一种基于全双工的无线网络MAC协议设计与性能分析

莫红枝

（玉林师范学院教育技术中心 玉林 537000）

1 引言

目前无线网络主要采用半双工（half duplex,HD）无线电设备。因为半双工无线电需要使用不同的频率信道才能实现无线信号的同时收发，导致无线频率资源的严重浪费[1]。全双工（full duplex，FD）通信凭借可以在一个频率信道上同时收发信号的优势，从本质上解决了半双工通信存在的资源浪费问题[2～3]。

为了充分利用全双工系统的频率资源优势，半双工无线电MAC协议已经不适用于全双工系统，需要设计专门的全双工MAC协议。目前，参考文献[4]提出了基于CSMA/CA的全双工MAC协议Contraflow，由于Contraflow没有预约信道，因此在没有次级分组传输时通过发送忙音信号来避免隐藏终端问题，但这会造成能量浪费。参考文献[5]提出了一种基于IEEE 802.15.4的单信道全双工MAC协议，协议设计了全双工帧结构，它能够根据负载数据流动态设置全双工通信时长，以提高全双工网络吞吐量。

本文提出了一种新的全双工MAC（full-duplex MAC，FD-MAC）协议，并分析了基于FD-MAC协议的全双工通信网络性能。对于全双工通信，由于发射功率影响自干扰和传输速率，因此发射功率控制成为网络性能优化的重要因素。本文最后综合考虑物理层和MAC层开销，对比分析了基于FD-MAC全双工网络、基于Contraflow的全双工网络、半双工 2×2 MIMO网络、1×1 SISO等系统的带宽、能量性能。仿真对比分析验证了FD-MAC协议的有效性和优越性能。

2 全双工无线电台模型

本文给出了一种新的全双工无线电模型，作为FD-MAC的研究基础。该模型有两个节点参与了全双工通信，一个节点作为主节点初始化全双工通信，另一个节点作为次节点。假设两节点均有两根天线并使用相同的发射功率，分别在同一频率信道上同时发送和接收信号，进而带来接收天线的自干扰问题。由于收发天线很近，自干扰信号功率强度远远大于来自其他节点的发送信号。由于节点发送的信号对于节点本身是已知的，因此利用它来消除自干扰。假设本文使用参考文献[6]提出的RF端自干扰消除数字消除技术，但其自干扰抵消能力并不理想。设K表示自干扰和发送信号功率的比值，其中待消除自干扰信号包括天线之间的损耗、平衡干扰消除和数字干扰消除的值。设信道为具有独立路径损耗的IID瑞利衰落信道，则全双工通信的平均接收信干噪比 （signal interference noise ratio，SINR）[7]是:

其中，Et是发送信号能量，d是源节点和目的节点之间的距离，α是路径损耗指数，当W为接收机端的噪声信号带宽时，N0W表示噪声功率。当没有次级分组传输时，平均接收信噪比（signal noise ratio，SNR）和半双工系统[8]相同，表示为:

其中，Pt指信号发射功率。假设无线通信能够获得信道容量，IID瑞利衰落信道具有独立距离路径损耗，具有信道互易性。同时假设主传输和次级传输的信道衰落分布和发射功率相同。总速率为:

其中，h指瑞利衰落，Cfull指单信道传输速率，单位为bit/s。假设信道具有互易性，每个分组传输的速率可达到Cfull/2。

作为对比，半双工1×1 SISO和半双工2×2 MIMO系统的容量分别为:

考虑能量消耗，本文采用了功率消耗模型，其中包括RF前端、基带处理器和MAC处理器的功率消耗。在发射机端，RF前端包括功率放大器、滤波器和可变增益放大器。基带处理器和MAC处理器在处理分组传输时会消耗功率。接收机端包括具有低噪声放大器的RF前端、基带处理器和MAC处理器[9]。为了建模发射机端的RF前端，假设RF前端有效率因子η、发射功率为Pt的信号，RF前端消耗Pt/η。对于基带和MAC处理信号，设消耗能量Pproc。因此，传输消耗的总功率为:

对于接收机端，设RF前端消耗固定大小功率PRF,rx，而信号处理过程消耗能量和发射机端相同为Pproc。因此，接收端总功率消耗为:

3 FD-MAC协议

FD-MAC协议以IEEE 802.11 RTS/CTS协议[10]为基础，能够和IEEE 802.11协议相兼容，而且能够充分利用全双工无线的优势。图1是FD-MAC协议中分组传输的主要过程。

图1 FD-MAC分组交换过程

如图1所示，当源节点将要发送大量数据分组给目的节点时，源节点使用标准的RTS/CTS协议。源节点每隔固定的时间间隔侦听信道，此间隔称为分布式帧间距（distributed inter frame space，DIFS）。当信道在 DIFS 间隔内空闲，源节点开启随机退避计数器，退避计数器的尺寸大小根据竞争窗口随机选取。当退避计数器终止，源节点向目的节点发送RTS分组。一旦接收到RTS分组，目的节点向源节点返回CTS分组。当网络中其他节点收到RTS或CTS分组，延迟分组发送直至当前分组传输结束。图2给出了源目的节点分组传输时的预约区域。

图2 FD-MAC信道预约区域

当RTS/CTS交换完毕后，数据分组从源节点传输到目的节点，称为主分组传输；在主分组传输过程中，接收机可以同时传输分组给发射机节点，称为次级分组传输。因为在源节点给目的节点发送分组的过程中信道被预留给主分组传输，次级分组传输不需要通过额外的RTS/CTS分组来预约信道。即使次级分组结束早于主分组传输，在主分组传输结束时主发射机和次发射机仍均同时发送ACK确认分组。为了提高控制分组传输的解码效率，本文使用固定传输速率RMAC发送控制分组。当不同节点的RTS分组发生冲突时，目的节点不能够正确解码RTS分组。

4 网络性能

联合考虑物理层和MAC层，从带宽利用效率和能量利用效率等性能标准分析了全双工通信系统性能。

4.1 带宽利用效率

为计算带宽效率，首先计算分组传输总时延。时延包括MAC层运行时占用的时间。假设分组传输能够获得信道容量。因此，数据分组传输速率随发射功率变化。数据分组时延为:

其中，M指包括分组头和分组负载的分组大小。因为Sfull是全双工通信系统两路分组传输的总速率，每路分组传输分组在信道具有互易性时速率为Sfull/2。为了计算MAC层运算时延，假设物理层速率固定且竞争节点数目时变[11]。但是，物理层的传输速率受发射功率和信道状态影响。假设节点均匀分布，通过改变发射功率，信道接入的竞争节点数目也会发生变化。因此，物理层和MAC层性能受发射功率影响。设接收信号功率大于某门限Pth，则此节点位于接收范围内。当路径损耗指数是α时，接收信号范围为:

进而竞争节点数目为:

图2给出竞争节点范围和节点分布示意。对于全双工通信系统，由于发射功率影响物理层传输速率、MAC层时延和自干扰，因此至关重要。发射功率影响物理层和MAC层，需要跨层优化以对整体系统性能寻优。MAC层时延计算表达式为:

其中，E[X]指源节点的平均退避次数，E[L]指退避计算器一次退避所占用的时间，δ指传播时延。传输控制分组RTS/ATS/ACK所占用的时间分别为 TRTS、TCTS和 TACK。TSIFS指控制分组传输间隔的短帧间间隔 （short inter frame space，SIFS），TDIFS指分布式帧间距。分析 E[X]和 E[L]可使用马尔可夫链模型，见参考文献[12,13]。吞吐量计算如下:

其中，I指交换的信息比特总数目，D指主分组的信息比特数目。吞吐量分析只考虑不包括分组头的数据部分。ξ表示次级分组和主分组信息比特数目比值。当主分组大小等于次分组时，有ξ=1。

4.2 能量利用效率

发送和接收分组均要消耗能量。控制分组的发送和接收在MAC层的运行过程也需要消耗能量。当MAC协议要求节点侦听信道，也需要消耗能量[14]。因此，本文考虑发送、接收和侦听所消耗的总能量。分组传输的能量消耗可简单认为是分组传输功率消耗和分组传输时长的乘积。数据分组传输的能量消耗表示为:

MAC层运行的能量消耗可分为两部分:侦听信道的能量消耗Elis和信道预约能量消耗Eresv。设某时隙周期内有分组正在传输的概率为ptr，因此FD-MAC协议侦听信道的能量消耗为:

其中，σ是时隙周期，ptrPrxTRTSE[X]表示其他节点间有分组传输的情况，(1-ptr)PrxσE[X]表示其他节点间没有分组传输的情况。总能量消耗指主节点和次级节点的能量消耗之和。

信道预约的能量消耗为:

当比较不同的传输方案时，使用每比特能量消耗作为性能标准，表示为:

其中，I指通信方案传输的比特数目。

5 仿真结果与分析

使用网络仿真软件OPNET 14.5和MATLAB对基于FD-MAC的全双工网络和相关对照网络进行了仿真分析，对照方案分别选择半双工2×2 MIMO[15]网络、基于Contraflow的全双工网络、半双工1×1 SISO网络。主要参数设置有:节点密度为ρ=0.00001节点/m2，两节点间距为100 m，信号频率为 2.4 GHz，信号带宽为 10 Mbit/s，分组大小为2000 byte，路径损耗指数 α=4，比率 ξ为1。

全双工系统分组传输总时延为:

其中，M是分组大小。而半双工系统总时延为:

其中，S是物理层的传输速率。基于Contraflow MAC协议的全双工系统的总时延为:

其中，D′MAC指 Contraflow MAC层运行时延，由于Contraflow使用的CSMA/CA协议不要求传输RTS/CTS控制分组传输，表示为:图3给出了FD-MAC和传统方案随发射功率变化的吞吐量仿真结果。

图3 不同系统的吞吐量随发射功率变化的仿真结果

尽管FD-MAC协议的吞吐量不如Contraflow协议，但吞吐量差距很小。这主要由于FD-MAC需要额外的控制分组，RTS/CTS分组开销占用了一定的吞吐量。可以得知，全双工系统比半双工系统有更加显著的吞吐量优势，因为全双工通信系统只需要一个信道就能够完成双向数据分组传输，而半双工系统则需要两个信道。当分组传输发生冲突时，Contraflow协议会由于丢弃的传输分组造成资源浪费，不过由于分组传输速率大于MAC控制分组传输速率，进而产生较高的吞吐量性能。再者，据图3可知，系统具有最大吞吐量时的发射功率既不是最大发射功率也不是最小发射功率。当同时考虑物理层和MAC层时，发射功率低则分组传输速率低，发射功率高则会造成MAC竞争开销和干扰增加。当系统取最优的发射功率时，物理层和MAC层性能平衡时，系统才能获得最大吞吐量。

接下来分析FD-MAC协议的能量消耗性能。由于半双工系统的数据传输和信道预约不同于FD-MAC，因此其数据分组传输的能量消耗为:

半双工系统的信道预约能量消耗表达式为:

基于Contraflow MAC协议的全双工系统，侦听信道的能量消耗为:

由于Contraflow协议不预约信道，因此没有信道预约能量消耗，只有ACK分组传输消耗的能量，表示为:

考虑由冲突引起的分组重传，故有数据分组传输的能量消耗为:

图4给出了不同系统随发射功率变化的能量消耗仿真对比结果。

图4 不同系统的能量消耗随发射功率变化的仿真结果

据图4可知，FD-MAC协议和半双工2×2 MIMO网络具有最小的能量消耗，其中在低发射功率条件下2×2 FD-MAC有更小的能量消耗，而在高发射功率条件下MIMO有更小的能量消耗，但两者能量消耗差异微小。在低发射功率条件下，FD-MAC有更好的能量消耗性能，这与其他协议比较起来具有更小的MAC开销，反之在高发射功率条件下，2×2 MIMO能量消耗性能更优，因为其在高发射功率条件下有比全双工通信更高的吞吐量性能。而Contraflow协议性能最差，因为如果有冲突发生，需要重新传输双向数据分组，而且当次级分组比主分组小时会消耗额外的忙音信号能量。而且可以得知，最小能量消耗所需要的发射功率对所有通信系统均不是最小或最大。在低发射功率水平，功率消耗减小但是功率消耗所持续的时间增加也会导致能量消耗增加。而高发射功率水平，分组传输周期减小但是功率消耗增加。而且MAC层运行的能量消耗随发射功率增加。因此，在设计最优能量消耗网络时，需要通过数值评估来选择最优的发射功率。

6 结束语

本文研究了兼顾物理层和MAC层的全双工无线网络的带宽效率和能量利用效率问题，并提出了一种全双工系统框架来分析通信网络性能。基于全双工系统模型，提出了FD-MAC全双工MAC协议。和现有半双工系统、基于传统MAC协议的全双工系统性能比较，FD-MAC能够在更低能量消耗的条件下获得极具竞争力的吞吐量性能，具有很好的参考价值。

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