一种低功耗的分布式无线网络MAC协议设计*

马 静， 郎 杨， 沈来信， 邓文雯

(1. 厦门大学 软件学院， 福建 厦门 361005； 2. 新疆天山职业技术学院 电子通信学院， 乌鲁木齐 830017； 3. 同济大学 电子与信息工程学院， 上海 201804； 4. 弗吉尼亚理工大学 会计与信息系统系， 弗吉尼亚州 布莱克斯堡 24061)

一种低功耗的分布式无线网络MAC协议设计*

马 静1，2， 郎 杨1， 沈来信3， 邓文雯4

(1. 厦门大学 软件学院， 福建 厦门 361005； 2. 新疆天山职业技术学院 电子通信学院， 乌鲁木齐 830017； 3. 同济大学 电子与信息工程学院， 上海 201804； 4. 弗吉尼亚理工大学 会计与信息系统系， 弗吉尼亚州 布莱克斯堡 24061)

为了提高分布式全双工无线网络的能量效率，提出了一种改进的低功耗全双工媒体访问控制(MAC)协议.不同于传统的MAC协议，该MAC协议通过降低数据包以及确认包的传输功率来实现能量有效性.提出的MAC协议支持双向以及单向两种链路，并保持对传统半双工节点具有向后兼容性，实现了较高的吞吐量.通过基于随机几何的方法对提出的MAC协议进行了仿真分析与性能评估，结果证明了其有效性和准确性，是全双工无线网络可行的一种解决方案.

全双工； MAC协议； 低功耗； 双向链路； 单向链路； 吞吐量； 半双工； 能量有效性

目前对全双工(FD)无线通信的研究主要集中在物理层(PHY)方面[1]，但是在物理层之上也需要新的解决方案和改进协议，以便更好地提高全双工技术的工作效率.对于全双工分布式无线网络而言，设计媒体访问控制(MAC)层是非常具有实际意义的研究工作[2].

许多文献提出了各种全双工分布式无线网络MAC协议.在文献[3]中介绍了专门为双向链路设计的全双工MAC协议；文献[4]中介绍了ContraFlow MAC协议，该传输协议即使无数据需要传输，ContraFlow的主要接收器也会发送忙音，因此在降低功率、能量损耗方面效果较差，此外，ContraFlow MAC协议不能使用单向链路；文献[5]中介绍了用于单向链路的分布式MAC协议，该方法需要采用新的比特传输标记识别全双工机，因而该协议无法向后兼容传统半双工(HD)节点；文献[6]介绍了用于单向链路的MAC协议，无需使用忙音就能够解决隐藏节点的问题.

上述提及的MAC协议均基于载波侦听多路访问(CSMA)，当前协议很少考虑能量有效性，所有MAC协议将传输功率用于控制包和数据包，能耗较高.

在此背景下，本文针对文献[6]进行修改和扩展，以提高能量有效性，并且介绍了双向链路以及单向链路等全双工环境的特性.本文提出的协议主要通过降低数据包以及确认包的传输功率来实现能量有效性，另外，提出的MAC协议支持双向链路以及单向链路，并维持对半双工节点的向后兼容性，最终利用全双工实现了较高的吞吐量，同时解决隐藏节点的问题.通过基于随机几何方法对本文提出的协议进行了分析，以便对其性能做出准确评估.

1 系统模型

本文使用由全双工节点以及半双工节点组成的泊松分布式无线网络，在全双工操作方面，采用文献[7]的PHY层模型，每个节点均带有单根共用天线以及自干扰(SI)抵消机制.使用两类全双工无线链路如下：

1) 双向链路(Bi-links)，首次传输由A节点至B节点，第二次传输由B节点至A节点，首次传输和第二次传输可同时进行，这种情况下两个节点均会遭受自干扰，需使用自干扰消除机制.

2) 单向链路(Uni-links)，首次传输由A节点至B节点，第二次传输由B节点至C节点，在这种情况下只有B节点会遭受自干扰[7-8].

本文界定的网络底层系统节点的范围如图1所示.图1中，传输范围为驻留节点能够通过发送器成功破译数据包的距离；载波侦听区域为驻留节点能够侦听到发送器传输，但无法成功破译传输数据包的距离.故将各自的网络分配向量设置为扩展帧间隔(EIFS)，载波侦听区域不包括传输范围.

图1 模型中底层系统的范围Fig.1 Scope of underlying system in model

2 提出的全双工MAC协议

在底层系统模型中，有3类不同的通信：1)通过Bi-links的全双工双向通信；2)通过Uni-links的全双工单向通信；3)传统的半双工通信.鉴于数据需从A节点传输至B节点，一旦检测出通道已占用，就会开启随机回退机制.随机回退机制计时器时间一到，如果检测出通道为空，则开始传输，在最大功率(Pmax)条件下发送向B节点的发送请求(RTS)数据包，以便获取通道并让其它节点知道正在进行传输.

2.1 全双工双向通信

如果A节点和B节点之间进行全双工双向通信，B节点接收到A节点发送的RTS数据包之后，会再向A节点发送全双工，清除发送数据包之前等待短帧间隔(SIFS).全双工-CTS数据包包括源地址和目标地址以及首次传输和第二次传输的传输时间，需在最大功率条件下传输全双工-CTS以便获取第二次传输时的通道，同时B节点也会计算出Pmin，即数据传输成功时的最小传输功率，其表达式为

(1)

式中：Prx为接收功率；Rx为最小接收信号强度；c为文献[8]中提出的常量.

一旦A节点接收到全双工-CTS，就会计算出Pmin，并回复另一个全双工-CTS，与B节点同步.B节点接收到A节点传送的全双工-CTS之后，在Pmin条件下开始传输数据，功率会周期性地从Pmin增加至Pmax，所以侦听区域的节点无法破译传输，但是能够检测出传输，且两个连续功率增长间隔时间必须小于EIFS时间.根据IEEE 802.11标准[9]，15 μs适合于载波侦听，2 μs能够使功率电平从10%增加至90%，也能够使其从90%减少至10%，因此，认为20 μs足以使功率电平从Pmin增加至Pmax，也能够使其从Pmax减少至Pmin.根据IEEE 802.11标准规定将EIFS设置为364 μs，每隔340 μs提出的MAC协议节点会在最大功率条件下进行传输，持续20 μs，同时累积的传输时间小于EIFS时间.此外，由于已知首次传输和第二次传输的持续时间，A节点和B节点发送了确认字符(ACK)之后，传输会持续较长的时间.协议操作本质上能够致使SIFS持续时间不同，协议中双向传输与单向传输示意图如图2、3所示(SIFS和DIFS分别为短时间帧和802.11标准规定的DCF帧间间隔).

图2 MAC协议双向传输示意图Fig.2 Example of bidirectional transmission in MAC protocol

图3 MAC协议单向传输示例图Fig.3 Example of unidirectional transmission in MAC protocol

2.2 全双工单向通信

如果有数据包需要从B节点发送至C节点，则B节点需根据从A节点得到的接收功率计算出Pmin，之后会等待SIFS，然后在最小功率条件下将全双工-CTS发送至A节点和C节点.在数据传输开始前，A节点先计算出Pmin，然后等待2SIFS发送全双工-CTS.如果C节点接收到B节点发送的全双工-CTS，则需在全双工-CTS发送到B节点之前先计算出Pmin，之后B节点根据从C节点得到的接收功率计算出Pmin，然后将其与之前(从A节点获得)计算的Pmin进行比较.B节点会使用较大的Pmin，以便维持首次传输与第二次传输的连接.在Pmin条件下数据传输会在首次传输或者第二次传输时持续较长时间，功率会周期性地从Pmin增加至Pmax.数据传输完成之后，C节点会将ACK发送至B节点，然后B节点再将ACK发送至A节点.

2.3 半双工通信

维持对传统半双工节点的向后兼容性十分重要，如果B节点是半双工节点或者无数据包需要发送，就会等待SIFS，然后将正常CTS发送至A节点.根据标准802.11 DCF协议[9-11]继续进行半双工通信.

2.4 隐藏节点问题的解决

当C节点和D节点在半双工模式下组成发送器-接收器时(参见图1)，F节点存在于D节点的载波侦听范围，并非C节点，充当了隐藏节点.在双向传输中，两个节点会同时进行传输及接收；而在单向传输中，隐藏节点会对第二次传输的接收器产生影响，也是本文提出全双工MAC协议采用RTS-CTS机制的原因.通过在最大功率条件下发送全双工-CTS，提出的全双工MAC协议确保第二次传输时载波侦听范围内的节点能够意识到有数据进行传输.

3 协议性能分析

3.1 空间吞吐量分析

根据齐次泊松点方程Φ以及强度参数λ，假设节点分布在欧几里得平面R2内，若接收到的信号噪声比γ高于阈值β，即

(2)

式中：N0为噪声功率；Ix为A节点竞争区域内其他所有传输节点的累积干扰，则A节点能够准确接收并破译从B节点传输的数据包.本文采用了MAC层竞争的改进Matérn模型，在该模型中，Φ中每个点x均标有独立标记tx，且均匀分布在[0，1]范围内.如果节点未检测出其他标记较小节点的活动，则进行传输，x邻近节点的传输过程可表示为

N(x)={x∈Φ∶txβ}

(3)

接收功率可表示为

Prx=PL(x，y)F(x，y)

(4)

式中：P为传输功率；L(x，y)为路径损耗分量；F(x，y)为导致衰落的随机变量.根据文献[9]中的概念，平均空间吞吐量可表示为

(5)

式中：α为Bi-links的占比；r为发送节点与接收节点之间的距离；n为邻近节点传输距离；pBi和pUni分别为双向传输和单向传输成功的概率；fD(r，n)为竞争区域内接收节点与邻近节点间距离的概率密度函数.

根据文献[11]中随机网络分析可知，成功传输的概率为

(6)

式中：ΔI1和ΔI2分别为首次传输与第二次传输时，接收器邻近干扰节点的拉普拉斯变换；l1和l2分别为首次传输与第二次传输时节点对之间的路径损耗分量；B为贝塔函数；Γ函数可表示为

(7)

式中，Θ为高斯超几何函数.需注意，在Bi-links以及Uni-links情况下式(6)均有效.

3.2 能量分析

由于存在自干扰，需考虑全双工节点的全双工效率[6]，即有效接收包净负载与发送包净负载的比率，可表示为

(8)

式中：f(γ)为通道的概率密度函数；κ∈[0，1]为自干扰消除系数.当κ→0时，自干扰会对全双工传输造成较大干扰；当κ→1时，自干扰不会造成干扰.在双向传输中，需考虑两个节点的全双工效率，原因在于两个节点在全双工模式下运行；但是在单向传输中，通常仅考虑首次传输接收节点的效率，故有效数据包净负载δFD可表示为

(9)

式中：δBi和δUni分别为Bi-links和Uni-links的有效数据包负载；δFT和δST分别为首次传输和第二次传输时的数据包净负载；ζ为全双工效率.为了比较，本文将半双工链路的有效数据包净负载表示为

(10)

Pmax(TRTS+TFDCTS+TIFT)

(11)

TRTS)+Pmax(TFDCTS+TIST)

(12)

式中：TRTS、TFDCTS和TACK分别为RTS、全双工-CTS和ACK帧的持续时间；TδFT和TδST分别为首次传输和第二次传输有效净负载的持续时间；Pon为接收模式下消耗的功率；TIFT和TIST分别为首次传输和第二次传输时功率增至Pmax的时间.

Pmax(TδFT-TIFT)

(13)

TRTS)+Pmax(TFDCTS+TIST)

(14)

PmaxTFDCTS

(15)

因此，总能量消耗可表示为E=αEBi+(1-α)EUni.

4 实验结果与分析

假设泊松分布式节点的面积为1 500m2，并且节点密度会发生改变，此外，RTS数据包、全双工-CTS数据包、CTS数据包、ACK数据包、PHY头帧数据包、MAC标头数据包以及负载数据包的帧尺寸分别设置为277、528、240、240、128、272以及8 184bit.SIFS、DIFS以及EIFS的帧间间隔时间分别设置为28、128以及364μs，时间间隙设置为50μs，设置α=0.5.之后将其性能与标准IEEE802.11(半双工)DCF协议[9]和文献[6]中的RTSFCTS协议进行了比较.

图4为不同协议的能量消耗比较结果，可以观察到能量消耗随着网络密度的增加而减少，原因在于传输链路较短，总传输功率减少.此外，与文献[6]中MAC协议相比，提出改进MAC协议的平均能量消耗降低了约44.8%，提出的改进MAC协议功耗明显低于传统MAC协议.由于各种信息的传输时间以及帧间间隔时间减少，能量消耗随着带宽的增加而增加，因此，在数据传输期间，功率会不断增加.

图4 不同协议的能量消耗结果Fig.4 Energy consumption of different protocol

图5为不同协议的平均空间吞吐量性能对比结果，可以观察到提出的MAC协议吞吐量性能与文献[6]在最大功率条件下传输时的性能相似.网络密度较低时，吞吐量最初呈增加趋势，此时冲突影响不显著；达到最大值之后，由于网络饱和的原因，吞吐量增加趋势开始下降.

图5 不同协议的平均空间吞吐量结果Fig.5 Average spatial throughput of different protocol

在全双工网络中，吞吐量变化也取决于全双工效率，不同协议下平均空间吞吐量随全双工效率变化曲线如图6所示.平均空间吞吐量随着全双工效率的增加而增加，当全双工效率下降到0.75以下时，平均空间吞吐量降至半双工系统水平.

图6 全双工效率变化时不同协议的平均空间吞吐量结果Fig.6 Average spatial throughput of different protocolwith change of full duplex efficiency

5 结 论

本文对原有的全双工无线网络MAC协议进行了改进，提出了一种适用于分布式无线网络的低功耗MAC协议.提出的MAC协议支持双向链路以及单向链路，并维持对半双工节点的向后兼容性，最终利用全双工实现了较高的吞吐量，同时解决隐藏节点问题.在未减少总有效吞吐量的情况下，提出的MAC协议获得了较高的能量效率，性能评估结果证明了提出MAC协议的优越性能.

[1] 李佳迅，张少杰，赵海涛，等.基于USRP2的无线网络MAC协议半实物仿真系统设计与实现 [J].计算机应用，2015，35(8)：2124-2128.

(LI Jia-xun，ZHANG Shao-jie，ZHAO Hai-tao，et al.Design and implementation of semi physical simulation system for wireless network MAC protocol based on USRP2 [J].Computer Applications，2015，35(8)：2124-2128.)

[2] 陈思洋，朱西平，文红.基于NCTUns的IEEE 802.11p MAC协议性能仿真 [J].计算机应用，2014，34(4)：945-949.

(CHEN Si-yang，ZHU Xi-ping，WEN Hong.Perfor-mance simulation of NCTUns IEEE 802.11p MAC protocol [J].Computer Applications，2014，34(4)：945-949.)

[3] Tong Z，Haenggi M.Throughput analysis for full-duplex wireless networks with imperfect self-interference cancellation [J].IEEE Transactions on Communications，2015，63(11)：4490-4500.

[4] Ghosh A，Thomas T A，Cudak M C，et al.Millimeter-wave enhanced local area systems：a high-data-rate approach for future wireless networks [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2014，32(6)：1152-1163.

[5] Sabharwal A，Schniter P，Guo D，et al.In-band full-duplex wireless：challenges and opportunities [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2014，32(9)：1637-1652.

[6] Thilina K M，Tabassum H，Hossain E，et al.Medium access control design for full duplex wireless systems：challenges and approaches [J].Communications Ma-gazine IEEE，2015，53(5)：112-120.

[7] 何鹏，阎保平，李志，等.CM-MAC：一种基于分簇的多信道车载网MAC协议 [J].计算机研究与发展，2014，51(3)：502-510.

(HE Peng，YAN Bao-ping，LI Zhi，et al.A CM-MAC：based cluster based multi-channel MAC protocol for vehicular networks [J].Computer Research and Development，2014，51(3)：502-510.)

[8] 张轩，刘昊，李智群，等.一种超低功耗无线传感器网络MAC协议 [J].传感技术学报，2014(11)：1527-1533.

(ZHANG Xuan，LIU Hao，LI Zhi-qun，et al.An ultra low power consumption wireless sensor network MAC protocol [J].Journal of Sensing Technology，2014(11)：1527-1533.)

[9] Lee Y.Throughput analysis model for IEEE 802.11e EDCA with multiple access gategories [J].Journal of Applied Research & Technology，2013，11(4)：612-621.

[10]肖雷蕾，张衡阳，毛玉泉，等.一种抖动窗口自适应的航空通信MAC协议QoS机制 [J].重庆邮电大学学报(自然科学版)，2016，28(1)：45-52.

(XIAO Lei-lei，ZHANG Heng-yang，MAO Yu-quan，et al.A media access control protocol QoS mechanism based on adaptive jitter window in aeronautical networks [J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition)，2016，28(1)：45-52.)

[11]李智敏，陈祥光.基于异步MAC协议的WSN节点通信能耗模型的研究及应用 [J].北京理工大学学报，2015，35(2)：171-175.

(LI Zhi-min，CHEN Xiang-guang.Research and application of energy consumption model for WSN node communication based on asynchronous MAC protocol [J].Journal of Beijing Institute of Technology，2015，35(2)：171-175.)

(责任编辑：景 勇 英文审校：尹淑英)

DesignofanMACprotocolfordistributedwirelessnetworkwithlowpowerconsumption

MA Jing1,2, LANG Yang1, SHEN Lai-xin3, DENG Wen-wen4

(1. Software School, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2. School of Electronic and Communication, Xinjiang Tianshan Vocational and Technical College, Urumchi 830017, China; 3. College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 4. Department of Accounting and Information Systems, Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia 24061, USA)

In order to improve the energy efficiency of the distributed full duplex wireless network, an improved full duplex medium access control (MAC) protocol with low power consumption was proposed. Unlike the traditional MAC protocol, the proposed MAC protocol could achieve the energy efficiency through reducing the transmission power of data and acknowledgement packets. The proposed MAC protocol supported both bidirectional and unidirectional links, and maintained the backward compatibility to the traditional half duplex nodes, which could achieve a high throughput. The simulation analysis and performance evaluation for the proposed MAC protocol were carried out based on the random geometry method. The results verify the effectiveness and accuracy of the proposed method. The proposed method is a feasible solution scheme for the full duplex wireless network.

full duplex; MAC protocol; low power consumption; bidirectional link; unidirectional link; throughput; half duplex; energy efficiency

TP 391

： A

： 1000-1646(2017)05-0551-06

2016-08-14.

国家文化部科技创新资助项目(WHBKJCXXM20142554)； 国家文化部科技提升资助项目(GJWHKJTSXM20151991)； 江苏省高等教育教改课题资助项目(2015jsjg411).

马 静(1979-)，女，新疆乌鲁木齐人，讲师，硕士，主要从事计算机科学技术、模式识别与复杂计算等方面的研究.

* 本文已于2017-03-28 17∶09在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1709.028.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.14