一种基于全双工的节能型无线局域网MAC协议

王均+靳浩+李勇

【摘    要】提出了一种基于同时同频全双工的节能型无线局域网MAC协议，对该协议进行网络仿真，并从网络吞吐量、能量消耗等方面与传统的无线局域网MAC协议进行比较。从仿真结果可以看出，基于同时同频全双工的MAC协议的性能较传统半双工无线局域网MAC协议有较大改善，而且在达到同等性能的条件下所提出的MAC协议比FD-MAC消耗的能量更少。

【关键词】无线局域网    同时同频全双工    MAC协议    节能

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A    文章编号：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

双工是一种实现双向通信的技术，分为2类：全双工是指通信双方同时发送和接收信号;半双工是指通信双方轮流发送和接收信号。现有的无线通信基本的全双工方法有2种：频分双工（FDD）是异频全双工通信，通信双方发送的信号频带不同;时分双工（TDD）是同频全双工通信，采用相同的频带发送信号，但收发轮流进行。无线通信中，由于发送信号和接收信号的功率十分悬殊，通常到60dB以上[1]，而接收信号的功率时时变化且没有规律，因此同时同频全双工技术在无线通信时实现难度大。

现阶段，无线射频支持在同一个信道上某一时刻只进行发送或者接收操作，而不能同时发送和接收数据。很多学者对同时同频全双工技术的实现做了大量的研究，而实现同时同频全双工技术的最大难题在于如何消除自干扰（Self-interference）。因此，国内外一些学者对同时同频全双工的自干扰消除技术进行了深入研究。文献[2]提出了一种模拟消除技术，使用噪声消除芯片从接收信号中减去自干扰信号（噪声）实现干扰消除。文献[3]提出了一种数字消除技术，即经过ADC采样之后，使用之字形（ZigZag）解码技术实现干扰消除。文献[4]提出了一种利用天线布局技术（Antenna Placement Techniques）来消除自干扰的“天线”消除法，该方法为每个节点配置三根天线（两发一收），两个发射天线与接收天线的距离差为半个波长，能消除自干扰20～30dB，再加上模拟和数字消除法，可以消除自干扰50～60dB。文献[1]利用信号反转和自适应消除法实现同时同频全双工，单独使用信号反转可以减少自干扰信号45dB以上，加上自适应消除法可以将10MHz带宽的OFDM自干扰信号减少73dB，再加上信号在发送天线和接收天线之间的路径损耗，发送信号经接收端处理后能降低100dB以上。这样在短距离无线通信网络中，可以实现接近理想的同时同频全双工传输机制。

国内外已有许多学者将同时同频全双工技术应用于各种无线网络，并得出了相关结论。文献[5]分析了全双工无线网络的信道容量和能量效率。文献[1]提出了基于同时同频全双工的无线局域网MAC协议（FD-MAC）。文献[6]将定向天线技术引入至全双工无线多跳网络，在节点拓扑呈线性结构时可以提高网络吞吐量。文献[7]提出了一种自适应的全双工无线局域网MAC协议，即根据节点缓存来选择竞争窗口大小，缓存越大，竞争窗口就越小。文献[8]提出了一种基于全双工的无线多跳网络MAC协议（RFD-MAC），该协议通过监听邻居节点的通信状态来选择是否进行数据发送，从而避免冲突。文献[9]提出了一种基于全双工的无线网格网路由协议。

2   问题的产生

文献[1]指出将全双工技术应用于无线局域网可以消除隐藏终端问题和上下行公平性问题，并提出了基于同时同频全双工的MAC协议（FD-MAC）的思想。引入全双工以后，当节点A接收来自节点B的数据时，若有到达节点B的数据，则向节点B发送数据;否则，广播忙音（Busy Tone）以通知邻居节点正在进行数据接收。在双向传输过程中，若一方传输先结束，则广播忙音信号，直至双方均传输结束。endprint

由此可见，在双向传输过程中，若节点STA先完成数据发送（或者无数据发送），则该节点一直广播忙音信号直至对方节点发送结束，以此来避免隐藏终端问题。而广播忙音信号需要消耗额外的能量，使得通信的能耗增加。鉴于此，本文提出了节能全双工MAC（ESFD-MAC，Energy-Saving Full-Duplex MAC）。

3   系统模型

下面对ESFD-MAC协议进行具体设计。

首先定义新的控制帧RN（Receive Notification），该帧由帧控制、持续时间、源地值（RA）、帧校验序列（FCS）4个字段组成，这些字段均为IEEE 802.11中已标准化的字段。

帧控制字段中包含RN帧的标识号（其中帧类型设置为01，表示控制帧，子类型选择未使用的序列号，例如0101）;持续时间为当前节点接收完数据所需要的时间;RA表示广播该控制帧的源地址。

当某个源节点S有数据帧要发送到目的节点D时，为了简化协议的描述，传输过程中S向D发送数据称为主传输，D向S发送数据称为从传输。主传输采用标准的CSMA/CA协议。S的操作流程图如图1所示，D的操作流程图如图2所示。

ESFD-MAC描述如下：

（1）节点S监听信道。该部分采用标准的CSMA/CA协议。若信道空闲，则等待DIFS时间。如果在该段时间内信道一直处于空闲状态，则DIFS时间结束后，S向目的节点D发送数据帧。若在此期间信道状态变成忙碌，则等待信道空闲。当空闲时间超过DIFS后，S启动退避过程。当退避计时器减为0后，S向目的节点D发送数据。

（2）节点D接收到数据包头部后，读取到该数据包的目的节点为本节点，进而读取当前数据包的源节点S，然后查找本节点的数据缓存是否有到达S的数据。若存在到达S的数据，则转至（3）;否则转至（4）。

（3）D的缓存中有到达S的数据时，则发送数据，并将数据帧头部的持续时间设置为主传输持续时间和从传输所需时间的较大值。D的邻居节点接收到该帧后，调整自己的网络分配向量NAV（NAV指出信道处于忙状态的持续时间）。

（4）D的缓存中无到达S的数据时，则广播RN帧，该信令通知D的其他邻居节点当前节点正在接收数据，持续时间为T（从接收到数据包头部的“持续时间”字段获取）。D的邻居节点监听到RN帧后，调整自己的网络分配向量NAV。

（5）若主传输先于从传输结束，S首先查看从传输的剩余时间（?T）。若时间大于2*SlotTime，则广播RN帧，通知其邻居节点本节点正在接收数据;否则，不发送RN帧。因为经过?T时间后，S接收结束，等待SIFS时间就会发送ACK帧，所以在从传输剩余时间小于2*SlotTime的情况下，信道空闲时间小于DIFS（DIFS=SIFS+2*SlotTime），而节点监听到信道空闲时间大于DIFS后才启动退避（或发送数据）过程，故在此情况下不发送RN帧也能保证正常通信。

（6）若从传输先于主传输结束，即主传输持续时间大于从传输结束时间，根据（3），D的邻居节点已经将各自的NAV设置为主传输的持续时间，所以D在接收数据的过程中不会被其邻居节点干扰。

4   仿真设置

为了验证上述ESFD-MAC协议的网络性能，使用OPNET Modeler进行网络仿真。网络拓扑图有1个接入节点和9个终端节点，其中所有的终端均关联至接入节点。

主要仿真参数设置如表1所示：

表1    主要仿真参数设置

参数 属性值

MAC层包汇聚协议 A-MPDU

MAC层协调功能 DCF

物理层信道忙门限值 -70dBm

天线发射功率 23dBm

噪声功率 -174dBm/Hz

载波频率 2.4GHz

物理层速率 150Mbps

通信标准 IEEE 802.11n

仿真时间 60s

本次仿真统计的结果为不同业务负载下的网络平均吞吐量、网络的平均包重传次数p以及传输数据所消耗的能量E。

定义如下：

（1）

其中，T为仿真时间，单位为s;为在T时间内节点i正确接收的总业务量，单位为bit;N为网络中节点总数。

p定义如下：

（2）

其中，S为仿真时间T内成功传输的包总数;为第i个数据包的重传次数。

E定义如下：

（3）

其中，P为天线发射功率，单位为W;Ti为传输第i个数据包所需要的时间，单位为s;TACK为传输ACK帧所需要的时间，单位为s;Eother为发送其余信号（FD-MAC中为忙音信号，ESFD-MAC中为RN信号）所消耗的能量，单位为J。

网络的业务模型可参考文献[10]。

5   仿真结果

为了验证全双工的性能，本仿真使用传统的半双工方式与其对比。

网络平均吞吐量与业务负载量的关系如图3所示。其中，横坐标表示网络的平均业务负载量（若坐标值为x，则表示上行和下行的平均业务负载量均为x）。

网络平均包重传次数如图4所示。

传输数据所消耗的能量如图5所示。

从仿真结果来看，在网络业务负载较小（小于50Mbps）的情况下，全双工（包括FD-MAC和ESFD-MAC）和半双工的平均网络吞吐量是一样的，并且上下行吞吐量之比为1。这是因为在业务量较少的情况下，半双工模式下也能将网络产生的业务完成发送，使得网络的吞吐量和全双工相同。endprint

当业务负载量增加到一定程度后（大于50Mbps），全双工模式下的平均业务吞吐量逐渐大于半双工模式，并且半双工模式下的上下行吞吐量之比增大。这是因为业务量较大时，每个节点竞争信道的概率增大：半双工模式下，竞争信道的节点数越多，AP竞争到信道的概率就越小，因此下行吞吐量减少;而全双工模式下，即便STA竞争到信道时，AP也能向其发送下行数据，这样使得下行吞吐量大大提高。最终半双工模式下的上行吞吐量约为下行的3.2倍，而全双工模式下的上下行业务比例接近于1，解决了上下行公平性问题。此外，由于全双工MAC协议解决了隐藏终端问题，再加上其并行传输特性，使得竞争信道的节点数减少，发生冲突的概率减少，因此网络的平均包重传次数也减少。

本次仿真中ESFD-MAC协议达到的网络性能和FD-MAC是一样的，但是传输数据所消耗的能量较FD-MAC少（见图5）：在只存在下行业务时节能40%左右;在上下行业务都存在且业务负载量小于100Mbps的情况下，ESFD-MAC也有较好的节能效果。

6   结束语

从本次仿真结果来看，基于全双工的WLAN网络吞吐量较传统半双工有很大改善，而在达到同等性能的条件下，本文提出的ESFD-MAC协议发送数据所消耗的能量较FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一种优于FD-MAC的节能型无线局域网MAC协议。

参考文献：

[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

当业务负载量增加到一定程度后（大于50Mbps），全双工模式下的平均业务吞吐量逐渐大于半双工模式，并且半双工模式下的上下行吞吐量之比增大。这是因为业务量较大时，每个节点竞争信道的概率增大：半双工模式下，竞争信道的节点数越多，AP竞争到信道的概率就越小，因此下行吞吐量减少;而全双工模式下，即便STA竞争到信道时，AP也能向其发送下行数据，这样使得下行吞吐量大大提高。最终半双工模式下的上行吞吐量约为下行的3.2倍，而全双工模式下的上下行业务比例接近于1，解决了上下行公平性问题。此外，由于全双工MAC协议解决了隐藏终端问题，再加上其并行传输特性，使得竞争信道的节点数减少，发生冲突的概率减少，因此网络的平均包重传次数也减少。

本次仿真中ESFD-MAC协议达到的网络性能和FD-MAC是一样的，但是传输数据所消耗的能量较FD-MAC少（见图5）：在只存在下行业务时节能40%左右;在上下行业务都存在且业务负载量小于100Mbps的情况下，ESFD-MAC也有较好的节能效果。

6   结束语

从本次仿真结果来看，基于全双工的WLAN网络吞吐量较传统半双工有很大改善，而在达到同等性能的条件下，本文提出的ESFD-MAC协议发送数据所消耗的能量较FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一种优于FD-MAC的节能型无线局域网MAC协议。

参考文献：

[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

当业务负载量增加到一定程度后（大于50Mbps），全双工模式下的平均业务吞吐量逐渐大于半双工模式，并且半双工模式下的上下行吞吐量之比增大。这是因为业务量较大时，每个节点竞争信道的概率增大：半双工模式下，竞争信道的节点数越多，AP竞争到信道的概率就越小，因此下行吞吐量减少;而全双工模式下，即便STA竞争到信道时，AP也能向其发送下行数据，这样使得下行吞吐量大大提高。最终半双工模式下的上行吞吐量约为下行的3.2倍，而全双工模式下的上下行业务比例接近于1，解决了上下行公平性问题。此外，由于全双工MAC协议解决了隐藏终端问题，再加上其并行传输特性，使得竞争信道的节点数减少，发生冲突的概率减少，因此网络的平均包重传次数也减少。

本次仿真中ESFD-MAC协议达到的网络性能和FD-MAC是一样的，但是传输数据所消耗的能量较FD-MAC少（见图5）：在只存在下行业务时节能40%左右;在上下行业务都存在且业务负载量小于100Mbps的情况下，ESFD-MAC也有较好的节能效果。

6   结束语

从本次仿真结果来看，基于全双工的WLAN网络吞吐量较传统半双工有很大改善，而在达到同等性能的条件下，本文提出的ESFD-MAC协议发送数据所消耗的能量较FD-MAC更少。因此，ESFD-MAC是一种优于FD-MAC的节能型无线局域网MAC协议。

参考文献：

[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