一種基于全雙工的節能型無線局域網MAC協議

王均+靳浩+李勇

【摘 ? ?要】提出了一種基于同時同頻全雙工的節能型無線局域網MAC協議，對該協議進行網絡仿真，并從網絡吞吐量、能量消耗等方面與傳統的無線局域網MAC協議進行比較。從仿真結果可以看出，基于同時同頻全雙工的MAC協議的性能較傳統半雙工無線局域網MAC協議有較大改善，而且在達到同等性能的條件下所提出的MAC協議比FD-MAC消耗的能量更少。

【關鍵詞】無線局域網 ? ?同時同頻全雙工 ? ?MAC協議 ? ?節能

中圖分類號：TN929.5 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-1010（2014）-22-0046-05

An Energy-Saving WLAN MAC Protocol Based on Full-Duplex

WANG Jun， JIN Hao， LI Yong

（Wireless Signal Processing and Network Lab， Key laboratory of Universal Wireless Communication， Ministry of Education， Beijing University of Posts & Telecommunications， Beijing 100876， China）

[Abstract]?An energy-saving WLAN MAC protocol based on co-time co-frequency full duplex is proposed in this paper， which is compared through network simulations with the traditional MAC protocol in aspects of network throughput and energy consumption. Simulation results reveal that the proposed MAC protocol not only outperforms the traditional MAC protocol， but also consumes less energy than FD-MAC protocol under the condition of the same performances.

[Key words]WLAN ? ?co-time co-frequency full duplex ? ?MAC protocol ? ?energy-saving

1 ? 引言

雙工是一種實現雙向通信的技術，分為2類：全雙工是指通信雙方同時發送和接收信號;半雙工是指通信雙方輪流發送和接收信號。現有的無線通信基本的全雙工方法有2種：頻分雙工（FDD）是異頻全雙工通信，通信雙方發送的信號頻帶不同;時分雙工（TDD）是同頻全雙工通信，采用相同的頻帶發送信號，但收發輪流進行。無線通信中，由于發送信號和接收信號的功率十分懸殊，通常到60dB以上[1]，而接收信號的功率時時變化且沒有規律，因此同時同頻全雙工技術在無線通信時實現難度大。

現階段，無線射頻支持在同一個信道上某一時刻只進行發送或者接收操作，而不能同時發送和接收數據。很多學者對同時同頻全雙工技術的實現做了大量的研究，而實現同時同頻全雙工技術的最大難題在于如何消除自干擾（Self-interference）。因此，國內外一些學者對同時同頻全雙工的自干擾消除技術進行了深入研究。文獻[2]提出了一種模擬消除技術，使用噪聲消除芯片從接收信號中減去自干擾信號（噪聲）實現干擾消除。文獻[3]提出了一種數字消除技術，即經過ADC采樣之后，使用之字形（ZigZag）解碼技術實現干擾消除。文獻[4]提出了一種利用天線布局技術（Antenna Placement Techniques）來消除自干擾的“天線”消除法，該方法為每個節點配置三根天線（兩發一收），兩個發射天線與接收天線的距離差為半個波長，能消除自干擾20～30dB，再加上模擬和數字消除法，可以消除自干擾50～60dB。文獻[1]利用信號反轉和自適應消除法實現同時同頻全雙工，單獨使用信號反轉可以減少自干擾信號45dB以上，加上自適應消除法可以將10MHz帶寬的OFDM自干擾信號減少73dB，再加上信號在發送天線和接收天線之間的路徑損耗，發送信號經接收端處理后能降低100dB以上。這樣在短距離無線通信網絡中，可以實現接近理想的同時同頻全雙工傳輸機制。

國內外已有許多學者將同時同頻全雙工技術應用于各種無線網絡，并得出了相關結論。文獻[5]分析了全雙工無線網絡的信道容量和能量效率。文獻[1]提出了基于同時同頻全雙工的無線局域網MAC協議（FD-MAC）。文獻[6]將定向天線技術引入至全雙工無線多跳網絡，在節點拓撲呈線性結構時可以提高網絡吞吐量。文獻[7]提出了一種自適應的全雙工無線局域網MAC協議，即根據節點緩存來選擇競爭窗口大小，緩存越大，競爭窗口就越小。文獻[8]提出了一種基于全雙工的無線多跳網絡MAC協議（RFD-MAC），該協議通過監聽鄰居節點的通信狀態來選擇是否進行數據發送，從而避免沖突。文獻[9]提出了一種基于全雙工的無線網格網路由協議。

2 ? 問題的產生

文獻[1]指出將全雙工技術應用于無線局域網可以消除隱藏終端問題和上下行公平性問題，并提出了基于同時同頻全雙工的MAC協議（FD-MAC）的思想。引入全雙工以后，當節點A接收來自節點B的數據時，若有到達節點B的數據，則向節點B發送數據;否則，廣播忙音（Busy Tone）以通知鄰居節點正在進行數據接收。在雙向傳輸過程中，若一方傳輸先結束，則廣播忙音信號，直至雙方均傳輸結束。endprint

由此可見，在雙向傳輸過程中，若節點STA先完成數據發送（或者無數據發送），則該節點一直廣播忙音信號直至對方節點發送結束，以此來避免隱藏終端問題。而廣播忙音信號需要消耗額外的能量，使得通信的能耗增加。鑒于此，本文提出了節能全雙工MAC（ESFD-MAC，Energy-Saving Full-Duplex MAC）。

3 ? 系統模型

下面對ESFD-MAC協議進行具體設計。

首先定義新的控制幀RN（Receive Notification），該幀由幀控制、持續時間、源地值（RA）、幀校驗序列（FCS）4個字段組成，這些字段均為IEEE 802.11中已標準化的字段。

幀控制字段中包含RN幀的標識號（其中幀類型設置為01，表示控制幀，子類型選擇未使用的序列號，例如0101）;持續時間為當前節點接收完數據所需要的時間;RA表示廣播該控制幀的源地址。

當某個源節點S有數據幀要發送到目的節點D時，為了簡化協議的描述，傳輸過程中S向D發送數據稱為主傳輸，D向S發送數據稱為從傳輸。主傳輸采用標準的CSMA/CA協議。S的操作流程圖如圖1所示，D的操作流程圖如圖2所示。

ESFD-MAC描述如下：

（1）節點S監聽信道。該部分采用標準的CSMA/CA協議。若信道空閑，則等待DIFS時間。如果在該段時間內信道一直處于空閑狀態，則DIFS時間結束后，S向目的節點D發送數據幀。若在此期間信道狀態變成忙碌，則等待信道空閑。當空閑時間超過DIFS后，S啟動退避過程。當退避計時器減為0后，S向目的節點D發送數據。

（2）節點D接收到數據包頭部后，讀取到該數據包的目的節點為本節點，進而讀取當前數據包的源節點S，然后查找本節點的數據緩存是否有到達S的數據。若存在到達S的數據，則轉至（3）;否則轉至（4）。

（3）D的緩存中有到達S的數據時，則發送數據，并將數據幀頭部的持續時間設置為主傳輸持續時間和從傳輸所需時間的較大值。D的鄰居節點接收到該幀后，調整自己的網絡分配向量NAV（NAV指出信道處于忙狀態的持續時間）。

（4）D的緩存中無到達S的數據時，則廣播RN幀，該信令通知D的其他鄰居節點當前節點正在接收數據，持續時間為T（從接收到數據包頭部的“持續時間”字段獲取）。D的鄰居節點監聽到RN幀后，調整自己的網絡分配向量NAV。

（5）若主傳輸先于從傳輸結束，S首先查看從傳輸的剩余時間（?T）。若時間大于2*SlotTime，則廣播RN幀，通知其鄰居節點本節點正在接收數據;否則，不發送RN幀。因為經過?T時間后，S接收結束，等待SIFS時間就會發送ACK幀，所以在從傳輸剩余時間小于2*SlotTime的情況下，信道空閑時間小于DIFS（DIFS=SIFS+2*SlotTime），而節點監聽到信道空閑時間大于DIFS后才啟動退避（或發送數據）過程，故在此情況下不發送RN幀也能保證正常通信。

（6）若從傳輸先于主傳輸結束，即主傳輸持續時間大于從傳輸結束時間，根據（3），D的鄰居節點已經將各自的NAV設置為主傳輸的持續時間，所以D在接收數據的過程中不會被其鄰居節點干擾。

4 ? 仿真設置

為了驗證上述ESFD-MAC協議的網絡性能，使用OPNET Modeler進行網絡仿真。網絡拓撲圖有1個接入節點和9個終端節點，其中所有的終端均關聯至接入節點。

主要仿真參數設置如表1所示：

表1 ? ?主要仿真參數設置

參數 屬性值

MAC層包匯聚協議 A-MPDU

MAC層協調功能 DCF

物理層信道忙門限值 -70dBm

天線發射功率 23dBm

噪聲功率 -174dBm/Hz

載波頻率 2.4GHz

物理層速率 150Mbps

通信標準 IEEE 802.11n

仿真時間 60s

本次仿真統計的結果為不同業務負載下的網絡平均吞吐量、網絡的平均包重傳次數p以及傳輸數據所消耗的能量E。

定義如下：

（1）

其中，T為仿真時間，單位為s;為在T時間內節點i正確接收的總業務量，單位為bit;N為網絡中節點總數。

p定義如下：

（2）

其中，S為仿真時間T內成功傳輸的包總數;為第i個數據包的重傳次數。

E定義如下：

（3）

其中，P為天線發射功率，單位為W;Ti為傳輸第i個數據包所需要的時間，單位為s;TACK為傳輸ACK幀所需要的時間，單位為s;Eother為發送其余信號（FD-MAC中為忙音信號，ESFD-MAC中為RN信號）所消耗的能量，單位為J。

網絡的業務模型可參考文獻[10]。

5 ? 仿真結果

為了驗證全雙工的性能，本仿真使用傳統的半雙工方式與其對比。

網絡平均吞吐量與業務負載量的關系如圖3所示。其中，橫坐標表示網絡的平均業務負載量（若坐標值為x，則表示上行和下行的平均業務負載量均為x）。

網絡平均包重傳次數如圖4所示。

傳輸數據所消耗的能量如圖5所示。

從仿真結果來看，在網絡業務負載較小（小于50Mbps）的情況下，全雙工（包括FD-MAC和ESFD-MAC）和半雙工的平均網絡吞吐量是一樣的，并且上下行吞吐量之比為1。這是因為在業務量較少的情況下，半雙工模式下也能將網絡產生的業務完成發送，使得網絡的吞吐量和全雙工相同。endprint

當業務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業務量較大時，每個節點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節點數越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發送下行數據，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節點數減少，發生沖突的概率減少，因此網絡的平均包重傳次數也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協議達到的網絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數據所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業務時節能40%左右;在上下行業務都存在且業務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網絡吞吐量較傳統半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協議發送數據所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優于FD-MAC的節能型無線局域網MAC協議。

參考文獻：

[1] Jain Mayank， Choi Jung Il， Kim Taemin， et al. Practical， Real-Time， Full Duplex Wireless[A]. Mobicom11[C]. 2011.

[2] Radunovic Bozidar， Gunawardena Dinan， Key Peter， et al. Rethinking Indoor Wireless Mesh Design： Low Power， Low Frequency， Full-Duplex[A]. In IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks[C]. 2010： 1-6.

[3] Gollakota Shyamnath， Katabi Dina. ZigZag Decoding： Combating Hidden Terminals in Wireless Networks[A]. Proceedings of the ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data Communication[C]. 2008： 159-170.

[4] Choi Jung Il， Jain Mayank， Srinivasan Kannan， et al. Achieving Single Channel， Full Duplex Wireless Communication[A]. Mobicom10[C]. 2010.

[5] Kim， Sanghoon， Stark Wayne E. On the Performance of Full Duplex Wireless Networks[J]. Information Sciences and Systems （CISS）， 2013.

[6] Miura Ken， Bandai Masaki. Node Architecture and MAC Protocol for Full Duplex Wireless and Directional Antennas[A]. Proceedings of IEEE PIMRC12[C]. 2012： 385-390.

[7] Oashi Sadahide， Bandai Masaki. Performance of Medium Access Control Protocols for Full-Duplex Wireless LANs[A]. Information and Telecommunication Technologies （APSITT）[C]. 2012.

[8] Tamaki Kenta， Sugiyama Yusuke， Bandai Masaki， et al. Full Duplex Media Access Control for Wireless Multi-hop Networks[A]. Proceedings of IEEE VTC2013-Spring[C]. 2013.

[9] Kato Katsuhiro， Bandai Masaki. Routing Protocol for Directional Full-Duplex Wireless[A]. Proceedings of IEEE PIMRC[C]. 2013.

[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint

當業務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業務量較大時，每個節點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節點數越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發送下行數據，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節點數減少，發生沖突的概率減少，因此網絡的平均包重傳次數也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協議達到的網絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數據所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業務時節能40%左右;在上下行業務都存在且業務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網絡吞吐量較傳統半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協議發送數據所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優于FD-MAC的節能型無線局域網MAC協議。

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[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint

當業務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業務量較大時，每個節點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節點數越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發送下行數據，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節點數減少，發生沖突的概率減少，因此網絡的平均包重傳次數也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協議達到的網絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數據所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業務時節能40%左右;在上下行業務都存在且業務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網絡吞吐量較傳統半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協議發送數據所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優于FD-MAC的節能型無線局域網MAC協議。

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[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint