基于CSMA的全双工无线通信MAC协议设计

顾旭波，马塞塞，谭国平

（河海大学 计算机与信息学院 通信与信息系统研究所，江苏 南京 210098）

全双工无线通信技术是一种新兴的无线通信技术，它通过天线隔离、模拟消扰和数字消扰等办法，抵消来自自身发送天线的自干扰[1-3]，实现在同一频段上同时完成收发操作。由于目前硬件设计无法完全抵消自干扰信号，所以全双工无线通信技术只能覆盖几十米的范围，也就是全双工无线通信技术只能应用于短距离通信的场景中，所以它一般作为一种新兴的短距离无线通信技术被提出[4-6]。

全双工无线通信所带来的利益是巨大的，它能成就几乎传统通信两倍的网络吞吐量，将更大程度的提高频带利用率[7-8]。而这一点在目前无线频段紧张的情况下，也显得尤为重要。同时，它还能解决一些传统无线通信无法解决的难题，例如隐藏终端问题，网络拥塞问题等等。在一个典型的采用无线全双工通信方式小型无线网络架构中，端用户通过一个AP（Access Point，接入点）连接到因特网。我们假设，所有的用户总是有数据需要发送到AP，同时AP也总是有数据需要发送给两个站点N1和N2。那么，只要N1开始传输数据给AP，AP将同时传输数据给N1。这时N2就能够听到AP正在传输数据给N1，N2将推迟它的数据传输，因此冲突很容易就能够得到避免。如果当时AP没有数据需要传输给N1，那么AP将重复接收到的内容发送给N1。事实上，这个重复传输数据的过程就相当于AP返回一个ACK给N1，以防止跟N2发生通信冲突，这样在我们现实生活中普遍存在的隐藏终端问题便迎刃而解，同时也保持了信道的高效畅通。

全双工无线通信可以解决很多目前无法解决的无线通信难题，那么要想实现它就需要一个有效的MAC层（Media Access Control，媒体访问控制）协议来支持。目前受制于物理层的局限性，全双工无线通信只能出现两种场景：同步场景，两个节点之间同步的包交换方式；非同步场景，一个全双工节点在接收数据包的同时发送一个包给另一个节点，任何MAC协议设计都无法避开这个限制。传统的MAC协议设计中，采用静态配对的方案，它先将所有用户节点进行预配对，分成多组通信对，每个通信对包含两个相互隐藏的用户节点。通信首先由AP发起，AP选取其中一个用户节点，开始下行传输，然后该用户的相应配对节点开始对应的上行传输，以此来实现全双工无线通信。但由于静态配对方案过于理想化，在预配对后具有不确定性，在实际中很难实施。本文针对现有的全双工MAC协议的不足提出了一种基于CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）的动态自配对全双工无线通信MAC协议方案，该方案主要的技术点包括：1）AP发起全双工通信的初级传输，用户节点通过解析AP发送的数据包，以了解是否能在此时接入信道开始通信；2）用户节点始终保持侦听信道，来避免隐藏终端问题，减少发生通信冲突的可能性；3）用户节点发送用户特有伪随机序列来竞争信道，AP选取合适的用户分配资源，以避免通信冲突。

本文组织结构如下:第2节详细阐述本文提出的基于CSMA的动态自配对全双工无线通信MAC协议设计方案；第3节利用仿真实验比较分析全双工无线通信技术与传统的半双工无线通信，证明全双工无线的巨大优势，以及本文提出方案的有效性；第4节结束语。

1 动态自配对全双工无线通信MAC协议设计

基于上一节的分析，我们总结出全双工无线通信MAC协议的设计主要面临着几个主要的挑战：1）如何使网络中各个节点在上传或下载时避免通信冲突，提高网络的稳定性与有效性；2）如何区分哪些节点能够采用全双工模式进行通信，只有有效的区分出这些节点，才能更加充分的利用频谱资源实现全双工无线通信；3）任何MAC协议都应该同时支持半双工和全双工通信，并给所有用户提供机会接入媒体。控制节点不应该过度地偏袒全双工无线通信节点。正是针对以上问题，我们提出了动态自配对全双工无线通信MAC协议。该协议采用典型的办公室场景，通过中心控制节点（即接入点AP）与用户节点间简单的交互，来实现全双工无线通信。

1.1 系统模型

基于CSMA的全双工无线通信MAC协议设计采用典型的星型拓扑结构，这里我们用典型的办公室场景进行模拟。我们把AP作为中心控制节点，所有用户节点都通过无线的方式与节点（AP）连接，并通过AP连接到外网。该场景业务类型包括三种：上传业务，本地用户向AP上传信息；下载业务，用户从AP端下载信息；交互业务，由AP作为中继，本地间节点通过AP完成相互通信。在所有的通信中，AP都要参与，担任发送者或者接收者的角色。

如图1所示，在办公室的中心区域，我们设置了中心控制节点AP，假设该AP的发射功率足够大，可以覆盖办公室区域的全部范围。用户节点则随机分布在各办公室区域内，由于用户节点发射功率小以及信号穿墙损耗等原因，无法保证个用户节点都可以相互侦听到，存在隐藏终端的问题。同时，该场景遵循上下行不同步模式，AP始终有数据需要传输给不同的用户，而用户不一定有数据需要传输给AP。

1.2 动态自配对MAC协议机制

动态自配对全双工无线通信MAC协议设计主要分为3个主要步骤：1）由AP发起全双工通信的初级传输；2）本地用户节点保持信道侦听；3）用户节点通过用户特有伪随机序列申请信道资源。

图1 全双工无线通信MAC协议设计场景Fig.1 The scenario of MAC protocol design in full duplex wireless communication

1）AP发起全双工通信的初级传输

协议规定AP需要发起全双工通信的初级传输，所有全双工通信的初级传输由AP来担任，以便于用户节点在侦听到初级传输后有选择地开始次级传输。同时，为了能够给上行用户留有足够的上传时间，规定AP在建立一个下行链路时，保持至少可以持续发送n（n≥3）个数据包给指定用户节点。为实现持续发送n个数据包，在AP端设置一个更大的缓存器，以便于能够将更多的数据包存入到缓存器中。这里我们将AP端缓存器的深度设置为10，可以同时存放10个待发数据包。经过调整后的数据包序列将不再是原先的先进先出（FIFO）序列了，同一个用户的数据包尽可能排放在一起，同时兼顾考虑各个数据包的优先级等因素。如果在传输过程中，如果这个方法还无法保证有3个以上连续的数据包等待发送，那么可以根据数据包的优先等级退后或提前，等储存满3个数据包后再发送。对于实时数据包，那么采用半双工的方式，及时将数据发送出去。

2）用户节点始终保持信道侦听

在AP始终保持数据发送的前提下，用户节点保持侦听信道信息，根据侦听到的内容，找到最合适的时机竞争信道资源。如图2所示，节点1和2表示用户节点1、2，节点3表示AP，而节点4是表示正准备接入信道开始通信的用户，在这里也就是一个观察者（observer）。

如图2（a）所示，AP正在以半双工模式发送数据包给用户节点1，节点4只侦听到AP给节点1的下行数据发送，而没有听到AP发送的确认信息。说明当前无上行传输，同时节点4也不会干扰到下行传输的接收，节点4可以在这个时候发送资源申请信号，竞争信道资源。如图2（b）所示，节点4听到了节点1向AP返回的确认信号，如果节点4开始上行传输，将干扰到节点1的正常信息接收，所以此时节点4不能接入信道。第三种情况，如图2（c）所示，节点4侦听到AP向用户节点2返回ACK信号，说明当前有上行传输，此时节点4无法接入信道。同样的情况出现在图2（d）中，当前存在上传传输，节点4无法开始上行传输。在图2（e）所示的过程中，节点4侦听到的信道都无法进行解析，说明节点4同时侦听到两段上下行同时传输数据，节点4在上行传输发送者的信号覆盖范围内，因此节点4不能接入信道。如图2（f）所示，此时节点4能够侦听到AP正在给节点1发送数据包，信道空闲SIFS后，节点4侦听到一段无法解析的信号，说明节点4在上行传输发送者的信号覆盖范围内，因此节点4不能接入信道。

通过将所有可能出现的情况全部列出来后，我们发现只有在其他用户节点无上行传输且用户节点互不干扰的情况下，另一个用户节点才能够竞争信道资源，否则将导致通信冲突。通过不断侦听信道信息，能够有效的过滤掉一些干扰用户接入信道，提高频带利用率。

3）用户节点通过用户特有伪随机序列申请信道资源

经过以上两步的处理，我们屏蔽掉不合适的用户节点，留下最佳的用户节点在最佳时刻参与信道资源的竞争，最大程度减少通信冲突。

事实上，此时传统的载波侦听机制已经无法实施，因为AP始终保持发送数据，也就是说就算此时有用户发出信道申请信号，也会被AP发送的信号所淹没，其他用户无法得知。所以在这一步中，我们牺牲一小段时间，专门用于用户之间的信道竞争，想要通信的用户需要发送用户专有的CAZAC序列，以告知AP该用户当前有通信请求。在发送CAZAC序列竞争信道时，存在一个问题，如果有多个用户同时发送竞争序列，那么这些用户叠加的能量可能使得原本隐藏终端变得不再隐藏。所以，我们将一个包长度的时间分为多个时间段，而这些CAZAC序列只需要占用其中一个时间段即可，这样可以有效的避免以前问题，同时还可以减少用户的能量损耗。用户发送的CAZAC序列都是用户专有的，所以即使多个用户在同一个时间段发送竞争序列，AP也能够分辨出用户的不同。

图2 用户节点信道侦听场景Fig.2 The scenario of Channel detection by user nodes

如图3所示，在竞争过程中，所有符合条件同时有传输的需求的用户节点将参与信道资源竞争。这些用户将发送用户专有伪随机序列（一般为CAZAC序列）给AP，由于信息采用自相关序列发送，所以AP能够分别解析出这些序列，知道有哪些用户正在竞争信道资源。AP根据用户优先级，待发数据包的已等待时间等信息，将信道资源分配给特定用户，以告知该用户开始上行传输通信。如图3中，被圆圈圈中的ACK为一个虚拟的ACK，它并不是发送确认信息，而是用来分派信道资源的。被分配用户收到该ACK信号后，在规定时刻开始上行传输，而其他用户则继续等待上行信道空闲后继续竞争信道资源。

通过这种简单的交互，既没有过多的信息开销，又能够有效的分配信道资源，避免用户间通信冲突。基于CSMA的动态自配对全双工无线通信MAC协议设计方案的增益主要来自两个方面：全双工无线通信得以实现；没有通信冲突也不需要任何退避过程。

2 性能分析

图3 全双工无线信道资源分配方法Fig.3 The approach of channel resource allocation

为了能够有效的评估全双工无线通信技术，我们基于IEEE 802.11标准定义了所有仿真参数（表1），采用泊松分布的数据包到达模型构建了仿真平台。本节将从网络吞吐量以及信道延时两个角度入手，把全双工无线通信技术与传统的半双工无线通信进行比较，证明全双工无线的巨大优势，以及本文提出方案的有效性。

表1 全双工无线通信仿真参数设置Tab.1 The simulation parameters in full duplex wireless communication system

图4 数据包平时到达时间为50 ms时，两方案的网络吞吐量比较Fig.4 The contrast of the throughput between two strategies

如图4所示为数据包平时到达时间为50 ms时，两方案的网络吞吐量比较示意图。当包长度为5.5 Kbits时，全双工无线通信的网络吞吐量始终保持在传统半双工通信的两倍左右。这是因为当采用平均到达时间50 ms的泊松分布，包长度为5.5 Kbits时，网络还未达到饱和状态，全双工无线通信优势的优势能够充分的发挥出来。而当数据包长度为11 Kbits时，情况就出现了变化。在用户个数小于31时，全双工无线通信的吞吐量仍旧保持增加一倍左右。当用户个数超过31时，两种方案的增长速度都减缓了，那是因为当用户个数超出31时，网络已经接近饱和。此时，传统方案的通信冲突概率开始急剧增大，而网络吞吐量则开始下降。而在改进方案中，由于我们通过用户间的互动，消除了通信冲突的情况，所以改进方案的吞吐量还保持缓慢上升。

图5 数据包平时到达时间为50 ms时，两方案的通信延时比较Fig.5 The contrast of the delay between two strategies

如图5所示为数据包平时到达时间为50 ms时，两方案的通信延时比较示意图。显然，无论数据包的大小，全双工无线通信都能缩小将近一半的通信延时。而这部分的增益来源就是，全双工通信能够整合上下行信道，复用频带资源。当数据包长度为11 Kbits时，用户个数超出31后，两个方案的通信延时都明显增加，其中传统方案的增长趋势更加明显。那是因为随着网络接近饱和，传统方案的冲突概率不断上升，导致大量时间被浪费，而改进方案由于不存在通信冲突，所以通信延时上升的趋势也更为缓慢。

3 结束语

文中介绍了全双工无线通信技术的实现办法，分析了全双工无线通信技术的应用前景，指出最新的研究动态。我们根据全双工无线通信的技术特点，提出了一个基于CSMA的动态自配对全双工无线通信MAC协议。该协议通过AP主动发起下行通信、用户持续保持信道侦听以及用户间的简单交互3个主要步骤，完成全双工无线通信的建立。该方法能够很大程度上增大全双工无线通信的建立几率，并能充分复用信道资源，提升频带利用率。同时，我们做了大量仿真，并通过与现有方法的对比，证明了基于CSMA的动态自配对全双工无线通信MAC协议的优越性。

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