一种带内全双工无线网络MAC机制及性能分析

孙彦景， 渠倩倩， 王博文， 左海维， 王晓琳

(中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221008)

带内全双工(In-Band Full-Duplex，IBFD)无线通信技术允许节点在同一频带上同时进行发送和接收，与现有双工技术相比理论上最大可成倍提高频谱利用率和网络吞吐量[1-2]．近年来，物理层自干扰消除技术日趋成熟，能够将自干扰信号降低到不影响有用信号接收的噪声水平[3-4]，实现了单节点同时同频发送和接收．为实现无线网络中多节点间IBFD无线通信，还需要相关媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)机制的支持．当前已有相关研究为IBFD无线网络设计了MAC机制[5-12]．文献[7]将带冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制应用于IBFD无线网络中，设置无线接入点(Access Point，AP)节点或用户节点在接收到源节点发送的数据帧头部信息后即刻向源节点发送自身数据，若无数据发送，则需发送忙音(Busy Tone)以占用信道．文献[10]基于请求发送(Request-To-Send，RTS)/允许发送(Clear To Send，CTS)机制设计了RTS/全双工允许发送(Full-duplex Clear To Send，FCTS)机制，该机制下能够建立分布式IBFD无线网络中对称或非对称双向通信链路．然而，上述文献均在不考虑节点间干扰影响的情况下开展研究．

图1 IBFD无线网络非对称双向链路传输模式

文中考虑AP为IBFD节点，用户为半双工(Half Duplex， HD)节点的IBFD无线网络环境．AP能够在同一频带上接收来自用户数据的同时向另一用户发送数据，如图1所示．在图1(a)中，若上行链路发送节点C1为下行链路接收节点C4的暴露终端，则上行链路的发送信号亦为下行链路的节点间干扰(Inter-Node Interference，INI)信号，将干扰C4正确接收AP的有用信号．节点物理层(Physical Layer， PHY)可根据信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio， SINR)等信息减小节点间干扰的影响[7]，若设计的MAC层机制能够辅助PHY层工作，为INI抑制提供所需的参数，将能够进一步提高节点接收有用信号的能力．

用户C1发起信道接入请求时，AP在与C1建立上行链路的同时利用信道接入机会与用户C2建立下行链路，实现上下行链路同时发送和接收，如此可以提高网络吞吐量．文献[8-9]针对此种情况设计了相应的IBFD MAC机制．但是，当AP发起信道接入请求时，由于所有用户均为半双工终端，AP只能与用户建立下行链路，致使在数据传输阶段AP的上行链路处于空闲状态，此时的网络吞吐量与半双工无线网络无异．而文献[8-9]未考虑此种情况．

在考虑INI影响的条件下，提出一种应用于IBFD无线网络的媒体接入控制机制AFD-MAC，能够通过一次信道接入实现非对称双向链路的建立．AFD-MAC在用户先接入信道或AP先接入信道时均可以建立非对称双向链路，保证数据传输阶段AP始终保持上下行链路同时同频工作，进一步提高网络吞吐量．另外，AFD-MAC通过媒体接入传递接收功率信息，为目的用户PHY层估算INI值提供参数，并决定是否建立非对称双向链路避免由INI导致的失败传输问题．采用离散Markov模型分析AFD-MAC机制的吞吐量性能并进行仿真验证，在相同环境下与RTS/CTS机制和A-Duplex[9]进行对比．

1 系统模型

文中将IBFD无线网络非对称双向链路传输模式分为: 基于目的节点的非对称IBFD(Destination-based Asymmetric IBFD， DAFD)传输模式和基于源节点的非对称IBFD(Source-based Asymmetric IBFD， SAFD)传输模式[12]，如图1所示．产生两种不同模式的原因在于前者首先争得信道并发起媒体接入请求的节点为用户，而后者为AP．

如图1(a)所示，在DAFD传输模式中，用户C1先接入信道，C1通过上行链路向AP发送数据(Packet1)，AP在接收Packet1的同时借用此信道通过下行链路向C4发送数据(Packet2)．定义C1向AP发送数据的上行链路为主要传输(Primary Transmission)链路，其中，C1为主发送器(Primary Transmitter， PT)，AP为主接收器(Primary Receiver， PR); AP向C4发送数据的下行链路为次要传输(Secondary Transmission)链路，其中AP为次发送器(Secondary Transmitter， ST)，C4为次接收器(Secondary Receiver， SR)．

如图1(b)所示，在SAFD传输模式中，AP先接入信道，通过下行链路向C3发送Packet1，C1同时借用此信道通过上行链路向AP发送Packet2．其中，AP既是PT也是SR，C3是PR，C1是ST．

2 AFD-MAC机制

在IBFD无线网络非对称双向链路通信中，802.11RTS/CTS机制仅能建立主要传输链路，不能为次要传输保留信道．若要实现3节点之间非对称双向链路通信，需要进行两次RTS/CTS媒体接入和数据传输，这与HD无线通信相同．为解决上述问题，在考虑INI影响的条件下，文中基于3次握手机制提出AFD-MAC机制，通过一次信道接入完成非对称双向通信链路的建立．

2.1 帧 结 构

在文中提出的AFD-MAC机制中，使用了5种控制帧结构．控制帧分别为ARTS帧、URTS帧、DCTS帧、UCTS帧和ACK帧，如图2所示．其中，由AP发送的UCTS帧和ARTS帧中的“TM”位指IBFD非对称双向链路传输模式，“0”表示DAFD模式，“1”表示SAFD模式，“TM”仅占 1 bit．DCTS帧中的“Pr”位指此用户接收到AP发送数据的信号功率信息，“Pr”占2个字节．URTS帧和ACK帧与802.11标准中定义相同．

图2 控制帧结构

2.2 AFD-MAC工作过程

在AFD-MAC机制中，假设所有节点都能够感知信道状态及其相邻节点状态．若某一节点有数据要传输且感知信道在DIFS时间内一直处于空闲状态，则执行二进制退避机制并在退避计数器减到0时向目的节点发送请求帧．期间若节点感知信道处于忙碌状态，则冻结退避计数器并等待．如图3所示，文中分别对IBFD无线网络中非对称双向链路传输的两种模式进行描述，具体媒体接入和数据传输过程如下．

图3 IBFD非对称双向链路成功传输过程

2.2.1 DAFD媒体接入和数据传输过程

DAFD成功传输过程如图3(a)所示．用户C1成功争得信道并向目的节点AP发送URTS帧，AP接收URTS帧，等待SIFS时长后向C1返回UCTS帧，允许上行链路数据传输．若AP有数据(Packet2)要发送给C4，则UCTS帧中“TM”为0并且此帧中包含SR(C4)的地址，通知网络中其他用户AP要与C1和C4两个用户建立DAFD非对称双向链路．C1在收到UCTS帧后等待收到AP发送的Packet2帧头Hdr时，立刻向AP发送Packet1．用户C4收到UCTS帧后得知AP将要向其发送Packet2，由于AP向用户C4发送Packet2时用户C1同时向AP发送Packet1，C1发送的Packet1会干扰用户C4对Packet2的接收，此时用户C4需要通过物理层计算出它收到信号的信干噪比，C4收到C1发送的URTS帧后通过物理层估算出收到信号的功率为Pr，C1-C4，C4收到AP发送的UCTS帧后通过物理层估算出收到信号的功率为Pr，AP-C4，定义NC4为用户C4处的噪声功率，则C4可估算出它收到数据的信干噪比为

RSINC4=Pr，AP-C4(Pr，C1-C4+NC4) ．(1)

若RSINC4大于最小阈值γ，表明在C1和AP同时发送数据时C4可正确接收AP发送的数据，则向AP返回DCTS帧，允许下行链路数据传输．此时DCTS帧中“Pr”位置零．AP收到DCTS帧后等待SIFS时长向C4发送Packet2．C1在收到AP发送的Packet2的帧头Hdr后，立刻向AP发送Packet1．上下行链路数据传输完成后，如果C4正确接收Packet2，则等待SIFS时长向AP发送ACK帧，AP收到ACK帧后即向C1发送ACK帧，用户C1收到ACK帧后，本次通信结束．

若RSINC4小于最小阈值γ，则表明在C1和AP同时发送数据时C4不能正确接收AP发送的数据，C4不必向AP发送回复帧．AP等DCTS+SIFS时长后，向C4发送数据帧头Hdr，注意此时AP仅发送数据帧头，通知C1开始向其发送Packet1，此时只进行由C1到AP的上行链路数据传输，数据传输完成后，若AP正确接收Packet1，则AP等待SIFS时长后向C1发送ACK帧，本次通信结束．

2.2.2 SAFD 媒体接入和数据传输过程

SAFD成功传输过程如图3(b)所示．AP成功争得信道并向C3发送ARTS帧，此帧中包含C3的地址并且此帧中的“TM”位为“1”，通知其他用户在AP向C3发送数据的同时可以竞用AP的上行链路向AP发送数据，C3收到ARTS帧后，通过物理层估算出其收到AP数据的信号功率为Pr，AP-C3，并将其上传至MAC层封装在DCTS帧中的“Pr”位发送给AP．其他用户收到ARTS帧后得知AP将要向C3发送Packet1，与此同时有数据要发送给AP的用户可以借用此信道向AP发送数据．此时可能有多个用户有数据要发送给AP，它们在收到DCTS帧后要估算出C3的信干噪比．例如，C1有数据要发送给AP，C1收到DCTS帧后通过物理层估算出收到信号的功率为Pr，C3-C1，假设Pr，C1-C3=Pr，C3-C1．由DCTS帧中“Pr”位可知C3收到AP发送数据的信号功率Pr，AP-C3，定义NC1为用户C1处的噪声功率，它与C3处的噪声功率近似相等．因此，可估算出C3处的信干噪比为

RSINC3=Pr，AP-C3(Pr，C1-C3+NC1) ．(2)

若RSINC3大于最小阈值γ，则C1向AP发送URTS帧，AP收到URTS帧后等待SIFS时长向C3发送Packet1，AP在Packet1帧头中添加一位标记位，设置为“Y”，允许上行链路数据传输．C1收到AP发送的Packet1的帧头Hdr后立刻向AP发送Packet2．上下行链路数据同时传输完成后，若C3正确接收Packet2，等待SIFS时长向AP发送ACK帧，AP收到ACK帧后即向C1发送ACK帧，C1收到ACK帧，本次通信结束．

若有多个用户满足RSINC3大于最小阈值γ，则他们同时向AP发送URTS帧，发生碰撞，此时AP不能正确接收URTS帧，因此，AP在Packet1的帧头中添加一位标记位，标记位设置为“N”，通知将要竞用上行链路的所有用户不要向其发送数据，以免发生碰撞．此时只进行由AP到C3的下行链路数据传输，数据传输完成后，若C3正确接收Packet1，则C3等待SIFS时长后向AP发送ACK帧，本次通信结束．

3 性能分析

3.1 饱和吞吐量

文中采用离散时间Markov模型[13]，对基于AFD-MAC机制的IBFD无线网络进行吞吐量性能分析．假设网络中有N个用户，1个AP，所有节点都能够正常侦听信道、竞争IBFD无线通信机会和检测碰撞．

在AFD-MAC机制中，AP和用户有不同离散时间Markov链．AP的最大竞争窗口和最大退避阶数分别为WAP和mA; 一个随机时隙中发送概率和条件碰撞概率分别是τA和pA．用户的最大竞争窗口和最大退避阶数分别为W和m; 一个随机时隙中发送概率和条件碰撞概率分别是τ和p．竞争窗口范围可表示为(0，Wi)，其中Wi= 2iW，i=0，1，2，…，m．基于离散时间Markov模型，推导出网络中用户在某一时隙的发送概率为

(3)

在AFD-MAC机制中，当一个用户竞争到信道后不论AP是否竞争信道，用户都可以成功发送数据．因此，用户的条件碰撞概率p= 1- (1-τ)N-1．同理，可得AP在某一时隙的发送概率为

(4)

当网络中所有用户都不发送数据时，AP成功传输数据．因此，AP节点的条件碰撞概率pA= 1- (1-τ)N．定义在一个时隙内至少有一个节点在发送数据的概率为Ptr，可由发送概率τ和τA表示为Ptr= 1- (1-τA)(1-τ)N．那么，该时隙内信道空闲的概率可表示为 1-Ptr．因此，一个时隙内信道空闲时间可表示为 (1-Ptr)σ，其中σ为空闲总时长．

归一化系统吞吐量S为信道一个时隙内成功传输的数据有效帧长度．为获得吞吐量值，首先需要计算成功和失败传输概率．由第2部分描述的两种IBFD的数据传输过程可知，数据成功传输有以下两种情况．

(2) AP向某一用户发起通信，此时用户都在侦听信道，另一用户借此信道向AP发起通信，建立非对称IBFD双向链路，成功传输概率Ps2可表示为Ps2=τA(1-τ)N-1，数据传输时间Ts2=TARTS+TDCTS+TURTS+THdr+TPacket+ 4TSIFS+ 2TACK，当不只一个用户同时竞争信道向AP发送URTS帧时，网络中发生碰撞，传输失败．定义碰撞概率为Pc，可表示为Pc=Ptr-Ps1-Ps2，碰撞持续时间Tc=TURTS+TDIFS，至此，可求得归一化饱和吞吐量S为

S=(Ps1+Ps2)E[Packet](1-Ptr)σ+Ps1Ts1+Ps2Ts2+PcTc,(5)

其中，E[Packet]为一次数据传输的有效长度．

3.2 数值结果

本节使用MATLAB评估了AFD-MAC机制的性能，并验证了分析模型．基本仿真参数如表1所示．假设网络中所有节点尝试向其通信范围内节点发送数据并能够正常争取IBFD传输机会．为证明AFD-MAC机制在提高网络性能方面的优势，在相同环境下将其与RTS/CTS及A-Duplex机制[9]进行对比分析．

表1 基本仿真参数

图4对比了不同MAC机制下网络中用户数目与吞吐量的关系．最大退避阶数m设为6，由图4可知，当最小竞争窗口W=16 时，使用AFD-MAC的IBFD无线网络平均吞吐量约为1.61，使用RTS/CTS机制的HD网络平均吞吐量约为0.83，可见IBFD比HD无线网络吞吐量高出近1倍．同在IBFD无线网络环境下对比AFD-MAC和A-Duplex机制，前者吞吐量比后者高出约18%．对比不同最小竞争窗口下 AFD-MAC 机制的吞吐量， 当网络中用户数目较小时， 竞争窗口越小， 吞吐量越大．随着网络用户数目增加， 当W=16 时， 吞吐量缓慢减小; 当W=256 时， 吞吐量持续增加．因此， 为最大化网络吞吐量， 无线网络需要根据网络用户数目选择合适的竞争窗口大小．在相同W值条件下， AFD-MAC 与 RTS/CTS 机制一样， 随着网络用户数目的增加， 吞吐量变化较小．因此， AFD-MAC 机制能够应用于大规模网络， 且网络性能优于 A-Duplex机制．

图4 不同用户数目下,3种MAC机制吞吐量分析

二进制退避计数器初值与最小竞争窗口W和最大退避阶数m有关，如图5和图6所示．图5中，设置m为6，观察用户数目不同时W与吞吐量的关系，可确定不同规模网络合适的W值．例如，当用户数N=10 时，选择W=16 能够获得最大吞吐量S= 1.628; 而当N=40 时，选择W=64 较为合适，此时最大吞吐量S= 1.624．图6中，设置W为16，观察用户数目不同时m与吞吐量的关系．同上，能够从中为不同规模网络选择合适的m值．综合分析图5和图6可知，当网络中用户数目逐渐增加时需要增大W和m值，以增加节点退避时间，减少碰撞的发生．

图5 不同最大退避阶数下用户数目不同时,AFD-MAC机制吞吐量分析 图6 不同最小竞争窗口下用户数目不同时,AFD-MAC机制吞吐量分析

4 结 束 语

在考虑INI影响的条件下，提出了一种应用于IBFD非对称双向链路通信的AFD-MAC机制．在数据传输阶段AP始终保持上下行链路同时同频工作，提高了网络吞吐量．另外，AFD-MAC通过媒体接入传递接收功率信息，为目的用户PHY层估算INI值并决定是否建立非对称双向链路提供参数，减小了INI的影响．最后文中采用离散时间Markov模型，给出了网络吞吐量的理论分析和数值结果．结果表明，AFD-MAC机制与RTS/CTS和A-Duplex机制相比，吞吐量分别约提高了94%和18%，AFD-MAC机制性能优势明显．

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