一種低功耗的分布式無線網絡MAC協議設計*

馬 靜， 郎 楊， 沈來信， 鄧文雯

(1. 廈門大學 軟件學院， 福建 廈門 361005； 2. 新疆天山職業技術學院 電子通信學院， 烏魯木齊 830017； 3. 同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 201804； 4. 弗吉尼亞理工大學 會計與信息系統系， 弗吉尼亞州 布萊克斯堡 24061)

一種低功耗的分布式無線網絡MAC協議設計*

馬 靜1，2， 郎 楊1， 沈來信3， 鄧文雯4

(1. 廈門大學 軟件學院， 福建 廈門 361005； 2. 新疆天山職業技術學院 電子通信學院， 烏魯木齊 830017； 3. 同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 201804； 4. 弗吉尼亞理工大學 會計與信息系統系， 弗吉尼亞州 布萊克斯堡 24061)

為了提高分布式全雙工無線網絡的能量效率，提出了一種改進的低功耗全雙工媒體訪問控制(MAC)協議.不同于傳統的MAC協議，該MAC協議通過降低數據包以及確認包的傳輸功率來實現能量有效性.提出的MAC協議支持雙向以及單向兩種鏈路，并保持對傳統半雙工節點具有向后兼容性，實現了較高的吞吐量.通過基于隨機幾何的方法對提出的MAC協議進行了仿真分析與性能評估，結果證明了其有效性和準確性，是全雙工無線網絡可行的一種解決方案.

全雙工； MAC協議； 低功耗； 雙向鏈路； 單向鏈路； 吞吐量； 半雙工； 能量有效性

目前對全雙工(FD)無線通信的研究主要集中在物理層(PHY)方面[1]，但是在物理層之上也需要新的解決方案和改進協議，以便更好地提高全雙工技術的工作效率.對于全雙工分布式無線網絡而言，設計媒體訪問控制(MAC)層是非常具有實際意義的研究工作[2].

許多文獻提出了各種全雙工分布式無線網絡MAC協議.在文獻[3]中介紹了專門為雙向鏈路設計的全雙工MAC協議；文獻[4]中介紹了ContraFlow MAC協議，該傳輸協議即使無數據需要傳輸，ContraFlow的主要接收器也會發送忙音，因此在降低功率、能量損耗方面效果較差，此外，ContraFlow MAC協議不能使用單向鏈路；文獻[5]中介紹了用于單向鏈路的分布式MAC協議，該方法需要采用新的比特傳輸標記識別全雙工機，因而該協議無法向后兼容傳統半雙工(HD)節點；文獻[6]介紹了用于單向鏈路的MAC協議，無需使用忙音就能夠解決隱藏節點的問題.

上述提及的MAC協議均基于載波偵聽多路訪問(CSMA)，當前協議很少考慮能量有效性，所有MAC協議將傳輸功率用于控制包和數據包，能耗較高.

在此背景下，本文針對文獻[6]進行修改和擴展，以提高能量有效性，并且介紹了雙向鏈路以及單向鏈路等全雙工環境的特性.本文提出的協議主要通過降低數據包以及確認包的傳輸功率來實現能量有效性，另外，提出的MAC協議支持雙向鏈路以及單向鏈路，并維持對半雙工節點的向后兼容性，最終利用全雙工實現了較高的吞吐量，同時解決隱藏節點的問題.通過基于隨機幾何方法對本文提出的協議進行了分析，以便對其性能做出準確評估.

1 系統模型

本文使用由全雙工節點以及半雙工節點組成的泊松分布式無線網絡，在全雙工操作方面，采用文獻[7]的PHY層模型，每個節點均帶有單根共用天線以及自干擾(SI)抵消機制.使用兩類全雙工無線鏈路如下：

1) 雙向鏈路(Bi-links)，首次傳輸由A節點至B節點，第二次傳輸由B節點至A節點，首次傳輸和第二次傳輸可同時進行，這種情況下兩個節點均會遭受自干擾，需使用自干擾消除機制.

2) 單向鏈路(Uni-links)，首次傳輸由A節點至B節點，第二次傳輸由B節點至C節點，在這種情況下只有B節點會遭受自干擾[7-8].

本文界定的網絡底層系統節點的范圍如圖1所示.圖1中，傳輸范圍為駐留節點能夠通過發送器成功破譯數據包的距離；載波偵聽區域為駐留節點能夠偵聽到發送器傳輸，但無法成功破譯傳輸數據包的距離.故將各自的網絡分配向量設置為擴展幀間隔(EIFS)，載波偵聽區域不包括傳輸范圍.

圖1 模型中底層系統的范圍Fig.1 Scope of underlying system in model

2 提出的全雙工MAC協議

在底層系統模型中，有3類不同的通信：1)通過Bi-links的全雙工雙向通信；2)通過Uni-links的全雙工單向通信；3)傳統的半雙工通信.鑒于數據需從A節點傳輸至B節點，一旦檢測出通道已占用，就會開啟隨機回退機制.隨機回退機制計時器時間一到，如果檢測出通道為空，則開始傳輸，在最大功率(Pmax)條件下發送向B節點的發送請求(RTS)數據包，以便獲取通道并讓其它節點知道正在進行傳輸.

2.1 全雙工雙向通信

如果A節點和B節點之間進行全雙工雙向通信，B節點接收到A節點發送的RTS數據包之后，會再向A節點發送全雙工，清除發送數據包之前等待短幀間隔(SIFS).全雙工-CTS數據包包括源地址和目標地址以及首次傳輸和第二次傳輸的傳輸時間，需在最大功率條件下傳輸全雙工-CTS以便獲取第二次傳輸時的通道，同時B節點也會計算出Pmin，即數據傳輸成功時的最小傳輸功率，其表達式為

(1)

式中：Prx為接收功率；Rx為最小接收信號強度；c為文獻[8]中提出的常量.

一旦A節點接收到全雙工-CTS，就會計算出Pmin，并回復另一個全雙工-CTS，與B節點同步.B節點接收到A節點傳送的全雙工-CTS之后，在Pmin條件下開始傳輸數據，功率會周期性地從Pmin增加至Pmax，所以偵聽區域的節點無法破譯傳輸，但是能夠檢測出傳輸，且兩個連續功率增長間隔時間必須小于EIFS時間.根據IEEE 802.11標準[9]，15 μs適合于載波偵聽，2 μs能夠使功率電平從10%增加至90%，也能夠使其從90%減少至10%，因此，認為20 μs足以使功率電平從Pmin增加至Pmax，也能夠使其從Pmax減少至Pmin.根據IEEE 802.11標準規定將EIFS設置為364 μs，每隔340 μs提出的MAC協議節點會在最大功率條件下進行傳輸，持續20 μs，同時累積的傳輸時間小于EIFS時間.此外，由于已知首次傳輸和第二次傳輸的持續時間，A節點和B節點發送了確認字符(ACK)之后，傳輸會持續較長的時間.協議操作本質上能夠致使SIFS持續時間不同，協議中雙向傳輸與單向傳輸示意圖如圖2、3所示(SIFS和DIFS分別為短時間幀和802.11標準規定的DCF幀間間隔).

圖2 MAC協議雙向傳輸示意圖Fig.2 Example of bidirectional transmission in MAC protocol

圖3 MAC協議單向傳輸示例圖Fig.3 Example of unidirectional transmission in MAC protocol

2.2 全雙工單向通信

如果有數據包需要從B節點發送至C節點，則B節點需根據從A節點得到的接收功率計算出Pmin，之后會等待SIFS，然后在最小功率條件下將全雙工-CTS發送至A節點和C節點.在數據傳輸開始前，A節點先計算出Pmin，然后等待2SIFS發送全雙工-CTS.如果C節點接收到B節點發送的全雙工-CTS，則需在全雙工-CTS發送到B節點之前先計算出Pmin，之后B節點根據從C節點得到的接收功率計算出Pmin，然后將其與之前(從A節點獲得)計算的Pmin進行比較.B節點會使用較大的Pmin，以便維持首次傳輸與第二次傳輸的連接.在Pmin條件下數據傳輸會在首次傳輸或者第二次傳輸時持續較長時間，功率會周期性地從Pmin增加至Pmax.數據傳輸完成之后，C節點會將ACK發送至B節點，然后B節點再將ACK發送至A節點.

2.3 半雙工通信

維持對傳統半雙工節點的向后兼容性十分重要，如果B節點是半雙工節點或者無數據包需要發送，就會等待SIFS，然后將正常CTS發送至A節點.根據標準802.11 DCF協議[9-11]繼續進行半雙工通信.

2.4 隱藏節點問題的解決

當C節點和D節點在半雙工模式下組成發送器-接收器時(參見圖1)，F節點存在于D節點的載波偵聽范圍，并非C節點，充當了隱藏節點.在雙向傳輸中，兩個節點會同時進行傳輸及接收；而在單向傳輸中，隱藏節點會對第二次傳輸的接收器產生影響，也是本文提出全雙工MAC協議采用RTS-CTS機制的原因.通過在最大功率條件下發送全雙工-CTS，提出的全雙工MAC協議確保第二次傳輸時載波偵聽范圍內的節點能夠意識到有數據進行傳輸.

3 協議性能分析

3.1 空間吞吐量分析

根據齊次泊松點方程Φ以及強度參數λ，假設節點分布在歐幾里得平面R2內，若接收到的信號噪聲比γ高于閾值β，即

(2)

式中：N0為噪聲功率；Ix為A節點競爭區域內其他所有傳輸節點的累積干擾，則A節點能夠準確接收并破譯從B節點傳輸的數據包.本文采用了MAC層競爭的改進Matérn模型，在該模型中，Φ中每個點x均標有獨立標記tx，且均勻分布在[0，1]范圍內.如果節點未檢測出其他標記較小節點的活動，則進行傳輸，x鄰近節點的傳輸過程可表示為

N(x)={x∈Φ∶txβ}

(3)

接收功率可表示為

Prx=PL(x，y)F(x，y)

(4)

式中：P為傳輸功率；L(x，y)為路徑損耗分量；F(x，y)為導致衰落的隨機變量.根據文獻[9]中的概念，平均空間吞吐量可表示為

(5)

式中：α為Bi-links的占比；r為發送節點與接收節點之間的距離；n為鄰近節點傳輸距離；pBi和pUni分別為雙向傳輸和單向傳輸成功的概率；fD(r，n)為競爭區域內接收節點與鄰近節點間距離的概率密度函數.

根據文獻[11]中隨機網絡分析可知，成功傳輸的概率為

(6)

式中：ΔI1和ΔI2分別為首次傳輸與第二次傳輸時，接收器鄰近干擾節點的拉普拉斯變換；l1和l2分別為首次傳輸與第二次傳輸時節點對之間的路徑損耗分量；B為貝塔函數；Γ函數可表示為

(7)

式中，Θ為高斯超幾何函數.需注意，在Bi-links以及Uni-links情況下式(6)均有效.

3.2 能量分析

由于存在自干擾，需考慮全雙工節點的全雙工效率[6]，即有效接收包凈負載與發送包凈負載的比率，可表示為

(8)

式中：f(γ)為通道的概率密度函數；κ∈[0，1]為自干擾消除系數.當κ→0時，自干擾會對全雙工傳輸造成較大干擾；當κ→1時，自干擾不會造成干擾.在雙向傳輸中，需考慮兩個節點的全雙工效率，原因在于兩個節點在全雙工模式下運行；但是在單向傳輸中，通常僅考慮首次傳輸接收節點的效率，故有效數據包凈負載δFD可表示為

(9)

式中：δBi和δUni分別為Bi-links和Uni-links的有效數據包負載；δFT和δST分別為首次傳輸和第二次傳輸時的數據包凈負載；ζ為全雙工效率.為了比較，本文將半雙工鏈路的有效數據包凈負載表示為

(10)

Pmax(TRTS+TFDCTS+TIFT)

(11)

TRTS)+Pmax(TFDCTS+TIST)

(12)

式中：TRTS、TFDCTS和TACK分別為RTS、全雙工-CTS和ACK幀的持續時間；TδFT和TδST分別為首次傳輸和第二次傳輸有效凈負載的持續時間；Pon為接收模式下消耗的功率；TIFT和TIST分別為首次傳輸和第二次傳輸時功率增至Pmax的時間.

Pmax(TδFT-TIFT)

(13)

TRTS)+Pmax(TFDCTS+TIST)

(14)

PmaxTFDCTS

(15)

因此，總能量消耗可表示為E=αEBi+(1-α)EUni.

4 實驗結果與分析

假設泊松分布式節點的面積為1 500m2，并且節點密度會發生改變，此外，RTS數據包、全雙工-CTS數據包、CTS數據包、ACK數據包、PHY頭幀數據包、MAC標頭數據包以及負載數據包的幀尺寸分別設置為277、528、240、240、128、272以及8 184bit.SIFS、DIFS以及EIFS的幀間間隔時間分別設置為28、128以及364μs，時間間隙設置為50μs，設置α=0.5.之后將其性能與標準IEEE802.11(半雙工)DCF協議[9]和文獻[6]中的RTSFCTS協議進行了比較.

圖4為不同協議的能量消耗比較結果，可以觀察到能量消耗隨著網絡密度的增加而減少，原因在于傳輸鏈路較短，總傳輸功率減少.此外，與文獻[6]中MAC協議相比，提出改進MAC協議的平均能量消耗降低了約44.8%，提出的改進MAC協議功耗明顯低于傳統MAC協議.由于各種信息的傳輸時間以及幀間間隔時間減少，能量消耗隨著帶寬的增加而增加，因此，在數據傳輸期間，功率會不斷增加.

圖4 不同協議的能量消耗結果Fig.4 Energy consumption of different protocol

圖5為不同協議的平均空間吞吐量性能對比結果，可以觀察到提出的MAC協議吞吐量性能與文獻[6]在最大功率條件下傳輸時的性能相似.網絡密度較低時，吞吐量最初呈增加趨勢，此時沖突影響不顯著；達到最大值之后，由于網絡飽和的原因，吞吐量增加趨勢開始下降.

圖5 不同協議的平均空間吞吐量結果Fig.5 Average spatial throughput of different protocol

在全雙工網絡中，吞吐量變化也取決于全雙工效率，不同協議下平均空間吞吐量隨全雙工效率變化曲線如圖6所示.平均空間吞吐量隨著全雙工效率的增加而增加，當全雙工效率下降到0.75以下時，平均空間吞吐量降至半雙工系統水平.

圖6 全雙工效率變化時不同協議的平均空間吞吐量結果Fig.6 Average spatial throughput of different protocolwith change of full duplex efficiency

5 結 論

本文對原有的全雙工無線網絡MAC協議進行了改進，提出了一種適用于分布式無線網絡的低功耗MAC協議.提出的MAC協議支持雙向鏈路以及單向鏈路，并維持對半雙工節點的向后兼容性，最終利用全雙工實現了較高的吞吐量，同時解決隱藏節點問題.在未減少總有效吞吐量的情況下，提出的MAC協議獲得了較高的能量效率，性能評估結果證明了提出MAC協議的優越性能.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

DesignofanMACprotocolfordistributedwirelessnetworkwithlowpowerconsumption

MA Jing1,2, LANG Yang1, SHEN Lai-xin3, DENG Wen-wen4

(1. Software School, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2. School of Electronic and Communication, Xinjiang Tianshan Vocational and Technical College, Urumchi 830017, China; 3. College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 4. Department of Accounting and Information Systems, Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia 24061, USA)

In order to improve the energy efficiency of the distributed full duplex wireless network, an improved full duplex medium access control (MAC) protocol with low power consumption was proposed. Unlike the traditional MAC protocol, the proposed MAC protocol could achieve the energy efficiency through reducing the transmission power of data and acknowledgement packets. The proposed MAC protocol supported both bidirectional and unidirectional links, and maintained the backward compatibility to the traditional half duplex nodes, which could achieve a high throughput. The simulation analysis and performance evaluation for the proposed MAC protocol were carried out based on the random geometry method. The results verify the effectiveness and accuracy of the proposed method. The proposed method is a feasible solution scheme for the full duplex wireless network.

full duplex; MAC protocol; low power consumption; bidirectional link; unidirectional link; throughput; half duplex; energy efficiency

TP 391

： A

： 1000-1646(2017)05-0551-06

2016-08-14.

國家文化部科技創新資助項目(WHBKJCXXM20142554)； 國家文化部科技提升資助項目(GJWHKJTSXM20151991)； 江蘇省高等教育教改課題資助項目(2015jsjg411).

馬 靜(1979-)，女，新疆烏魯木齊人，講師，碩士，主要從事計算機科學技術、模式識別與復雜計算等方面的研究.

* 本文已于2017-03-28 17∶09在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1709.028.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.14