一種基于全雙工的無線網絡MAC協議設計與性能分析

莫紅枝

（玉林師范學院教育技術中心 玉林 537000）

1 引言

目前無線網絡主要采用半雙工（half duplex,HD）無線電設備。因為半雙工無線電需要使用不同的頻率信道才能實現無線信號的同時收發，導致無線頻率資源的嚴重浪費[1]。全雙工（full duplex，FD）通信憑借可以在一個頻率信道上同時收發信號的優勢，從本質上解決了半雙工通信存在的資源浪費問題[2～3]。

為了充分利用全雙工系統的頻率資源優勢，半雙工無線電MAC協議已經不適用于全雙工系統，需要設計專門的全雙工MAC協議。目前，參考文獻[4]提出了基于CSMA/CA的全雙工MAC協議Contraflow，由于Contraflow沒有預約信道，因此在沒有次級分組傳輸時通過發送忙音信號來避免隱藏終端問題，但這會造成能量浪費。參考文獻[5]提出了一種基于IEEE 802.15.4的單信道全雙工MAC協議，協議設計了全雙工幀結構，它能夠根據負載數據流動態設置全雙工通信時長，以提高全雙工網絡吞吐量。

本文提出了一種新的全雙工MAC（full-duplex MAC，FD-MAC）協議，并分析了基于FD-MAC協議的全雙工通信網絡性能。對于全雙工通信，由于發射功率影響自干擾和傳輸速率，因此發射功率控制成為網絡性能優化的重要因素。本文最后綜合考慮物理層和MAC層開銷，對比分析了基于FD-MAC全雙工網絡、基于Contraflow的全雙工網絡、半雙工 2×2 MIMO網絡、1×1 SISO等系統的帶寬、能量性能。仿真對比分析驗證了FD-MAC協議的有效性和優越性能。

2 全雙工無線電臺模型

本文給出了一種新的全雙工無線電模型，作為FD-MAC的研究基礎。該模型有兩個節點參與了全雙工通信，一個節點作為主節點初始化全雙工通信，另一個節點作為次節點。假設兩節點均有兩根天線并使用相同的發射功率，分別在同一頻率信道上同時發送和接收信號，進而帶來接收天線的自干擾問題。由于收發天線很近，自干擾信號功率強度遠遠大于來自其他節點的發送信號。由于節點發送的信號對于節點本身是已知的，因此利用它來消除自干擾。假設本文使用參考文獻[6]提出的RF端自干擾消除數字消除技術，但其自干擾抵消能力并不理想。設K表示自干擾和發送信號功率的比值，其中待消除自干擾信號包括天線之間的損耗、平衡干擾消除和數字干擾消除的值。設信道為具有獨立路徑損耗的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是發送信號能量，d是源節點和目的節點之間的距離，α是路徑損耗指數，當W為接收機端的噪聲信號帶寬時，N0W表示噪聲功率。當沒有次級分組傳輸時，平均接收信噪比（signal noise ratio，SNR）和半雙工系統[8]相同，表示為:

其中，Pt指信號發射功率。假設無線通信能夠獲得信道容量，IID瑞利衰落信道具有獨立距離路徑損耗，具有信道互易性。同時假設主傳輸和次級傳輸的信道衰落分布和發射功率相同。總速率為:

其中，h指瑞利衰落，Cfull指單信道傳輸速率，單位為bit/s。假設信道具有互易性，每個分組傳輸的速率可達到Cfull/2。

作為對比，半雙工1×1 SISO和半雙工2×2 MIMO系統的容量分別為:

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。在發射機端，RF前端包括功率放大器、濾波器和可變增益放大器。基帶處理器和MAC處理器在處理分組傳輸時會消耗功率。接收機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]。為了建模發射機端的RF前端，假設RF前端有效率因子η、發射功率為Pt的信號，RF前端消耗Pt/η。對于基帶和MAC處理信號，設消耗能量Pproc。因此，傳輸消耗的總功率為:

對于接收機端，設RF前端消耗固定大小功率PRF,rx，而信號處理過程消耗能量和發射機端相同為Pproc。因此，接收端總功率消耗為:

3 FD-MAC協議

FD-MAC協議以IEEE 802.11 RTS/CTS協議[10]為基礎，能夠和IEEE 802.11協議相兼容，而且能夠充分利用全雙工無線的優勢。圖1是FD-MAC協議中分組傳輸的主要過程。

圖1 FD-MAC分組交換過程

如圖1所示，當源節點將要發送大量數據分組給目的節點時，源節點使用標準的RTS/CTS協議。源節點每隔固定的時間間隔偵聽信道，此間隔稱為分布式幀間距（distributed inter frame space，DIFS）。當信道在 DIFS 間隔內空閑，源節點開啟隨機退避計數器，退避計數器的尺寸大小根據競爭窗口隨機選取。當退避計數器終止，源節點向目的節點發送RTS分組。一旦接收到RTS分組，目的節點向源節點返回CTS分組。當網絡中其他節點收到RTS或CTS分組，延遲分組發送直至當前分組傳輸結束。圖2給出了源目的節點分組傳輸時的預約區域。

圖2 FD-MAC信道預約區域

當RTS/CTS交換完畢后，數據分組從源節點傳輸到目的節點，稱為主分組傳輸；在主分組傳輸過程中，接收機可以同時傳輸分組給發射機節點，稱為次級分組傳輸。因為在源節點給目的節點發送分組的過程中信道被預留給主分組傳輸，次級分組傳輸不需要通過額外的RTS/CTS分組來預約信道。即使次級分組結束早于主分組傳輸，在主分組傳輸結束時主發射機和次發射機仍均同時發送ACK確認分組。為了提高控制分組傳輸的解碼效率，本文使用固定傳輸速率RMAC發送控制分組。當不同節點的RTS分組發生沖突時，目的節點不能夠正確解碼RTS分組。

4 網絡性能

聯合考慮物理層和MAC層，從帶寬利用效率和能量利用效率等性能標準分析了全雙工通信系統性能。

4.1 帶寬利用效率

為計算帶寬效率，首先計算分組傳輸總時延。時延包括MAC層運行時占用的時間。假設分組傳輸能夠獲得信道容量。因此，數據分組傳輸速率隨發射功率變化。數據分組時延為:

其中，M指包括分組頭和分組負載的分組大小。因為Sfull是全雙工通信系統兩路分組傳輸的總速率，每路分組傳輸分組在信道具有互易性時速率為Sfull/2。為了計算MAC層運算時延，假設物理層速率固定且競爭節點數目時變[11]。但是，物理層的傳輸速率受發射功率和信道狀態影響。假設節點均勻分布，通過改變發射功率，信道接入的競爭節點數目也會發生變化。因此，物理層和MAC層性能受發射功率影響。設接收信號功率大于某門限Pth，則此節點位于接收范圍內。當路徑損耗指數是α時，接收信號范圍為:

進而競爭節點數目為:

圖2給出競爭節點范圍和節點分布示意。對于全雙工通信系統，由于發射功率影響物理層傳輸速率、MAC層時延和自干擾，因此至關重要。發射功率影響物理層和MAC層，需要跨層優化以對整體系統性能尋優。MAC層時延計算表達式為:

其中，E[X]指源節點的平均退避次數，E[L]指退避計算器一次退避所占用的時間，δ指傳播時延。傳輸控制分組RTS/ATS/ACK所占用的時間分別為 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，見參考文獻[12,13]。吞吐量計算如下:

其中，I指交換的信息比特總數目，D指主分組的信息比特數目。吞吐量分析只考慮不包括分組頭的數據部分。ξ表示次級分組和主分組信息比特數目比值。當主分組大小等于次分組時，有ξ=1。

4.2 能量利用效率

發送和接收分組均要消耗能量。控制分組的發送和接收在MAC層的運行過程也需要消耗能量。當MAC協議要求節點偵聽信道，也需要消耗能量[14]。因此，本文考慮發送、接收和偵聽所消耗的總能量。分組傳輸的能量消耗可簡單認為是分組傳輸功率消耗和分組傳輸時長的乘積。數據分組傳輸的能量消耗表示為:

MAC層運行的能量消耗可分為兩部分:偵聽信道的能量消耗Elis和信道預約能量消耗Eresv。設某時隙周期內有分組正在傳輸的概率為ptr，因此FD-MAC協議偵聽信道的能量消耗為:

其中，σ是時隙周期，ptrPrxTRTSE[X]表示其他節點間有分組傳輸的情況，(1-ptr)PrxσE[X]表示其他節點間沒有分組傳輸的情況。總能量消耗指主節點和次級節點的能量消耗之和。

信道預約的能量消耗為:

當比較不同的傳輸方案時，使用每比特能量消耗作為性能標準，表示為:

其中，I指通信方案傳輸的比特數目。

5 仿真結果與分析

使用網絡仿真軟件OPNET 14.5和MATLAB對基于FD-MAC的全雙工網絡和相關對照網絡進行了仿真分析，對照方案分別選擇半雙工2×2 MIMO[15]網絡、基于Contraflow的全雙工網絡、半雙工1×1 SISO網絡。主要參數設置有:節點密度為ρ=0.00001節點/m2，兩節點間距為100 m，信號頻率為 2.4 GHz，信號帶寬為 10 Mbit/s，分組大小為2000 byte，路徑損耗指數 α=4，比率 ξ為1。

全雙工系統分組傳輸總時延為:

其中，M是分組大小。而半雙工系統總時延為:

其中，S是物理層的傳輸速率。基于Contraflow MAC協議的全雙工系統的總時延為:

其中，D′MAC指 Contraflow MAC層運行時延，由于Contraflow使用的CSMA/CA協議不要求傳輸RTS/CTS控制分組傳輸，表示為:圖3給出了FD-MAC和傳統方案隨發射功率變化的吞吐量仿真結果。

圖3 不同系統的吞吐量隨發射功率變化的仿真結果

盡管FD-MAC協議的吞吐量不如Contraflow協議，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分組開銷占用了一定的吞吐量。可以得知，全雙工系統比半雙工系統有更加顯著的吞吐量優勢，因為全雙工通信系統只需要一個信道就能夠完成雙向數據分組傳輸，而半雙工系統則需要兩個信道。當分組傳輸發生沖突時，Contraflow協議會由于丟棄的傳輸分組造成資源浪費，不過由于分組傳輸速率大于MAC控制分組傳輸速率，進而產生較高的吞吐量性能。再者，據圖3可知，系統具有最大吞吐量時的發射功率既不是最大發射功率也不是最小發射功率。當同時考慮物理層和MAC層時，發射功率低則分組傳輸速率低，發射功率高則會造成MAC競爭開銷和干擾增加。當系統取最優的發射功率時，物理層和MAC層性能平衡時，系統才能獲得最大吞吐量。

接下來分析FD-MAC協議的能量消耗性能。由于半雙工系統的數據傳輸和信道預約不同于FD-MAC，因此其數據分組傳輸的能量消耗為:

半雙工系統的信道預約能量消耗表達式為:

基于Contraflow MAC協議的全雙工系統，偵聽信道的能量消耗為:

由于Contraflow協議不預約信道，因此沒有信道預約能量消耗，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，故有數據分組傳輸的能量消耗為:

圖4給出了不同系統隨發射功率變化的能量消耗仿真對比結果。

圖4 不同系統的能量消耗隨發射功率變化的仿真結果

據圖4可知，FD-MAC協議和半雙工2×2 MIMO網絡具有最小的能量消耗，其中在低發射功率條件下2×2 FD-MAC有更小的能量消耗，而在高發射功率條件下MIMO有更小的能量消耗，但兩者能量消耗差異微小。在低發射功率條件下，FD-MAC有更好的能量消耗性能，這與其他協議比較起來具有更小的MAC開銷，反之在高發射功率條件下，2×2 MIMO能量消耗性能更優，因為其在高發射功率條件下有比全雙工通信更高的吞吐量性能。而Contraflow協議性能最差，因為如果有沖突發生，需要重新傳輸雙向數據分組，而且當次級分組比主分組小時會消耗額外的忙音信號能量。而且可以得知，最小能量消耗所需要的發射功率對所有通信系統均不是最小或最大。在低發射功率水平，功率消耗減小但是功率消耗所持續的時間增加也會導致能量消耗增加。而高發射功率水平，分組傳輸周期減小但是功率消耗增加。而且MAC層運行的能量消耗隨發射功率增加。因此，在設計最優能量消耗網絡時，需要通過數值評估來選擇最優的發射功率。

6 結束語

本文研究了兼顧物理層和MAC層的全雙工無線網絡的帶寬效率和能量利用效率問題，并提出了一種全雙工系統框架來分析通信網絡性能。基于全雙工系統模型，提出了FD-MAC全雙工MAC協議。和現有半雙工系統、基于傳統MAC協議的全雙工系統性能比較，FD-MAC能夠在更低能量消耗的條件下獲得極具競爭力的吞吐量性能，具有很好的參考價值。

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