一种应用于WLAN的混合双工MAC协议

吴皓威 邹玉涛 孙 晨 欧静兰



一种应用于WLAN的混合双工MAC协议

吴皓威*①②邹玉涛②孙 晨②欧静兰②

①(重庆大学飞行器测控与通信教育部重点实验室 重庆 400044)②(重庆大学通信工程学院 重庆 400044)

全双工通信技术可以提高链路容量和频谱利用率，会给现有无线局域网(WLAN)带来极大的变革。该文针对传统半双工WLAN向全双工WLAN发展的过程中多种双工站点共存的问题，提出一种混合双工媒体接入控制(MAC)协议(HYD-MAC)。该协议合理设计了请求发送/清除发送(RTS/CTS)帧，并根据网络隐藏节点状况和站点全双工能力，自适应地选择最佳的传输模式，包括同步全双工、异步全双工、条件半双工以及半双工等4种模式。给出了HYD-MAC协议在4种传输模式下的链路建立与数据传输流程，分析了HYD-MAC的饱和吞吐量和介质访问时延等网络性能。仿真结果表明，所提的HYD-MAC的性能优于传统半双工DCF协议，特别在帧长较长、站点数较少、数据传输速率较低时，HYD-MAC的性能提升效果更加明显；与经典的全双工协议相比，HYD-MAC协议通过牺牲极少的吞吐量和时延性能，可以同时满足全双工、半双工以及混合双工网络的通信需求。

无线局域网；媒体接入控制；全双工；半双工；混合双工

1 引言

全双工通信技术可以实现同时同频发送和接收信号，从而提高链路容量和频谱利用率，是5G和未来无线通信系统的关键技术之一[1,2]。近几年，全双工通信技术是无线局域网技术的研究热点，研究的内容涉及物理层自干扰消除技术、全双工MAC协议、全双工中继[9,10]等。目前全双工器件的价格较高，体积也较大[3]，但随着全双工自干扰抵消技术的进一步研究，将给现有无线局域网(WLAN)带来极大的变革。WLAN走向全双工是必然的趋势，届时传统的半双工MAC协议已无法适应全双工WLAN，因此为了进一步提高WLAN的网络容量和频谱效率，需要研究全双工MAC协议[7]。

目前，已有许多全双工MAC协议的研究成果。文献[11]参考IEEE802.11标准设计和实现了全双工物理层与MAC层，MAC层通过共同退避、帧头监听、虚拟退避等机制，将网络吞吐量提高70%。文献[12]也提出一种基于IEEE802.11标准的全双工MAC协议，通过RTS/CTS机制在双向传输前进行信道预约，预约成功后进行同时同频双向传输，不仅提高了网络吞吐量，还能够有效兼容传统RTS/ CTS(Request To Send/Clear To Send)。文献[13]提出了一种基于CSMA/CA的分布式全双工MAC协议，通过所有的用户在发送数据的同时仍然保持感知和监听信道状态，这样降低了冲突和碰撞概率从而提高了信道利用率。但该协议中要求所有用户都工作在全双工模式。文献[14]提出一种非对称双工MAC协议, 利用基于包对齐捕获效应机制和虚拟赤字轮询算法来建立全双工链路，提高网络的公平性和吞吐量，但该协议仅针对全双工接入点与半双工站点的应用场景。文献[15]提出的ContraFlow协议是一个经典的单信道全双工MAC协议，通过限制发送、忙音信号、权重列表等策略解决了双向链路建立过程中的隐藏终端和暴露终端问题，提高了协议的公平性和整体效率，但其只支持全双工的接入点和终端。

上述全双工MAC协议都能够提升WLAN的性能，但由于目前所有WLAN终端都工作在半双工模式，因此在传统半双工WLAN向全双工WLAN发展的过程中，全双工的接入点(Access Point, AP)需要能够兼容半双工终端和全双工终端。例如，如果网络中的AP使用全双工方式，而部分终端仍使用传统半双工方式，若此时强制使用全双工MAC协议将大大降低网络的效率。如果全双工AP在通信过程中能根据不同终端的双工能力，主动开闭相应的接收或发送通道来切换双工模式，这样在不增加设备成本、不降低网络性能的情况下，就能很好地解决多种双工站点同存的问题。

本文针对传统半双工WLAN向全双工WLAN发展的过程中多种双工站点共存的问题，提出一种混合双工MAC协议(HYD-MAC)。该协议根据网络隐藏节点状况和各站点的全双工能力，从同步全双工、异步全双工、条件半双工以及半双工等4种模式中自适应地选择最佳的传输模式，以提高系统的吞吐量。并给出了HYD-MAC协议在4种传输模式下的链路建立与数据传输流程，分析了HYD-MAC的饱和吞吐量和介质访问时延等网络性能，进行了仿真验证和对比。仿真结果表明，所提的HYD-MAC的性能优于传统半双工DCF协议，特别在帧长较长、站点数较少、数据传输速率较低时，HYD-MAC的吞吐量与介质访问时延的提升效果更加明显；与经典的全双工协议ContraFlow协议相比，HYD-MAC协议通过牺牲极少的吞吐量和时延性能，可以同时满足全双工、半双工以及混合双工网络的通信需求。

2 HYD-MAC协议

2.1 HRTS/HCTS帧格式

为了适应不同的双工网络场景，实现全双工与半双工的有效兼容，同时尽可能地提高系统吞吐量性能，HYD-MAC必须充分考虑网络条件、站点的全双工能力，尽可能地采用全双工模式进行通信。因此，HYD-MAC协议以传统请求发送/清除发送 (RTS/CTS) 协议为基础，为了更好地发挥全双工的优势，对IEEE802.11定义的RTS帧与CTS帧进行了合理的扩充，形成了新的帧，分别称为HRTS帧与HCTS帧。

HRTS与HCTS的帧格式如图1所示，HRTS是在传统RTS帧的基础了增加了用于全双工通信的字段(Full-Duplex Header, FDH), FDH长度为1 bit，只有一个MODE字段，说明接下来的通信过程采用的双工模式，1代表全双工通信模式，0代表半双工模式。HCTS帧的FDH长度为49 bit，其中MODE字段为1 bit，其余48 bit为ADDR字段。ADDR字段用于存放长度为48 bit的MAC地址，说明发送该HCTS的站点有数据发送给ADDR中的地址所表示的站点。

2.2 HYD-MAC工作原理

2.2.1自适应传输 HYD-MAC将根据网络隐藏节点状况和各站点的全双工能力来自适应地选择合适的传输模式，包括同步全双工、异步全双工、条件半双工和半双工等4种模式，如图2所示。HYD- MAC通过链路建立过程中的HRTS/HCTS帧，来判断网络中是否存在隐藏节点；通过HRTS/HCTS帧的MODE字段来判断各站点的双工能力。从而自适应地选择最佳的传输模式，以提高系统的吞吐量。因此，HYD-MAC可以与IEEE802.11 DCF保持兼容，满足了全双工网络、半双工网络以及混合双工网络的通信需求。下面具体给出4种传输模式的适用条件。

图1 HRTS/HCTS帧格式

图2 HYD-MAC的传输模式

2.2.2链路建立流程 图3给出了4种传输模式下网络的链路建立和数据传输流程。由于半双工传输模式是采用经典的RTS/CTS机制，因此只给出了余下3种传输模式的具体建链步骤。

(1)同步全双工传输模式链路建立的具体步骤：

(2)异步全双工传输模式链路建立的具体步骤：

(3)条件半双工传输模式的链路建立具体步骤：

图3 HYD-MAC链路建立流程

3 性能分析

3.1饱和吞吐量

文中使用归一化饱和吞吐量来描述网络的性能。HYD-MAC的归一化饱和吞吐量表示为

(2)

结合式(1)，式(2)得到HYD-MAC在残余自干扰情况下的全双工模式的归一化吞吐量为

(4)

在异步全双工传输模式时有

在条件半双工传输模式时有

(6)

在半双工传输模式时有

3.2介质访问时延

介质访问时延是网络的重要指标之一，对于实时多媒体业务来说尤为重要。HYD-MAC介质访问时延是指需要发送数据帧的站点，从竞争信道开始到目的站点接收到该数据帧所用去的时间总和。假设每个节点总是有数据需要发送，即网络处于饱和状态，且不考虑时延抖动等情况，此时介质访问时延可以表示为站点连续两次成功发送数据帧的时间间隔，即

(10)

结合式(2)，式(9)，式(10)得到HYD-MAC介质访问时延为

4 仿真分析

下文将HYD-MAC协议的各项性能指标分别与传统RTS/CTS协议、ContraFlow协议[15]等进行对比。其中，传统RTS/CTS协议是半双工协议；ContraFlow协议是基于DCF基本访问的全双工MAC协议，发送数据前无需发送RTS/CTS帧，因此无法解决隐藏终端带来的碰撞问题，同时该协议只能应用于全双工网络，无法适应混合双工网络。仿真中如无特殊说明，均不考虑全双工系统的自干扰对网络的影响，仿真参数见表1。

4.1 饱和吞吐量

图4为HYD-MAC归一化饱和吞吐量随站点数变化的曲线图，其中物理层数据传输速率= 150 Mbps，帧长为4096 Byte。从图中可以看出：所提的HYD-MAC的归一化饱和吞吐量随着站点数的增大而不断降低；同时其在同步全双工模式或异步全双工下的归一化吞吐量性能都优于传统半双工RTS/CTS。但所提的HYD-MAC的性能略低于ContraFlow协议，这是因为ContraFlow协议没有兼容混合双工网络，没有用于握手的RTS/CTS帧交换开销，仅通过基本访问方式来接入信道。

表1仿真参数

参数名称符号参数值 PLCP前导码持续时间TPREAMBLE16 μs SIGNAL域持续时间TSIGNAL4 μs HRTS, HCTS, ACK传输速率RBAS24 Mbps 时隙长度aSlotTime9 μs SIFS持续时间TSIFS16 μs DIFS持续时间TDIFS34 μs 数据帧有效长度(MSDU)L0~7955 Byte 最大重传次数m9

图6为HYD-MAC归一化吞吐量在不同数据传输速率下的变化曲线。其中站点数，帧长固定为4096 Byte。HYD-MAC吞吐量是随传输速率的增大而提高，但归一化吞吐量却随传输速率增大而降低，因为归一化吞吐量表示实际吞吐量与数据传输速率的比值，在帧长固定的情况下，当传输速率增大时，每一次传输过程中，有效数据的传输时间与其它传输开销的比值减低，因此归一化吞吐量降低。

图7为HYD-MAC在存在全双工收发自干扰情况下的归一化饱和吞吐量曲线。仿真中全双工系统发射功率为，接收功率为,，站点数，帧长，物理层采用64QAM，仿真忽略接收端信道噪声的影响。从图7可知，HYD-MAC归一化饱和吞吐量随自干扰消除能力的提高而提高。当自干扰消除能力较低时，接收端信干噪比比较低，对64QAM进行解调时误码率很高，因此有效吞吐量很低。当自干扰消除能力超过90 dB时，接收端对64QAM的误码率接近理论误码率，归一化饱和吞吐量将趋于稳定，不再继续升高。

图4 不同站点数下的HYD-MAC归一化饱和吞吐量曲线

图5 不同帧长下的HYD-MAC归一化饱和吞吐量曲线

图6不同数据传输速率下归一化饱和吞吐量曲线

4.2介质访问时延

图8为HYD-MAC在不同站点数下的介质访问时延曲线。其中，帧长为4096 Byte。由图可知，随着站点数的增大，HYD-MAC的介质访问时延呈线性增长。在相同条件下，介质访问时延从小到大依次是ContraFlow、同步全双工模式、异步全双工模式和传统RTS/CTS。HYD- MAC的时延性能比ContraFlow稍差，因为HYD- MAC通过牺牲一定的时延增益以适应不同双工网络的通信需求。

5 结束语

针对传统半双工DCF不适用于全双工WLAN的问题以及全双工WLAN需要兼容半双工终端的情况，本文提出了一种HYD-MAC协议。该协议设计了HCTS/HRTS帧，结合不同的网络场景和站点的全双工能力，自适应地选择不同的传输模式，以提高网络的吞吐量。从网络吞吐量和介质访问时延等性能来看，HYD-MAC的性能优于传统半双工DCF协议，考虑单一网络因素对协议性能的影响时，在帧长较长、站点数较少、数据传输速率较低的条件下，HYD-MAC的性能提升效果更加明显；与全双工ContraFlow协议相比，HYD-MAC协议通过牺牲极少的吞吐量和时延性能，以适应全双工、半双工以及混合双工网络的通信需求。

图7 不同自干扰消除能力下的归一化饱和吞吐量曲线

图8 不同站点数下的HYD- MAC介质访问时延曲线

图9 不同帧长下的HYD- MAC介质访问时延曲线

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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

吴皓威 wuhaowei@cqu.edu.cn

国家高技术研究发展计划(2015AA7072014C)，重庆市院士基金项目(cstc2014yykfys90001)

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

吴皓威： 男，1981年生，副研究员，研究方向为无线局域网、宽带无线通信、飞行器测控等.

邹玉涛： 男，1990年生，硕士生，研究方向为无线局域网、数据链等.

孙 晨： 男，1990年生，硕士生，研究方向为无线局域网、OFDM技术等.

欧静兰： 女，1981年生，副教授，研究方向为宽带无线通信、中继通信等.