无线通信中集中式同时同频全双工MAC协议和方案制造技术

本发明专利技术公开了一种无线通信中集中式同时同频全双工FD‑MAC协议和方案。主要解决了对称和非对称双向全双工传输模式实现、单向上行和下行传输模式兼容及隐藏终端导致的碰撞问题。本发明专利技术在IEEE 802.11的MAC协议基础上，又增有对称和非对称双向的全双工传输模式共同形成基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案。本发明专利技术添加了两个控制帧FRTS/FCTS，与原有的RTS/CTS帧一起完成单向上行下行模式以及对称和非对称同时同频全双工模式的握手过程。本发明专利技术兼容传统无线双工的传输模式，解决了一部分碰撞问题，使用同时同频全双工传输模式能够有效的提高频谱利用率。用于集中式通信系统中。 1

Centralized simultaneous frequency duplex MAC protocol and scheme in wireless communications

The invention discloses a centralized simultaneous frequency duplex FD MAC protocol and a scheme in wireless communication. It mainly solves symmetric and asymmetric bidirectional full duplex transmission mode, one-way uplink and downlink transmission mode compatibility and hidden terminal collision problem. On the basis of the MAC protocol of IEEE 802.11, the invention also adds symmetrical and asymmetric bidirectional full duplex transmission mode together to form a centralized synchronous full duplex FD MAC protocol based on IEEE synchronization 802.11. The invention adds two control frames, FRTS/FCTS, with the original RTS/CTS frame to complete the one-way upstream downlink mode and the symmetrical and asymmetrical simultaneous same frequency full duplex mode. The invention is compatible with the traditional wireless duplex transmission mode, and solves a part of the collision problem, and the use of the same frequency full duplex transmission mode can effectively improve the spectrum utilization. Used in centralized communication systems. One

【技术实现步骤摘要】
无线通信中集中式同时同频全双工MAC协议和方案
本专利技术属于无线通信
，主要涉及通信过程中MAC(MAC，MediaAccessControl介质访问控制)层的管理调度和传输控制，具体是一种无线通信中集中式同时同频全双工MAC协议和方案，也称为无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC(FD-MAC，FullDuplexMediaAccessControl)协议和方案。用于集中式无线通信系统中。
技术介绍
传统的无线双工传输模式，例如FDD(FDD，FrequencyDivisionDuplexing频分双工)模式或TDD(TDD，TimeDivisionDuplexing时分双工)模式，通过频率或时隙将数据的发送和接收分开，进而在集中式无线通信系统中中心接入节点AP(AP，AccessPoint)在同一频段上不能同时实现数据的发送和接收，即在单个无线信道上不能同时实现上行和下行的数据通信。而同时同频的无线全双工传输模式，可以使通信节点在同一频段上同时进行数据的发送和接收，即可以在集中式无线通信系统中的单个无线信道上同时实现上行和下行的数据通信。同时同频的无线全双工传输模式与传统的无线双工传输模式相比，能够使无线通信系统的吞吐量性能获得双倍的提升，使频谱利用率得到成倍的提高。在过去的几十年里，通信节点之间进行数据通信时，自身发送的数据信号会对接收的数据信号产生严重的干扰，即存在严重的自干扰问题，这使得同时同频无线全双工的传输模式不能得到有效的、广泛的应用。随着无线设备的不断增加，以及无线业务需求的不断增加，对有效无线频谱的需求的不断提升与当前有限的频谱资源形成矛盾，如何有效的提高频谱利用率成为研究热点。如果能够在同时同频环境下有效的消除或抑制自干扰信号，同时同频无线全双工传输模式将成为一个能够有效提高频谱利用率的极具吸引力的传输模式。近些年来，随着自干扰消除和抑制技术的不断发展，大量的研究已经证明能够在同时同频环境下在物理层将自干扰信号降低到噪声水平，从而保证通信节点在发送数据时能对期望信号进行有效的接收，论证了同时同频无线全双工传输模式的可能性。这些工作通过单独或联合使用传播域的自干扰抑制、模拟域的自干扰消除以及数字域的自干扰消除等技术，在单个设备上实现同时同频的数据发送和接收。其中，传播域的自干扰抑制主要通过天线特性增大天线间传输损耗的方式进行自干扰信号的抑制；模拟域主要通过对射频信号进行部分自干扰信号的抵消，避免模数转换器ADC(ADC，Analog-to-DigitalConverter)的输入被淹没；数字域的自干扰消除技术主要是为了消除射频放大器的非线性、ADC的非线性以及振荡器的相位噪声产生的残余自干扰。然而，完成物理层的自干扰信号的抑制和消除，仅仅能实现单节点的同时同频全双工的数据传输。要在集中式无线通信系统中实现多节点之间的同时同频全双工传输的数据通信，不仅需要上述物理层的自干扰消除的技术支持，还需要在数据链路层有相关的MAC协议做支撑。目前已有研究提出了一些同时同频全双工的MAC协议。文献[WangX,TangA,HuangP.Fullduplexrandomaccessformulti-userOFDMAcommunicationsystems[J].AdHocNetworks,2015,24:200-213]基于全双工传输的头部探听，提出了一种应用于正交频分多址的集中式无线网络的CSMA/CD-like协议。当网络中任一节点有数据需要发送时，若信道空闲，则向目的节点发送数据；目的节点借此机会向源节点同时同频发送自身数据。当双向传输的两个数据包长度相同时，能够获得较高的网络吞吐量。该协议这种直接向目的节点发送数据的方法，存在隐藏终端导致的碰撞问题。文献[KimS,StarkWE.Ontheperformanceoffullduplexwirelessnetworks[C].InformationSciencesandSystems,IEEE,2013:1-6]提出一种FD-MAC协议。源节点和目的节点通过RTS(RTS，RequesttoSend请求发送)帧和CTS(CTS，CleartoSend清除发送)帧媒体接入后，两节点间进行同时同频的对称双向数据传输。当目的节点没有数据要返回给源节点时，两节点间将仅进行单向数据传输。但该协议不能帮助目的节点接入除源节点外的其他邻居节点，所以该FD-MAC协议不支持非对称同时同频双向的数据传输。文献[ChengW,ZhangX,ZhangH.RTS/FCTSmechanismbasedfull-duplexMACprotocolforwirelessnetworks[C].IEEEGLOBECOMWorkshops,2014:5017-5022]基于RTS/CTS提出一种RTS/FCTS/FCTS访问机制，其设计了FCTS控制帧，用于媒体接入。网络中节点间进行通信时，依次使用一次RTS和两次FCTS帧完成三次握手，实现对称或非对称双向链路的连接，提高网络吞吐量的同时减缓了部分隐藏终端的问题，但是该协议没有考虑那些不支持同时同频全双工传输模式的设备终端的兼容问题。在集中式无线通信系统中，为了充分设计一个有效的同时同频全双工MAC协议，不仅要解决对称双向链路问题，而且要解决非对称双向链路问题，并且要避免无线通信系统中的隐藏终端问题。另外，出于现实中经济成本的考虑，有些现用的终端设备不支持同时同频全双工模式，只能在同一频段同一时段的信道中建立传统的无线双工传输的通信链路，即单向上行的通信链路或单向下行的通信链路，所以同时同频全双工MAC协议的设计需要兼容这些设备的传统双工模式。总体来看，目前同时同频全双工MAC协议，有些仅讨论了同时同频全双工的双向链路进行通信的传输模式，不具备对现有单向链路传输模式的兼容性；有些仅涉及了对称双向链路的情况，而没有涉及非对称双向链路的情况；有些协议在数据通信时信道空闲则直接向目的节点发送数据，存在隐藏终端导致的碰撞问题。总之，目前的同时同频全双工MAC协议还不足以同时满足消除隐藏终端、实现对称和非对称双向同时同频全双工传输模式以及兼容现有单向链路传输模式等要求。发表内容为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种有效提高信道频谱利用率且对现有单向链路传输模式具有兼容性的无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案，在同一频段同一时段的信道中针对于中心接入节点AP的数据传输包含有上行单向的半双工传输模式和下行单向的半双工传输模式，其特征在于，还增加有对称双向的同时同频全双工传输模式和非对称双向的同时同频全双工传输模式，共同形成无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案。在总体方案中使用带内全双工IBFD(IBFD，In-BandFull-Duplex)的方式，在同一频段同一时段的信道中，既可以实现上行单向的半双工模式的数据传输和下行单向的半双工模式的数据传输，同时还可以实现对称双向的全双工模式的数据传输和非对称双向的全双工模式的数据传输。利用IEEE802.11中原有的请求发送控制帧RTS与清除发送控制帧CTS，再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案，在同

【技术特征摘要】
1.一种无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案，在同一频段同一时段的信道中针对于中心接入节点AP的数据传输包含有上行单向的半双工传输模式和下行单向的半双工传输模式，其特征在于，还增加有对称双向的全双工传输模式和非对称双向的全双工传输模式，共同形成基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案：在总体方案中使用带内全双工IBFD的方式，在同一频段同一时段的信道中，既可以实现上行单向的半双工模式的数据传输和下行单向的半双工模式的数据传输，同时还可以实现对称双向的全双工模式的数据传输和非对称双向的全双工模式的数据传输。2.根据权利要求1所述的无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案，其特征在于，所述对称双向的全双工传输模式是对称的上下行双向链路的同时同频无线全双工传输模式，中心接入节点AP与用户节点E在上行和下行的通信链路中互为源节点和目的节点，AP和E构成了同时进行上行下行数据发送和接收的FD-SBi通信链路；所述非对称双向的全双工传输模式是非对称的上下行双向链路的同时同频无线全双工传输模式，中心接入节点AP与用户节点C在上行通信链路中分别为目的节点和源节点，中心接入节点AP和用户节点D在下行通信链路中分别为源节点和目的节点，AP、C和D构成了同时进行上行下行数据发送和接收的FD-ABi通信链路。3.根据权利要求1或2所述的无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案，其特征在于，通过四种不同的握手过程实现上行单向的半双工传输模式和下行单向的半双工传输模式与对称双向的全双工传输模式和非对称双向的全双工传输模式的工作兼容，具体由四个控制帧RTS/CTS/FRTS/FCTS组合实现，该四个控制帧的设计如下：利用IEEE802.11中原有的请求发送控制帧RTS与清除发送控制帧CTS，再另外添加全双工请求发送控制帧FRTS和全双工清除发送控制帧FCTS，其中，RTS和CTS两个控制帧仅限于终端用户节点使用，分别负责上行链路的接入请求和下行链路的接入应答；而FRTS和FCTS两个新的控制帧仅限于中心接入节点AP使用，分别负责下行链路的接入请求和上行链路的接入应答；另外，RTS与FRTS也可以分别实现下行链路的接入应答和上行链路的接入应答的功能；RTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址和中心接入节点地址以及数据长度；CTS帧中包含下行链路的中心接入节点地址以及数据长度；FRTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址、下行链路的终端用户节点地址和中心接入节点地址以及数据长度；FCTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址以及数据长度；除此之外，还有上行链路数据帧DATA-U、下行链路数据帧DATA-D和确认帧ACK，令数据帧与确认帧的定义与原有的IEEE802.11中的定义一致；令DATA-U帧和DATA-D帧的长度相同。4.一种无线通信中基于IEEE802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议，其特征在于，通信过程包括如下3个过程：1)信道监听过程：使用载波监听多路访问的机制，令有数据通信需求的节点在接入信道前进行信道监听，当监听信道空闲DIFS时隙时，以随机退避的方式进行信道竞争；2)握手过程：在进行信道竞争时，利用RTS/CTS/FRTS/FCTS四种控制帧进行通信链路的握手，该握手过程包含四种独立的情况，如下：a)使用RTS/FCTS控制帧完成上行单向链路的半双工传输的握手过程，建立上行单向的半双工模式的数据通信链路；b)使用FRTS/CTS控制帧完成下行单向链路的半双工传输的握手过程，建立下行单向的半双工模式的数据通信链路；c)使用RTS/FRTS/CTS控制帧或FRTS/RTS/FCTS控制帧完成对称双向链路的同时同频无线全双工传输的握手过程，建立对称双向的同时同频全双工的数据通信链路；d)使用RTS/FRTS/CTS控制帧完成非对称双向链路的同时同频无线全双工传输的握手过程，建立非对称双向的同时同频全双工的数据通信链路；3)数据通信过程：完成终端用户节点与中心接入节点的通信链路的握手过程后，根据相应的握手模式进行相应的数据通信过程；对称双向的同时同频全双工的数据传输，中心接入节点AP和用户节点E均利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，实现在同一频段同一时段的信道中同时进行上行和下行的数据通信；非对称双向的同时同频全双工的数据传输，中心接入节点AP利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，AP和上行链路的用户节点以及下行链路的用户节点，实现在同一频段同一时段的信道中同时进行上行和下行的数据通信；上行单向的半双工模式的数据传输和下行单向的半双工模式的数据传输，参与通信的节点均不需要利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，在同一频段同一时段的信道中只进行上行或下行的数据通信。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈南，张建勋，易运晖，何先灯，赵楠，朱畅华，周美婧，李辉辉，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61