基于CSMA的全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

顧旭波，馬塞塞，譚國(guó)平

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 通信與信息系統(tǒng)研究所，江蘇 南京 210098）

全雙工無(wú)線通信技術(shù)是一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，它通過(guò)天線隔離、模擬消擾和數(shù)字消擾等辦法，抵消來(lái)自自身發(fā)送天線的自干擾[1-3]，實(shí)現(xiàn)在同一頻段上同時(shí)完成收發(fā)操作。由于目前硬件設(shè)計(jì)無(wú)法完全抵消自干擾信號(hào)，所以全雙工無(wú)線通信技術(shù)只能覆蓋幾十米的范圍，也就是全雙工無(wú)線通信技術(shù)只能應(yīng)用于短距離通信的場(chǎng)景中，所以它一般作為一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)被提出[4-6]。

全雙工無(wú)線通信所帶來(lái)的利益是巨大的，它能成就幾乎傳統(tǒng)通信兩倍的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，將更大程度的提高頻帶利用率[7-8]。而這一點(diǎn)在目前無(wú)線頻段緊張的情況下，也顯得尤為重要。同時(shí)，它還能解決一些傳統(tǒng)無(wú)線通信無(wú)法解決的難題，例如隱藏終端問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題等等。在一個(gè)典型的采用無(wú)線全雙工通信方式小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，端用戶通過(guò)一個(gè)AP（Access Point，接入點(diǎn)）連接到因特網(wǎng)。我們假設(shè)，所有的用戶總是有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到AP，同時(shí)AP也總是有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給兩個(gè)站點(diǎn)N1和N2。那么，只要N1開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)給AP，AP將同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給N1。這時(shí)N2就能夠聽(tīng)到AP正在傳輸數(shù)據(jù)給N1，N2將推遲它的數(shù)據(jù)傳輸，因此沖突很容易就能夠得到避免。如果當(dāng)時(shí)AP沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳輸給N1，那么AP將重復(fù)接收到的內(nèi)容發(fā)送給N1。事實(shí)上，這個(gè)重復(fù)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程就相當(dāng)于AP返回一個(gè)ACK給N1，以防止跟N2發(fā)生通信沖突，這樣在我們現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在的隱藏終端問(wèn)題便迎刃而解，同時(shí)也保持了信道的高效暢通。

全雙工無(wú)線通信可以解決很多目前無(wú)法解決的無(wú)線通信難題，那么要想實(shí)現(xiàn)它就需要一個(gè)有效的MAC層（Media Access Control，媒體訪問(wèn)控制）協(xié)議來(lái)支持。目前受制于物理層的局限性，全雙工無(wú)線通信只能出現(xiàn)兩種場(chǎng)景：同步場(chǎng)景，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間同步的包交換方式；非同步場(chǎng)景，一個(gè)全雙工節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)包的同時(shí)發(fā)送一個(gè)包給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，任何MAC協(xié)議設(shè)計(jì)都無(wú)法避開(kāi)這個(gè)限制。傳統(tǒng)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)中，采用靜態(tài)配對(duì)的方案，它先將所有用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)配對(duì)，分成多組通信對(duì)，每個(gè)通信對(duì)包含兩個(gè)相互隱藏的用戶節(jié)點(diǎn)。通信首先由AP發(fā)起，AP選取其中一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始下行傳輸，然后該用戶的相應(yīng)配對(duì)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始對(duì)應(yīng)的上行傳輸，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工無(wú)線通信。但由于靜態(tài)配對(duì)方案過(guò)于理想化，在預(yù)配對(duì)后具有不確定性，在實(shí)際中很難實(shí)施。本文針對(duì)現(xiàn)有的全雙工MAC協(xié)議的不足提出了一種基于CSMA（Carrier Sense Multiple Access，載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）的動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議方案，該方案主要的技術(shù)點(diǎn)包括：1）AP發(fā)起全雙工通信的初級(jí)傳輸，用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)解析AP發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以了解是否能在此時(shí)接入信道開(kāi)始通信；2）用戶節(jié)點(diǎn)始終保持偵聽(tīng)信道，來(lái)避免隱藏終端問(wèn)題，減少發(fā)生通信沖突的可能性；3）用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送用戶特有偽隨機(jī)序列來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道，AP選取合適的用戶分配資源，以避免通信沖突。

本文組織結(jié)構(gòu)如下:第2節(jié)詳細(xì)闡述本文提出的基于CSMA的動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)方案；第3節(jié)利用仿真實(shí)驗(yàn)比較分析全雙工無(wú)線通信技術(shù)與傳統(tǒng)的半雙工無(wú)線通信，證明全雙工無(wú)線的巨大優(yōu)勢(shì)，以及本文提出方案的有效性；第4節(jié)結(jié)束語(yǔ)。

1 動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

基于上一節(jié)的分析，我們總結(jié)出全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)主要面臨著幾個(gè)主要的挑戰(zhàn)：1）如何使網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)在上傳或下載時(shí)避免通信沖突，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與有效性；2）如何區(qū)分哪些節(jié)點(diǎn)能夠采用全雙工模式進(jìn)行通信，只有有效的區(qū)分出這些節(jié)點(diǎn)，才能更加充分的利用頻譜資源實(shí)現(xiàn)全雙工無(wú)線通信；3）任何MAC協(xié)議都應(yīng)該同時(shí)支持半雙工和全雙工通信，并給所有用戶提供機(jī)會(huì)接入媒體。控制節(jié)點(diǎn)不應(yīng)該過(guò)度地偏袒全雙工無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)。正是針對(duì)以上問(wèn)題，我們提出了動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議。該協(xié)議采用典型的辦公室場(chǎng)景，通過(guò)中心控制節(jié)點(diǎn)（即接入點(diǎn)AP）與用戶節(jié)點(diǎn)間簡(jiǎn)單的交互，來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工無(wú)線通信。

1.1 系統(tǒng)模型

基于CSMA的全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)采用典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這里我們用典型的辦公室場(chǎng)景進(jìn)行模擬。我們把AP作為中心控制節(jié)點(diǎn)，所有用戶節(jié)點(diǎn)都通過(guò)無(wú)線的方式與節(jié)點(diǎn)（AP）連接，并通過(guò)AP連接到外網(wǎng)。該場(chǎng)景業(yè)務(wù)類型包括三種：上傳業(yè)務(wù)，本地用戶向AP上傳信息；下載業(yè)務(wù)，用戶從AP端下載信息；交互業(yè)務(wù)，由AP作為中繼，本地間節(jié)點(diǎn)通過(guò)AP完成相互通信。在所有的通信中，AP都要參與，擔(dān)任發(fā)送者或者接收者的角色。

如圖1所示，在辦公室的中心區(qū)域，我們?cè)O(shè)置了中心控制節(jié)點(diǎn)AP，假設(shè)該AP的發(fā)射功率足夠大，可以覆蓋辦公室區(qū)域的全部范圍。用戶節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在各辦公室區(qū)域內(nèi)，由于用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率小以及信號(hào)穿墻損耗等原因，無(wú)法保證個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都可以相互偵聽(tīng)到，存在隱藏終端的問(wèn)題。同時(shí)，該場(chǎng)景遵循上下行不同步模式，AP始終有數(shù)據(jù)需要傳輸給不同的用戶，而用戶不一定有數(shù)據(jù)需要傳輸給AP。

1.2 動(dòng)態(tài)自配對(duì)MAC協(xié)議機(jī)制

動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)主要步驟：1）由AP發(fā)起全雙工通信的初級(jí)傳輸；2）本地用戶節(jié)點(diǎn)保持信道偵聽(tīng)；3）用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)用戶特有偽隨機(jī)序列申請(qǐng)信道資源。

圖1 全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)場(chǎng)景Fig.1 The scenario of MAC protocol design in full duplex wireless communication

1）AP發(fā)起全雙工通信的初級(jí)傳輸

協(xié)議規(guī)定AP需要發(fā)起全雙工通信的初級(jí)傳輸，所有全雙工通信的初級(jí)傳輸由AP來(lái)?yè)?dān)任，以便于用戶節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)到初級(jí)傳輸后有選擇地開(kāi)始次級(jí)傳輸。同時(shí)，為了能夠給上行用戶留有足夠的上傳時(shí)間，規(guī)定AP在建立一個(gè)下行鏈路時(shí)，保持至少可以持續(xù)發(fā)送n（n≥3）個(gè)數(shù)據(jù)包給指定用戶節(jié)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)包，在AP端設(shè)置一個(gè)更大的緩存器，以便于能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)包存入到緩存器中。這里我們將AP端緩存器的深度設(shè)置為10，可以同時(shí)存放10個(gè)待發(fā)數(shù)據(jù)包。經(jīng)過(guò)調(diào)整后的數(shù)據(jù)包序列將不再是原先的先進(jìn)先出（FIFO）序列了，同一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)包盡可能排放在一起，同時(shí)兼顧考慮各個(gè)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)等因素。如果在傳輸過(guò)程中，如果這個(gè)方法還無(wú)法保證有3個(gè)以上連續(xù)的數(shù)據(jù)包等待發(fā)送，那么可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先等級(jí)退后或提前，等儲(chǔ)存滿3個(gè)數(shù)據(jù)包后再發(fā)送。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，那么采用半雙工的方式，及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2）用戶節(jié)點(diǎn)始終保持信道偵聽(tīng)

在AP始終保持?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送的前提下，用戶節(jié)點(diǎn)保持偵聽(tīng)信道信息，根據(jù)偵聽(tīng)到的內(nèi)容，找到最合適的時(shí)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)信道資源。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)1和2表示用戶節(jié)點(diǎn)1、2，節(jié)點(diǎn)3表示AP，而節(jié)點(diǎn)4是表示正準(zhǔn)備接入信道開(kāi)始通信的用戶，在這里也就是一個(gè)觀察者（observer）。

如圖2（a）所示，AP正在以半雙工模式發(fā)送數(shù)據(jù)包給用戶節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)4只偵聽(tīng)到AP給節(jié)點(diǎn)1的下行數(shù)據(jù)發(fā)送，而沒(méi)有聽(tīng)到AP發(fā)送的確認(rèn)信息。說(shuō)明當(dāng)前無(wú)上行傳輸，同時(shí)節(jié)點(diǎn)4也不會(huì)干擾到下行傳輸?shù)慕邮眨?jié)點(diǎn)4可以在這個(gè)時(shí)候發(fā)送資源申請(qǐng)信號(hào)，競(jìng)爭(zhēng)信道資源。如圖2（b）所示，節(jié)點(diǎn)4聽(tīng)到了節(jié)點(diǎn)1向AP返回的確認(rèn)信號(hào)，如果節(jié)點(diǎn)4開(kāi)始上行傳輸，將干擾到節(jié)點(diǎn)1的正常信息接收，所以此時(shí)節(jié)點(diǎn)4不能接入信道。第三種情況，如圖2（c）所示，節(jié)點(diǎn)4偵聽(tīng)到AP向用戶節(jié)點(diǎn)2返回ACK信號(hào)，說(shuō)明當(dāng)前有上行傳輸，此時(shí)節(jié)點(diǎn)4無(wú)法接入信道。同樣的情況出現(xiàn)在圖2（d）中，當(dāng)前存在上傳傳輸，節(jié)點(diǎn)4無(wú)法開(kāi)始上行傳輸。在圖2（e）所示的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)4偵聽(tīng)到的信道都無(wú)法進(jìn)行解析，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)4同時(shí)偵聽(tīng)到兩段上下行同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)4在上行傳輸發(fā)送者的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，因此節(jié)點(diǎn)4不能接入信道。如圖2（f）所示，此時(shí)節(jié)點(diǎn)4能夠偵聽(tīng)到AP正在給節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)包，信道空閑SIFS后，節(jié)點(diǎn)4偵聽(tīng)到一段無(wú)法解析的信號(hào)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)4在上行傳輸發(fā)送者的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，因此節(jié)點(diǎn)4不能接入信道。

通過(guò)將所有可能出現(xiàn)的情況全部列出來(lái)后，我們發(fā)現(xiàn)只有在其他用戶節(jié)點(diǎn)無(wú)上行傳輸且用戶節(jié)點(diǎn)互不干擾的情況下，另一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)才能夠競(jìng)爭(zhēng)信道資源，否則將導(dǎo)致通信沖突。通過(guò)不斷偵聽(tīng)信道信息，能夠有效的過(guò)濾掉一些干擾用戶接入信道，提高頻帶利用率。

3）用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)用戶特有偽隨機(jī)序列申請(qǐng)信道資源

經(jīng)過(guò)以上兩步的處理，我們屏蔽掉不合適的用戶節(jié)點(diǎn)，留下最佳的用戶節(jié)點(diǎn)在最佳時(shí)刻參與信道資源的競(jìng)爭(zhēng)，最大程度減少通信沖突。

事實(shí)上，此時(shí)傳統(tǒng)的載波偵聽(tīng)機(jī)制已經(jīng)無(wú)法實(shí)施，因?yàn)锳P始終保持發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)就算此時(shí)有用戶發(fā)出信道申請(qǐng)信號(hào)，也會(huì)被AP發(fā)送的信號(hào)所淹沒(méi)，其他用戶無(wú)法得知。所以在這一步中，我們犧牲一小段時(shí)間，專門用于用戶之間的信道競(jìng)爭(zhēng)，想要通信的用戶需要發(fā)送用戶專有的CAZAC序列，以告知AP該用戶當(dāng)前有通信請(qǐng)求。在發(fā)送CAZAC序列競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，存在一個(gè)問(wèn)題，如果有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)序列，那么這些用戶疊加的能量可能使得原本隱藏終端變得不再隱藏。所以，我們將一個(gè)包長(zhǎng)度的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間段，而這些CAZAC序列只需要占用其中一個(gè)時(shí)間段即可，這樣可以有效的避免以前問(wèn)題，同時(shí)還可以減少用戶的能量損耗。用戶發(fā)送的CAZAC序列都是用戶專有的，所以即使多個(gè)用戶在同一個(gè)時(shí)間段發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)序列，AP也能夠分辨出用戶的不同。

圖2 用戶節(jié)點(diǎn)信道偵聽(tīng)場(chǎng)景Fig.2 The scenario of Channel detection by user nodes

如圖3所示，在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，所有符合條件同時(shí)有傳輸?shù)男枨蟮挠脩艄?jié)點(diǎn)將參與信道資源競(jìng)爭(zhēng)。這些用戶將發(fā)送用戶專有偽隨機(jī)序列（一般為CAZAC序列）給AP，由于信息采用自相關(guān)序列發(fā)送，所以AP能夠分別解析出這些序列，知道有哪些用戶正在競(jìng)爭(zhēng)信道資源。AP根據(jù)用戶優(yōu)先級(jí)，待發(fā)數(shù)據(jù)包的已等待時(shí)間等信息，將信道資源分配給特定用戶，以告知該用戶開(kāi)始上行傳輸通信。如圖3中，被圓圈圈中的ACK為一個(gè)虛擬的ACK，它并不是發(fā)送確認(rèn)信息，而是用來(lái)分派信道資源的。被分配用戶收到該ACK信號(hào)后，在規(guī)定時(shí)刻開(kāi)始上行傳輸，而其他用戶則繼續(xù)等待上行信道空閑后繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)信道資源。

通過(guò)這種簡(jiǎn)單的交互，既沒(méi)有過(guò)多的信息開(kāi)銷，又能夠有效的分配信道資源，避免用戶間通信沖突。基于CSMA的動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議設(shè)計(jì)方案的增益主要來(lái)自兩個(gè)方面：全雙工無(wú)線通信得以實(shí)現(xiàn)；沒(méi)有通信沖突也不需要任何退避過(guò)程。

2 性能分析

圖3 全雙工無(wú)線信道資源分配方法Fig.3 The approach of channel resource allocation

為了能夠有效的評(píng)估全雙工無(wú)線通信技術(shù)，我們基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了所有仿真參數(shù)（表1），采用泊松分布的數(shù)據(jù)包到達(dá)模型構(gòu)建了仿真平臺(tái)。本節(jié)將從網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及信道延時(shí)兩個(gè)角度入手，把全雙工無(wú)線通信技術(shù)與傳統(tǒng)的半雙工無(wú)線通信進(jìn)行比較，證明全雙工無(wú)線的巨大優(yōu)勢(shì)，以及本文提出方案的有效性。

表1 全雙工無(wú)線通信仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 The simulation parameters in full duplex wireless communication system

圖4 數(shù)據(jù)包平時(shí)到達(dá)時(shí)間為50 ms時(shí)，兩方案的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較Fig.4 The contrast of the throughput between two strategies

如圖4所示為數(shù)據(jù)包平時(shí)到達(dá)時(shí)間為50 ms時(shí)，兩方案的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較示意圖。當(dāng)包長(zhǎng)度為5.5 Kbits時(shí)，全雙工無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)吞吐量始終保持在傳統(tǒng)半雙工通信的兩倍左右。這是因?yàn)楫?dāng)采用平均到達(dá)時(shí)間50 ms的泊松分布，包長(zhǎng)度為5.5 Kbits時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還未達(dá)到飽和狀態(tài)，全雙工無(wú)線通信優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)能夠充分的發(fā)揮出來(lái)。而當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為11 Kbits時(shí)，情況就出現(xiàn)了變化。在用戶個(gè)數(shù)小于31時(shí)，全雙工無(wú)線通信的吞吐量仍舊保持增加一倍左右。當(dāng)用戶個(gè)數(shù)超過(guò)31時(shí)，兩種方案的增長(zhǎng)速度都減緩了，那是因?yàn)楫?dāng)用戶個(gè)數(shù)超出31時(shí)，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)接近飽和。此時(shí)，傳統(tǒng)方案的通信沖突概率開(kāi)始急劇增大，而網(wǎng)絡(luò)吞吐量則開(kāi)始下降。而在改進(jìn)方案中，由于我們通過(guò)用戶間的互動(dòng)，消除了通信沖突的情況，所以改進(jìn)方案的吞吐量還保持緩慢上升。

圖5 數(shù)據(jù)包平時(shí)到達(dá)時(shí)間為50 ms時(shí)，兩方案的通信延時(shí)比較Fig.5 The contrast of the delay between two strategies

如圖5所示為數(shù)據(jù)包平時(shí)到達(dá)時(shí)間為50 ms時(shí)，兩方案的通信延時(shí)比較示意圖。顯然，無(wú)論數(shù)據(jù)包的大小，全雙工無(wú)線通信都能縮小將近一半的通信延時(shí)。而這部分的增益來(lái)源就是，全雙工通信能夠整合上下行信道，復(fù)用頻帶資源。當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為11 Kbits時(shí)，用戶個(gè)數(shù)超出31后，兩個(gè)方案的通信延時(shí)都明顯增加，其中傳統(tǒng)方案的增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。那是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)接近飽和，傳統(tǒng)方案的沖突概率不斷上升，導(dǎo)致大量時(shí)間被浪費(fèi)，而改進(jìn)方案由于不存在通信沖突，所以通信延時(shí)上升的趨勢(shì)也更為緩慢。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了全雙工無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)辦法，分析了全雙工無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用前景，指出最新的研究動(dòng)態(tài)。我們根據(jù)全雙工無(wú)線通信的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一個(gè)基于CSMA的動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)AP主動(dòng)發(fā)起下行通信、用戶持續(xù)保持信道偵聽(tīng)以及用戶間的簡(jiǎn)單交互3個(gè)主要步驟，完成全雙工無(wú)線通信的建立。該方法能夠很大程度上增大全雙工無(wú)線通信的建立幾率，并能充分復(fù)用信道資源，提升頻帶利用率。同時(shí)，我們做了大量仿真，并通過(guò)與現(xiàn)有方法的對(duì)比，證明了基于CSMA的動(dòng)態(tài)自配對(duì)全雙工無(wú)線通信MAC協(xié)議的優(yōu)越性。

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