全双工可见光通信系统MAC层研究

摘要 本文针对可见光通信系统物理层的特点，引入了无线全双工的思想，并设计了基于全双工通信网络的MAC层协议。为了更好地利用全双工操作带来的性能提升，本文着重研究如何提高全双工操作的概率。与传统室内可见光通信网络不同的是，本文将网络中AP也加入到信道的竞争中，即赋予其自主竞争信道的权限。另外，根据AP与终端节点业务量大小的差异，本文还提出一种改进的自适应MAC协议，以提高全双工操作的概率，进一步提高网络的性能。

关键词 可见光通信；无线全双工；MAC协议

中图分类号 TN91 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）112-0231-03

Research on the MAC Protocol of Full-duplex Visible light Communication

Di Fei

Abstract Based on the features of visible light communication (VLC)，we introduce the concept of wireless full-duplex into VLC and propose a full duplex protocol. We intended to increase the possibility of full-duplex operation in order to achieve better network performance. Different from traditional indoor VLC networks， we include AP to contend for the channel access among the clients， which increase the possibility for AP to access the channel. Moreover， to make our MAC protocol more adaptive， we propose a MAC protocol with adaptive contention window， which based on the traffic load at AP， for the purpose of increasing the possibility of full-duplex operation to achieve better downlink throughput.

Key words visible light communication(VLC); wireless full-duplex; MAC protocol

1 研究背景

伴随着人们日益膨胀的信息需求，通信技术的创新与研究也进行得如火如荼。然而，人们在享受现代通信技术带来便利的同时，电磁污染加重、频谱资源稀缺以及信息安全等问题也越发地显露出来。于是，可见光通信这一新型的通信方式开始走进科学的视野。

与传统射频无线通信技术不同，可见光通信采用LED灯作为发射端，而接收端则利用光电检测器。作为新型高效固体光源，LED已显示出作为照明光源的巨大潜力，其高效，环保等优点必将为其发展奠定基础。

可将光谱是无线电频谱的10000倍，所以这就意味着更大的带宽和更高的速率。和石油、矿产、土地、水、森林一样，无线电频谱同样也是一种重要的自然资源。可见光作为一种未管制的频谱资源，故具有传统无线电无法比拟的优势。与无线射频电波相比，可见光的反射及衍射能力差，故光沿直线传播。所以，只要拉上窗帘或关上门即可保证光信号不会泄露到室内空间以外，这大大提升了通信的安全性与可靠性，且实现方式较为简便。

更值得一提的是，可见光通信MAC层设计也是一个全新的领域，如何为可见光通信这一新技术量身定制一套MAC协议也是意义深远的。本文首先对比全双工和半双工可见光通信网络的性能，然后提出一种AP参与信道竞争的全双工MAC协议，并进一步改进其性能加入自适应竞争窗口。

2 全双工MAC层协议

2.1全双工操作

如果终端节点向顶端LED(AP)发送数据帧（此时终端节点率先发起数据帧的传输，记为Primary Transmission）后，AP有数据帧也需要发送给终端节点（记为Secondary Transmission），那么此过程可称作一次全双工操作。

全双工有以下两个主要优点：

减少隐藏终端：在无线半双工MAC协议中，如IEEE 802.11的CSMA/CA，也会可选地通过RTS-CTS-DAT-ACK机制来减少隐藏终端的产生。但这种机制有两个缺点：第一，对于发送短帧的情形来说，这种机制无疑显得浪费资源；第二，从操作延时的角度来看，命令帧占用了不少时间，会降低信道的使用率。

而在全双工操作模式下，当终端节点A给AP发送数据帧的时候，AP也有数据帧要发送给A，那么此时的两路传输就称为全双工。在A给AP发送的数据帧中包含了一个很短的帧头，帧头有源节点和目的节点的MAC地址，AP接收完帧头后即开始发送数据帧，即使B是A的隐藏终端节点，此时终端节点B也会侦听到信道忙，从而保持静默。

提高吞吐量：在N个子节点的星形网络拓扑中，下行链路吞吐量通常表现很差，原因是AP和终端节点对信道的访问概率相等，但是AP端的下行数据流量却是终端节点的N倍。当网络处于饱和状态时，AP端的下行链路吞吐量很低。然而，全双工操作可以解决这个问题。因为在终端节点通过上行链路发送数据帧的同时，AP可以通过下行链路发送数据帧，提高AP对信道的访问概率。

2.2 全双工与半双工性能对比

在室内可见光通信系统中，布置有4个终端节点，终端节点与AP构成星形拓扑结构网络，且信道的最高速率设定为100Mbps。本文规定在半双工系统中选择RTS-CTS握手的CSMA/CA机制，全双工系统则选择基本CSMA/CA访问机制，最小竞争窗口都为Wmin=16。我们比较在不同上行速率的情况下，全双工和半双工网络下行链路吞吐量。

图1 全双工与半双工下行链路吞吐量

如图1所示，在全双工或半双工模式下，随着上行速率增大，下行链路吞吐量也成线性增大。针对不同的上行速率，全双工与半双工模式的下行链路吞吐量差别较大。其主要原因是，在半双工模式下，顶端LED节点与终端节点对信道的访问概率相同，但其需要向4个终端节点发送数据帧，故在下行链路发送数据帧时常常发生冲突，从而下行链路吞吐量较低，最终信道饱和时趋于0.21。然而，在全双工模式下，终端节点在上传数据帧的同时也可以接收数据帧，故下行链路吞吐量大大提升，饱和时可达0.62。

结合以上全双工与半双工模式下吞吐量的对比，全双工网络显然具有更好的性能。然而，当终端节点向顶端LED发送数据帧（记为Primary Transmission）后，AP有数据帧也需要发送给终端节点（记为Secondary Transmission）并非是一个必然事件，将其发生的概率记为。若终端节点向AP发送数据帧的同时，AP待发队列中没有发送给该终端节点的数据帧，则此时全双工操作无法完成，相当于半双工模式。

如图2所示，当二次传输（Secondary Transmission）概率为0时，此时相当于半双工模式，信道吞吐量与基本CSMA/CA接入机制相同。当二次传输（Secondary Transmission）概率逐渐增大时，信道的吞吐量也随即逐渐增大。当二次传输（Secondary Transmission）概率为1时，也就是每次都能实现全双工操作的理想情况，信道吞吐量达到最大值，理论上为半双工的两倍。所以，本文下面的目标就是尝试提高全双工操作的概率，来提高网络性能。

图2 二次传输的概率与吞吐量

2.3协议改进

与传统信标使能模式不同的是，本文中的AP具有自主发起数据帧传输参与信道竞争的能力。

流程描述：

若终端节点获得了信道访问权，则终端节点向顶端AP发送数据帧；AP接收完数据帧的帧头后，获取发送节点的mac地址信息；若AP待发送队列中有数据帧需要发送至该终端节点，则在接收数据帧的同时立即将待发数据帧发送至该终端节点，否则发送一个忙音信号。

若顶端AP获得了信道访问权，则AP直接将数据帧发送至目标终端节点；目标终端节点在接收完数据帧的帧头后，判断目标节点MAC地址信息与自身信息是否吻合。若吻合，则确定接收该数据帧，否则丢弃该帧；若终端节点待发送队列中有数据帧需要发送至AP，则在接收数据帧的同时立即将待发数据帧发送至AP（此时终端节点无须发送忙音信号避免隐藏终端，因为本文默认该子网内终端节点都能接收AP广播的数据帧），此次传输为半双工操作。

图3 下行链路吞吐量

首次改进后，如图3所示，此时下行链路的速率是40Mbps。当上行速率较小时（小于40Mbps），改进之后的协议下行链路吞吐量要大于未改进的全双工协议，在上行速率为10Mbps时，几乎为未改进协议的2倍。主要原因是，AP对信道具有自主访问权，即对信道的访问概率增大。当上传速率逐渐变大后，改进协议的下行链路吞吐量不及未改进前的协议。主要原因是，终端节点此时数据帧的到达率逐渐变大，终端节点并未获得相对AP较大的信道访问概率，全双工操作的概率变小。特别地，当最小竞争窗口为16的情形下，AP端对信道的访问概率过大，导致全双工操作几乎很难实现，从而造成下行链路吞吐量下滑。

然而，为了防止出现图3出现的吞吐量突然下滑，本文对改进协议再作进一步优化，以适应多变的网络环境，即提高全双工操作的概率，也就是平衡顶端LED（AP）与终端节点的数据流量。当顶端AP的数据帧到达率大于终端节点数据帧到达率，那么AP需要对信道拥有更大的访问概率，否则AP端的发送队列会产生溢出，造成数据帧丢失。

当竞争窗口较小时，终端节点发送数据帧的概率越大，即终端节点获得信道访问概率更大。反之，则终端节点获得信道的访问概率越小。在室内可见光通信系统中，顶端LED端的数据帧达到率常常会因为网络业务的影响变化较大。本文将LED端最小竞争窗口的大小划分为两种，分别为和（）。顶端AP通过监测本地数据帧到达率，自适应地选择最小竞争窗口的大小。

当AP端数据帧到达率较高时，选用，以获得更大的信道访问概率。反之，则选用。以上自适应选择最小竞争窗口的目的在于提高全双工操作的概率，提高网络吞吐量，本文称为MACadaptive（Adaptive Contention Window， AC）。

第二次改进后，如图4所示，此时下行链路的速率是40Mbps。当上行速率较小时（小于40Mbps），MACadaptive的下行链路吞吐量要大于未改进的全双工协议，在上行速率为10Mbps时，几乎为未改进协议的2倍。主要原因是，AP对信道具有自主竞争权限，即对信道的访问概率增大。当上传速率逐渐变大后，MACadaptive下行链路吞吐量稍好于未改进的吞吐量。但未发生第一次改进协议中，下行链路吞吐量的下滑。主要原因是，当上行速率较小时，AP端数据帧到达率大于终端节点数据帧到达率，此时AP端选用，以获得更大的信道访问概率，实现全双工操作；当上行速率较大时，此时终端节点数据帧到达率大于AP端数据帧到达率，此时AP选用，终端节点获得更大的信道访问概率，实现全双工操作。

图4 下行链路吞吐量

3 结论

本文首先比较了全双工与半双工可见光通信网络性能的差别，并在此基础上提出了基于无线全双工的MAC协议。该协议旨在提高数据传输过程中，全双工操作的概率，进而提高网络下行链路的吞吐量。另外，本文还就提高全双工操作概率，进一步提出了一种自适应竞争窗口的全双工MAC层协议，其依据是对AP端的数据流量进行实时监测，通过改变其最小竞争窗口，控制AP对信道的访问概率，当上传速率小于下行速率时，下行链路获得比较好的吞吐量。

参考文献

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