一種低功耗的分布式無線網(wǎng)絡MAC協(xié)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(yè)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(tǒng)系， 弗吉尼亞州 布萊克斯堡 24061)

一種低功耗的分布式無線網(wǎng)絡MAC協(xié)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(yè)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(tǒng)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(wǎng)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(xié)議.不同于傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，該MAC協(xié)議通過降低數(shù)據(jù)包以及確認包的傳輸功率來實現(xiàn)能量有效性.提出的MAC協(xié)議支持雙向以及單向兩種鏈路，并保持對傳統(tǒng)半雙工節(jié)點具有向后兼容性，實現(xiàn)了較高的吞吐量.通過基于隨機幾何的方法對提出的MAC協(xié)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(wǎng)絡可行的一種解決方案.

全雙工； MAC協(xié)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(xié)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(wǎng)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(wǎng)絡MAC協(xié)議.在文獻[3]中介紹了專門為雙向鏈路設計的全雙工MAC協(xié)議；文獻[4]中介紹了ContraFlow MAC協(xié)議，該傳輸協(xié)議即使無數(shù)據(jù)需要傳輸，ContraFlow的主要接收器也會發(fā)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(xié)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(xié)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(xié)議無法向后兼容傳統(tǒng)半雙工(HD)節(jié)點；文獻[6]介紹了用于單向鏈路的MAC協(xié)議，無需使用忙音就能夠解決隱藏節(jié)點的問題.

上述提及的MAC協(xié)議均基于載波偵聽多路訪問(CSMA)，當前協(xié)議很少考慮能量有效性，所有MAC協(xié)議將傳輸功率用于控制包和數(shù)據(jù)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(huán)境的特性.本文提出的協(xié)議主要通過降低數(shù)據(jù)包以及確認包的傳輸功率來實現(xiàn)能量有效性，另外，提出的MAC協(xié)議支持雙向鏈路以及單向鏈路，并維持對半雙工節(jié)點的向后兼容性，最終利用全雙工實現(xiàn)了較高的吞吐量，同時解決隱藏節(jié)點的問題.通過基于隨機幾何方法對本文提出的協(xié)議進行了分析，以便對其性能做出準確評估.

1 系統(tǒng)模型

本文使用由全雙工節(jié)點以及半雙工節(jié)點組成的泊松分布式無線網(wǎng)絡，在全雙工操作方面，采用文獻[7]的PHY層模型，每個節(jié)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(jié)點至B節(jié)點，第二次傳輸由B節(jié)點至A節(jié)點，首次傳輸和第二次傳輸可同時進行，這種情況下兩個節(jié)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(jié)點至B節(jié)點，第二次傳輸由B節(jié)點至C節(jié)點，在這種情況下只有B節(jié)點會遭受自干擾[7-8].

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

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

2 提出的全雙工MAC協(xié)議

在底層系統(tǒng)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(tǒng)的半雙工通信.鑒于數(shù)據(jù)需從A節(jié)點傳輸至B節(jié)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(fā)送向B節(jié)點的發(fā)送請求(RTS)數(shù)據(jù)包，以便獲取通道并讓其它節(jié)點知道正在進行傳輸.

2.1 全雙工雙向通信

如果A節(jié)點和B節(jié)點之間進行全雙工雙向通信，B節(jié)點接收到A節(jié)點發(fā)送的RTS數(shù)據(jù)包之后，會再向A節(jié)點發(fā)送全雙工，清除發(fā)送數(shù)據(jù)包之前等待短幀間隔(SIFS).全雙工-CTS數(shù)據(jù)包包括源地址和目標地址以及首次傳輸和第二次傳輸?shù)膫鬏敃r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(jié)點也會計算出Pmin，即數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)點同步.B節(jié)點接收到A節(jié)點傳送的全雙工-CTS之后，在Pmin條件下開始傳輸數(shù)據(jù)，功率會周期性地從Pmin增加至Pmax，所以偵聽區(qū)域的節(jié)點無法破譯傳輸，但是能夠檢測出傳輸，且兩個連續(xù)功率增長間隔時間必須小于EIFS時間.根據(jù)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(jù)IEEE 802.11標準規(guī)定將EIFS設置為364 μs，每隔340 μs提出的MAC協(xié)議節(jié)點會在最大功率條件下進行傳輸，持續(xù)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?shù)某掷m(xù)時間，A節(jié)點和B節(jié)點發(fā)送了確認字符(ACK)之后，傳輸會持續(xù)較長的時間.協(xié)議操作本質上能夠致使SIFS持續(xù)時間不同，協(xié)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(guī)定的DCF幀間間隔).

圖2 MAC協(xié)議雙向傳輸示意圖Fig.2 Example of bidirectional transmission in MAC protocol

圖3 MAC協(xié)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(shù)據(jù)包需要從B節(jié)點發(fā)送至C節(jié)點，則B節(jié)點需根據(jù)從A節(jié)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(fā)送至A節(jié)點和C節(jié)點.在數(shù)據(jù)傳輸開始前，A節(jié)點先計算出Pmin，然后等待2SIFS發(fā)送全雙工-CTS.如果C節(jié)點接收到B節(jié)點發(fā)送的全雙工-CTS，則需在全雙工-CTS發(fā)送到B節(jié)點之前先計算出Pmin，之后B節(jié)點根據(jù)從C節(jié)點得到的接收功率計算出Pmin，然后將其與之前(從A節(jié)點獲得)計算的Pmin進行比較.B節(jié)點會使用較大的Pmin，以便維持首次傳輸與第二次傳輸?shù)倪B接.在Pmin條件下數(shù)據(jù)傳輸會在首次傳輸或者第二次傳輸時持續(xù)較長時間，功率會周期性地從Pmin增加至Pmax.數(shù)據(jù)傳輸完成之后，C節(jié)點會將ACK發(fā)送至B節(jié)點，然后B節(jié)點再將ACK發(fā)送至A節(jié)點.

2.3 半雙工通信

維持對傳統(tǒng)半雙工節(jié)點的向后兼容性十分重要，如果B節(jié)點是半雙工節(jié)點或者無數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，就會等待SIFS，然后將正常CTS發(fā)送至A節(jié)點.根據(jù)標準802.11 DCF協(xié)議[9-11]繼續(xù)進行半雙工通信.

2.4 隱藏節(jié)點問題的解決

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

3 協(xié)議性能分析

3.1 空間吞吐量分析

根據(jù)齊次泊松點方程Φ以及強度參數(shù)λ，假設節(jié)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(jié)點競爭區(qū)域內其他所有傳輸節(jié)點的累積干擾，則A節(jié)點能夠準確接收并破譯從B節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(jié)點未檢測出其他標記較小節(jié)點的活動，則進行傳輸，x鄰近節(jié)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(jù)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(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離；n為鄰近節(jié)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(qū)域內接收節(jié)點與鄰近節(jié)點間距離的概率密度函數(shù).

根據(jù)文獻[11]中隨機網(wǎng)絡分析可知，成功傳輸?shù)母怕蕿?/p>

(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(jié)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(jié)點對之間的路徑損耗分量；B為貝塔函數(shù)；Γ函數(shù)可表示為

(7)

式中，Θ為高斯超幾何函數(shù).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(jié)點的全雙工效率[6]，即有效接收包凈負載與發(fā)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(shù)；κ∈[0，1]為自干擾消除系數(shù).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(jié)點的全雙工效率，原因在于兩個節(jié)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(jié)點的效率，故有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包負載；δFT和δST分別為首次傳輸和第二次傳輸時的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)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(xù)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(jié)點的面積為1 500m2，并且節(jié)點密度會發(fā)生改變，此外，RTS數(shù)據(jù)包、全雙工-CTS數(shù)據(jù)包、CTS數(shù)據(jù)包、ACK數(shù)據(jù)包、PHY頭幀數(shù)據(jù)包、MAC標頭數(shù)據(jù)包以及負載數(shù)據(jù)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(xié)議[9]和文獻[6]中的RTSFCTS協(xié)議進行了比較.

圖4為不同協(xié)議的能量消耗比較結果，可以觀察到能量消耗隨著網(wǎng)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(xié)議相比，提出改進MAC協(xié)議的平均能量消耗降低了約44.8%，提出的改進MAC協(xié)議功耗明顯低于傳統(tǒng)MAC協(xié)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(shù)據(jù)傳輸期間，功率會不斷增加.

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

圖5為不同協(xié)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(xié)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(wǎng)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(wǎng)絡飽和的原因，吞吐量增加趨勢開始下降.

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

在全雙工網(wǎng)絡中，吞吐量變化也取決于全雙工效率，不同協(xié)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(tǒng)水平.

圖6 全雙工效率變化時不同協(xié)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(wǎng)絡MAC協(xié)議進行了改進，提出了一種適用于分布式無線網(wǎng)絡的低功耗MAC協(xié)議.提出的MAC協(xié)議支持雙向鏈路以及單向鏈路，并維持對半雙工節(jié)點的向后兼容性，最終利用全雙工實現(xiàn)了較高的吞吐量，同時解決隱藏節(jié)點問題.在未減少總有效吞吐量的情況下，提出的MAC協(xié)議獲得了較高的能量效率，性能評估結果證明了提出MAC協(xié)議的優(yōu)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(chuàng)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(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)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