CN108173638B - 无线通信中集中式同时同频全双工mac协议和方案 - Google Patents

Abstract

本发明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***中。

Description

无线通信中集中式同时同频全双工MAC协议和方案

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及通信过程中MAC(MAC，Media AccessControl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IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC(FD-MAC，Full Duplex Media Access Control)协议和方案。用于集中式无线通信***中。

背景技术

传统的无线双工传输模式，例如FDD(FDD，Frequency Division Duplexing频分双工)模式或TDD(TDD，Time Division Duplexing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***中中心接入节点AP(AP，Access Point)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***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***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***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 [Wang X,Tang A,Huang P.Full duplex random access for multi-user OFDMA communication systems[J].Ad Hoc Networks,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[Kim S,Stark W E.On theperformance of full duplex wireless networks[C].Information Sciences andSystems,IEEE,2013:1-6]提出一种FD-MAC协议。源节点和目的节点通过RTS(RTS，Requestto Send请求发送)帧和CTS(CTS，Clear to Send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[Cheng W,Zhang X,Zhang H.RTS/FCTS mechanism based full-duplex MAC protocol for wireless networks[C].IEEEGLOBECOM Workshops, 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***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***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，本发明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IEEE 802.11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IEEE 802.11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-Band Full-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IEEE 802.11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(FRTS，Full-Duplex Request to Send)和全双工清除发送控制帧FCTS(FCTS，Full-Duplex Clear to Send)，用于建立节点间数据链路的握手。

本发明还是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，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(DIFS，Distributed Inter-frame Spacing分布式帧间间隔)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)通信过程：完成终端用户节点与中心接入节点通信链路的握手后，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，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。

本发明用于在集中式无线通信***中实现同一频段同时进行上行和下行的数据通信，并且能够兼容传统的频分双工FDD和时分双工TDD的传输模式。

与现有技术相比，本发明的益处在于：

1)成倍的提高频谱利用率

由于本发明中对称或非对称同时同频全双工传输模式采用了带内全双工IBFD的传输技术，能在同一频段同一时段的信道中同时完成上行和下行的数据通信，相比依靠频分双工FDD或时分双工TDD的传输技术的单向上行或单向下行的传输模式，信道的吞吐量性能得到双倍的提升，从而信道频谱利用率得到双倍的提升；

2)支持对称双向链路和非对称双向链路的同时同频全双工的传输模式

RTS/FRTS/CTS和FRTS/RTS/FCTS的控制帧组合可以实现对称或非对称同时同频全双工数据传输链路的握手，进而实现对称或非对称同时同频全双工的数据传输；

3)兼容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

RTS/FCTS和FRTS/CTS的控制帧组合可以实现上行单向的半双工或下行单向的半双工数据传输链路的握手，进而实现上行单向的半双工和下行单向的半双工的数据传输；

4)消除隐藏终端问题

进行数据通信前，发送RTS/CTS/FRTS/FCTS四个控制帧的握手过程，可以通知相应的邻居节点，避免隐藏终端问题；

5)减少部分碰撞问题

建立信道链路前，使用载波监听多路访问的机制，并以随机退避的方式进行信道竞争，能有效的避免碰撞问题；另外，将部分RTS帧与FRTS帧的碰撞问题，转换为对称双向链路的同时同频全双工传输模式，或转换为单向下行链路的半双工传输模式。

附图说明

图1为集中式无线通信***中四种传输模式示意图，图中HD-D为单向下行的半双工通信链路，HD-U为单向上行的半双工通信链路，FD-SBi为对称双向同时同频全双工通信链路，FD-ABi为非对称双向同时同频全双工通信链路。

图2（ a ） - 图 2 （ c ） 为在FD-MAC协议下四种传输模式的传输过程示意图，DATA-U为上行通信链路的数据帧，DATA-D为下行通信链路的数据帧。

图3为信道吞吐量性能随终端用户平均数据量不断上升的关系图，在自干扰完全消除的情况下对比本发明和原始IEEE 802.11的MAC协议的信道吞吐量性能，其中终端用户节点的个数为4，下行的数据量总和与上行的数据量总和相等。

图4为信道饱和吞吐量性能与终端用户节点个数的关系图，在自干扰完全消除的情况下对比本发明和原始IEEE 802.11的MAC协议的信道饱和吞吐量性能。

具体实施方式

实施例1

本发明针对现有的通信方式提出一种新的FD-MAC协议，新协议能够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，综合分析现有技术后本发明主要解决以下三个问题：

1)同时支持对称双向链路和非对称双向链路的同时同频全双工的传输模式；

2)同时兼容传统的无线双工传输模式；

3)避免由于隐藏终端导致的碰撞问题。

将以上三个问题的解决方案综合到一个方案中，本发明提出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协议和方案，利用RTS/CTS/FRTS/FCTS 四种控制帧进行握手，本发明能够支持同时同频全双工传输模式提高信道频谱利用率且兼容现有单向链路传输模式同时避免隐藏终端问题。

本发明首先是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，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，参见图1，共同形成无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案。

在无线通信***中，针对于中心接入节点AP，原有的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，参见图1中的用户节点B到中心接入节点AP的HD-U 通信链路和中心接入节点AP到用户节点A的HD-D通信链路，是以频分双工FDD和时分双工TDD的方式实现的，即在同一频段同一时段的信道中，只能实现上行单向的半双工模式的数据传输或下行单向的半双工模式的数据传输；本发明的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，同时可以实现对称双向的同时同频全双工模式的数据传输和非对称双向的同时同频全双工模式的数据传输，参见图1中的用户节点C到中心接入节点AP以及中心接入节点AP 到用户节点D，AP、C和D三个节点共同构成的非对称双向FD-ABi通信链路，中心接入节点AP到用户节点E两个节点共同构成的对称双向FD-SBi通信链路。

对称或非对称同时同频全双工传输模式能在同一信道中同时完成上行和下行的数据通信，相比单向上行或单向下行的传输模式，信道的吞吐量性能得到双倍的提升，从而信道频谱利用率得到成倍的提高。

本发明基于原有的IEEE 802.11协议的CSMA-CA机制进行改进，设计出一种适用于集中式无线通信***的同时同频全双工FD-MAC协议。将IEEE 802.11中的请求发送帧RTS与清除发送帧CTS保留不变，另外添加全双工请求发送帧FRTS和全双工清除发送帧FCTS。以RTS/CTS/FRTS/FCTS四种控制帧进行握手的方案，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，并兼容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。

实施例2

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案同实施例1，本发明中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与终端用户节点E在上行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的通信链路；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与终端用户节点C在上行链路中分别为目的节点和源节点，中心接入节点AP和终端用户节点D在下行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的通信链路。

同一频段同一时段的信道中，针对中心接入节点AP可以和任意终端用户节点进行上行数据通信或下行数据通信，也就是说，AP可以发送数据包给用户节点A进行下行的数据通信，也可以接收A发送给AP的数据包进行上行数据通信。本发明中所述对称双向的全双工传输模式由两个节点构成，参见图1的节点AP和节点E，AP和E两个节点均需采用带内全双工IBFD的方式同时向彼此发送和接收数据包，使用物理层的自干扰抑制和抵消技术消除自干扰信号；所述非对称双向的全双工传输模式由三个节点构成，参见图1的节点AP、节点C和节点D，三个节点中只有AP采用带内全双工 IBFD的方式同时发送和接收数据包，AP接收来自节点C上行的数据包并发送数据包给节点D。

实施例3

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案同实施例1-2，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IEEE 802.11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，分别负责对下行链路的接入请求和上行链路的接入应答，另外，RTS与FRTS也可以分别实现对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，令两个数据帧与确认帧的定义与原有的IEEE 802.11中的定义一致；本发明的FD-MAC 协议方案令DATA-U帧和DATA-D帧的长度相同。

RTS/FRTS/CTS或FRTS/RTS/FCTS的控制帧组合可以实现对称或非对称同时同频全双工数据传输链路的握手，RTS/FCTS或FRTS/CTS的控制帧组合可以实现上行单向或下行单向的半双工传输链路的握手。

实施例4

本发明还是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，是在上述无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案上实现，无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案同实施例1-3。

MAC层协议负责管理和调配物理层资源，全双工FD-MAC协议可以实现物理层的同时同频全双工通信。本发明实现同时同频全双工传输模式的通信，并能兼容传统无线双工传输模式的通信，参见图2（ a ） - 图 2 （ c ） ，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，减少多用户在信道竞争时的碰撞问题，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；参见图2（ a ） - 图 2 （ c ） 中发送RTS或FRTS帧前的DIFS 时隙和退避竞争窗口。

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，参见图2(a)左侧，用户节点U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS(SIFS，Short interframe space短帧间间隔)时隙后向节点U3发送FCTS帧；

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，参见图2(a)右侧，中心接入节点AP发送FRTS，用户节点U1收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送CTS帧；

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，参见图2(b)左侧，用户节点U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS时隙后向节点U3发送FRTS帧，用户节点U3收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送 CTS帧；

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，参见图2(c)，用户节点 U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS时隙后向节点U1和U3发送FRTS 帧，用户节点U1收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送CTS帧。

3)通信过程：完成终端用户节点与中心接入节点通信链路的握手后，根据相应的握手模式进行相应的数据通信过程，参见图2(a)、图2(b)和图2(c)，用户节点和中心接入节点AP之间发送DATA-U帧或DATA-D帧，完成数据帧的发送和接收完成后，接收数据帧的节点再等待SIFS时隙后发送ACK确认帧。

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，在同一频段同一时段的信道中实现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和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。

本发明的同时同频全双工的传输模式相比传统无线双工传输模式，可以成倍的提高***的吞吐量；进行数据通信前，发送RTS/CTS/FRTS/FCTS四个控制帧的进行握手，可以通知邻居节点，避免隐藏终端问题；建立信道链路前，使用载波监听多路访问的机制，并以随机退避的方式进行信道竞争，可以有效的避免碰撞问题；另外，本发明可以将RTS与FRTS的碰撞问题，转换为对称双向链路的同时同频全双工传输模式，或转换为单向下行链路的传输模式。

实施例5

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案和无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议同实施例1-4，本发明的握手过程的方案如下：

在实现所述的握手过程建立通信链路的过程中，本发明将参与通信的节点分为三个类型：

第一类：上行链路的用户节点，负责发送RTS帧以及DATA-U帧；

第二类：下行链路的用户节点，负责发送CTS帧，并负责接收DATA-D帧，在完成DATA-D的接收后要发送ACK确认帧，通知DATA-D的源节点收到DATA-D帧；

第三类：中心接入结点AP，负责发送FRTS帧或FCTS帧以及发送DATA-D帧，并负责接收DATA-U帧，在完成DATA-U的接收后要发送ACK确认帧，通知DATA-U 的源节点收到DATA-U帧。

需要注意，上行单向链路的半双工传输模式中，只存在第一类和第三类节点。下行单向链路的半双工传输模式中，只存在第二类和第三类节点。对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，且第一类节点和第二类节点为同一个节点。非对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，第一类节点和第二类节点为不同节点。

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和AP，将同时为类型一和类型二的节点表示为XY。短帧间间隔SIFS和分布式帧间间隔DIFS的定义与IEEE 802.11分布式协调功能中的定义相同。

用伪代码描述本发明的握手过程和数据通信过程如下：

类型一节点的伪代码：

A)两种情况：B)X竞争得到信道资源；F)X竞争没有得到信道资源；

B)X竞争得到信道资源，转C)；

C)X向AP发送RTS帧，等待AP回复FRTS帧，转D)，或AP回复FCTS帧，转E)；

D)X收到AP发送的FRTS帧，若X不是XY，X等待2个SIFS时隙+发送CTS 的时间后，向AP发送DATA-U帧，等待接收AP发送的ACK帧，转I)；若X是XY， X等待2个SIFS时隙+发送CTS的时间，在这个期间XY还需要完成相应Y的工作(见下文类型二节点的伪代码)，等待时间结束后X向AP发送DATA-U帧，等待接收AP 发送的ACK帧，转I)；

E)X收到AP发送的FCTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送DATA-U帧，等待接收AP发送的ACK帧，转I)；

F)X竞争没有得到信道资源，转G)；

G)X收到AP发送的FRTS帧，即X是XY，等待SIFS时隙后，向AP发送RTS 帧，等待接收AP发送的FCTS帧，转H)；

H)XY收到AP发送的FCTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送DATA-U帧，等待AP回复ACK帧，在此期间XY还需要完成相应Y的工作(见下文类型二节点的伪代码)，转I)；

I)X收到AP发送的ACK帧，本次通信完成；

类型二节点的伪代码：

A)三个判断条件B)、C)和D)；

B)若Y是XY且收到AP发送的FCTS帧，则等待SIFS时隙后，接收AP发送的 DATA-D帧，转F)；

C)若Y是XY且收到AP发送的FRTS帧，FRTS帧中的上行链路的用户节点地址不为空，则准备CTS帧，转E)；

D)若Y不是XY且收到AP发送的FRTS帧，则准备CTS帧，转E)；

E)等待SIFS时隙后，Y向AP发送CTS帧，等待接收AP发送的DATA-D帧，转 F)；

F)Y接收AP发送的DATA-D帧结束，等待SIFS时隙后，向AP发送ACK帧；

类型三节点的伪代码：

A)三种情况：B)AP有下行通信的数据包，且AP竞争没有得到信道资源；G) AP有下行通信的数据包，且AP竞争得到信道资源；M)AP没有下行通信的数据包；

B)AP有下行通信的数据包，且AP竞争没有得到信道资源，转C)；

C)AP收到X发送的RTS帧，准备FRTS帧，并将FRTS帧中的上行用户节点的地址设置为X的地址，等待SIFS时隙后，AP向X和Y发送FRTS帧，等待Y回复CTS 帧，转D)；

D)AP收到Y发送的CTS帧，等待SIFS时隙后，向Y发送DATA-D帧，同时接收X发送的DATA-U帧，转E)；

E)AP接收X发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙，向X发送ACK帧，转F)；

F)AP接收到Y发送的ACK帧，完成本次通信；

G)AP有下行通信的数据包，且AP竞争得到信道资源，转H)；

H)AP准备FRTS帧，并将FRTS帧中的上行用户节点的地址设置为空，竞争得到信道资源，AP向Y发送FRTS帧，等待接收RTS帧，转I)，或接收CTS帧，转M)；

I)AP收到Y发送的RTS帧，即Y为XY，AP准备FCTS帧，等待SIFS时隙后，向XY发送FCTS帧，转J)；

J)AP发送完FCTS帧，等待SIFS时隙后，向XY发送DATA-D帧，并接收XY发送的DATA-U帧，转K)；

K)AP接收XY发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙，向XY发送ACK帧，转 L)；

L)AP接收到XY发送的ACK帧，完成本次通信；

M)AP没有下行通信的数据包，转N)；

N)AP收到X发送的RTS帧，准备FCTS帧，等待SIFS时隙后，向X发送FCTS 帧，等待接收X发送的DATA-U帧，转O)；

O)AP接收X发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙后，AP向X发送ACK帧，完成本次通信。

本发明进行数据通信前，发送RTS/CTS/FRTS/FCTS四个控制帧的进行握手，可以通知邻居节点，避免隐藏终端问题；RTS/FRTS/CTS或FRTS/RTS/FCTS的控制帧组合可以实现对称或非对称同时同频全双工数据传输链路的握手，RTS/FCTS或FRTS/CTS 的控制帧组合可以实现上行单向或下行单向的半双工传输链路的握手；另外，本发明可以将RTS与FRTS的碰撞问题，转换为对称双向链路的同时同频全双工传输模式，或转换为单向下行链路的传输模式。

下面给出一个更加具体的例子，对本发明进一步说明。

实施例6

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案和无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议同实施例1-5。根据实施例5中的三种类型节点的伪代码，可以得到包含四种传输类型的五种传输过程，参见图2（ a ） -图 2 （ c ） 。将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和AP，将同时为类型一和类型二的节点表示为XY。短帧间间隔SIFS和分布式帧间间隔DIFS的定义与IEEE 802.11分布式协调功能中的定义相同。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IEEE 802.11中的定义一致；本发明令DATA-U帧和DATA-D帧的长度相同。

参见图2(a)，两种传统的无线双工模式的传输过程，该过程与原有的IEEE 802.11的原理及传输过程相同。终端用户U3竞争得到信道资源，向AP发送RTS帧。AP到收U3发送的RTS帧，等待SIFS时隙后，向U3发送FCTS帧。U3收到AP发送的FCTS 帧，此时完成上行单向链路的握手过程。U3等待SIFS时隙后，向AP发送DATA-U 帧。AP收到DATA-U帧，等待SIFS时隙后，向U3发送ACK帧。U3收到ACK帧，本次通信完成。信道空闲DIFS时隙，有数据发送需求的节点开始竞争信道。AP竞争得到信道资源，向U1发送FRTS帧。U1收到FRTS帧，但是U1没有上行的数据需要发送或U1不支持同时同频全双工传输模式，U1向AP发送CTS帧。AP收到CTS帧，测试完成下行单向链路的握手过程。AP等待SIFS时隙后，向U1发送DATA-D帧。 U1收到DATA-D帧，等待SIFS时隙后，向AP发送ACK帧。AP收到ACK帧，本次通信完成。

参见图2(b)，两种对称双向链路同时同频全双工的传输过程，前者由U3发起，后者由AP发起。U3竞争得到信道资源，向AP发送RTS帧。AP收到RTS帧，此时AP 有向U3发送的数据，将FRTS帧中的上行链路的终端用户节点地址设置为U3的地址，等待SIFS时隙后，向U3发送FRTS帧。U3收到FRTS帧，等待SIFS时隙后，向AP 发送CTS帧。AP收到CTS帧，此时完成对称双向链路同时同频全双工模式的握手过程。等待SIFS时隙后，开始DATA-U帧和DATA-D帧的传输。AP和U3分别收到DATA-U 帧和DATA-D帧后，等待SIFS时隙后，向彼此发送ACK帧。AP和U3收到ACK帧，本次通信完成。等待信道空闲DIFS时隙，各节点的退避计时器启动，进行信道资源的竞争。AP竞争得到信道资源，向U1发送FRTS帧。U1收到FRTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送RTS帧。AP收到RTS帧，等待SIFS时隙，向U1发送FCTS帧。U1 收到FCTS帧，此时完成对称双向链路同时同频全双工模式的握手过程。等待SIFS时隙后，开始DATA-U帧和DATA-D帧的传输。AP和U1分别收到DATA-U帧和DATA-D 帧后，等待SIFS时隙后，向彼此发送ACK帧。AP和U1收到ACK帧，本次通信完成。

参见图2(c)，非对称双向链路同时同频全双工的传输过程。U3竞争得到信道资源，向AP发送RTS帧。AP收到RTS帧，此时AP有向U1发送的数据，将FRTS帧中的上行链路的终端用户节点地址设置为U3的地址，等待SIFS时隙后，向U3和U1发送FRTS帧。U1收到FRTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送CTS帧。AP收到CTS帧，此时完成非对称双向链路同时同频全双工模式的握手过程。等待SIFS时隙后，开始 DATA-U帧和DATA-D帧的传输。AP和U1分别收到DATA-U帧和DATA-D帧后，等待SIFS时隙，分别向U3和AP发送ACK帧。AP和U3收到ACK帧，本次通信完成。

由于本发明中对称或非对称同时同频全双工传输模式采用了带内全双工IBFD的传输技术，能在同一频段同一时段的信道中同时完成上行和下行的数据通信，相比依靠频分双工FDD或时分双工TDD的传输技术的单向上行或单向下行的传输模式，信道的吞吐量性能得到双倍的提升，从而信道频谱利用率得到成倍的提高。

下面通过仿真对本发明的技术效果再做说明。

实施例7

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案和无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议同实施例1-6。为了分析本发明的的性能，在NS2-2.35仿真软件中进行上述传输过程的仿真验证，并与IEEE 802.11原有方案的性能进行对比。仿真中使用的关键参数参见表1。

在自干扰完全消除的情况下，对比本发明和原始IEEE 802.11的MAC协议的信道吞吐量性能。参见图3，横坐标为每个终端用户节点需要上行的数据量的大小，纵坐标为信道吞吐量性能，图中显示了信道的吞吐量性能随用户数据量不断上升的变化趋势，其中，下行的数据量总和与上行的数据量总和相等。在每个节点的数据量较少时，参见图3中横坐标小于120Kbps的部分，本发明完成的数据通信以单向上行半双工传输模式或单向下行半双工传输模式为主。本发明获得的吞吐量性能和原始IEEE 802.11的 MAC协议的吞吐量性能效果一致，也说明，本发明可以很好的兼容传统无线单向半双工的传输模式。当用户的数据量逐渐上升时，参见图3图中横坐标为120-240Kbps的部分曲线，可见，原始IEEE 802.11的MAC协议能够完成的数据吞吐量达到饱和，而本发明的吞吐量性能依然保持上升趋势，此时本发明完成的数据通信既有传统无线单向半双工模式也有同时同频全双工模式。当用户数据量继续上升时，本发明能够带来的信道吞吐量性能也趋于饱和，并在饱和状态下，本发明带来的信道吞吐量是原始IEEE 802.11的MAC协议的近两倍。

表1本发明以及IEEE 802.11原有方案性能仿真的关键参数

包的净负载	2047byte
		RTS	20byte
FRTS	26byte
		CTS	14byte
FCTS	14byte
		ACK	14byte
信道比特率	1Mbit/s
		SIFS	10us
时隙间隔	20us
		DIFS	50us

实施例8

无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方案和无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议同实施例1-6，仿真条件和仿真内容同实施例7。

在自干扰完全消除的情况下，本发明和原始IEEE 802.11的MAC协议的信道饱和吞吐量性能与终端用户节点个数的关系，对比两者的信道饱和吞吐量性能，参见图4，横坐标为终端用户节点个数，纵坐标为饱和信道吞吐量性能。图4给出了本发明与原始IEEE802.11的MAC协议饱和吞吐量性能曲线，相比下，本发明的饱和吞吐量性能得到近两倍的提高，并且随着用户终端节点个数的增多，本发明与原始IEEE 802.11的 MAC协议相比，还能保持良好的吞吐量性能，饱和吞吐量性能是原始IEEE 802.11的 MAC协议的两倍以上，而且基本保持稳定，说明工作状态良好。

本发明用于在集中式无线通信***中实现同一频段同时进行上行和下行的数据通信，并且能够兼容传统的频分双工FDD和时分双工TDD的传输模式。特征在于添加两个新的控制帧FRTS/FCTS帧，与原有的RTS/CTS帧一起完成传统无线双工和同时同频全双工四种传输模式的握手过程。仿真实验表明本发明可以同时支持对称双向链路和非对称双向链路的同时同频全双工的传输，兼容了传统无线双工的传输模式，使用同时同频全双工传输模式能够有效的提高信道吞吐量，使频谱利用率成倍提高。

综上所述，本发明公开的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工的 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、单向上行和下行双工传输模式兼容及隐藏终端导致的碰撞问题。本发明在IEEE 802.11的MAC 协议基础上，又增加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。协议包含信道监听过程、握手过程和数据通信3个过程。本发明添加了两个新的控制帧FRTS/FCTS帧，与原有的RTS/CTS 帧一起完成传统单向上行下行双工模式以及对称和非对称同时同频全双工模式的握手过程。本发明兼容传统单向上行下行的传输模式，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效率。用于集中式通信***中。

Claims (3)

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协议方法，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，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IEEE 802.11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；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；

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IEEE 802.11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IEEE 802.11中的定义一致；令DATA-U帧和DATA-D帧的长度相同。

2.根据权利要求1所述的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方法，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，用户节点U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS时隙后向节点U3发送FCTS帧；

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,中心接入节点AP发送FRTS，用户节点U1收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送CTS帧；

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，用户节点U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS时隙后向节点U3发送FRTS帧，用户节点U3收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送CTS帧；

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，用户节点U3发送RTS，中心接入节点AP收到RTS再等待SIFS时隙后向节点U1和U3发送FRTS帧，用户节点U1收到FRTS再等待SIFS时隙后向AP发送CTS帧；

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。

3.根据权利要求2所述的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD-MAC协议方法，其特征在于，所述的握手过程的具体方案如下：

在实现所述的握手过程建立通信链路的过程中，将参与数据通信的节点分为三个类型：

第一类：上行链路的终端用户节点，负责发送RTS帧以及DATA-U帧；

第二类：下行链路的终端用户节点，负责发送CTS帧，并负责接收DATA-D帧；

第三类：接入结点AP，负责发送FRTS帧、FCTS帧以及DATA-D帧，并负责接收DATA-U帧；

上行单向链路的半双工传输模式中，只存在第一类和第三类节点；下行单向链路的半双工传输模式中，只存在第二类和第三类节点；对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，且第一类节点和第二类节点为同一个节点；非对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，第一类节点和第二类节点为不同节点；

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和AP，将同时为类型一和类型二的节点表示为XY；短帧间间隔SIFS和分布式帧间间隔DIFS的定义与IEEE802.11分布式协调功能中的定义相同；

用伪代码描述本发明的握手过程和数据通信过程如下：

类型一节点的伪代码：

A)两种情况：B)X竞争得到信道资源；F)X竞争没有得到信道资源；

B)X竞争得到信道资源，转C)；

C)X向AP发送RTS帧，等待AP回复FRTS帧，转D)，或AP回复FCTS帧，转E)；

D)X收到AP发送的FRTS帧，若X不是XY，X等待2个SIFS时隙+发送CTS的时间后，向AP发送DATA-U帧，等待接收AP发送的ACK帧，转I)；若X是XY，X等待2个SIFS时隙+发送CTS的时间，在这个期间XY还需要完成相应Y的工作(见下文类型二节点的伪代码)，等待时间结束后X向AP发送DATA-U帧，等待接收AP发送的ACK帧，转I)；

E)X收到AP发送的FCTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送DATA-U帧，等待接收AP发送的ACK帧，转I)；

F)X竞争没有得到信道资源，转G)；

G)X收到AP发送的FRTS帧，即X是XY，等待SIFS时隙后，向AP发送RTS帧，等待接收AP发送的FCTS帧，转H)；

H)XY收到AP发送的FCTS帧，等待SIFS时隙后，向AP发送DATA-U帧，等待AP回复ACK帧，在此期间XY还需要完成相应Y的工作(见下文类型二节点的伪代码)，转I)；

I)X收到AP发送的ACK帧，本次通信完成；

类型二节点的伪代码：

A)三个判断条件B)、C)和D)；

B)若Y是XY且收到AP发送的FCTS帧，则等待SIFS时隙后，接收AP发送的DATA-D帧，转F)；

C)若Y是XY且收到AP发送的FRTS帧，FRTS帧中的上行链路的用户节点地址不为空，则准备CTS帧，转E)；

D)若Y不是XY且收到AP发送的FRTS帧，则准备CTS帧，转E)；

E)等待SIFS时隙后，Y向AP发送CTS帧，等待接收AP发送的DATA-D帧，转F)；

F)Y接收AP发送的DATA-D帧结束，等待SIFS时隙后，向AP发送ACK帧；

类型三节点的伪代码：

A)三种情况：B)AP有下行通信的数据包，且AP竞争没有得到信道资源；G)AP有下行通信的数据包，且AP竞争得到信道资源；M)AP没有下行通信的数据包；

B)AP有下行通信的数据包，且AP竞争没有得到信道资源，转C)；

C)AP收到X发送的RTS帧，准备FRTS帧，并将FRTS帧中的上行用户节点的地址设置为X的地址，等待SIFS时隙后，AP向X和Y发送FRTS帧，等待Y回复CTS帧，转D)；

D)AP收到Y发送的CTS帧，等待SIFS时隙后，向Y发送DATA-D帧，同时接收X发送的DATA-U帧，转E)；

E)AP接收X发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙，向X发送ACK帧，转F)；

F)AP接收到Y发送的ACK帧，完成本次通信；

G)AP有下行通信的数据包，且AP竞争得到信道资源，转H)；

H)AP准备FRTS帧，并将FRTS帧中的上行用户节点的地址设置为空，竞争得到信道资源，AP向Y发送FRTS帧，等待接收RTS帧，转I)，或接收CTS帧，转M)；

I)AP收到Y发送的RTS帧，即Y为XY，AP准备FCTS帧，等待SIFS时隙后，向XY发送FCTS帧，转J)；

J)AP发送完FCTS帧，等待SIFS时隙后，向XY发送DATA-D帧，并接收XY发送的DATA-U帧，转K)；

K)AP接收XY发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙，向XY发送ACK帧，转L)；

L)AP接收到XY发送的ACK帧，完成本次通信；

M)AP没有下行通信的数据包，转N)；

N)AP收到X发送的RTS帧，准备FCTS帧，等待SIFS时隙后，向X发送FCTS帧，等待接收X发送的DATA-U帧，转O)；

O)AP接收X发送的DATA-U帧完成，等待SIFS时隙后，AP向X发送ACK帧，完成本次通信。

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