（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络的媒体接入控制策略与分组调度算法研究.pdf

中文摘要 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ：w m n ) 是一种拓扑结构为网状的分 布式网络，其通信依靠节点之间相互协作，以无线多跳的方式为用户终端提供因 特网接入服务。由于无线m e s h 网络具有高速率、高容量，低成本等优点，近年来 受到业界的广泛关注。随着无线m e s h n 络的应用的推广，其业务也呈现出多样化 趋势，并且不同的业务对网络的服务质量( q o s ) 要求也在提高。无线m e s h n j 络 有限的频谱资源与其业务需求增长之间的矛盾日益尖锐，所以如何提高无线资源 的利用率，实现资源的公平接入和满足用户业务的服务质量( q o s ) 保证成为了当 前无线m e s h 网络中面临的关键问题。而媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ： m a c ) 和分组调度( p a c k e ts c h e d u l i n g ) 机制是为网络提供服务质量( q o s ) 保证 的重要措施，本文以国家8 6 3 课题“层次化拓扑控制的宽带无线自组网体系研究”需 求为应用背景，在无线m e s h 网络研究的基础上，重点开展了媒体接入控制和分组 调度机制研究。 媒体接入控制的主要作用是以一定的顺序和有效的方式分配和协调网络节点 访问信道，其主要目的是实现网络容量的最大化，同时，也考虑在各个用户之间 实现网络接入的公平性和有区分的服务质量保障。针对媒体接入控制协议，本文 首先对其进行了分类讨论，其后分别研究了i e e e8 0 2 1 1 s w i f im e s h 和i e e e 8 0 2 1 6 w i m a x m e s h 网络的媒体接入控制机制。其中：首先，分析了i e e e8 0 2 1 1 s m e s h 标准的中的点协调功能( p c f ) 、分布式协调功能( d c f ) 及增强型( e d c a ) 接入机制的工作原理。重点开展了e d c a 接入机制数学建模分析，讨论了退避算法 对系统吞吐量和业务时延的影响，改进了e d c a 接入机制的退避算法的缺陷。其次， 开展了i e e e8 0 2 1 6m e s h 标准中的的媒体接入控制研究，基于t d m a 时隙的动态预 约是i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络媒体接入控制的关键问题。本文研究了基于t d m a 方式 的集中式和分布式时隙调度和接入机制，并结合业务的q o s 要求提出了一种基于区 分服务的调度和接入方案。 分组调度的目的是在最大化系统吞吐量基础上，确保不同业务流以及用户间 公平性。本文采用排队论和图论分析了分组调度原理，阐述了分组调度的流程和 衡量调度算法的性能指标。在分析有线网络和无线网络的分组调度算法基础上， 结合无线m e s h 网络的特点和业务的q o s 需求提出了一种多级公平的分组调度策 略。 关键词：无线m e s h n j 络，分组调度，媒体接入控制，服务质量 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a ct w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ：w m n ) i sak i n do fd i s t r i b u t e d n e t w o r kw i mm e s ht o p o l o g ys t r u c t u r e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni t sn o d e sd e p e n d s o nt h e i rc o o p e r a t i o n ，w m np r o v i d et h eu s e rt e r m i n a l sw i t ha c c e s s i n gt ot h ei n t e r n e t s e r v i c ei nw i r e l e s sr e l a yw a y b e c a u s ew i r e l e s sm e s hn e t w o r kh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hr a t e ，h i g hc a p a c i t y ，l o wc o s ta n ds oo n ，i nr e c e n ty e a r sw m n h a sb e e nc o n c e r n e d e x t e n s i v l yi nt h ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y a l o n gw i t ht h ep r o m o t i o no ft h ew i r e l e s s m e s hn e t w o r ka p p l i c a t i o n ，i t ss e r v i c ei sa l s os h o w i n gd i v e r s i t yt r e n d ，a n dd i f f e r e n t s e r v i c et on e t w o r k s q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t sa r ei m p r o v e d t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h el i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c ea n dt h en e e d so ft h eb u s i n e s s g r o w t hi n c r e a s i n g l ys h a r p l yi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，s oh o wt oi m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a i t oo fw i r e l e s sr e s o u r c e ，r e a l i z er e s o u r c ef a i ra c c e s s i n ga n ds a t i s f yt h eu s e r s sq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) b e c a m et h et h ek e yp r o b l e m si nc u r r e n tw i r e l e s sm e s h n e t w o r k a n dt h em e d i aa c c e s sc o n t r o la n dp a c k e ts c h e d u l i n gm e c h a n i s ma r ei m p o r t a n t m e a s u r e sf o rg u a r a n t e i n gt h en e t w o r k sq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，t h i sa r t i c l ew i t ht h e n a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ”t h eh i e r a r c h i c a l t o p o l o g yb r o a d b a n dw i r e l e s sc o n t r o la dh o c n e t w o r ks y s t e mr e s e a r c h ”d e m a n df o ra p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h em e d i aa c c e s sc o n t r o l a n dp a c k e ts c h e d u l i n gm e c h a n i s mw i l lb er e s e a r c h e di nt h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h em a i nf u n c t i o no fm e d i aa c c e s sc o n t r o li st od i s t i l b u t eo rc o o r d i n a t e n e t w o r kn o d ev i s i t i n gc h a n n e li nac e r t a i no r d e ra n de f f e c t i v ew a y t h ep u r p o s eo f m e d i aa c c e s sc o n t r o li st or e a l i z ef a i ra c c e s st ot h es h a r e dw i r e l e s sc h a n n e lr e s o u r c e ， a n do nt h i sb a s i st oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo ft h e c h a n n e l a c c o r d i n gt om e d i a a c c e s sc o n t r o l p r o t o c o l ，t h i sp a p e r d i s c u s s e d b y c l a s s i f i c a t i o n ，t h e nd ot h ek e yr e s e a r c ho nm e d i aa c c e s sc o n t r 0 1o fw i f im e s ha n d w i m a xm e s hn e t w o r kr e s p e c t i v e l y f o rt h em e d i aa c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mo f i e e e8 0 2 11sm e s hs t a n d a r d ，i nt h i sa r t i c l ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o np c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i n gf u n c t i o nd c fa n de n h a n c e de d c aa c c e s s m e c h a n i s ma r ea n a l y s e d i np a r t i c u l a rw ea d o p tm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n a l y s i sf o r e d c aa c c e s sm e c h a n i s m ，b a s e do nt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c e o fb a c k o f f a l g o r i t h mf o rt h r o u g h p u ta n ds e r v i c ed e l a yi ns y s t e mi sd i s c u s s e d i nv i e wo f t h ed e f e c t so fo r i g i n a le d c am e c h a n i s m ，ai m p r o v e db a c k o f f a l g o r i t h mi sp r o p o s e d f o rt h em e d i aa c c e s sc o n t r o ls c h e m eo fi e e e8 0 2 16m e s hs t a n d a r d b e c a u s ei t sa r e i t i b a s e do nt h et d m aw a y ，h o wt od y n a m i cs c h e d u l e dt i m e s l o ti sk e yi s s u e sf o rm e d i a a c c e s sc o n t r o li ni e e e8 0 2 16m e s hn e t w o r k i nt h i sp a p e rc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d t i m e s l o ts c h e d u l i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h et d m aw a y a r ea n a l y s e d ，i nv i e wo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w os c h e d u l i n gm o d e la n dc o m b i n i n gt h eq o sr e q u i r e m e n t s ，a d i f f e r s e r v i c et i m e s l o ts c h e d u l i n gi sp r o p o s e di nt h ea r t i c l e t h ep u r p o s eo ft h ep a c k e ts c h e d u l i n gi sm a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u t ，a tt h es a m e t i m ee n s u r ed i f f e r e n tt r a f f i c sq u a l i t yo fs e r v i c et o ( q o s ) a n df a i r n e s sb e t w e e nu s e r s i n t h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fap a c k e ts c h e d u l i n gi sa n a l y s i e db yu s i n gt h eq u e u i n gt h e o r y a n dg r a p hm a t h e m a t i c a lt h e o r y ，a l s o t h ep a c k e ts c h e d u l i n gp r o c e s s e sa n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e x o fs c h e d u l i n ga l g o r i t h m a r ei n t r o d u c e d t h em a t u r ep a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m o fc a b l en e t w o r ka n dw i r e l e s sn e t w o r ka r ea n a l y s i e di n t h e a r t i c l e b a s e do nt h e s et h e o r y am u l t i s t a g ef a i rg r o u ps c h e d u l i n gs t r a t e g y 1 s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e dw i t ht h es e r v i c e s sq o s r e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sm e s hn e t w o r k k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，p a c k e t s c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，q o s 1 v 1 绪论 1绪论 1 1 引言 随着信息化时代的到来，人们对网络通信的要求也越来越高，希望在任何时 候( w h e n e v e r ) ，任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 都能进行准确而快 速的通信。在这种趋势下，各种各样的无线技术层出不穷，并得到了迅猛的发展， 然而，不论是以3 g 、4 g 为代表的蜂窝无线网络，还是以8 0 2 1 1 技术为代表的无 线局域网络，都主要工作在基础架构模式，即所有的无线终端需通过访问基站 ( b a s es t a t i o n ) 或网络接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 而获得网络的单跳无线接入。由于 单跳网络信号的传输距离有限，网络的覆盖范围受限，为了增大网络的覆盖范围， 减小网络的部署成本，且提供灵活的网络配置，无线m e s h 网络( w i r e l e sm e s h n e t w o r k w m n ) 应运而生。无线m e s h 网络采用网状结构，是一种多跳的无线网络， 无线m e s h 网络作为一种具有组网灵活、网络容量大、可靠性高等特点的网络结构 成为了下一代无线网络的发展方向。 近年来，一些国际化标准组织致力于与学术届共同推动无线m e s h 网络的标准 化工作，2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1 标准工作组专门成立了m e s h 研究组，将m e s h 机制引入i e e e8 0 2 1 1 标准促进了w l a n 的可持续发展，随后m e s h 机制也相继被 写入到8 0 2 1 5 ，8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 标准中。无线m e s h 网络作为一种新型的应用网络， 因其自身特点，应用范围十分广泛，它可以为在家庭、企业等用户提供因特网无 线宽带服务，也可以支持那些需要快速或临时安装应用，如一些公共场所，消防， 展览会或救援等场景提供应急通信服务。目前，在学术研究领域，国外大学如纽 约州立大学，麻省理工学院，乔治亚技术学院已经建立了无线m e s h 网络研究的实 验平台，一些致力于无线m e s h 网络开发和应用的国外公司，如加拿大的北电网络， 美国的m e s hn e t w o r k s ，都推出了相应的无线m e s h 网络设备和组网方案。在国内 学术界，清华大学，北京邮电大学等高校的相关研究组也在近几年开展了对无线 m e s h 网络的研究，同时国内华为中兴等通信设备商也在积极的进行相关产品和技 术的研发。 综上所述，无线m e s h 网络有着巨大的发展潜力，现有的无线m e s h 网络也必 将朝着多种无线接入技术融合的方向发展，但是无线m e s h 网络中可用的无线资源 非常有限，同时，随着业务的发展以及网络用户的增加，无线m e s h 网络有限的频 谱资源与其业务需求增长之间的矛盾将日益尖锐，如何提高无线资源的利用率， 实现资源的公平接入和满足用业务的服务质量问题，是当前无线m e s h 网络中面临 的关键问题。 重庆大学硕士学位论文 1 2 课题研究目的和意义 随着通信网络业务的需求多样化，尤其是语音、视频等多媒体业务的快速增 长，对无线网络服务质量提出了新的要求，不但对网络有着很高的带宽要求，同 时要求信息传输时满足不同业务的延迟和抖动限制等q o s 指标。因此，要求无线网 络能够提供区分化的网络q o s ，而媒体接入控制和分组调度算法是实现q o s 保证的 核心技术。随着无线m e s h 网络技术研究的不断推进，无线资源的分配与业务调度 在无线m e s h 网络中也面临新的问题，尤其是在链路信道和网络拓扑时变性影响下， 无线分组调度算法作为q o s 的关键技术在m e s h 网络中尚未有成熟的解决方案。另 一方面由于无线m e s h 网络复杂的无线链路和组网环境，使得媒体接入控制也面临 着新的挑战。为此，本文重点开展了媒体接入控制策略和分组调度算法研究，实 现业务q o s 要求与网络( 信道) 资源的合理协同，达到网络资源的优化和业务服务 能力保障的研究目标。 首先m a c 层的主要任务就是获取网络资源，并控制网络资源的有效使用，它 涉及多址信道的分割，接入技术，分配策略和控制机制。在无线m e s h 网络中，如 何实现高效率的媒体接入控制是一项具有挑战性的技术难题，在单信道m a c 协议 中，各个用户需要共享同一个信道，当多个用户使用信道产生竞争时，需采用有 效的服务准则或协调机制来分配信道的使用权，以此来避免不同的用户同时使用 同一个信道而产生相互间的干扰( 主要是碰撞) 的问题。基于多信道的m a c 协议 是具有多个信道资源，网络中的相邻节点可使用不同信道在同一时间内进行通信。 在使用多信道的情况下，媒体接入控制机制更加的灵活。在多信道m a c 协议中， 一般的思想通常是将控制信道与业务数据信道相分离，从而可以避免业务数据信 道上数据信息的干扰与冲突。而在另一方面，媒体接入控制采用随机分布式控制 和集中式控制等控制策略，随机接入控制策略多以载波监听多路访问冲突避免 c s m a c a 协议为基础，其优点是具有分布式的灵活性，但其信道的利用率低。相 对而言，采用类似于轮询( p o l l i n g ) 的集中控制方式可以获得很高的信道利用率， 但是对网络系统有着诸多限制。而无线m e s h 网络即是分布式系统而且又要求高信 道利用率，因此对无线m e s h 网络媒体接入控制策略的研究提出了新的挑战。 分组调度机制是保证业务q o s 及其公平性的重要措施，它影响的主要网络性能 包括带宽分配，时延，时延抖动等，分组调度的目的是在最大化系统吞吐量基础 上，确保不同业务流的q o s 要求以及保证用户间公平性。有效的无线分组调度算法 应当拥有诸多良好的特性，其主要归结为有效性、公平性和复杂度三方面，优化 的分组调度机制对网络性能的改善格外重要。 综上所述，研究无线m e s h 网络的媒体接入控制和分组调度机制性已成为有挑 战性课题，同时具有理论和工程意义。 2 1 绪论 1 3 项目需求背景 “新一代宽带无线移动通信网”是国家中长期科学和技术发展规划纲要中明 确的重大专项。宽带无线自组网是一种无需固定接入站的宽带无线移动网，具有 “建网迅速”、“抗毁能力强”、“带宽大”、“可靠性高”等诸多优点。论文的研究工作 是在国家高技术研究发展计划项目“层次化拓扑控制的宽带无线自组网体系研究” 的支持下完成。该课题研究一种宽带无线自组网架构体系，从拓扑结构、交换机 制、调度算法和管理策略方面，实现“高带宽”和“高可靠性”的宽带无线移动通信。 在确定的网络架构下，控制和管理算法对系统性能起到重要作用。通常无线 网络协议划分为“三层二平面”( 见图1 1 ) 。三层是指物理层、数据链路层和网络层； 二平面即为数据控制平面和管理平面。 网络层 镧爹 网 络 l l c 层 管 裂惦键跆层 m a c 层 理 系 物理层 嘲 豳 统 数据控制平面管理平面 图1 1 协议软件架构图 f i g1 1t h ep r o t o c o ls t a c ka r c h i t e c t u r e 从协议栈的各个层次或平面来看： 物理层要解决衰落、多径干扰、功率控制等无线信道处理难题，主要涉及 信道编码、调制解调和功率调整技术： 数据链路层要解决接入控制、帧结构、带宽分配、业务调度、重传机制以 及q o s 保障问题； 网络层需要处理路由协议发现、维护网络动态拓扑信息。同时，需要有高 效率、高可靠性的路由选择机制； 网络管理平面主要涉及物理层的参数配置、数据链路层的接入认证、带宽 管理和q o s 策略、网络层的拓扑监控和流量分析。 针对无线m e s h 网络，本课题主要涉及上述架构中的数据链路层，主要研究媒 体接入控制策略和分组调度算法。 1 4 研究内容及需解决的问题 无线m e s h 网络体系结构是网络的基础，对整个网络起着至关重要的作用。 重庆大学硕士学位论文 本文首先介绍了无线m e s h 网络基本体系结构和特性，对无线m e s h 网络的多种组 网形式进行了深入的分析，其后简要介绍了i e e e8 0 2 1 l s w i f im e s h 与i e e e 8 0 2 16 w i m a xm e s h 标准。 i e e e8 0 2 1 1s w i f im e s h 网络媒体接入控制研究 媒体接入控制的主要任务之一就是实现用户公平接入共享无线信道，为用户 提供可靠的数据传输，并在此基础上尽量提高信道利用率。媒体接入控制对于m e s h 网络的性能起到关键的作用。本文对i e e e8 0 2 1 l s 采用的m a c 协议进行了深入的 研究，分析其现有m a c 协议的性能，针对退避算法对网络性能的影响进行了数学 分析，并在此基础上提出一种改进的退避算法。 i e e e8 0 2 16 w i m a xm e s h 网络下媒体接入控制研究 i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络媒体接入控制是基于t d m a 方式，如何进行时隙的动 态调度是i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络媒体接入控制的关键问题。本文深入研究了i e e e 8 0 2 1 6m e s h 网络集中式和分布式时隙调度机制，在此基础上提出了一种区分服务 的调度方案。 无线m e s h 网络分组调度算法的研究 分组调度机制是为网络提供q o s 保证的重要措施。本文分析了分组调度原理 和衡量分组调度的性能指标，研究了现有的有线和无线调度算法，在此基础上提 出适合无线m e s h 网络的分组调度策略。 1 5 本论文的章节安排 全文分为五章，各章的具体内容安排如下： 第一章：绪论部分，介绍研究背景及意义，以及研究内容和需要解决的问题。 第二章：首先对无线m e s h 网络组网方式和特性进行了分析，然后对媒体接 入控制进行定义并分析其在网络层次中的地位。最后对媒体接入控制协议进行分 类讨论并比较了w i f im e s h 和w i m a xm e s h 媒体接入控制的区别。 第三章：研究了w i f im e s h 媒体接入控制策略，提出了相应的媒体接入控制 优化方案及对其进行性能分析。 第四章：研究了w i m a xm e s h 媒体接入控制策略，提出了相应的媒体接入控 制优化方案及对其进行性能分析。 第五章：对分组调度进行研究，包括分组调度的原理，流程，性能指标和在 网络层次中的地位，并分析了成熟的有线和无线调度算法。 第六章：提出一种适合w i m a xm e s h 网络的分组调度机制并进行性能分析。 第七章：总结本文的研究工作，提出未来的工作展望。 4 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 2无线m e s h 网络中的媒体接入控制 无线m e s h 网络是一种共享无线信道的多跳网络，其m a c 协议对信道状态的 感知是最快的，它控制着节点接入无线信道以实现报文的正常收发。无线m e s h 网 络的性能，如吞吐率、接入时延和公平性等在很大程度上都取决于其所使用的m a c 协议。制定合适的m a c 协议以达到有效地配置无线信道资源，提高系统资源的利 用率和吞吐量，提供有保障的传输服务质量，是无线m e s h 网络研究的重要课题。 2 1 无线m e s h 网络基础 无线m e s h 网络是一种高速率，大容量的多点到多点的无线多跳网络，每个网 络节点在收发业务的同时可以转发来自其它网络节点的信息，其网络拓扑结构与 a dh o c 网络相类似，且具有一定的自组织、自配置和自管理特性，但与a dh o c 网络不同的是m e s h 网络通常由一些节点提供基站的功能，这样使得m e s h 网络可 以和骨干网连接。m e s h 网络节点也可以不经过基站，分布式地与其它网络中的任 意节点进行通信，也可以通过基站进行集中式的通信，有力的解决了无线接入“最 后一公里”的瓶颈问题。在无线m e s h 网络中包含有两种类型节点：m e s h 客户端 和m e s h 路由器。网络系统结构依据节点功能的不同分为三种类型：骨干网m e s h 结构( 分级结构) 、客户端m e s h 结构( 平面结构) 和混合结构。 骨干网m e s h 结构由m e s h 路由器组成一个可以自愈和自配置的链路来充当骨 干网，依靠m e s h 路由器的网关功能与i n t e m e t 相连，并且为客户端节点提供接入 服务。如图2 1 所示，普通客户端节点和已有的无线网络可以依靠m e s h 路由器的 中继或网关功能接入到无线m e s h 网络。若普通用户端具有与m e s h 路由器相同的 无线技术，则可以直接建立通信；如果使用的无线技术不同，则不同的客户端需 要先接入具有以太网接口的基站，再与m e s h 路由器相连。 客户端m e s h 结构是在用户设备之间提供点到点服务的无线m e s h 网络，由 m e s h 客户端组成。客户端组成一个能提供配置和路由功能的网络，支持用户的终 端应用。用于组成此网络的各节点不需要有网关或中继功能，所以这种无m e s h 网络无需m e s h 路由器。在此网络结构中，任意节点发出的数据包可以经由多个节 点的转发到达目的节点，虽然节点不需要有网关或中继功能，但是路由和自组织 功能是必须的。 混合型无线m e s h 网络结构是由有基础设施的骨干网m e s h 结构和客户型m e s h 结构的一种结合。m e s h 客户能够通过无线m e s h 路由器或者通过其他m e s h 客户接 重庆大学硕士学位论文 入到网络，同时这种网络结构还提供其他网络接入的能力，包括i n t e m e t 、无线局 域网、w i m a x 、蜂窝网和传感器网络。 图2 1 具有基础设施骨干无线m e s h 网络 f i g2 1 i n f r a s t r u c t r u e b a c k b o n ew m n s 2 1 1i e e e8 0 2 1 l s w i f im e s h 标准 i e e e8 0 2 1l s 2 任务组的目的是为了提供一个可管理、低复杂度的w l a nm e s h 规范。如图2 2 给出了i e e e8 0 2 1 1 s 的参考体系结构，包括m e s h 互操作、m e s h 网络的配置和管理、m e s h 网络拓扑发现和二层路由、网络测试和调度管理，以及 网络安全等内容。m e s h 媒体接入协调功能组件在d c f 或e d c a 基础上加以改进 的，负责有效的竞争接入和w m n 中多跳节点问数据包发送接收的调度，可以高 效地工作在m e s h 网络中。m e s h 媒体接入协调功能要解决的问题有：隐藏和暴露 终端问题，多跳转发路径上的有效调度，多跳m e s h 路径上的流量控制，分布式保 证服务质量的业务管理、对多跳多媒体业务分布式允许接入控制、本地业务和转 发业务的有效处理，m e s h 节点间信道工作接入的调度等。 士陧互 + l _ j l j 下匾三夏巨 l 糍冀冀矗ll “网络测量li 戮嚣ll 帆安全l i 厂二赢忑忑_ 物理层 i e e e 8 0 2l l 物理层 图2 2i e e e8 0 2 1 l s 功能组件结构图 f i g2 2f u n c t i o nc o m p o n e n t sc h a r to fl e e e8 0 2 1ls 6 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 2 1 2i e e e8 0 2 1 6 、i m a xm e s h 标准 为了解决无线城域网中的宽带接入问题，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组，目标是 是设计一个高速、高带宽和大容量的固定和移动宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ，b w a ) 标准。鉴于无线m e s h 网络的不断发展和推广，m e s h 功能被纳入 i e e e8 0 2 1 6 d e 标准中，m e s h 结构可以补充i e e e8 0 2 1 6 标准中的p m p 网络结构。 相对于p m p 模式，在m e s h 模式中s s 实现多跳通信可以不必经过b s 站，信号以 逐跳的方式在s s 相互之问就可以进行传输，这样可以增加网络的覆盖范围，且当 增加用户时也可不必增加基站，其拓扑结构是可以动态变化的。在i e e e8 0 2 1 6 m e s h 模式仅支持w i r e l e s s m a n o f d m 和w i r e l e s s h um a n 【3 j 两种物理层类型。 前者采用o f d m 调制技术，双工方式可为f d d 或t d d ；后者可采用o f d m 或 o f d m a 调制技术，双工方式为t d d ；支持自适应调制和编码。在i e e e8 0 2 1 6m e s h 采用的是t d d 双工模式，可以灵活地实现上下行带宽的动态调整。在m e s h 模式 m a c 层，有两种基于t d m a 的时隙调度机制：集中式调度和分布式调度。在集 中式调度中，b s 为其覆盖范围内的所有s s 分配无线资源；而在分布式调度中， 所有节点，包括b s ，相互协调接入信道。在协调过程中，所有节点会向它两跳距 离范围内的相邻节点广播它们的调度信息，如有效资源信息、请求和授权信息等。 2 2 媒体接入控制定义及在网络层次中的地位 无线m e s h 网络是共享无线信道的多跳网络，其数据链路层要解决接入控制、 帧结构、带宽分配、业务调度、重传机制以及q o s 保障问题。数据链路层可以被 划分为两个子层：逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ( 图1 1 ) ，链 路控制子层完成连接控制、分簇等与信道无关的链路层控制功能。媒体接入控制 子层通过规定一定的接入规则，让网络中的节点有序、公平、高效地共享使用无 线信道，同时m a c 还控制着对物理层的访问，为上层的协议提供统一的服务，屏 蔽底层不同的信道控制方式，以此实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、流量 控制和差错控制等功能。而媒体接入控制协议就是以一定的顺序和有效的方式分 配或协调网络节点访问信道的规则。网络的吞吐量、时延等方面性能主要就取决 于m a c 子层的接入协议，同时系统的容量，频谱利用率、设备复杂度和成本也都 受到了m a c 协议的影响。 2 3 无线m e s h 网络m a c 协议面临的问题 无线m e s h 网络能够扩大网络覆盖范围和增大网络容量，同时也给m a c 协议 的设计提出了特殊的难题。首要的问题源自于无线m e s h 网络的分布式特性。在没 有传统无线网络中的集中控制设施情况下，无线m e s h 网络的控制和管理必须分布 重庆大学硕士学位论文 在所有节点中。分布式m a c 协议与集中式m a c 协议相比是个更难的课题。第二 个难题是无线m e s h 网络中的多跳传输。由于节点不一定在彼此的无线覆盖范围 内，数据包在到达目的节点之前必须经过一个接一个节点的中继转发。在无线网 络中，无线信号随着传输距离而减弱。若采用单工通信，即使两个发送端都侦听 到信道空闲，同时传送数据也可能导致接收端的冲突。而且由于多跳无线网络中 载波侦听的低效率，会出现隐藏终端和暴露终端的问题。除了隐藏终端和暴露终 端问题，使用方向性天线或多信道m a c 协议的节点可能面临“盲区”问题。在一 个网络中，节点使用方向性天线或智能天线，若接收端天线没有指向发送端，可 能会导致发送端与意向接收端通信失败。在多信道网络中，在两个相邻节点为发 送和接收选择不同信道时，会产生“盲区”问题。因此，尽管两个节点在彼此无 线覆盖范围之内，它们也不能侦听到彼此。如果没有一个合适的m a c 协议，盲区 问题会导致网络中严重的吞吐量下降和不公平性。第三个难题是由于无线m e s h 网络的动态特性而产生的，如链路质量的变换，拥塞级别的改变、用户的移动性 等。当网络环境改变时，m a c 协议应该能够快速地适应这种变化。 2 4 无线网络m a c 协议分类 m a c 协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享，本文根据课题设计的 要求对m a c 协议按照如下方法进行分类讨论： 1 ) 根据获取信道资源方式的不同，m a c 机制主要分为两类：基于竞争的协 议；基于无竞争的m a c 协议，如图2 3 所示： 图2 3 根据获得信道资源方式不同的m a c 协议分类 f i g2 3 t h ec l a s s i f i c a t i o no fm a cp r o t o c o l s 基于竞争的协议假定网络中没有中心实体来分配信道资源，每个节点必须 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 通过竞争信道资源来进行传送。当超过一个节点同时尝试发送时，碰撞就会发生。 基于竞争的无线m a c 协议包括a l o h a 、时隙a l o h a 、c s m a 和c s m a c a 等。 在基于竞争的m a c 协议中的随机接入方式，用户可以根据其业务需要为自己 主动抢占信道资源的发送权。女n a l o h a 的基本工作方式如下：节点可以在需要的 任何时刻发送信息。接收端需要告诉成功接收数据包的确认应答( a c k ) ，如果发 送碰撞并破坏了数据包，发送端在超时时间内就不会确认应答( a c k ) 。之后，发 送端等待一个随机时间，再次发送这个数据包。a l o h a l l 较容易实现，网络中的所 有节点共享信道，网络中的任何节点需要发送数据时，不需要获取信道的工作状态， 直接发送。但是a l o h a 协议有吞吐量低的问题。最大的可获吞吐量只有可用总带 宽的1 8 4 。时隙a l o h a ( s a l o h a ) 协议同步了所有节点的发送时隙，改进了纯 a l o h a 的性能。在时隙a l o h a 里，将整个信道的占用时间分成了长度为t 的时隙，节 点只能在时隙的开头发送数据。通过限制每个数据帧传输的起始时间，只有在同 一个时隙里发送两个数据帧时，才会发生碰撞。因此，相对于纯a l o h a 中的两个时 隙，时隙a l o h a 易受碰撞的时间只有一个时隙。时隙的引入比纯a l o h a 降低了一半碰 撞的可能性，从而倍增了吞吐量，达到了总带宽的3 6 8 。然而，时隙a l o h a 与纯 a l o h a 都面临着稳定性问题，大量节点堆积了许多待发送数据帧时便会产生。产生 这种性能下降的主要原因是所有节点都随意地发送数据而没有考虑到其他节点。 鉴于需要协调网络中节点的数据发送，节点在发送数据之前需获取其他节点 的行为信息以便做出更好的决策。若一个节点能够探测到当前是否有其它的节点 也在发送数据，它就能相应地对自己的行为做出调整。载波侦听多路访问c s m a f c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 就是基于这种思想。在c s m a 中，节点在发送数据之前 会先侦听信道以确认当前信道是否空闲。如果当前信道被占用，节点就根据不同 的策略退避重复。利用载波侦听，节点能够成功避免与其侦听范围内其它发送站 点的碰撞。根据不同的侦听策略，c s m a 接入机制又可分为0 坚持、p 坚持、1 坚 持三种。0 坚持是指若信道忙就执行退避，然后重新监听信道；p 坚持是指若信道 忙就以p 的概率继续监听，而以( 1 p ) 的概率退避后重新监听；1 坚持是指若信道 忙就一直监听，直到监听到信道变为空闲为止；概率p 可以根据网络的需要进行调 整，从吞吐量、时延，实现难度几方面综合考虑。通过载波监听，节点能够成功 避免与其侦听范围内其他发送站点的碰撞。因此，c s m a 的性能优于a l o h a 和时隙 a l o h a ，使网络获得大大高于时隙a l o h a 协议1 e 的最大信道使用率。 但是以上讨论的随机接入方式容易造成报文冲突，而且存在着隐藏终端和暴 露终端问题。通过采用预约冲突处理机制，可以进一步降低发生冲突的机率。 c s m a c a 通过使用两个控制包，即发送请求r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 和清除发送 ( c l e a rt os e n d ) 能够有效地缓解隐藏终端问题。为了避免碰撞，发送端在发送数 重庆大学硕十学位论文 据之前先侦听信道是否空闲，然后发送一个r t s 信息，发送端无线覆盖范围内的 所有节点收到r t s 信息后，在r t s 信息中指定的时间段内不会发送数据。对应的 接收端以c t s 消息回应发送端，所有在接收端无线覆盖范围内的节点在收到c t s 消息后都保持静默。发送端的数据包在r t s c t s 交互后正常发送。应用这个方法， 尽管还会发生小的控制包的碰撞( 如r t s 包) ，但是较大数据包之间的碰撞会大大 减少。这样c s m a c a 通常能获得比c s m a 更优的性能，特别是在数据包很大的 情况下。同样m a c a 协议( 多址接入碰撞避免协议) 也是使用r t s c t s 控制报文