带内全双工无线网络MAC协议研究

摘要

带内全双工（In-Band Full-Duplex，IBFD）无线通信技术允许节点在同一频带内同时发送和接收数据，与传统双工技术相比理论上可成倍提高系统吞吐量和频谱效率。现有的半双工（Half Duplex，HD）媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）机制无法直接应用于IBFD无线网络。为充分利用节点带内全双工通信能力并进一步提高无线网络性能，应根据多节点间 IBFD 无线通信特点，研究IBFD无线网络MAC协议。本文针对集中式无线网络分别提出非对称带内全双工MAC（Asymmetric in-band Full Duplex MAC，AFD-MAC）机制和基于功率控制的带内全双工MAC（Power Controled in-band Full Duplex MAC，PC-FD MAC）机制，并构建离散Markov模型分析所提MAC机制性能。 首先，本文介绍了 IBFD 无线通信的研究背景和国内外研究现状，综述了IBFD无线通信关键技术，主要包括自干扰消除（Signal Interference Cancellation，SIC）、节点间干扰（Inter Node Interference，INI）抑制和MAC协议。归纳了带内全双工传输模式和IBFD MAC协议研究方法并对比分析了已有的相关研究。最后，介绍了无线网络拓扑结构和802.11 RTS/CTS机制工作方式。 其次，考虑由带内全双工AP和半双工用户组成的IBFD无线网络环境，提出一种集中式IBFD无线网络AFD-MAC机制，能够通过一次信道接入实现非对称IBFD双向传输。另外，AFD-MAC通过控制帧交换传递接收功率信息，为目的用户物理层估算INI值提供参数，并决定是否建立非对称IBFD双向传输链路，避免了由INI导致的失败传输问题。采用离散Markov模型分析AFD-MAC机制的吞吐量性能和介质访问时延性能并进行仿真验证，结果表明，AFD-MAC机制与RTS/CTS和A-Duplex机制相比能够更好地提高IBFD无线网络性能。 最后，在AP为IBFD节点、用户为IBFD节点或HD节点的无线网络中，提出基于功率控制的PC-FD MAC机制，通过该机制能够建立对称双向传输链路和非对称双向传输链路。此外，在非对称双向传输链路建立过程中，AP 通过与用户控制帧交换过程来获取信道增益信息，调整AP和上行链路用户的发送功率，抑制节点间干扰，提高无线网络中非对称 IBFD 数据传输成功的概率。构建Markov模型，在网络饱和条件下分析PC-FD MAC机制的性能并进行仿真验证，仿真结果表明，采用功率控制机制后，PC-FD MAC机制提高了非对称带内全双工通信成功概率并改善了无线网络性能。

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摘 要

Abstract

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Contents

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表清单

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance）

1.2 国内外研究现状（Overseas and Domestic Research Status）

1.3 本文研究内容及章节安排（Research Contents and Organization Structure of the Thesis）

2 带内全双工无线网络MAC协议相关技术研究

2 Survey on Related Technologies of MAC Protocols for In-Band Full-Duplex Wireless Networks

2.1 自干扰消除技术（Signal Interference Cancellation Technologies）

2.2 无线网络拓扑结构（Wireless Network Topology）

2.3 带内全双工传输模式（In-Band Full-Duplex Transmission Modes）

2.4 节点间干扰抑制（Inter Node Interference Suppression Technologies）

2.5 IEEE802.11 MAC协议（IEEE 802.11 MAC protocols）

2.5.1 CSMA/CA机制

2.5.2 二进制指数随机退避机制

2.5.3 RTS/CTS机制

2.6 本章小结（Chapter Summary）

3 集中式带内全双工无线网络MAC机制

3 MAC Mechanism for Centralized In-Band Full-Duplex Wireless Networks

3.1 引言（Introduction）

3.2 网络模型（Network Model）

3.3 AFD-MAC机制（AFD-MAC Mechanism）

3.3.1 控制帧结构

3.3.2 AFD-MAC工作过程

3.4 AFD-MAC机制性能分析（Performance Analysis of AFD-MAC mechanism）

3.4.1 Markov模型

3.4.2 吞吐量分析

3.4.3 介质访问时延分析

3.5 仿真验证（Simulation Results）

3.5.1 吞吐量

3.5.2 介质访问时延

3.6 本章小结（Chapter Summary）

4 基于功率控制的带内全双工无线网络MAC机制

4 Power Controlled MAC Mechanism for In-Band Full-Duplex Wireless Networks

4.1 引言（Introduction）

4.2 网络模型及传输模式（Network Model and Transmission Modes）

4.3 节点间干扰抑制（Inter Node Interference Suppression）

4.3.1 系统模型

4.3.2 发送功率调整

4.4 PC-FD MAC机制（PC-FD MAC Mechanism）

4.4.1 控制帧和数据帧头结构

4.4.2 PC-FD MAC机制工作过程

4.5 PC-FD MAC机制性能分析（Performance Analysis of PC-FD MAC mechanism）

4.5.1 吞吐量分析

4.5.2 介质访问时延分析

4.6 仿真验证（Simulation Results）

4.6.1 吞吐量

4.6.2 介质访问时延

4.7 本章小结（Chapter Summary）

5 总结与展望

5 Conclusions and Prospects

5.1 论文总结（Conclusions）

5.2 工作展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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