吳皓威 鄒玉濤 孫 晨 歐靜蘭

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一種應(yīng)用于WLAN的混合雙工MAC協(xié)議

吳皓威*①②鄒玉濤②孫 晨②歐靜蘭②

①(重慶大學(xué)飛行器測控與通信教育部重點實驗室 重慶 400044)②(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院 重慶 400044)

全雙工通信技術(shù)可以提高鏈路容量和頻譜利用率，會給現(xiàn)有無線局域網(wǎng)(WLAN)帶來極大的變革。該文針對傳統(tǒng)半雙工WLAN向全雙工WLAN發(fā)展的過程中多種雙工站點共存的問題，提出一種混合雙工媒體接入控制(MAC)協(xié)議(HYD-MAC)。該協(xié)議合理設(shè)計了請求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)幀，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)隱藏節(jié)點狀況和站點全雙工能力，自適應(yīng)地選擇最佳的傳輸模式，包括同步全雙工、異步全雙工、條件半雙工以及半雙工等4種模式。給出了HYD-MAC協(xié)議在4種傳輸模式下的鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸流程，分析了HYD-MAC的飽和吞吐量和介質(zhì)訪問時延等網(wǎng)絡(luò)性能。仿真結(jié)果表明，所提的HYD-MAC的性能優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工DCF協(xié)議，特別在幀長較長、站點數(shù)較少、數(shù)據(jù)傳輸速率較低時，HYD-MAC的性能提升效果更加明顯；與經(jīng)典的全雙工協(xié)議相比，HYD-MAC協(xié)議通過犧牲極少的吞吐量和時延性能，可以同時滿足全雙工、半雙工以及混合雙工網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

無線局域網(wǎng)；媒體接入控制；全雙工；半雙工；混合雙工

1 引言

全雙工通信技術(shù)可以實現(xiàn)同時同頻發(fā)送和接收信號，從而提高鏈路容量和頻譜利用率，是5G和未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1,2]。近幾年，全雙工通信技術(shù)是無線局域網(wǎng)技術(shù)的研究熱點，研究的內(nèi)容涉及物理層自干擾消除技術(shù)、全雙工MAC協(xié)議、全雙工中繼[9,10]等。目前全雙工器件的價格較高，體積也較大[3]，但隨著全雙工自干擾抵消技術(shù)的進(jìn)一步研究，將給現(xiàn)有無線局域網(wǎng)(WLAN)帶來極大的變革。WLAN走向全雙工是必然的趨勢，屆時傳統(tǒng)的半雙工MAC協(xié)議已無法適應(yīng)全雙工WLAN，因此為了進(jìn)一步提高WLAN的網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜效率，需要研究全雙工MAC協(xié)議[7]。

目前，已有許多全雙工MAC協(xié)議的研究成果。文獻(xiàn)[11]參考IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和實現(xiàn)了全雙工物理層與MAC層，MAC層通過共同退避、幀頭監(jiān)聽、虛擬退避等機(jī)制，將網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高70%。文獻(xiàn)[12]也提出一種基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的全雙工MAC協(xié)議，通過RTS/CTS機(jī)制在雙向傳輸前進(jìn)行信道預(yù)約，預(yù)約成功后進(jìn)行同時同頻雙向傳輸，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還能夠有效兼容傳統(tǒng)RTS/ CTS(Request To Send/Clear To Send)。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于CSMA/CA的分布式全雙工MAC協(xié)議，通過所有的用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時仍然保持感知和監(jiān)聽信道狀態(tài)，這樣降低了沖突和碰撞概率從而提高了信道利用率。但該協(xié)議中要求所有用戶都工作在全雙工模式。文獻(xiàn)[14]提出一種非對稱雙工MAC協(xié)議, 利用基于包對齊捕獲效應(yīng)機(jī)制和虛擬赤字輪詢算法來建立全雙工鏈路，提高網(wǎng)絡(luò)的公平性和吞吐量，但該協(xié)議僅針對全雙工接入點與半雙工站點的應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[15]提出的ContraFlow協(xié)議是一個經(jīng)典的單信道全雙工MAC協(xié)議，通過限制發(fā)送、忙音信號、權(quán)重列表等策略解決了雙向鏈路建立過程中的隱藏終端和暴露終端問題，提高了協(xié)議的公平性和整體效率，但其只支持全雙工的接入點和終端。

上述全雙工MAC協(xié)議都能夠提升WLAN的性能，但由于目前所有WLAN終端都工作在半雙工模式，因此在傳統(tǒng)半雙工WLAN向全雙工WLAN發(fā)展的過程中，全雙工的接入點(Access Point, AP)需要能夠兼容半雙工終端和全雙工終端。例如，如果網(wǎng)絡(luò)中的AP使用全雙工方式，而部分終端仍使用傳統(tǒng)半雙工方式，若此時強(qiáng)制使用全雙工MAC協(xié)議將大大降低網(wǎng)絡(luò)的效率。如果全雙工AP在通信過程中能根據(jù)不同終端的雙工能力，主動開閉相應(yīng)的接收或發(fā)送通道來切換雙工模式，這樣在不增加設(shè)備成本、不降低網(wǎng)絡(luò)性能的情況下，就能很好地解決多種雙工站點同存的問題。

本文針對傳統(tǒng)半雙工WLAN向全雙工WLAN發(fā)展的過程中多種雙工站點共存的問題，提出一種混合雙工MAC協(xié)議(HYD-MAC)。該協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)隱藏節(jié)點狀況和各站點的全雙工能力，從同步全雙工、異步全雙工、條件半雙工以及半雙工等4種模式中自適應(yīng)地選擇最佳的傳輸模式，以提高系統(tǒng)的吞吐量。并給出了HYD-MAC協(xié)議在4種傳輸模式下的鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸流程，分析了HYD-MAC的飽和吞吐量和介質(zhì)訪問時延等網(wǎng)絡(luò)性能，進(jìn)行了仿真驗證和對比。仿真結(jié)果表明，所提的HYD-MAC的性能優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工DCF協(xié)議，特別在幀長較長、站點數(shù)較少、數(shù)據(jù)傳輸速率較低時，HYD-MAC的吞吐量與介質(zhì)訪問時延的提升效果更加明顯；與經(jīng)典的全雙工協(xié)議ContraFlow協(xié)議相比，HYD-MAC協(xié)議通過犧牲極少的吞吐量和時延性能，可以同時滿足全雙工、半雙工以及混合雙工網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

2 HYD-MAC協(xié)議

2.1 HRTS/HCTS幀格式

為了適應(yīng)不同的雙工網(wǎng)絡(luò)場景，實現(xiàn)全雙工與半雙工的有效兼容，同時盡可能地提高系統(tǒng)吞吐量性能，HYD-MAC必須充分考慮網(wǎng)絡(luò)條件、站點的全雙工能力，盡可能地采用全雙工模式進(jìn)行通信。因此，HYD-MAC協(xié)議以傳統(tǒng)請求發(fā)送/清除發(fā)送 (RTS/CTS) 協(xié)議為基礎(chǔ)，為了更好地發(fā)揮全雙工的優(yōu)勢，對IEEE802.11定義的RTS幀與CTS幀進(jìn)行了合理的擴(kuò)充，形成了新的幀，分別稱為HRTS幀與HCTS幀。

HRTS與HCTS的幀格式如圖1所示，HRTS是在傳統(tǒng)RTS幀的基礎(chǔ)了增加了用于全雙工通信的字段(Full-Duplex Header, FDH), FDH長度為1 bit，只有一個MODE字段，說明接下來的通信過程采用的雙工模式，1代表全雙工通信模式，0代表半雙工模式。HCTS幀的FDH長度為49 bit，其中MODE字段為1 bit，其余48 bit為ADDR字段。ADDR字段用于存放長度為48 bit的MAC地址，說明發(fā)送該HCTS的站點有數(shù)據(jù)發(fā)送給ADDR中的地址所表示的站點。

2.2 HYD-MAC工作原理

2.2.1自適應(yīng)傳輸 HYD-MAC將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)隱藏節(jié)點狀況和各站點的全雙工能力來自適應(yīng)地選擇合適的傳輸模式，包括同步全雙工、異步全雙工、條件半雙工和半雙工等4種模式，如圖2所示。HYD- MAC通過鏈路建立過程中的HRTS/HCTS幀，來判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在隱藏節(jié)點；通過HRTS/HCTS幀的MODE字段來判斷各站點的雙工能力。從而自適應(yīng)地選擇最佳的傳輸模式，以提高系統(tǒng)的吞吐量。因此，HYD-MAC可以與IEEE802.11 DCF保持兼容，滿足了全雙工網(wǎng)絡(luò)、半雙工網(wǎng)絡(luò)以及混合雙工網(wǎng)絡(luò)的通信需求。下面具體給出4種傳輸模式的適用條件。

圖1 HRTS/HCTS幀格式

圖2 HYD-MAC的傳輸模式

2.2.2鏈路建立流程 圖3給出了4種傳輸模式下網(wǎng)絡(luò)的鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸流程。由于半雙工傳輸模式是采用經(jīng)典的RTS/CTS機(jī)制，因此只給出了余下3種傳輸模式的具體建鏈步驟。

(1)同步全雙工傳輸模式鏈路建立的具體步驟：

(2)異步全雙工傳輸模式鏈路建立的具體步驟：

(3)條件半雙工傳輸模式的鏈路建立具體步驟：

圖3 HYD-MAC鏈路建立流程

3 性能分析

3.1飽和吞吐量

文中使用歸一化飽和吞吐量來描述網(wǎng)絡(luò)的性能。HYD-MAC的歸一化飽和吞吐量表示為

(2)

結(jié)合式(1)，式(2)得到HYD-MAC在殘余自干擾情況下的全雙工模式的歸一化吞吐量為

(4)

在異步全雙工傳輸模式時有

在條件半雙工傳輸模式時有

(6)

在半雙工傳輸模式時有

3.2介質(zhì)訪問時延

介質(zhì)訪問時延是網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)之一，對于實時多媒體業(yè)務(wù)來說尤為重要。HYD-MAC介質(zhì)訪問時延是指需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站點，從競爭信道開始到目的站點接收到該數(shù)據(jù)幀所用去的時間總和。假設(shè)每個節(jié)點總是有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，即網(wǎng)絡(luò)處于飽和狀態(tài)，且不考慮時延抖動等情況，此時介質(zhì)訪問時延可以表示為站點連續(xù)兩次成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間間隔，即

(10)

結(jié)合式(2)，式(9)，式(10)得到HYD-MAC介質(zhì)訪問時延為

4 仿真分析

下文將HYD-MAC協(xié)議的各項性能指標(biāo)分別與傳統(tǒng)RTS/CTS協(xié)議、ContraFlow協(xié)議[15]等進(jìn)行對比。其中，傳統(tǒng)RTS/CTS協(xié)議是半雙工協(xié)議；ContraFlow協(xié)議是基于DCF基本訪問的全雙工MAC協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)前無需發(fā)送RTS/CTS幀，因此無法解決隱藏終端帶來的碰撞問題，同時該協(xié)議只能應(yīng)用于全雙工網(wǎng)絡(luò)，無法適應(yīng)混合雙工網(wǎng)絡(luò)。仿真中如無特殊說明，均不考慮全雙工系統(tǒng)的自干擾對網(wǎng)絡(luò)的影響，仿真參數(shù)見表1。

4.1 飽和吞吐量

圖4為HYD-MAC歸一化飽和吞吐量隨站點數(shù)變化的曲線圖，其中物理層數(shù)據(jù)傳輸速率= 150 Mbps，幀長為4096 Byte。從圖中可以看出：所提的HYD-MAC的歸一化飽和吞吐量隨著站點數(shù)的增大而不斷降低；同時其在同步全雙工模式或異步全雙工下的歸一化吞吐量性能都優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工RTS/CTS。但所提的HYD-MAC的性能略低于ContraFlow協(xié)議，這是因為ContraFlow協(xié)議沒有兼容混合雙工網(wǎng)絡(luò)，沒有用于握手的RTS/CTS幀交換開銷，僅通過基本訪問方式來接入信道。

表1仿真參數(shù)

參數(shù)名稱符號參數(shù)值 PLCP前導(dǎo)碼持續(xù)時間TPREAMBLE16 μs SIGNAL域持續(xù)時間TSIGNAL4 μs HRTS, HCTS, ACK傳輸速率RBAS24 Mbps 時隙長度aSlotTime9 μs SIFS持續(xù)時間TSIFS16 μs DIFS持續(xù)時間TDIFS34 μs 數(shù)據(jù)幀有效長度(MSDU)L0~7955 Byte 最大重傳次數(shù)m9

圖6為HYD-MAC歸一化吞吐量在不同數(shù)據(jù)傳輸速率下的變化曲線。其中站點數(shù)，幀長固定為4096 Byte。HYD-MAC吞吐量是隨傳輸速率的增大而提高，但歸一化吞吐量卻隨傳輸速率增大而降低，因為歸一化吞吐量表示實際吞吐量與數(shù)據(jù)傳輸速率的比值，在幀長固定的情況下，當(dāng)傳輸速率增大時，每一次傳輸過程中，有效數(shù)據(jù)的傳輸時間與其它傳輸開銷的比值減低，因此歸一化吞吐量降低。

圖7為HYD-MAC在存在全雙工收發(fā)自干擾情況下的歸一化飽和吞吐量曲線。仿真中全雙工系統(tǒng)發(fā)射功率為，接收功率為,，站點數(shù)，幀長，物理層采用64QAM，仿真忽略接收端信道噪聲的影響。從圖7可知，HYD-MAC歸一化飽和吞吐量隨自干擾消除能力的提高而提高。當(dāng)自干擾消除能力較低時，接收端信干噪比比較低，對64QAM進(jìn)行解調(diào)時誤碼率很高，因此有效吞吐量很低。當(dāng)自干擾消除能力超過90 dB時，接收端對64QAM的誤碼率接近理論誤碼率，歸一化飽和吞吐量將趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)升高。

圖4 不同站點數(shù)下的HYD-MAC歸一化飽和吞吐量曲線

圖5 不同幀長下的HYD-MAC歸一化飽和吞吐量曲線

圖6不同數(shù)據(jù)傳輸速率下歸一化飽和吞吐量曲線

4.2介質(zhì)訪問時延

圖8為HYD-MAC在不同站點數(shù)下的介質(zhì)訪問時延曲線。其中，幀長為4096 Byte。由圖可知，隨著站點數(shù)的增大，HYD-MAC的介質(zhì)訪問時延呈線性增長。在相同條件下，介質(zhì)訪問時延從小到大依次是ContraFlow、同步全雙工模式、異步全雙工模式和傳統(tǒng)RTS/CTS。HYD- MAC的時延性能比ContraFlow稍差，因為HYD- MAC通過犧牲一定的時延增益以適應(yīng)不同雙工網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)半雙工DCF不適用于全雙工WLAN的問題以及全雙工WLAN需要兼容半雙工終端的情況，本文提出了一種HYD-MAC協(xié)議。該協(xié)議設(shè)計了HCTS/HRTS幀，結(jié)合不同的網(wǎng)絡(luò)場景和站點的全雙工能力，自適應(yīng)地選擇不同的傳輸模式，以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。從網(wǎng)絡(luò)吞吐量和介質(zhì)訪問時延等性能來看，HYD-MAC的性能優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工DCF協(xié)議，考慮單一網(wǎng)絡(luò)因素對協(xié)議性能的影響時，在幀長較長、站點數(shù)較少、數(shù)據(jù)傳輸速率較低的條件下，HYD-MAC的性能提升效果更加明顯；與全雙工ContraFlow協(xié)議相比，HYD-MAC協(xié)議通過犧牲極少的吞吐量和時延性能，以適應(yīng)全雙工、半雙工以及混合雙工網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

圖7 不同自干擾消除能力下的歸一化飽和吞吐量曲線

圖8 不同站點數(shù)下的HYD- MAC介質(zhì)訪問時延曲線

圖9 不同幀長下的HYD- MAC介質(zhì)訪問時延曲線

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A Hybrid-duplex MAC Protocol for WLAN

WU Haowei①②ZOU Yutao②SUN Chen②OU Jinglan②

①(&,,,400044,②(,,400044,)

Full duplex communication technology can improve the link capacity and spectrum utilization, which brings great changes to the existing Wireless Local Area Network (WLAN). To Solve the compatibility issues in the process of half-duplex WLAN evolution to full-duplex WLAN, a HYbrid-Duplex MAC protocol (HYD-MAC) is proposed. According to the application scenarios and the full-duplex capability of the stations, the Request To Send/Clear To Send (RTS/CTS) frames are expanded and HYD-MAC can adaptively choose one from the four duplex modes, which are the synchronous full duplex, the asynchronous full duplex, the conditional half-duplex and half-duplex. The link establishment process of HYD-MAC protocol in four transmission modes are presented, and the network performance such as the network saturation throughput and medium access delay of the proposed protocol are analyzed. The results show that the HYD-MAC protocol can satisfy the communication requirements of the full-duplex network, half-duplex network and hybrid-duplex network at the same time by sacrificing little throughput and delay performance.

WLAN; MAC; Full-duplex; Half-duplex; Hybrid-duplex

TN915.04

A

1009-5896(2017)04-0840-07

10.11999/JEIT160539

2016-05-26；

改回日期：2016-09-23；

2016-12-02

吳皓威 wuhaowei@cqu.edu.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2015AA7072014C)，重慶市院士基金項目(cstc2014yykfys90001)

The National High-tech R&D Program (2015AA7072014C), The Chongqing Academician Fund Project (cstc2014yykfys90001)

吳皓威： 男，1981年生，副研究員，研究方向為無線局域網(wǎng)、寬帶無線通信、飛行器測控等.

鄒玉濤： 男，1990年生，碩士生，研究方向為無線局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈等.

孫 晨： 男，1990年生，碩士生，研究方向為無線局域網(wǎng)、OFDM技術(shù)等.

歐靜蘭： 女，1981年生，副教授，研究方向為寬帶無線通信、中繼通信等.