王均+靳浩+李勇

【摘 ? ?要】提出了一種基于同時同頻全雙工的節(jié)能型無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議，對該協(xié)議進行網(wǎng)絡仿真，并從網(wǎng)絡吞吐量、能量消耗等方面與傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議進行比較。從仿真結果可以看出，基于同時同頻全雙工的MAC協(xié)議的性能較傳統(tǒng)半雙工無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議有較大改善，而且在達到同等性能的條件下所提出的MAC協(xié)議比FD-MAC消耗的能量更少。

【關鍵詞】無線局域網(wǎng) ? ?同時同頻全雙工 ? ?MAC協(xié)議 ? ?節(jié)能

中圖分類號：TN929.5 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-1010（2014）-22-0046-05

An Energy-Saving WLAN MAC Protocol Based on Full-Duplex

WANG Jun， JIN Hao， LI Yong

（Wireless Signal Processing and Network Lab， Key laboratory of Universal Wireless Communication， Ministry of Education， Beijing University of Posts & Telecommunications， Beijing 100876， China）

[Abstract]?An energy-saving WLAN MAC protocol based on co-time co-frequency full duplex is proposed in this paper， which is compared through network simulations with the traditional MAC protocol in aspects of network throughput and energy consumption. Simulation results reveal that the proposed MAC protocol not only outperforms the traditional MAC protocol， but also consumes less energy than FD-MAC protocol under the condition of the same performances.

[Key words]WLAN ? ?co-time co-frequency full duplex ? ?MAC protocol ? ?energy-saving

1 ? 引言

雙工是一種實現(xiàn)雙向通信的技術，分為2類：全雙工是指通信雙方同時發(fā)送和接收信號;半雙工是指通信雙方輪流發(fā)送和接收信號?，F(xiàn)有的無線通信基本的全雙工方法有2種：頻分雙工（FDD）是異頻全雙工通信，通信雙方發(fā)送的信號頻帶不同;時分雙工（TDD）是同頻全雙工通信，采用相同的頻帶發(fā)送信號，但收發(fā)輪流進行。無線通信中，由于發(fā)送信號和接收信號的功率十分懸殊，通常到60dB以上[1]，而接收信號的功率時時變化且沒有規(guī)律，因此同時同頻全雙工技術在無線通信時實現(xiàn)難度大。

現(xiàn)階段，無線射頻支持在同一個信道上某一時刻只進行發(fā)送或者接收操作，而不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。很多學者對同時同頻全雙工技術的實現(xiàn)做了大量的研究，而實現(xiàn)同時同頻全雙工技術的最大難題在于如何消除自干擾（Self-interference）。因此，國內(nèi)外一些學者對同時同頻全雙工的自干擾消除技術進行了深入研究。文獻[2]提出了一種模擬消除技術，使用噪聲消除芯片從接收信號中減去自干擾信號（噪聲）實現(xiàn)干擾消除。文獻[3]提出了一種數(shù)字消除技術，即經(jīng)過ADC采樣之后，使用之字形（ZigZag）解碼技術實現(xiàn)干擾消除。文獻[4]提出了一種利用天線布局技術（Antenna Placement Techniques）來消除自干擾的“天線”消除法，該方法為每個節(jié)點配置三根天線（兩發(fā)一收），兩個發(fā)射天線與接收天線的距離差為半個波長，能消除自干擾20～30dB，再加上模擬和數(shù)字消除法，可以消除自干擾50～60dB。文獻[1]利用信號反轉和自適應消除法實現(xiàn)同時同頻全雙工，單獨使用信號反轉可以減少自干擾信號45dB以上，加上自適應消除法可以將10MHz帶寬的OFDM自干擾信號減少73dB，再加上信號在發(fā)送天線和接收天線之間的路徑損耗，發(fā)送信號經(jīng)接收端處理后能降低100dB以上。這樣在短距離無線通信網(wǎng)絡中，可以實現(xiàn)接近理想的同時同頻全雙工傳輸機制。

國內(nèi)外已有許多學者將同時同頻全雙工技術應用于各種無線網(wǎng)絡，并得出了相關結論。文獻[5]分析了全雙工無線網(wǎng)絡的信道容量和能量效率。文獻[1]提出了基于同時同頻全雙工的無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議（FD-MAC）。文獻[6]將定向天線技術引入至全雙工無線多跳網(wǎng)絡，在節(jié)點拓撲呈線性結構時可以提高網(wǎng)絡吞吐量。文獻[7]提出了一種自適應的全雙工無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議，即根據(jù)節(jié)點緩存來選擇競爭窗口大小，緩存越大，競爭窗口就越小。文獻[8]提出了一種基于全雙工的無線多跳網(wǎng)絡MAC協(xié)議（RFD-MAC），該協(xié)議通過監(jiān)聽鄰居節(jié)點的通信狀態(tài)來選擇是否進行數(shù)據(jù)發(fā)送，從而避免沖突。文獻[9]提出了一種基于全雙工的無線網(wǎng)格網(wǎng)路由協(xié)議。

2 ? 問題的產(chǎn)生

文獻[1]指出將全雙工技術應用于無線局域網(wǎng)可以消除隱藏終端問題和上下行公平性問題，并提出了基于同時同頻全雙工的MAC協(xié)議（FD-MAC）的思想。引入全雙工以后，當節(jié)點A接收來自節(jié)點B的數(shù)據(jù)時，若有到達節(jié)點B的數(shù)據(jù)，則向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù);否則，廣播忙音（Busy Tone）以通知鄰居節(jié)點正在進行數(shù)據(jù)接收。在雙向傳輸過程中，若一方傳輸先結束，則廣播忙音信號，直至雙方均傳輸結束。endprint

由此可見，在雙向傳輸過程中，若節(jié)點STA先完成數(shù)據(jù)發(fā)送（或者無數(shù)據(jù)發(fā)送），則該節(jié)點一直廣播忙音信號直至對方節(jié)點發(fā)送結束，以此來避免隱藏終端問題。而廣播忙音信號需要消耗額外的能量，使得通信的能耗增加。鑒于此，本文提出了節(jié)能全雙工MAC（ESFD-MAC，Energy-Saving Full-Duplex MAC）。

3 ? 系統(tǒng)模型

下面對ESFD-MAC協(xié)議進行具體設計。

首先定義新的控制幀RN（Receive Notification），該幀由幀控制、持續(xù)時間、源地值（RA）、幀校驗序列（FCS）4個字段組成，這些字段均為IEEE 802.11中已標準化的字段。

幀控制字段中包含RN幀的標識號（其中幀類型設置為01，表示控制幀，子類型選擇未使用的序列號，例如0101）;持續(xù)時間為當前節(jié)點接收完數(shù)據(jù)所需要的時間;RA表示廣播該控制幀的源地址。

當某個源節(jié)點S有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送到目的節(jié)點D時，為了簡化協(xié)議的描述，傳輸過程中S向D發(fā)送數(shù)據(jù)稱為主傳輸，D向S發(fā)送數(shù)據(jù)稱為從傳輸。主傳輸采用標準的CSMA/CA協(xié)議。S的操作流程圖如圖1所示，D的操作流程圖如圖2所示。

ESFD-MAC描述如下：

（1）節(jié)點S監(jiān)聽信道。該部分采用標準的CSMA/CA協(xié)議。若信道空閑，則等待DIFS時間。如果在該段時間內(nèi)信道一直處于空閑狀態(tài)，則DIFS時間結束后，S向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)幀。若在此期間信道狀態(tài)變成忙碌，則等待信道空閑。當空閑時間超過DIFS后，S啟動退避過程。當退避計時器減為0后，S向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）節(jié)點D接收到數(shù)據(jù)包頭部后，讀取到該數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點為本節(jié)點，進而讀取當前數(shù)據(jù)包的源節(jié)點S，然后查找本節(jié)點的數(shù)據(jù)緩存是否有到達S的數(shù)據(jù)。若存在到達S的數(shù)據(jù)，則轉至（3）;否則轉至（4）。

（3）D的緩存中有到達S的數(shù)據(jù)時，則發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)幀頭部的持續(xù)時間設置為主傳輸持續(xù)時間和從傳輸所需時間的較大值。D的鄰居節(jié)點接收到該幀后，調(diào)整自己的網(wǎng)絡分配向量NAV（NAV指出信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時間）。

（4）D的緩存中無到達S的數(shù)據(jù)時，則廣播RN幀，該信令通知D的其他鄰居節(jié)點當前節(jié)點正在接收數(shù)據(jù)，持續(xù)時間為T（從接收到數(shù)據(jù)包頭部的“持續(xù)時間”字段獲取）。D的鄰居節(jié)點監(jiān)聽到RN幀后，調(diào)整自己的網(wǎng)絡分配向量NAV。

（5）若主傳輸先于從傳輸結束，S首先查看從傳輸?shù)氖Ｓ鄷r間（?T）。若時間大于2*SlotTime，則廣播RN幀，通知其鄰居節(jié)點本節(jié)點正在接收數(shù)據(jù);否則，不發(fā)送RN幀。因為經(jīng)過?T時間后，S接收結束，等待SIFS時間就會發(fā)送ACK幀，所以在從傳輸剩余時間小于2*SlotTime的情況下，信道空閑時間小于DIFS（DIFS=SIFS+2*SlotTime），而節(jié)點監(jiān)聽到信道空閑時間大于DIFS后才啟動退避（或發(fā)送數(shù)據(jù)）過程，故在此情況下不發(fā)送RN幀也能保證正常通信。

（6）若從傳輸先于主傳輸結束，即主傳輸持續(xù)時間大于從傳輸結束時間，根據(jù)（3），D的鄰居節(jié)點已經(jīng)將各自的NAV設置為主傳輸?shù)某掷m(xù)時間，所以D在接收數(shù)據(jù)的過程中不會被其鄰居節(jié)點干擾。

4 ? 仿真設置

為了驗證上述ESFD-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡性能，使用OPNET Modeler進行網(wǎng)絡仿真。網(wǎng)絡拓撲圖有1個接入節(jié)點和9個終端節(jié)點，其中所有的終端均關聯(lián)至接入節(jié)點。

主要仿真參數(shù)設置如表1所示：

表1 ? ?主要仿真參數(shù)設置

參數(shù) 屬性值

MAC層包匯聚協(xié)議 A-MPDU

MAC層協(xié)調(diào)功能 DCF

物理層信道忙門限值 -70dBm

天線發(fā)射功率 23dBm

噪聲功率 -174dBm/Hz

載波頻率 2.4GHz

物理層速率 150Mbps

通信標準 IEEE 802.11n

仿真時間 60s

本次仿真統(tǒng)計的結果為不同業(yè)務負載下的網(wǎng)絡平均吞吐量、網(wǎng)絡的平均包重傳次數(shù)p以及傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量E。

定義如下：

（1）

其中，T為仿真時間，單位為s;為在T時間內(nèi)節(jié)點i正確接收的總業(yè)務量，單位為bit;N為網(wǎng)絡中節(jié)點總數(shù)。

p定義如下：

（2）

其中，S為仿真時間T內(nèi)成功傳輸?shù)陌倲?shù);為第i個數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。

E定義如下：

（3）

其中，P為天線發(fā)射功率，單位為W;Ti為傳輸?shù)趇個數(shù)據(jù)包所需要的時間，單位為s;TACK為傳輸ACK幀所需要的時間，單位為s;Eother為發(fā)送其余信號（FD-MAC中為忙音信號，ESFD-MAC中為RN信號）所消耗的能量，單位為J。

網(wǎng)絡的業(yè)務模型可參考文獻[10]。

5 ? 仿真結果

為了驗證全雙工的性能，本仿真使用傳統(tǒng)的半雙工方式與其對比。

網(wǎng)絡平均吞吐量與業(yè)務負載量的關系如圖3所示。其中，橫坐標表示網(wǎng)絡的平均業(yè)務負載量（若坐標值為x，則表示上行和下行的平均業(yè)務負載量均為x）。

網(wǎng)絡平均包重傳次數(shù)如圖4所示。

傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量如圖5所示。

從仿真結果來看，在網(wǎng)絡業(yè)務負載較?。ㄐ∮?0Mbps）的情況下，全雙工（包括FD-MAC和ESFD-MAC）和半雙工的平均網(wǎng)絡吞吐量是一樣的，并且上下行吞吐量之比為1。這是因為在業(yè)務量較少的情況下，半雙工模式下也能將網(wǎng)絡產(chǎn)生的業(yè)務完成發(fā)送，使得網(wǎng)絡的吞吐量和全雙工相同。endprint

當業(yè)務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業(yè)務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業(yè)務量較大時，每個節(jié)點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節(jié)點數(shù)越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發(fā)送下行數(shù)據(jù)，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業(yè)務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協(xié)議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節(jié)點數(shù)減少，發(fā)生沖突的概率減少，因此網(wǎng)絡的平均包重傳次數(shù)也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協(xié)議達到的網(wǎng)絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業(yè)務時節(jié)能40%左右;在上下行業(yè)務都存在且業(yè)務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節(jié)能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網(wǎng)絡吞吐量較傳統(tǒng)半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優(yōu)于FD-MAC的節(jié)能型無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議。

參考文獻：

[1] Jain Mayank， Choi Jung Il， Kim Taemin， et al. Practical， Real-Time， Full Duplex Wireless[A]. Mobicom11[C]. 2011.

[2] Radunovic Bozidar， Gunawardena Dinan， Key Peter， et al. Rethinking Indoor Wireless Mesh Design： Low Power， Low Frequency， Full-Duplex[A]. In IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks[C]. 2010： 1-6.

[3] Gollakota Shyamnath， Katabi Dina. ZigZag Decoding： Combating Hidden Terminals in Wireless Networks[A]. Proceedings of the ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data Communication[C]. 2008： 159-170.

[4] Choi Jung Il， Jain Mayank， Srinivasan Kannan， et al. Achieving Single Channel， Full Duplex Wireless Communication[A]. Mobicom10[C]. 2010.

[5] Kim， Sanghoon， Stark Wayne E. On the Performance of Full Duplex Wireless Networks[J]. Information Sciences and Systems （CISS）， 2013.

[6] Miura Ken， Bandai Masaki. Node Architecture and MAC Protocol for Full Duplex Wireless and Directional Antennas[A]. Proceedings of IEEE PIMRC12[C]. 2012： 385-390.

[7] Oashi Sadahide， Bandai Masaki. Performance of Medium Access Control Protocols for Full-Duplex Wireless LANs[A]. Information and Telecommunication Technologies （APSITT）[C]. 2012.

[8] Tamaki Kenta， Sugiyama Yusuke， Bandai Masaki， et al. Full Duplex Media Access Control for Wireless Multi-hop Networks[A]. Proceedings of IEEE VTC2013-Spring[C]. 2013.

[9] Kato Katsuhiro， Bandai Masaki. Routing Protocol for Directional Full-Duplex Wireless[A]. Proceedings of IEEE PIMRC[C]. 2013.

[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint

當業(yè)務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業(yè)務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業(yè)務量較大時，每個節(jié)點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節(jié)點數(shù)越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發(fā)送下行數(shù)據(jù)，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業(yè)務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協(xié)議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節(jié)點數(shù)減少，發(fā)生沖突的概率減少，因此網(wǎng)絡的平均包重傳次數(shù)也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協(xié)議達到的網(wǎng)絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業(yè)務時節(jié)能40%左右;在上下行業(yè)務都存在且業(yè)務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節(jié)能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網(wǎng)絡吞吐量較傳統(tǒng)半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優(yōu)于FD-MAC的節(jié)能型無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議。

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[9] Kato Katsuhiro， Bandai Masaki. Routing Protocol for Directional Full-Duplex Wireless[A]. Proceedings of IEEE PIMRC[C]. 2013.

[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint

當業(yè)務負載量增加到一定程度后（大于50Mbps），全雙工模式下的平均業(yè)務吞吐量逐漸大于半雙工模式，并且半雙工模式下的上下行吞吐量之比增大。這是因為業(yè)務量較大時，每個節(jié)點競爭信道的概率增大：半雙工模式下，競爭信道的節(jié)點數(shù)越多，AP競爭到信道的概率就越小，因此下行吞吐量減少;而全雙工模式下，即便STA競爭到信道時，AP也能向其發(fā)送下行數(shù)據(jù)，這樣使得下行吞吐量大大提高。最終半雙工模式下的上行吞吐量約為下行的3.2倍，而全雙工模式下的上下行業(yè)務比例接近于1，解決了上下行公平性問題。此外，由于全雙工MAC協(xié)議解決了隱藏終端問題，再加上其并行傳輸特性，使得競爭信道的節(jié)點數(shù)減少，發(fā)生沖突的概率減少，因此網(wǎng)絡的平均包重傳次數(shù)也減少。

本次仿真中ESFD-MAC協(xié)議達到的網(wǎng)絡性能和FD-MAC是一樣的，但是傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC少（見圖5）：在只存在下行業(yè)務時節(jié)能40%左右;在上下行業(yè)務都存在且業(yè)務負載量小于100Mbps的情況下，ESFD-MAC也有較好的節(jié)能效果。

6 ? 結束語

從本次仿真結果來看，基于全雙工的WLAN網(wǎng)絡吞吐量較傳統(tǒng)半雙工有很大改善，而在達到同等性能的條件下，本文提出的ESFD-MAC協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量較FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一種優(yōu)于FD-MAC的節(jié)能型無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議。

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[9] Kato Katsuhiro， Bandai Masaki. Routing Protocol for Directional Full-Duplex Wireless[A]. Proceedings of IEEE PIMRC[C]. 2013.

[10] ETSI TR 101.112 V3.2.0. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS （UMTS 30.03 Version 3.2.0）[S]. 1998.endprint