面向WiFi空闲频带的机会性MAC接入的M2M通信

陈 霄,伍晓峰,郑 路,崔 翔

(广州体育职业技术学院，广东 广州 510650)

0 引 言

M2M通信是物联网(Internet-of-Things, IoT)的重要部分，其允许设备在无人参与情况下完成通信。将未注册的工业、科学的医疗带宽用于无线M2M设备的通信是提高带宽利用率的有效方式。然而，这些频谱已被现存网络使用，其中多数是被WiFi使用。目前，WiFi已在多数家庭、商业单位中普及。因此，在这些区域内部署M2M设备会产生干扰，导致碰撞以及数据包丢失。然而，据观察，WiFi网络在某些段时间内并没有被充分使用[1]，换而言之，原本WiFi网络所占用的带宽资源并没有充分利用，即在一段时间内，这些资源是空闲的，将这些空闲频带的时间，称为WiFi的空白空间。这些空白空间为M2M和WiFi通信的共存提供了可能。

目前，研究人员对M2M和WiFi通信的共存进行了较深入的研究。文献[2-3]分析了将WiFi空白空间提供给机会的M2M通信的性能，分析显示：即使在WiFi重流量环境下，仍有足够的空白空间。文献[4]提出向WiFi流量业务发送CTS消息，进而完成传感节点间的数据交互。然而，此方案要求M2M设备具有发送WiFi CTS包的能力，这必然增加了这些设备的成本。

此外，文献[5]采用由接入点AP发送CTS包，进而使得ZigBee通信能够使用信道。CTS阻碍WiFi节点约32ms，这就允许ZigBee节点在这个间隔内通信。如此CTS包每隔200ms重复一次。长时间预留WiFi信道，增加了WiFi网络传输数据包时延。

为此，本文提出面向WiFi空闲频带的机会性MAC接入的M2M通信策略(WiFi-M2M)。不再将M2M设备作为WiFi的竞争者，而是利用WiFi流量的空闲频带给M2M通信。WiFi-M2M协议通过修改CTS帧，将修改后的CTS帧标记为mCTS。同时，将预留mCTS时间足够短，进而降低WiFi包到达时延。

1 WIFI-M2M协议

M2M通信模型由一个AP点、n个M2M节点和m个WiFi节点构成。当存在未使用的带宽时，AP就通知M2M节点。然后，这些M2M节点就竞争接入信道，获胜的M2M节点(记为S_M2M 节点)就在它所分配的时隙内向AP传输数据。WIFI-M2M协议结构如图1所示。图中的CTS、RFS分别表示取消发送帧(Clear-to-Send)、请求时隙(Request-for-slot)帧。

图1 WIFI-M2M协议的操作流程

当AP观察到在它的MAC层队列中无需要传输的数据包时，它就准备将让M2M节点暂时占用带宽。为了不与WiFi节点发生冲突，AP再等待时间Tω。待Tω结束后，若仍没有需要传输的数据包，就决定由M2M节点接入信道。

为此，AP就传输送mCTS帧，其目的在于为M2M节点通信保留信道。若没有M2M设备需要传输数据，则AP仍就将空闲信道交给WiFi传输。

当WiFi节点接收到mCTS帧，它们就推迟数据包传输，推迟时间为mCTS帧的通信时长。换而言之，当监听到mCTS帧，说明已启动M2M通信阶段。

一个mCTS帧包含M2M通信周期的时长Tmax、竞争时隙数L、竞争概率p。一个M2M通信周期由五步构成：

第一步：预警阶段：M2M节点从AP接收mCTS帧，并获取L和p值。

第二步：竞争阶段：M2M节点通过发送请求时隙(Request-for-slot，RFS)帧竞争信道，并从L个时隙内选择一个时隙传输RFS帧。

第三步：认识阶段：通过发送时隙认识(Slot Notification, SN)数据包，AP公布M2M节点的竞争结果。SN数据包包含了竞争成功的节点(S_M2M 节点)，以及给S_M2M 节点所分配的数据传输的时隙。

第四步：数据传输状态：S_M2M 节点就依据AP分配的时隙传输数据包。

第五步：确认状态：一旦AP接收到数据包，AP就向S_M2M 节点回复确认包BlkACK。

如图1所示，AP发现无数据包传输，就等待Tω时间后，发送mCTS帧。然后，M2M节点(M1、M2、M3、M4)就通过发送RFS消息竞争接入信道。从图1可知，M2、M4节点碰撞，而M1与M3两节点竞争成功。随后，AP通过发送SN消息，公布竞争结果。当M1与M3节点收到SN消息后，就从SN消息中提取AP所分配各自己的时隙。然后，再在此时隙内传输数据。最后，当AP接收到数据包后，它就发送确认包BlkACK。

完成了一个M2M通信周期后，WiFi节点就重新接入信道，占用带宽。

1.1 预警阶段

在预警阶段，AP通知所有M2M节点，启动M2M周期。这一过程由AP发送mCTS消息触发M2M周期的开始。mCTS的结构如图2所示，其中S_M2M字段表示竞争成功的M2M节点。

图2 mCTS的结构图

mCTS消息以帧控制字段开始，随后，包括时长字段。时长字段包含M2M通信周期的时延Tmax。这个字段，就通知WiFi节点更新网络分配矢量，致使它们在此Tmax内不接入信道。

1.2 竞争阶段

一旦接收到mCTS消息，M2M节点就在竞争阶段内竞争接入信道。此状态划分为等长的L个时隙，每个时隙长称为RFS时长(RFSD)。接收了mCTS消息后，M2M节点等待SIFS时间(最短的接入空间)，再竞争接入信道。

需要传输数据的M2M节点就从L个时隙中随机选择一个时隙，且概率为p，向AP发送RFS消息。一旦AP成功接收RFS消息，AP就将M2M节点加入成功竞争者清单(即此M2M节点成功接入信道)，并给它们分配数据时隙。如果发生碰撞，AP就记录，并调整允许发送数据M2M节点数。

1.3 时隙认识阶段

在竞争阶段中，如果一旦接收到RFS消息，AP就将竞争成功的节点清单载入时隙认知SN消息中。图3显示了SN帧结构，其中FCS表示帧检验序列。SN消息与IEEE 802.11 BLK-ACK数据包格式相似，BLK-ACK数据包中有负载字段。此负载字段包含了成功M2M节点清单。Duration 字段就更新为M2M通信周期的剩余时间值。

图3 SN帧的结构图

若无M2M节点发送数据包，则认为RFS竞争不成功，此时，AP就发送SN-ACK数据包，并且Duration 字段设置为零。

若因M2M节点间碰撞导致的竞争失败，则AP发送另一个mCTS数据包，且更新Tmax、L和p值，进而调整剩下的Duration值。此SN数据包的控制字段与IEEE 802.11 CTS 数据包相似，并且它允许M2M节点可在下一个周期内接入信道。

1.4 数据传输阶段

在数据传输阶段，已竞争成功的节点将在它所分配的时隙传输数据。数据时隙间有保护时间，且每个时隙有固定的长度。一旦AP接收到数据包，AP就发送BlkACK包。

1.5 参数估计

AP向M2M节点所发送的mCTS消息包含了L和p值，这些值应该谨慎选择，进而最大化信道利用率。当数据传输阶段中所有可能的数据时隙都被占用，此时的信道利用率最大。反过来，这就要求有一定的M2M节点数能够成功接入信道。

首先，假定AP在最初具有ND个数据时隙，ND的定义如式(1)所示：

(1)

其中TC、TSN、TACK和TD分别表示竞争时隙、时隙认知包、确认和数据时隙的时长。

然后，选择L、p，致使在竞争阶段至少存在ND个成功的M2M节点。假定在竞争阶段，有L个时隙、n个活动的M2M节点，则可分配数据时隙的期望值E[S][6]：

(2)

对于给定L值，对式(2)进行微分，并令其等于零，便可获取p的最优值p*：

p*=L/n

(3)

即在最优情况下，p=L/n，则E[S]=Le-1。由于保证E[S]等于可获取的数据时隙ND，即L=eND。将L值代入式(1)，可得：

(4)

因此，AP最初利用式(4)估计ND，且竞争阶段由L=eND时隙组成，且概率p=eND/n。即所估计的L、p值如式(5)所示：

(5)

注意到式(5)还存在参数n。为此，AP利用文献[7]所述的算法估计活动M2M节点数。

2 性能分析

2.1 实验环境

用NS3仿真器软件建立仿真平台。考虑一个AP接入点、m=5个WiFi节点，n个M2M节点。实验中考虑三类场景：1)Scenario One，n=4，每个M2M节点每秒产生55个数据包，且每个数据包大小为85字节；2)Scenario Second，n=4，每个M2M节点每秒产生222个数据包；3)Scenario Three，n=100，每个M2M节点每秒产生3.45个数据包。

此外，TW=2CWmin，其中CWmin为WiFi中退僻机制的最小竞争窗口。同时，WiFi节点产生流量过程服从Batch Markovian Arrival Process (BMAP)过程[8]。在实验中，WiFi流量到达率从1.4～12.4 Mbps变化。

2.2 实验数据分析

首先分析WiFi数据包的平均传输时延，如图4所示。

图4 WiFi数据包的平均传输时延

从图4可知，在WiFi网络平台上实施M2M节点的机会通信，增加了WiFi数据包的平均传输时延。但是从图4可知，增加的时延较少，并且随WiFi流量到达率的增加而增加的时延逐渐缩短。例如，当WiFi流量到达率为12.4 Mbps时，没有实施M2M节点通信，即只有WiFi节点通信时的传输时延约为5.1 ms，而在同种情况下Scenario Three的传输时延约为6.3 ms，增加了约1.2 ms。

图5分析了M2M通信占用WiFi空闲带宽的情况。图5分别显示三种情况下的传输mCTS数据包、M2M通信周期数。回忆WIFI-M2M协议规则，一旦有空闲带宽，AP就发送mCTS包，就启动一个M2M节点通信周期。换而言之，传输mCTS包数大于等于M2M周期数。若M2M周期数等于传输mCTS包数，表明空闲的频带全部被M2M节点使用，利用率最高。

图5 WiFi空闲频带使用率

从图5可知，在场景1和场景3中，M2M的通信周期数小于传输mCTS包数，这就说明有部分空闲的频带并没有被使用。而场景2中，M2M的通信周期数等于传输mCTS包数，这就说明M2M节点充分利用了空闲的带宽。注意了，当M2M节点没有数据要传输时，AP就在竞争阶段后，立即传输空的SN数据包，使得WiFi节点能够重新占用信道，这有利用于减少WiFi数据包的时延，并提高信道资源。

图6 每秒传输的M2M数据包数

图6显示了每秒成功接收的M2M数据包数。从图6可知，当网络未饱和时(场景1和场景3)，传输的数据包为常数，而在饱和流量下(场景2)，M2M传输的数量最初随WiFi流量的增加而增加，而后逐渐下降。原因在于：在低WiFi流量时，空闲的频带数量少，但占用时间长[2]。而当WiFi流量增加后，WiFi网络的空闲时期被频繁到过的WiFi数据包占用，这就降低了占用空闲频带的时间，但是增加空闲频带的数量。最终，就允许更多的M2M节点通信，从而提高了M2M节点传输的数据包数。但是，当WiFi流量的增加会导致更长的忙碌时长，因此，这就降低平均时长和空闲频带的数量。例如，当WiFi流量达到12.4 Mbps，每秒内允许100M2M节点传输数据包。

3 结 语

针对M2M的数据传输问题，提出面向WiFi空闲频带的机会性MAC接入的M2M通信策略。该策略充分利用WiFi的空闲频带, 利用此空闲频带完成M2M的通信。通过传输RFS包，接入信道，一旦接入信道，再利用所分配的时候传输数据。实验数据，也验证所提出的策略的有效性，提高了数据包传输率。后期，将优化算法，提高竞争接入效率，降低传输时延。这将是后期的工作方向。