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带内全双工无线网络MAC协议及性能分析

左海维  
【摘要】:带内全双工(In-Band Full Duplex,IBFD)无线通信允许节点在同一频段上同时发送和接收,与传统双工技术相比,理论上最大可成倍提高频谱利用率及网络吞吐量,是5G系统充分挖掘无线频谱资源及新空口技术的重要研究方向之一。日渐成熟的自干扰消除技术已能够将节点自干扰信号强度降低到不影响有用信号接收的噪声水平,实现单节点同时同频发送和接收的功能。然而,为进一步扩展IBFD在无线网络中多节点间双向数据传输的应用,还需要媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议的支持。本文结合多节点间IBFD无线通信需求,研究IBFD无线网络MAC协议并做性能分析。根据当前IBFD无线通信研究现状,综合分析了IBFD无线网络MAC协议关键技术。首先介绍了为MAC协议研究提供物理层支持的自干扰消除和节点间干扰(Inter-Node Interference,INI)抑制技术。然后研究了IBFD MAC层协议及调度机制,并在此基础上分析剩余自干扰和节点间干扰对IBFD MAC协议研究与设计的影响。最后,研究了802.11 RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)工作机制并总结RTS/CTS应用于IBFD无线网络的局限性。提出了一种应用于集中式无线网络的全双工媒体接入控制机制。半双工(Half Duplex,HD)MAC机制RTS/CTS已应用于IBFD无线网络,但该协议仅支持对称双向数据传输,而不能为非对称双向传输保留下行链路,限制了网络吞吐量的提升。针对该问题,本文基于三次握手的思想,为集中式无线网络提出一种名为RTS/SRTS(Second RTS)/CTS的IBFD MAC机制,可通过一次信道接入完成对称或非对称双向链路建立。构建网络模型后根据传输需求设计了SRTS控制帧结构,并详细描述了所提机制的媒体接入和数据传输过程。最后构建离散时间Markov模型并做性能分析,仿真结果表明IBFD无线网络吞吐量高出HD无线网络吞吐量近一倍。针对IBFD非对称双向通信存在INI问题,提出了带有捕获效应的全双工MAC机制。若非对称双向链路中上行发送节点与下行接收节点彼此为暴露节点,则双向数据传输时下行接收节点会受到上行发送节点的同频INI影响。针对该问题,考虑节点捕获效应对INI抑制的作用,提出带有捕获效应的IBFD MAC机制RTS/SRTS/CTS-CE(Capture Effect)。基于节点捕获信号条件调整SRTS和CTS帧结构,添加接收功率比信息。然后描述所提机制具体媒体接入和数据传输过程,借助媒体接入过程传递接收功率比信息,为通信节点调整发送功率提供参数。最后,捕获效应条件下构建Markov模型并做性能分析,仿真结果表明,添加捕获效应后的RTS/SRTS/CTS机制进一步提高了网络性能。基于M/G/1排队模型对IBFD AP(Access Point,访问接入点)、HD用户的集中式无线网络进行性能分析。在该混合型网络环境中,IBFD AP与HD用户之间进行非对称双向传输,可以使用RTS/SRTS/CTS机制。针对非对称双向数据传输时存在INI问题,提出了一种既可用于集中式又可用于分布式无线网络的INI抑制方法,并在此基础上调整SRTS和CTS帧结构,利用媒体接入过程辅助减小INI对下行接收用户的影响。描述非对称双向传输过程后,基于M/G/1排队模型对IBFD AP的时延性能进行分析,研究IBFD AP服务时间及可承载业务量与HD AP的不同。研究结果表明,IBFD AP的时延性能远优于HD AP,且网络用户数目较多时IBFD AP能够承载更多的数据传输业务。提出了一种应用于分布式无线网络的全双工媒体接入控制机制。在分布式IBFD无线网络中,若目的节点没有数据需要发送,则源节点与目的节点之间仅能进行HD传输,此时与HD网络无异。针对该问题,本文提出一种应用于该网络环境的IBFD MAC机制FD-DMAC(Full-Duplex Distributed MAC)。构建网络模型,将IBFD无线传输模式分类为HD模式、对称IBFD模式、基于源节点的非对称IBFD模式和基于目的节点的非对称IBFD模式。按需设计控制帧结构,添加传输模式位,通过媒体接入帮助网络中节点实时获知通信节点传输模式,判断能否竞争上行传输机会,增加双向传输频率。描述FD-DMAC媒体接入和数据传输过程后,分别在饱和条件下和非饱和条件下构建Markov模型并做性能分析。仿真结果证明,IBFD无线网络吞吐量高于HD近一倍,且FD-DMAC机制受网络非饱和程度影响较小,可为分布式无线网络提供更稳定的性能。论文关于IBFD MAC协议的研究有助于提升全双工无线网络的吞吐量,降低传输时延,为IBFD无线通信应用于多用户、高数据量的无线网络提供理论支撑和协议支持。


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