一種基于全雙工的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與性能分析

莫紅枝

（玉林師范學(xué)院教育技術(shù)中心 玉林 537000）

1 引言

目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要采用半雙工（half duplex,HD）無(wú)線電設(shè)備。因?yàn)榘腚p工無(wú)線電需要使用不同的頻率信道才能實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的同時(shí)收發(fā)，導(dǎo)致無(wú)線頻率資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[1]。全雙工（full duplex，F(xiàn)D）通信憑借可以在一個(gè)頻率信道上同時(shí)收發(fā)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，從本質(zhì)上解決了半雙工通信存在的資源浪費(fèi)問(wèn)題[2～3]。

為了充分利用全雙工系統(tǒng)的頻率資源優(yōu)勢(shì)，半雙工無(wú)線電MAC協(xié)議已經(jīng)不適用于全雙工系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)專門的全雙工MAC協(xié)議。目前，參考文獻(xiàn)[4]提出了基于CSMA/CA的全雙工MAC協(xié)議Contraflow，由于Contraflow沒(méi)有預(yù)約信道，因此在沒(méi)有次級(jí)分組傳輸時(shí)通過(guò)發(fā)送忙音信號(hào)來(lái)避免隱藏終端問(wèn)題，但這會(huì)造成能量浪費(fèi)。參考文獻(xiàn)[5]提出了一種基于IEEE 802.15.4的單信道全雙工MAC協(xié)議，協(xié)議設(shè)計(jì)了全雙工幀結(jié)構(gòu)，它能夠根據(jù)負(fù)載數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)設(shè)置全雙工通信時(shí)長(zhǎng)，以提高全雙工網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

本文提出了一種新的全雙工MAC（full-duplex MAC，F(xiàn)D-MAC）協(xié)議，并分析了基于FD-MAC協(xié)議的全雙工通信網(wǎng)絡(luò)性能。對(duì)于全雙工通信，由于發(fā)射功率影響自干擾和傳輸速率，因此發(fā)射功率控制成為網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的重要因素。本文最后綜合考慮物理層和MAC層開(kāi)銷，對(duì)比分析了基于FD-MAC全雙工網(wǎng)絡(luò)、基于Contraflow的全雙工網(wǎng)絡(luò)、半雙工 2×2 MIMO網(wǎng)絡(luò)、1×1 SISO等系統(tǒng)的帶寬、能量性能。仿真對(duì)比分析驗(yàn)證了FD-MAC協(xié)議的有效性和優(yōu)越性能。

2 全雙工無(wú)線電臺(tái)模型

本文給出了一種新的全雙工無(wú)線電模型，作為FD-MAC的研究基礎(chǔ)。該模型有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)參與了全雙工通信，一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)初始化全雙工通信，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為次節(jié)點(diǎn)。假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)均有兩根天線并使用相同的發(fā)射功率，分別在同一頻率信道上同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，進(jìn)而帶來(lái)接收天線的自干擾問(wèn)題。由于收發(fā)天線很近，自干擾信號(hào)功率強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)。由于節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)對(duì)于節(jié)點(diǎn)本身是已知的，因此利用它來(lái)消除自干擾。假設(shè)本文使用參考文獻(xiàn)[6]提出的RF端自干擾消除數(shù)字消除技術(shù)，但其自干擾抵消能力并不理想。設(shè)K表示自干擾和發(fā)送信號(hào)功率的比值，其中待消除自干擾信號(hào)包括天線之間的損耗、平衡干擾消除和數(shù)字干擾消除的值。設(shè)信道為具有獨(dú)立路徑損耗的IID瑞利衰落信道，則全雙工通信的平均接收信干噪比 （signal interference noise ratio，SINR）[7]是:

其中，Et是發(fā)送信號(hào)能量，d是源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，α是路徑損耗指數(shù)，當(dāng)W為接收機(jī)端的噪聲信號(hào)帶寬時(shí)，N0W表示噪聲功率。當(dāng)沒(méi)有次級(jí)分組傳輸時(shí)，平均接收信噪比（signal noise ratio，SNR）和半雙工系統(tǒng)[8]相同，表示為:

其中，Pt指信號(hào)發(fā)射功率。假設(shè)無(wú)線通信能夠獲得信道容量，IID瑞利衰落信道具有獨(dú)立距離路徑損耗，具有信道互易性。同時(shí)假設(shè)主傳輸和次級(jí)傳輸?shù)男诺浪ヂ浞植己桶l(fā)射功率相同?？偹俾蕿?

其中，h指瑞利衰落，Cfull指單信道傳輸速率，單位為bit/s。假設(shè)信道具有互易性，每個(gè)分組傳輸?shù)乃俾士蛇_(dá)到Cfull/2。

作為對(duì)比，半雙工1×1 SISO和半雙工2×2 MIMO系統(tǒng)的容量分別為:

考慮能量消耗，本文采用了功率消耗模型，其中包括RF前端、基帶處理器和MAC處理器的功率消耗。在發(fā)射機(jī)端，RF前端包括功率放大器、濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃鳌；鶐幚砥骱蚆AC處理器在處理分組傳輸時(shí)會(huì)消耗功率。接收機(jī)端包括具有低噪聲放大器的RF前端、基帶處理器和MAC處理器[9]。為了建模發(fā)射機(jī)端的RF前端，假設(shè)RF前端有效率因子η、發(fā)射功率為Pt的信號(hào)，RF前端消耗Pt/η。對(duì)于基帶和MAC處理信號(hào)，設(shè)消耗能量Pproc。因此，傳輸消耗的總功率為:

對(duì)于接收機(jī)端，設(shè)RF前端消耗固定大小功率PRF,rx，而信號(hào)處理過(guò)程消耗能量和發(fā)射機(jī)端相同為Pproc。因此，接收端總功率消耗為:

3 FD-MAC協(xié)議

FD-MAC協(xié)議以IEEE 802.11 RTS/CTS協(xié)議[10]為基礎(chǔ)，能夠和IEEE 802.11協(xié)議相兼容，而且能夠充分利用全雙工無(wú)線的優(yōu)勢(shì)。圖1是FD-MAC協(xié)議中分組傳輸?shù)闹饕^(guò)程。

圖1 FD-MAC分組交換過(guò)程

如圖1所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送大量數(shù)據(jù)分組給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)的RTS/CTS協(xié)議。源節(jié)點(diǎn)每隔固定的時(shí)間間隔偵聽(tīng)信道，此間隔稱為分布式幀間距（distributed inter frame space，DIFS）。當(dāng)信道在 DIFS 間隔內(nèi)空閑，源節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟隨機(jī)退避計(jì)數(shù)器，退避計(jì)數(shù)器的尺寸大小根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)窗口隨機(jī)選取。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器終止，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS分組。一旦接收到RTS分組，目的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)返回CTS分組。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)收到RTS或CTS分組，延遲分組發(fā)送直至當(dāng)前分組傳輸結(jié)束。圖2給出了源目的節(jié)點(diǎn)分組傳輸時(shí)的預(yù)約區(qū)域。

圖2 FD-MAC信道預(yù)約區(qū)域

當(dāng)RTS/CTS交換完畢后，數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，稱為主分組傳輸；在主分組傳輸過(guò)程中，接收機(jī)可以同時(shí)傳輸分組給發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)，稱為次級(jí)分組傳輸。因?yàn)樵谠垂?jié)點(diǎn)給目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的過(guò)程中信道被預(yù)留給主分組傳輸，次級(jí)分組傳輸不需要通過(guò)額外的RTS/CTS分組來(lái)預(yù)約信道。即使次級(jí)分組結(jié)束早于主分組傳輸，在主分組傳輸結(jié)束時(shí)主發(fā)射機(jī)和次發(fā)射機(jī)仍均同時(shí)發(fā)送ACK確認(rèn)分組。為了提高控制分組傳輸?shù)慕獯a效率，本文使用固定傳輸速率RMAC發(fā)送控制分組。當(dāng)不同節(jié)點(diǎn)的RTS分組發(fā)生沖突時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)不能夠正確解碼RTS分組。

4 網(wǎng)絡(luò)性能

聯(lián)合考慮物理層和MAC層，從帶寬利用效率和能量利用效率等性能標(biāo)準(zhǔn)分析了全雙工通信系統(tǒng)性能。

4.1 帶寬利用效率

為計(jì)算帶寬效率，首先計(jì)算分組傳輸總時(shí)延。時(shí)延包括MAC層運(yùn)行時(shí)占用的時(shí)間。假設(shè)分組傳輸能夠獲得信道容量。因此，數(shù)據(jù)分組傳輸速率隨發(fā)射功率變化。數(shù)據(jù)分組時(shí)延為:

其中，M指包括分組頭和分組負(fù)載的分組大小。因?yàn)镾full是全雙工通信系統(tǒng)兩路分組傳輸?shù)目偹俾?，每路分組傳輸分組在信道具有互易性時(shí)速率為Sfull/2。為了計(jì)算MAC層運(yùn)算時(shí)延，假設(shè)物理層速率固定且競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)變[11]。但是，物理層的傳輸速率受發(fā)射功率和信道狀態(tài)影響。假設(shè)節(jié)點(diǎn)均勻分布，通過(guò)改變發(fā)射功率，信道接入的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目也會(huì)發(fā)生變化。因此，物理層和MAC層性能受發(fā)射功率影響。設(shè)接收信號(hào)功率大于某門限Pth，則此節(jié)點(diǎn)位于接收范圍內(nèi)。當(dāng)路徑損耗指數(shù)是α?xí)r，接收信號(hào)范圍為:

進(jìn)而競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為:

圖2給出競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)范圍和節(jié)點(diǎn)分布示意。對(duì)于全雙工通信系統(tǒng)，由于發(fā)射功率影響物理層傳輸速率、MAC層時(shí)延和自干擾，因此至關(guān)重要。發(fā)射功率影響物理層和MAC層，需要跨層優(yōu)化以對(duì)整體系統(tǒng)性能尋優(yōu)。MAC層時(shí)延計(jì)算表達(dá)式為:

其中，E[X]指源節(jié)點(diǎn)的平均退避次數(shù)，E[L]指退避計(jì)算器一次退避所占用的時(shí)間，δ指?jìng)鞑r(shí)延。傳輸控制分組RTS/ATS/ACK所占用的時(shí)間分別為 TRTS、TCTS和 TACK。TSIFS指控制分組傳輸間隔的短幀間間隔 （short inter frame space，SIFS），TDIFS指分布式幀間距。分析 E[X]和 E[L]可使用馬爾可夫鏈模型，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12,13]。吞吐量計(jì)算如下:

其中，I指交換的信息比特總數(shù)目，D指主分組的信息比特?cái)?shù)目。吞吐量分析只考慮不包括分組頭的數(shù)據(jù)部分。ξ表示次級(jí)分組和主分組信息比特?cái)?shù)目比值。當(dāng)主分組大小等于次分組時(shí)，有ξ=1。

4.2 能量利用效率

發(fā)送和接收分組均要消耗能量。控制分組的發(fā)送和接收在MAC層的運(yùn)行過(guò)程也需要消耗能量。當(dāng)MAC協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道，也需要消耗能量[14]。因此，本文考慮發(fā)送、接收和偵聽(tīng)所消耗的總能量。分組傳輸?shù)哪芰肯目珊?jiǎn)單認(rèn)為是分組傳輸功率消耗和分組傳輸時(shí)長(zhǎng)的乘積。數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯谋硎緸?

MAC層運(yùn)行的能量消耗可分為兩部分:偵聽(tīng)信道的能量消耗Elis和信道預(yù)約能量消耗Eresv。設(shè)某時(shí)隙周期內(nèi)有分組正在傳輸?shù)母怕蕿閜tr，因此FD-MAC協(xié)議偵聽(tīng)信道的能量消耗為:

其中，σ是時(shí)隙周期，ptrPrxTRTSE[X]表示其他節(jié)點(diǎn)間有分組傳輸?shù)那闆r，(1-ptr)PrxσE[X]表示其他節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有分組傳輸?shù)那闆r?？偰芰肯闹钢鞴?jié)點(diǎn)和次級(jí)節(jié)點(diǎn)的能量消耗之和。

信道預(yù)約的能量消耗為:

當(dāng)比較不同的傳輸方案時(shí)，使用每比特能量消耗作為性能標(biāo)準(zhǔn)，表示為:

其中，I指通信方案?jìng)鬏數(shù)谋忍財(cái)?shù)目。

5 仿真結(jié)果與分析

使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET 14.5和MATLAB對(duì)基于FD-MAC的全雙工網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)對(duì)照網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)照方案分別選擇半雙工2×2 MIMO[15]網(wǎng)絡(luò)、基于Contraflow的全雙工網(wǎng)絡(luò)、半雙工1×1 SISO網(wǎng)絡(luò)。主要參數(shù)設(shè)置有:節(jié)點(diǎn)密度為ρ=0.00001節(jié)點(diǎn)/m2，兩節(jié)點(diǎn)間距為100 m，信號(hào)頻率為 2.4 GHz，信號(hào)帶寬為 10 Mbit/s，分組大小為2000 byte，路徑損耗指數(shù) α=4，比率 ξ為1。

全雙工系統(tǒng)分組傳輸總時(shí)延為:

其中，M是分組大小。而半雙工系統(tǒng)總時(shí)延為:

其中，S是物理層的傳輸速率?；贑ontraflow MAC協(xié)議的全雙工系統(tǒng)的總時(shí)延為:

其中，D′MAC指 Contraflow MAC層運(yùn)行時(shí)延，由于Contraflow使用的CSMA/CA協(xié)議不要求傳輸RTS/CTS控制分組傳輸，表示為:圖3給出了FD-MAC和傳統(tǒng)方案隨發(fā)射功率變化的吞吐量仿真結(jié)果。

圖3 不同系統(tǒng)的吞吐量隨發(fā)射功率變化的仿真結(jié)果

盡管FD-MAC協(xié)議的吞吐量不如Contraflow協(xié)議，但吞吐量差距很小。這主要由于FD-MAC需要額外的控制分組，RTS/CTS分組開(kāi)銷占用了一定的吞吐量?？梢缘弥p工系統(tǒng)比半雙工系統(tǒng)有更加顯著的吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)槿p工通信系統(tǒng)只需要一個(gè)信道就能夠完成雙向數(shù)據(jù)分組傳輸，而半雙工系統(tǒng)則需要兩個(gè)信道。當(dāng)分組傳輸發(fā)生沖突時(shí)，Contraflow協(xié)議會(huì)由于丟棄的傳輸分組造成資源浪費(fèi)，不過(guò)由于分組傳輸速率大于MAC控制分組傳輸速率，進(jìn)而產(chǎn)生較高的吞吐量性能。再者，據(jù)圖3可知，系統(tǒng)具有最大吞吐量時(shí)的發(fā)射功率既不是最大發(fā)射功率也不是最小發(fā)射功率。當(dāng)同時(shí)考慮物理層和MAC層時(shí)，發(fā)射功率低則分組傳輸速率低，發(fā)射功率高則會(huì)造成MAC競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷和干擾增加。當(dāng)系統(tǒng)取最優(yōu)的發(fā)射功率時(shí)，物理層和MAC層性能平衡時(shí)，系統(tǒng)才能獲得最大吞吐量。

接下來(lái)分析FD-MAC協(xié)議的能量消耗性能。由于半雙工系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和信道預(yù)約不同于FD-MAC，因此其數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯臑?

半雙工系統(tǒng)的信道預(yù)約能量消耗表達(dá)式為:

基于Contraflow MAC協(xié)議的全雙工系統(tǒng)，偵聽(tīng)信道的能量消耗為:

由于Contraflow協(xié)議不預(yù)約信道，因此沒(méi)有信道預(yù)約能量消耗，只有ACK分組傳輸消耗的能量，表示為:

考慮由沖突引起的分組重傳，故有數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯臑?

圖4給出了不同系統(tǒng)隨發(fā)射功率變化的能量消耗仿真對(duì)比結(jié)果。

圖4 不同系統(tǒng)的能量消耗隨發(fā)射功率變化的仿真結(jié)果

據(jù)圖4可知，F(xiàn)D-MAC協(xié)議和半雙工2×2 MIMO網(wǎng)絡(luò)具有最小的能量消耗，其中在低發(fā)射功率條件下2×2 FD-MAC有更小的能量消耗，而在高發(fā)射功率條件下MIMO有更小的能量消耗，但兩者能量消耗差異微小。在低發(fā)射功率條件下，F(xiàn)D-MAC有更好的能量消耗性能，這與其他協(xié)議比較起來(lái)具有更小的MAC開(kāi)銷，反之在高發(fā)射功率條件下，2×2 MIMO能量消耗性能更優(yōu)，因?yàn)槠湓诟甙l(fā)射功率條件下有比全雙工通信更高的吞吐量性能。而Contraflow協(xié)議性能最差，因?yàn)槿绻袥_突發(fā)生，需要重新傳輸雙向數(shù)據(jù)分組，而且當(dāng)次級(jí)分組比主分組小時(shí)會(huì)消耗額外的忙音信號(hào)能量。而且可以得知，最小能量消耗所需要的發(fā)射功率對(duì)所有通信系統(tǒng)均不是最小或最大。在低發(fā)射功率水平，功率消耗減小但是功率消耗所持續(xù)的時(shí)間增加也會(huì)導(dǎo)致能量消耗增加。而高發(fā)射功率水平，分組傳輸周期減小但是功率消耗增加。而且MAC層運(yùn)行的能量消耗隨發(fā)射功率增加。因此，在設(shè)計(jì)最優(yōu)能量消耗網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要通過(guò)數(shù)值評(píng)估來(lái)選擇最優(yōu)的發(fā)射功率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了兼顧物理層和MAC層的全雙工無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬效率和能量利用效率問(wèn)題，并提出了一種全雙工系統(tǒng)框架來(lái)分析通信網(wǎng)絡(luò)性能?；谌p工系統(tǒng)模型，提出了FD-MAC全雙工MAC協(xié)議。和現(xiàn)有半雙工系統(tǒng)、基于傳統(tǒng)MAC協(xié)議的全雙工系統(tǒng)性能比較，F(xiàn)D-MAC能夠在更低能量消耗的條件下獲得極具競(jìng)爭(zhēng)力的吞吐量性能，具有很好的參考價(jià)值。

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