一種帶內全雙工無線網絡MAC機制及性能分析

孫彥景， 渠倩倩， 王博文， 左海維， 王曉琳

(中國礦業大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221008)

帶內全雙工(In-Band Full-Duplex，IBFD)無線通信技術允許節點在同一頻帶上同時進行發送和接收，與現有雙工技術相比理論上最大可成倍提高頻譜利用率和網絡吞吐量[1-2]．近年來，物理層自干擾消除技術日趨成熟，能夠將自干擾信號降低到不影響有用信號接收的噪聲水平[3-4]，實現了單節點同時同頻發送和接收．為實現無線網絡中多節點間IBFD無線通信，還需要相關媒體接入控制(Medium Access Control，MAC)機制的支持．當前已有相關研究為IBFD無線網絡設計了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)機制應用于IBFD無線網絡中，設置無線接入點(Access Point，AP)節點或用戶節點在接收到源節點發送的數據幀頭部信息后即刻向源節點發送自身數據，若無數據發送，則需發送忙音(Busy Tone)以占用信道．文獻[10]基于請求發送(Request-To-Send，RTS)/允許發送(Clear To Send，CTS)機制設計了RTS/全雙工允許發送(Full-duplex Clear To Send，FCTS)機制，該機制下能夠建立分布式IBFD無線網絡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點間干擾影響的情況下開展研究．

圖1 IBFD無線網絡非對稱雙向鏈路傳輸模式

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

用戶C1發起信道接入請求時，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，實現上下行鏈路同時發送和接收，如此可以提高網絡吞吐量．文獻[8-9]針對此種情況設計了相應的IBFD MAC機制．但是，當AP發起信道接入請求時，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，致使在數據傳輸階段AP的上行鏈路處于空閑狀態，此時的網絡吞吐量與半雙工無線網絡無異．而文獻[8-9]未考慮此種情況．

在考慮INI影響的條件下，提出一種應用于IBFD無線網絡的媒體接入控制機制AFD-MAC，能夠通過一次信道接入實現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，保證數據傳輸階段AP始終保持上下行鏈路同時同頻工作，進一步提高網絡吞吐量．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，并決定是否建立非對稱雙向鏈路避免由INI導致的失敗傳輸問題．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，在相同環境下與RTS/CTS機制和A-Duplex[9]進行對比．

1 系統模型

文中將IBFD無線網絡非對稱雙向鏈路傳輸模式分為: 基于目的節點的非對稱IBFD(Destination-based Asymmetric IBFD， DAFD)傳輸模式和基于源節點的非對稱IBFD(Source-based Asymmetric IBFD， SAFD)傳輸模式[12]，如圖1所示．產生兩種不同模式的原因在于前者首先爭得信道并發起媒體接入請求的節點為用戶，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發送數據(Packet1)，AP在接收Packet1的同時借用此信道通過下行鏈路向C4發送數據(Packet2)．定義C1向AP發送數據的上行鏈路為主要傳輸(Primary Transmission)鏈路，其中，C1為主發送器(Primary Transmitter， PT)，AP為主接收器(Primary Receiver， PR); AP向C4發送數據的下行鏈路為次要傳輸(Secondary Transmission)鏈路，其中AP為次發送器(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發送Packet1，C1同時借用此信道通過上行鏈路向AP發送Packet2．其中，AP既是PT也是SR，C3是PR，C1是ST．

2 AFD-MAC機制

在IBFD無線網絡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3節點之間非對稱雙向鏈路通信，需要進行兩次RTS/CTS媒體接入和數據傳輸，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 構

在文中提出的AFD-MAC機制中，使用了5種控制幀結構．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發送數據的信號功率信息，“Pr”占2個字節．URTS幀和ACK幀與802.11標準中定義相同．

圖2 控制幀結構

2.2 AFD-MAC工作過程

在AFD-MAC機制中，假設所有節點都能夠感知信道狀態及其相鄰節點狀態．若某一節點有數據要傳輸且感知信道在DIFS時間內一直處于空閑狀態，則執行二進制退避機制并在退避計數器減到0時向目的節點發送請求幀．期間若節點感知信道處于忙碌狀態，則凍結退避計數器并等待．如圖3所示，文中分別對IBFD無線網絡中非對稱雙向鏈路傳輸的兩種模式進行描述，具體媒體接入和數據傳輸過程如下．

圖3 IBFD非對稱雙向鏈路成功傳輸過程

2.2.1 DAFD媒體接入和數據傳輸過程

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點AP發送URTS幀，AP接收URTS幀，等待SIFS時長后向C1返回UCTS幀，允許上行鏈路數據傳輸．若AP有數據(Packet2)要發送給C4，則UCTS幀中“TM”為0并且此幀中包含SR(C4)的地址，通知網絡中其他用戶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發送的Packet2幀頭Hdr時，立刻向AP發送Packet1．用戶C4收到UCTS幀后得知AP將要向其發送Packet2，由于AP向用戶C4發送Packet2時用戶C1同時向AP發送Packet1，C1發送的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可估算出它收到數據的信干噪比為

RSINC4=Pr，AP-C4(Pr，C1-C4+NC4) ．(1)

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

若RSINC4小于最小閾值γ，則表明在C1和AP同時發送數據時C4不能正確接收AP發送的數據，C4不必向AP發送回復幀．AP等DCTS+SIFS時長后，向C4發送數據幀頭Hdr，注意此時AP僅發送數據幀頭，通知C1開始向其發送Packet1，此時只進行由C1到AP的上行鏈路數據傳輸，數據傳輸完成后，若AP正確接收Packet1，則AP等待SIFS時長后向C1發送ACK幀，本次通信結束．

2.2.2 SAFD 媒體接入和數據傳輸過程

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發送數據的同時可以競用AP的上行鏈路向AP發送數據，C3收到ARTS幀后，通過物理層估算出其收到AP數據的信號功率為Pr，AP-C3，并將其上傳至MAC層封裝在DCTS幀中的“Pr”位發送給AP．其他用戶收到ARTS幀后得知AP將要向C3發送Packet1，與此同時有數據要發送給AP的用戶可以借用此信道向AP發送數據．此時可能有多個用戶有數據要發送給AP，它們在收到DCTS幀后要估算出C3的信干噪比．例如，C1有數據要發送給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Pr，C1-C3=Pr，C3-C1．由DCTS幀中“Pr”位可知C3收到AP發送數據的信號功率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發送URTS幀，AP收到URTS幀后等待SIFS時長向C3發送Packet1，AP在Packet1幀頭中添加一位標記位，設置為“Y”，允許上行鏈路數據傳輸．C1收到AP發送的Packet1的幀頭Hdr后立刻向AP發送Packet2．上下行鏈路數據同時傳輸完成后，若C3正確接收Packet2，等待SIFS時長向AP發送ACK幀，AP收到ACK幀后即向C1發送ACK幀，C1收到ACK幀，本次通信結束．

若有多個用戶滿足RSINC3大于最小閾值γ，則他們同時向AP發送URTS幀，發生碰撞，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記位，標記位設置為“N”，通知將要競用上行鏈路的所有用戶不要向其發送數據，以免發生碰撞．此時只進行由AP到C3的下行鏈路數據傳輸，數據傳輸完成后，若C3正確接收Packet1，則C3等待SIFS時長后向AP發送ACK幀，本次通信結束．

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無線網絡進行吞吐量性能分析．假設網絡中有N個用戶，1個AP，所有節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分別為WAP和mA; 一個隨機時隙中發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分別為W和m; 一個隨機時隙中發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，推導出網絡中用戶在某一時隙的發送概率為

(3)

在AFD-MAC機制中，當一個用戶競爭到信道后不論AP是否競爭信道，用戶都可以成功發送數據．因此，用戶的條件碰撞概率p= 1- (1-τ)N-1．同理，可得AP在某一時隙的發送概率為

(4)

當網絡中所有用戶都不發送數據時，AP成功傳輸數據．因此，AP節點的條件碰撞概率pA= 1- (1-τ)N．定義在一個時隙內至少有一個節點在發送數據的概率為Ptr，可由發送概率τ和τA表示為Ptr= 1- (1-τA)(1-τ)N．那么，該時隙內信道空閑的概率可表示為 1-Ptr．因此，一個時隙內信道空閑時間可表示為 (1-Ptr)σ，其中σ為空閑總時長．

歸一化系統吞吐量S為信道一個時隙內成功傳輸的數據有效幀長度．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的數據傳輸過程可知，數據成功傳輸有以下兩種情況．

(2) AP向某一用戶發起通信，此時用戶都在偵聽信道，另一用戶借此信道向AP發起通信，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，數據傳輸時間Ts2=TARTS+TDCTS+TURTS+THdr+TPacket+ 4TSIFS+ 2TACK，當不只一個用戶同時競爭信道向AP發送URTS幀時，網絡中發生碰撞，傳輸失?。x碰撞概率為Pc，可表示為Pc=Ptr-Ps1-Ps2，碰撞持續時間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]為一次數據傳輸的有效長度．

3.2 數值結果

本節使用MATLAB評估了AFD-MAC機制的性能，并驗證了分析模型．基本仿真參數如表1所示．假設網絡中所有節點嘗試向其通信范圍內節點發送數據并能夠正常爭取IBFD傳輸機會．為證明AFD-MAC機制在提高網絡性能方面的優勢，在相同環境下將其與RTS/CTS及A-Duplex機制[9]進行對比分析．

表1 基本仿真參數

圖4對比了不同MAC機制下網絡中用戶數目與吞吐量的關系．最大退避階數m設為6，由圖4可知，當最小競爭窗口W=16 時，使用AFD-MAC的IBFD無線網絡平均吞吐量約為1.61，使用RTS/CTS機制的HD網絡平均吞吐量約為0.83，可見IBFD比HD無線網絡吞吐量高出近1倍．同在IBFD無線網絡環境下對比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， 當網絡中用戶數目較小時， 競爭窗口越小， 吞吐量越大．隨著網絡用戶數目增加， 當W=16 時， 吞吐量緩慢減小; 當W=256 時， 吞吐量持續增加．因此， 為最大化網絡吞吐量， 無線網絡需要根據網絡用戶數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， 隨著網絡用戶數目的增加， 吞吐量變化較?。虼耍?AFD-MAC 機制能夠應用于大規模網絡， 且網絡性能優于 A-Duplex機制．

圖4 不同用戶數目下,3種MAC機制吞吐量分析

二進制退避計數器初值與最小競爭窗口W和最大退避階數m有關，如圖5和圖6所示．圖5中，設置m為6，觀察用戶數目不同時W與吞吐量的關系，可確定不同規模網絡合適的W值．例如，當用戶數N=10 時，選擇W=16 能夠獲得最大吞吐量S= 1.628; 而當N=40 時，選擇W=64 較為合適，此時最大吞吐量S= 1.624．圖6中，設置W為16，觀察用戶數目不同時m與吞吐量的關系．同上，能夠從中為不同規模網絡選擇合適的m值．綜合分析圖5和圖6可知，當網絡中用戶數目逐漸增加時需要增大W和m值，以增加節點退避時間，減少碰撞的發生．

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

4 結 束 語

在考慮INI影響的條件下，提出了一種應用于IBFD非對稱雙向鏈路通信的AFD-MAC機制．在數據傳輸階段AP始終保持上下行鏈路同時同頻工作，提高了網絡吞吐量．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，減小了INI的影響．最后文中采用離散時間Markov模型，給出了網絡吞吐量的理論分析和數值結果．結果表明，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機制性能優勢明顯．

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