CN103619072B - 一种无线网络中基于rts/fcts原理的实现全双工fd‑mac协议的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD‑MAC协议的方法，其特征在于：所述协议是在无线全双工网络中按以下步骤实现：1)、无线全双工网络中有两种类型的链路；2)、定义每一个节点的全双工效率；3)、使用RTS和FCTS帧完成握手过程。本发明同时支持双向链路和单向链路，适用于无线双工网络中我们提出的全双工MAC协议，大量的数值评估表明在无线网络中我们提出的全双工MAC协议可以获得比传统的半双工MAC协议更大的吞吐量。

Description

一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议 的方法

技术领域

本发明涉及一种实现全双工MAC协议的方法，具体涉及一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议的方法，属于无线网络通信领域。

背景技术

无线半双工传输模式通过频率或时隙将发送和接收分开，无线全双工传输模式通过在单个无线链路上同时进行发送接收，因而能够获得双倍的吞吐量。在过去的几十年里，由于无线全双工传输产生严重的自干扰，因此在无线网络中无线全双工模式并没有得到广泛的应用。如果无线全双工传输方式的自干扰能够得到有效的消除或抑制，那么它作为一种有吸引力和挑战性的传输模式可以双倍的提高系统的吞吐量。

近来，随着先进的自干扰消除和抑制技术的发展，大量的研究已证明在无线网络中使用全双工传输的可能性。这些工作单独或联合使用了传播域的干扰抑制、模拟域的干扰消除以及数字域的干扰消除。传播域的干扰抑制技术通过减少自干扰来避免射频放大器(RF)的输入被淹没；模拟域的干扰消除技术通过消除自干扰来避免模数转换器(ADC)的输入被淹没；数字域的干扰消除技术是为了消除由于射频放大器的非线性、ADC的非线性以及振荡器的相位噪声而产生的残余自干扰。

然而，要在无线网络中能够使用全双工传输，不仅在物理层需要有效的自干扰消除和抑制技术，而且在数据链路层要有全双工MAC(介质访问控制)协议，无线网络中已经提出了一些全双工的MAC(FD-MAC)协议。例如：文献[J.I.Choi,M.Jain,K.Srinivasan,P.Levis,and S.Katti,“Achieving single channel,full duplex wirelesscommunication,”in Proc.16th ACM MOBICOM,Chicago,Illinois,USA,Sep.2010]中提出了一种简单的集中式的FD-MAC协议，该协议仅仅适用于基于Balun电路和数字消除技术的无线双向链路；文献[W.Cheng,X.Zhang,and H.Zhang,“Full duplex spectrum sensingin non-time-slotted cognitive radio networks,”in IEEE MILCOM 2011,2011,pp.1029–1034]中提出了集中式的全双工MAC协议，该协议包含三部分：共享随机退避，侦听发现全双工机会以及虚拟冲突解决；对于分散式的接入网络，文献[W.Cheng,X.Zhang,andH.Zhang,“Imperfect full duplex spectrum sensing in cognitive radio networks,”in ACM Mobicom 2011,3rd ACM workshop on cognitive radio networks,2011]中提出了CONTRA FLOW协议，然而上述文献中均没有导出全双工网络中的解析模型，也没有考虑无线单向链路中可能的隐藏终端问题。

为了分析设计一个有效的全双工MAC协议，我们不仅要解决无线网络中的双向链路问题，而且要解决单向链路问题，并且要避免无线全双工网络中所有的隐藏终端问题。为了进一步分析无线网络中FD-MAC协议的性能，我们需要推导出一个解析模型，通过该模型得到无线全双工网络中系统的吞吐量。我们总结并分析了三个挑战：

1)同时支持单向链路和双向链路：因为无线全双工网络中包含单向链路或/和双向链路，因此全双工MAC协议需要同时支持这两种情况。

2)使用基于ACK的机制或基于RTS/CTS的机制：与无线半双工网络中的ACK原理相比，RTS/CTS原理可以更有效地避免隐藏终端问题。因此，我们提出基于RTS/CTS的改进机制。参考文献假设无线全双工网络中，ACK模式可以解决所有的隐藏终端问题。

3)FD-MAC协议的解析模型：为了更好的描述我们提出的FD-MAC协议并且分析其性能，建立FD-MAC协议的解析模型是非常有必要的。

发明内容

为了克服以上难点，本发明提出了一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议的方法：1)同时支持单向传输和双向传输；2)可有效解决无线全双工链路中所有的隐藏终端问题；3)提出一个精确的解析模型来分析该全双工MAC协议。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议的方法，其特征在于：所述协议是在无线全双工网络中按以下步骤实现：

1)、无线全双工网络中有两种类型的链路：两个节点的全双工双向链路和/或三个节点的全双工单向链路；

2)、定义每一个节点的全双工效率；用η表示，定义为有效的接收包净负载与总的接收包净负载的比值，定义如下：

上式中γ表示无线全双工节点的瞬时接收信噪比，p_Γ(γ)表示信道的概率密度函数，k(0≤k≤1)表示无线全双工节点的消除系数；

3)、使用RTS和FCTS帧完成握手过程；RTS帧包含FD-T1的源地址、目的地址以及数据长度；FCTS帧包含FD-T1和FD-T2的源地址、目的地住以及数据长度；

在全双工传输中的任务，将节点分为三类如下：

第一类：以发送一个RTS信号为开始的节点；

第二类：以接收到一个RTS信号并且其中的目的地址是该节点为开始的节点；

第三类：以接收一个FCTS信号为开始的节点。

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和Z。短帧间隔(SIFS)和分布式帧间隔(DIFS)的定义与IEEE 802.11分布式协调功能以及p-坚持载波侦听多址接入协议中的定义相同。

作为一种优化的方案，用伪代码描述FD-MAC协议如下：

1)、类型一节点的代码：

A)、X发送RTS信息给目的节点Y，等待来自Y的响应信息FCTS；

B)、如果(FCTS信息中FD-T2的目的地址是X)

C)、X接收到来自Y的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后发送另一个FCTS信息给Y，然后等待一个SIFS时隙开始FD-T1和FD-T2的传输；

D)、否则(FCTS信息中FD-T2的目的地址是另外一个节点Z)

E)、X等待一个(2SIFS+FCTS)时隙然后开始和Y、Z进行FD-T1和FD-T2传输过程；

F)、判断结束；

G)、完成FD-T1和FD-T2之后，X等待一个SIFS时隙后然后给Y发送ACK帧。

2)、类型二节点的代码：

A)、Y接收一个来自X的RTS信息；

B)、如果(Y的包的目的地址是X)

C)、Y等待一个SIFS时隙，给X发送FCTS信息，然后等待X发送另一个FCTS信息；

D)、Y接收到X发送的FCTS信息后，等待一个SIFS时隙，然后开始进行FD-T1和FD-T2传输；

E)、否则(Y的包的目的地址为节点Z)

F)、Y等待一个SIFS时隙，发送FCTS信息给X和Z，然后等待Z的响应FCTS信息；

G)、Y接收到Z发送的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后进行FD-T1和FD-T2传输；

H)、结束判断；

I)、完成FD-T1和FD-T2传输之后，Y等待一个SIFS时隙，然后给X发送一个ACK帧；

3)、类型三节点的代码：

A)、Z接收到FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后给Y发送FCTS信息；

B)、Z给Y发送FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后和X、Y进行FD-T1和FD-T2传输；

C)、FD-T1和FD-T2完成之后，FD-T1和FD-T2之间的传输持续较长时间，Z等待一个SIFS时隙然后给Y发送一个ACK帧。

本发明的有益之处在于：可以同时支持双向链路和单向链路，适用于无线双工网络中我们提出的全双工MAC协议，大量的数值评估表明在无线网络中我们提出的全双工MAC协议可以获得比传统的半双工MAC协议更大的吞吐量。

附图说明

图1为在FD-MAC协议下双向链路和单向链路的传输过程示意图；

图2为在自干扰完全消除的情况下FD-MAC和HD-MAC协议的吞吐量与传输概率的关系图；

图3为FD-MAC和HD-MAC协议的吞吐量与全双工效率以及B链路全部链路数目之比的关系图。

具体实施方式

实施例

在无线全双工网络中有两种类型的链路：双向链路和单向链路。任何无线全双工链路都可以被转换为两个节点的无线全双工双向链路和/或三个节点的无线全双工单向链路。

为了分析无线全双工网络的性能，需要为每个节点定义全双工的效率，用η表示，定义为有效的接收包净负载与总的接收包净负载的比值，定义如下：

上式中γ表示无线全双工节点的瞬时接收信噪比，p_Γ(γ)表示信道的概率密度函数，k(0≤k≤1)表示无线全双工节点的消除系数，影响k值的因素有许多，例如系统带宽、天线移位错误、发送信号振幅差异等等。k接近于0表示自干扰为主要干扰，k接近于1表示自干扰几乎可以忽略不计。

对于双向链路，因为两个节点受到自身发送器到接收器的干扰，因此需要考虑两个节点的全双工效率；对于单向链路，仅仅需要考虑发送和接收同时进行的单个节点的全双工效率。

无线全双工网络中每个节点配置一个发送器和一个接收器，尽管接收器需要容忍来自发送器的自干扰，在一个节点上也可以同时进行发送和接收。用FD-T1和FD-T2分别表示一次全双工传输中第一次传输和第二次传输。

在FD-MAC协议中，使用RTS和FCTS帧完成握手过程。RTS帧包含FD-T1的源地址、目的地址以及数据长度。FCTS帧包含FD-T1和FD-T2的源地址、目的地住以及数据长度。

在全双工传输中的任务，将节点分为三类如下：

第一类：以发送一个RTS信号为开始的节点；

第二类：以接收到一个RTS信号并且其中的目的地址是该节点为开始的节点；

第三类：以接收一个FCTS信号为开始的节点。

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和Z。短帧间隔(SIFS)和分布式帧间隔(DIFS)的定义与IEEE 802.11分布式协调功能以及p-坚持载波侦听多址接入协议中的定义相同。

作为一种优化的方案，用伪代码描述FD-MAC协议如下：

1)、类型一节点的代码：

A)、X发送RTS信息给目的节点Y，等待来自Y的响应信息FCTS；

B)、如果(FCTS信息中FD-T2的目的地址是X)

C)、X接收到来自Y的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后发送另一个FCTS信息给Y，然后等待一个SIFS时隙开始FD-T1和FD-T2的传输；

D)、否则(FCTS信息中FD-T2的目的地址是另外一个节点Z)

E)、X等待一个(2SIFS+FCTS)时隙然后开始和Y、Z进行FD-T1和FD-T2传输过程；

F)、判断结束；

G)、完成FD-T1和FD-T2之后，X等待一个SIFS时隙后然后给Y发送ACK帧。

2)、类型二节点的代码：

A)、Y接收一个来自X的RTS信息；

B)、如果(Y的包的目的地址是X)

C)、Y等待一个SIFS时隙，给X发送FCTS信息，然后等待X发送另一个FCTS信息；

D)、Y接收到X发送的FCTS信息后，等待一个SIFS时隙，然后开始进行FD-T1和FD-T2传输；

E)、否则(Y的包的目的地址为节点Z)

F)、Y等待一个SIFS时隙，发送FCTS信息给X和Z，然后等待Z的响应FCTS信息；

G)、Y接收到Z发送的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后进行FD-T1和FD-T2传输；

H)、结束判断；

I)、完成FD-T1和FD-T2传输之后，Y等待一个SIFS时隙，然后给X发送一个ACK帧；

3)、类型三节点的代码：

A)、Z接收到FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后给Y发送FCTS信息；

B)、Z给Y发送FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后和X、Y进行FD-T1和FD-T2传输；

C)、FD-T1和FD-T2完成之后，FD-T1和FD-T2之间的传输持续较长时间，Z等待一个SIFS时隙然后给Y发送一个ACK帧。

为了详细阐述上述的FD-MAC协议技术方案，图1(a)和图1(b)分别展示了FD-MAC协议在双向链路和单项链路中的交互传输过程。

如图1(a)所示，节点A要给相邻节点B发送分组，当A感知到信道空闲并且回退计数器为零时，开始给其相邻节点广播RTS信息，目的节点B收到A发送的RTS信息后等待一个SIFS时隙，然后将FCTS信息广播给相邻节点。如果节点B没有要发给节点A的分组，则FCTS信息与无线半双工网络中的CTS信息相同；如果节点B有要发给节点A的分组，则需要给节点B所发分组增加FCTS信息以及从节点B到节点A的分组长度信息。节点B的邻节点收到FCTS信息并回退从节点B到节点A的数据长度。节点A一收到FCTS信息就等待一个SIFS时隙，然后给A的邻近节点广播FCTS信息，告知它收到来自节点B的分组。一个SIFS时隙之后，节点A和节点B互相发送分组，FD-T1和FD-T2之间的分组持续的时间较长。一个SIFS时隙之后，发送ACK信息，分别是从A到B和从B到A，双向传输结束。

三个节点的无线全双工传输如图1(b)所示，节点C给节点D发送信息的同时节点D将自身的信息发送给节点E。节点C感知到信道空闲，当回退计数器为零时开始给其邻节点广播RTS信息，节点D收到节点C发送的RTS信息后，等待一个SIFS时隙，然后给其邻节点广播FCTS信息，其中FCTS信息包含了目的地址(节点E)、从节点D到节点E的分组长度以及从节点C到节点D的分组长度，节点E将收到节点D发送的FCTS信息。经过一个SIFS时隙后，节点E给其相邻节点广播一个FCTS信息，经过另一个SIFS时隙后，节点C和节点D分别同时给节点D和节点E发送信息。经过传输数据和一个SIFS时隙之后，节点D给节点C发送一个ACK信息，节点E给节点D发送一个ACK信息。

上述技术方案在无线全双工传输条件下，发展了p-坚持CSMA协议，在网路处于饱和状态下即就是每个节点的队列非空，提出了一个解析模型用来分析FD-MAC协议下系统的吞吐量。

在无线网络中使用FD-MAC协议导出了有效包净负载，表示为E_FD，如下：

上式中E_B和E_U分别表示双向链路和单向链路有效包净负载，E_T1和E_T2分别表示FD-T1和FD-T2的包净负载，为保证FD-MAC和HD-MAC的公平性，假设半双工链路的包负载E_HD表示为

除过节点开始以无线全双工传输而不是无线半双工传输，我们提出的p-坚持CSMA与传统的p-坚持CSMA很相似，本文提出的p-坚持CSMA系统中，如果检测到信道处于忙状态，则节点等待直到信道空闲，然后以概率p开始全双工方式传输。

用T_S表示一次成功的全双工传输时间，T_C1表示FD-T1阶段中RTS帧传输时发生冲突的过程中所用的时间，T_C2表示FD-T2阶段FCTS帧传输时发生冲突的过程所用的时间(此种情况下FD-T1阶段无线全双工传输变为无线半双工传输)，可以得到

上式中RTS为一个RTS帧的长度，FCTS为一个FCTS帧的长度，SIFS为SIFS的时间间隔，H为包头的长度，包括MAC头和物理层头(PHY头)，ACK为ACK帧的长度，DIFS为DIFS的时间间隔。

无线网络中按照数据类型的不同，所有节点包的目的地遵循不同的分布，例如语音数据通常使用双向传输，多媒体数据同时使用单向传输。不失一般性，假设无线网络中B链路与所有链路(包含B链路和U链路)之比为α(无线全双工网络中根据服务的目的地可以得到α)，假设α在区间[0,1]上，这样可以使解析模型适用于不同的数据类型。

P_I表示FD-T1传输过程中信道是空闲的概率，P_SB表示双向传输成功的概率，P_SU表示单向传输成功的概率，P_C1表示FD-T1阶段RTS分组传输过程中发生冲突的概率，P_C2表示FD-T2阶段FCTS分组传输过程中发生冲突的概率，表达式如下：

上式中n表示无线全双工网络中无线全双工节点的个数，得到系统的归一化吞吐量T_FD表示如下：

上式中T_ms表示空时隙持续时间，事实上，无线全双工可以同时完成两个方向上的传输(对于B链路而言，从A节点到B节点的同时从B节点到A节点，对于U链路而言，从节点C到节点D，从节点D到节点E)，全双工传输中，系统归一化吞吐量范围为大于0小于2。许多已有的工作中可以看到传统的MAC协议分析，为了比较无线全双工网络中FD-MAC协议与无线半双工网络中HD-MAC协议的性能，我们使用了传统的HD-MAC协议的解析模型，该模型被广泛应用于无线半双工网络中。

通过大量的实验结果我们比较了无线网络中FD-MAC协议和传统的MAC协议的性能，FD-MAC协议的参数如表1所示。

表1我们提出的FD-MAC协议的参数

图2为归一化系统吞吐量与传输概率的关系图，假设所有的无线全双工节点可以全部消除自干扰，比较了用户数量不同时，FD-MAC协议与传统的HD-MAC协议的性能，因为假设无线网络中所有的无线全双工节点可以消除自干扰，所以该图展示了无线全双工网络中使用FD-MAC协议的归一化系统吞吐量的上界(图中为n＝10，n＝20，n＝30对应的三根实线)。

如图2所示，无线全双工网络中使用FD-MAC协议可以获得比无线半双工网络中使用HD-MAC协议更大的吞吐量。由于RTS、FCTS以及ACK的帧开销，与无线半双工网络中HD-MAC协议相比，无线全双工网络中FD-MAC协议不能获得双倍的增益。然而无线全双工网络中归一化的系统吞吐量几乎接近无线半双工网络中的两倍，因此无线全双工网络的性能不仅在物理层上优于无线半双工网络，如果使用FD-MAC协议，MAC层也优于无线半双工网络。

由于目前的自干扰抵消和抑制技术不能完全消除自干扰，因此需要探索在不能完全消除和抑制自干扰的情况下，使用FD-MAC协议时归一化系统吞吐量。无线全双工网络中，由于自干扰不能够完全得到消除和抑制，影响了节点同时进行接收和发送，表现为在双向链路中，减少了所有节点的接收(例如节点A和节点B)，在单向链路中影响了同时进行发送和接收的节点(例如节点D)。因此，无线全双工网络中，对于不同的α，归一化系统吞吐量不同。

图3描述了无线全双工链路中使用FD-MAC协议及无线半双工链路中使用HD-MAC协议的归一化系统吞吐量与全双工效率η以及B链路的数目与全部链路数目之比α的关系，设传输概率为p＝0.02，用户节点数为n＝10，如图3所示，无线半双工链路中使用HD-MAC协议的归一化系统吞吐量是一个平面，原因是吞吐量与η和α无关，由观察可以得到1)无线全双工网络中使用FD-MAC协议，当α趋近于1，η趋近于0时，归一化系统吞吐量趋向于0，原因是无线全双工网络中链路几乎全是B链路，此时全双工效率影响全部节点，由于全双工效率趋向于0(全双工节点中自干扰非常大)，因此归一化系统吞吐量趋向于0；2)当全双工效率趋向于1时，全双工网络中使用FD-MAC协议的归一化系统吞吐量比半双工网络中使用HD-MAC协议的系统吞吐量大。从1)和2)中可以清楚地得到全双工网络中使用FD-MAC协议与半双工网络中使用HD-MAC协议的归一化系统吞吐量出现交叉。因此，一旦消除系数k大于特定门限(由自干扰消除与抑制技术确定)，无线全双工网络中使用FD-MAC协议归一化系统吞吐量大于无线半双工网络中使用HD-MAC协议归一化系统吞吐量。

根据提出的RTS/FCTS原理，我们建立了无线全双工网络中FD-MAC协议，该协议可以有效的支持B链路和U链路；当在第一个FCTS帧发生冲突，则该协议可以支持半双工传输；我们提出了一个解析模型来描述无线全双工网络中使用FD-MAC协议的归一化系统吞吐量；我们完美的解决了前言中提出的无线全双工网络中设计MAC协议的三个关键问题；大量的数值结果证明了使用FD-MAC协议得到的归一化系统吞吐量比使用传统的HD-MAC协议的归一化吞吐量大。

Claims (2)

1.一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议的方法，其特征在于：所述协议是在无线全双工网络中按以下步骤实现：

1)、无线全双工网络中有两种类型的链路：两个节点的全双工双向链路和/或三个节点的全双工单向链路；

2)、定义每一个节点的全双工效率；用η表示，定义为有效的接收包净负载与总的包净负载的比值，定义如下：

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{\log }_2(1+\mathrm{\κ}\mathrm{\γ})p_{\mathrm{\Γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)d\mathrm{\γ}}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{\log }_2(1+\mathrm{\γ})p_{\mathrm{\Γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)d\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

上式中γ表示无线全双工节点的瞬时接收信噪比，p_Γ(γ)表示信道的概率密度函数，k(0≤k≤1)表示无线全双工节点的消除系数；

3)、使用RTS和FCTS帧完成握手过程；RTS帧包含FD-T1的源地址、目的地址以及数据长度；FCTS帧包含FD-T1和FD-T2的源地址、目的地址以及数据长度；

在全双工传输中的任务，将节点分为三类如下：

第一类：以发送一个RTS信号为开始的节点；

第二类：以接收到一个RTS信号并且其中的目的地址是该节点为开始的节点；

第三类：以接收一个FCTS信号为开始的节点；

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和Z，短帧间隔(SIFS)和分布式帧间隔(DIFS)的定义与IEEE 802.11分布式协调功能以及p-坚持载波侦听多址接入协议中的定义相同。

2.根据权利要求1中所述的一种无线网络中基于RTS/FCTS原理的实现全双工FD-MAC协议的方法，其特征在于：用伪代码描述FD-MAC协议如下：

1)、类型一节点的代码：

A)、X发送RTS信息给目的节点Y，等待来自Y的响应信息FCTS；

B)、如果(FCTS信息中FD-T2的目的地址是X)

C)、X接收到来自Y的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后发送另一个FCTS信息给Y，然后等待一个SIFS时隙开始FD-T1和FD-T2的传输；

D)、否则(FCTS信息中FD-T2的目的地址是另外一个节点Z)

E)、X等待一个(2SIFS+FCTS)时隙然后开始和Y、Z进行FD-T1和FD-T2传输过程；

F)、判断结束；

G)、完成FD-T1和FD-T2之后，X等待一个SIFS时隙后然后给Y发送ACK帧；

2)、类型二节点的代码：

A)、Y接收一个来自X的RTS信息；

B)、如果(Y的包的目的地址是X)

C)、Y等待一个SIFS时隙，给X发送FCTS信息，然后等待X发送另一个FCTS信息；

D)、Y接收到X发送的FCTS信息后，等待一个SIFS时隙，然后开始进行FD-T1和FD-T2传输；

E)、否则(Y的包的目的地址为节点Z)

F)、Y等待一个SIFS时隙，发送FCTS信息给X和Z，然后等待Z的响应FCTS信息；

G)、Y接收到Z发送的FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后进行FD-T1和FD-T2传输；

H)、结束判断；

I)、完成FD-T1和FD-T2传输之后，Y等待一个SIFS时隙，然后给X发送一个ACK帧；

3)、类型三节点的代码：

A)、Z接收到FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙然后给Y发送FCTS信息；

B)、Z给Y发送FCTS信息之后，等待一个SIFS时隙，然后和X、Y进行FD-T1和FD-T2传输；

C)、FD-T1和FD-T2完成之后，FD-T1和FD-T2之间的传输持续较长时间，Z等待一个SIFS时隙然后给Y发送一个ACK帧。