同时同频全双工在5G通信系统MAC层中的应用研究

摘要

随着4G的成功部署和普及，研究人员和工业界的注意力已经转向5G技术。即将到来的物联网以及人工智能时代，会令可入网的无线终端个数以及入网数据有一个爆炸式的增长。而能够用来进行短距离无线通信的频谱资源是极其有限的，面对无限增长的无线业务需求，无线频谱资源越显匮乏，急需在下一代5G甚至未来的无线通信系统中使用能够高效利用频谱资源的技术，进而缓解当前的无线频谱压力。 虽然频分双工（FDD）和时分双工（TDD）在4G移动无线网络中被广泛使用，但是FDD和TDD都是基于半双工的传输模式，所以它们均具有低频谱效率的固有缺陷。同时同频全双工（Co-frequency Co-time Full Duplex，CCFD）技术作为5G中潜在的关键技术之一，可以在同一频段的信道中同时建立两条数据链路，理论上可以成倍的提高频谱利用率，同时有效降低端到端的时延。 随着自干扰消除技术的不断成熟，CCFD技术可以让单节点在同时同频条件下收发数据，但是在多节点间进行有效有序协作通信并发挥CCFD的优势，则需要媒体接入控制（MAC）层做进一步的管理调度工作。本文结合CCFD的双工特性在多节点组成的集中式无线通信系统中设计相关MAC层协议，并做性能分析和验证。主要的研究内容和创新点如下： （1）提出适用于集中式无线网络的FD-MAC（Full-Duplex Media Access Control）协议。该协议基于CSMA/CA中的RTS/CTS机制，新添2个控制帧并改进通信过程，通过控制帧的灵活组合接入信道，实现对称和非对称双向全双工模式的通信，并兼容单向上行和单向下行半双工模式的通信；针对接入信道时发生的控制帧碰撞问题，提出碰撞转换策略，利用控制帧之间的组合关系将部分碰撞情况转换为可行的通信模式，保证正常的数据通信。 （2）结合CCFD的通信特性，在半双工无线网络的Markov模型基础上引入全双工建立概率q，提出适用于集中式CCFD无线网络的Markov模型，并利用该模型对本文提出的FD-MAC协议的吞吐量和时延性能进行推导和分析。 （3）针对非对称双向全双工通信模式中的节点间干扰（Inter-Node Interference，INI）问题，对本文提出的FD-MAC协议进行改进，通过选择合适位置的下行链路接收节点并使用分布式功率控制机制，有效抑制了INI问题。其中，不仅考虑了上下行链路同时发送数据帧时的INI问题，也考虑了接收数据帧完成后上下行链路同时返回ACK帧时的INI问题。 本文对提出的FD-MAC协议进行了性能仿真验证，结果表明FD-MAC协议有助于提高系统的吞吐量性能，获得的信道饱和吞吐量将近为半双工模式通信的2倍，提高了频谱利用效率，并获得了更低的端到端时延。此外，CCFD模式通信有助于下行数据的发送，基站节点可获得较低的系统时延，CCFD技术更适用于有大量下行数据且上下行数据流对称的集中式无线网络。

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