Wi)，其中Wi= 2iW，i=0，1，2，…，m．基于離散時間Markov模型，推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)中用戶在某一時隙的發(fā)送概率為

(3)

在AFD-MAC機制中，當(dāng)一個用戶競爭到信道后不論AP是否競爭信道，用戶都可以成功發(fā)送數(shù)據(jù)．因此，用戶的條件碰撞概率p= 1- (1-τ)N-1．同理，可得AP在某一時隙的發(fā)送概率為

(4)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有用戶都不發(fā)送數(shù)據(jù)時，AP成功傳輸數(shù)據(jù)．因此，AP節(jié)點的條件碰撞概率pA= 1- (1-τ)N．定義在一個時隙內(nèi)至少有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為Ptr，可由發(fā)送概率τ和τA表示為Ptr= 1- (1-τA)(1-τ)N．那么，該時隙內(nèi)信道空閑的概率可表示為 1-Ptr．因此，一個時隙內(nèi)信道空閑時間可表示為 (1-Ptr)σ，其中σ為空閑總時長．

歸一化系統(tǒng)吞吐量S為信道一個時隙內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效幀長度．為獲得吞吐量值，首先需要計算成功和失敗傳輸概率．由第2部分描述的兩種IBFD的數(shù)據(jù)傳輸過程可知，數(shù)據(jù)成功傳輸有以下兩種情況．

(2) AP向某一用戶發(fā)起通信，此時用戶都在偵聽信道，另一用戶借此信道向AP發(fā)起通信，建立非對稱IBFD雙向鏈路，成功傳輸概率Ps2可表示為Ps2=τA(1-τ)N-1，數(shù)據(jù)傳輸時間Ts2=TARTS+TDCTS+TURTS+THdr+TPacket+ 4TSIFS+ 2TACK，當(dāng)不只一個用戶同時競爭信道向AP發(fā)送URTS幀時，網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生碰撞，傳輸失敗．定義碰撞概率為Pc，可表示為Pc=Ptr-Ps1-Ps2，碰撞持續(xù)時間Tc=TURTS+TDIFS，至此，可求得歸一化飽和吞吐量S為

S=(Ps1+Ps2)E[Packet](1-Ptr)σ+Ps1Ts1+Ps2Ts2+PcTc,(5)

其中，E[Packet]為一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行чL度．

3.2 數(shù)值結(jié)果

本節(jié)使用MATLAB評估了AFD-MAC機制的性能，并驗證了分析模型．基本仿真參數(shù)如表1所示．假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點嘗試向其通信范圍內(nèi)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)并能夠正常爭取IBFD傳輸機會．為證明AFD-MAC機制在提高網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)勢，在相同環(huán)境下將其與RTS/CTS及A-Duplex機制[9]進行對比分析．

表1 基本仿真參數(shù)

圖4對比了不同MAC機制下網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)目與吞吐量的關(guān)系．最大退避階數(shù)m設(shè)為6，由圖4可知，當(dāng)最小競爭窗口W=16 時，使用AFD-MAC的IBFD無線網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量約為1.61，使用RTS/CTS機制的HD網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量約為0.83，可見IBFD比HD無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量高出近1倍．同在IBFD無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對比AFD-MAC和A-Duplex機制，前者吞吐量比后者高出約18%．對比不同最小競爭窗口下 AFD-MAC 機制的吞吐量， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)目較小時， 競爭窗口越小， 吞吐量越大．隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目增加， 當(dāng)W=16 時， 吞吐量緩慢減小; 當(dāng)W=256 時， 吞吐量持續(xù)增加．因此， 為最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量， 無線網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目選擇合適的競爭窗口大?。谙嗤琖值條件下， AFD-MAC 與 RTS/CTS 機制一樣， 隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目的增加， 吞吐量變化較?。虼?， AFD-MAC 機制能夠應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)， 且網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)于 A-Duplex機制．

圖4 不同用戶數(shù)目下,3種MAC機制吞吐量分析

二進制退避計數(shù)器初值與最小競爭窗口W和最大退避階數(shù)m有關(guān)，如圖5和圖6所示．圖5中，設(shè)置m為6，觀察用戶數(shù)目不同時W與吞吐量的關(guān)系，可確定不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)合適的W值．例如，當(dāng)用戶數(shù)N=10 時，選擇W=16 能夠獲得最大吞吐量S= 1.628; 而當(dāng)N=40 時，選擇W=64 較為合適，此時最大吞吐量S= 1.624．圖6中，設(shè)置W為16，觀察用戶數(shù)目不同時m與吞吐量的關(guān)系．同上，能夠從中為不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)選擇合適的m值．綜合分析圖5和圖6可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)目逐漸增加時需要增大W和m值，以增加節(jié)點退避時間，減少碰撞的發(fā)生．

圖5 不同最大退避階數(shù)下用戶數(shù)目不同時,AFD-MAC機制吞吐量分析 圖6 不同最小競爭窗口下用戶數(shù)目不同時,AFD-MAC機制吞吐量分析

4 結(jié) 束 語

在考慮INI影響的條件下，提出了一種應(yīng)用于IBFD非對稱雙向鏈路通信的AFD-MAC機制．在數(shù)據(jù)傳輸階段AP始終保持上下行鏈路同時同頻工作，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量．另外，AFD-MAC通過媒體接入傳遞接收功率信息，為目的用戶PHY層估算INI值并決定是否建立非對稱雙向鏈路提供參數(shù)，減小了INI的影響．最后文中采用離散時間Markov模型，給出了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的理論分析和數(shù)值結(jié)果．結(jié)果表明，AFD-MAC機制與RTS/CTS和A-Duplex機制相比，吞吐量分別約提高了94%和18%，AFD-MAC機制性能優(yōu)勢明顯．

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