（通信与信息系统专业论文）无线通信系统媒体接入控制与业务调度算法研究.pdf

重庆大学硕t 学位论文中文摘要 摘要 随着无线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 ) 应用的推广，针对w m n 的q o s 技术也逐渐成为研究热点。媒体接入控制和分组调度算法是为网络提供 q o s 保证的重要措施。做为宽带通信网络的关键技术，q o s 控制机制在宽带有线 网络和蜂窝无线网络中的研究已经取得了成功。然而，由于w m n 的多跳和分布 控制等特点，使得现有q o s 技术在w m n 的实现中面临挑战。本文在无线m e s h 网络研究的基础上，完成了一种宽带无线网络产品的设计任务；并将媒体接入控 制和分组调度算法相结合进行研究，根据w m n 的特点，改进了t i m e l y 无线网 络分组调度算法模型，从而提高网络性能。主要进行了以下几方面的研究工作： l 、根据w m n 的特点，阐述了跨层设计的思想和要求，以及跨层设计在w m n 中的应用。结合课题背景，对媒体接入控制进行分类讨论，比较了t d d t d m a 技 术下的无线m e s h 网络m a c 协议的三种设计策略。 2 、分析了调度算法的数学理论基础和性能指标，对有线网络中的经典分组调 度算法进行了比较，研究了无线网络中常见的调度算法，在此基础上分析了 t i m e l y 无线网络分组调度算法模型。 3 、参与一种无线m e s h 网络设备开发工作，完成了项目中的m a c 协议的设 计开发和测试工作。 4 、针对t i m e l y 模型中未对业务进行优先级划分的问题，同时结合w m n 中 业务多跳转发的特点，设计一种业务分级机制，对业务进行优先级划分，并区分 转发业务和本站业务，实现在w m n 中提供具有区分化的q o s 保证。在业务分级 的基础上，将t i m e l y 模型中无线信道状态由2 种状态模型，结合信道误码率量 化成多状态模型，根据业务q o s 需求和信道状态进行匹配，完成调度模型的改进， 并通过仿真分析了改进后模型的性能。 关键词：无线网络，分组调度算法，媒体接入控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r ac t w i t hw i d e l ya p p l i c a t i o n so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) ，t h er e s e a r c ho fq o s i nw m nh a sb e c o m eah o tt o p i c m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) a n d p a c k e ts c h e d u l i n g a l ei m p o r t a n td a t al i n kl a y e rt e c h n i q u e s ，w h i c hp r o v i d eq o sg u a r a n t e e b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i co fm u l t i h o pa n dd i s t r i b u t e dc o n t r o li nw m n ，t h et y p i c a ld a t al i n kl a y e r t e c h n i q u e sa r en o ta v a i l a b l et ow m n s o ，t h em a ca n ds c h e d u l i n ga r ed i s c u s s e df o r w m n t h i sd i s s e r t a t i o n sw o r ki n c l u d e sab r o a d b a n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k e q u i p m e n t d e s i g n i n ga n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m st h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h i n gt oi m p r o v et h et i m e l y m o d e lo fp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h em a j o rw o r ka n di n n o v a t i o n sa r es h o w na s f o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw m n ，t h et h e o r ya n dr e q u i r e m e n to f c r o s s l a y e rd e s i g na n di t sa p p l i c a t i o n si nw m n i se x p a t i a t e d c o n s i d e rt h eb a c k g r o u n d o fs u b j e c t ，c l a s s i f i c a t i o no fm a c p r o t o c o li si n t r o d u c e d c o m p a i r e dt h em a cd e s i g n s i nt d d t d m aw m n 2 s u m m a r i z e dt h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，t h em a t h e m a t i c a l a n a l y s i so f s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si sc o m p l e t e d b yr e v i e w i n gp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m su s e di n w i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h et i m e l ym o d e lo fp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m si n w i r e l e s sn e t w o r ki sd i s c u s s e d 3 p a r t i c i p a t e di nd e s i g n i n go fab r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r kp r o d u c ta n d c o m p l e t e d t h ed e s i g no fm a c p r o t o c 0 1 4 c o n s i d e rt h en o n _ d i v i s i o no ft r a f f i ci nt i m e l ym o d e la n dt h em u l t i h o pt r a f f i c o fw m n ，ah i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n gm e c h a n i s mf o rt r a f f i ci s d e s i g n e d i tp r o v i d e s c l a s s i f i c a t i o no ft r a f f i ca n dd i s t i n g u i s h e sb e t w e e nn o n d i r e c tt r a f f i ca n dd i r e c tt r a f f i c ，t o p r o v i d ed i f f e r e n tq o sg u a r a n t e ei nw m n b a s e do nt h eh i e r a r c h i c a lc l a s s i f i c a t i o no f t r a f f i c ，t h ec h a n n e ls t a t ei nt i m e l ym o d e li s i m p r o v e df r o m 2 - s t a t et on - s t a t e ， a c c o r d i n gt ob e r m a t c ht h eq o so ft r a f f i ca n dt h ec h a n n e ls t a t et oc o m p l e t et h e i m p r o v e m e n t so fs c h e d u l i n gm o d e l k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ，p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l l l 学位论文独创性声明 本人声明 所 呈 ，交 的巧k 士 学位论文 绲蕴建丝鲻钮氍函如砼鲍钳醛徊萑黼是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：一彩坪踞 签字日期：加一夕厂 导师签名： 签字日期：移力岁，厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程”) ，愿意将本人 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( 渊) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：鬯锄 翩等一 研年6 月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年 月一日。 说明：本声明及授权书兰逝装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着社会的发展和科技的进步，无线通信技术已成为当今发展最迅速、应用 最广泛的通信技术之一，是2 1 世纪全球信息技术发展的重要标志。从整个通信网 整体而言，通常无线通信系统处于通信网的末端，往往用来解决接入问题，也就 是所谓的“最后1 英里”的问题。 无线网络通常采用点对多点的组网模式，如公众陆地移动通信网( p l m n ) 系统 的基站与用户站之间构成单跳网络。而无线多跳网络( w i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k s ) 则是目前研究热点，典型的应用有：无线a dh o c 网络、无线网状网( 无线m e s h 网络：w m n ) 。无线a dh o c 网络是由多个移动节点组成的多跳无线网络，a dh o c 网络强调无中心的自组织自管理【l 】。无线网状网( 无线m e s h 网络) 【2 1 ，也称多跳 网络，其网络节点可以是移动设备，也可以是有基础设施的无线固定设备。网络 中的骨干节点不仅可以作为m e s h 网络客户端，同时也起到m e s h 网络中路由器的 作用。与a dh o c 网络的高移动性和时变性、低数据率和设备自持能力的网络特点 不同，无线m e s h 网络重点考虑宽带业务支持能力，即：提高网络容量和保障业务 服务质量。无线多跳网络为典型的分布式系统，一般无中心控制点和集中式的业 务转发点。网络中的各个路由节点自主地实现其业务转发控制，从而构成多跳连 接。 无线多跳网络的实现可基于多种物理层和媒体接入控制层( 包括i e e e8 0 2 1 l ， h i p e r l a n ，h o m e r f ，b l u e t o o t h ，u w b ) 技术，以支持宽带业务，如：实时音视频、 w e b 流量、文件传输等。按节点通信半径的不同，无线多跳网络的应用大致可分 为三类：无线传输网，重点实现长距离和广覆盖，其通信半径较大，可以采用地 面无线中继网络或卫星通信网( 如：近地卫星通信网) ；基于i e e e8 0 2 1l s 、i e e e 8 0 2 1 6 技术的无线局域网或者是无线城域网所构成网状网，该网络重点解决接入 问题；通信半径较小的无线个域网，如基于i e e e8 0 2 1 5 的b l u e t o o t h 技术。 由于无线通信受其传输介质上的噪声影响，在无纠错控制的信道上呈现高误 码率和突发错误。在m e s h 组网工作时，网络拓扑上的链路还存在着对临近工作链 路的干扰。因此，无线链路容量与其网络位置( 动态拓扑) 和通信时间相关( 业 务和信道时变性) ；节点业务能力取决于节点功率，而网络能力又限制节点功率。 及时感知网络现状，对合理利用网络资源对无线网络至关重要。 重庆人学硕十学位论文1绪论 1 2 课题研究目的和意义 随着通信业务的需求多样化，尤其是视频、语音等多媒体业务的迅猛增长， 对无线网络技术提出了新的要求，不但对网络有很高的带宽要求，同时要求信息 传输满足不同业务的延迟和抖动限制等服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ：q o s ) 指标。 因此，要求无线网络能提供区分化的网络q o s ，而媒体接入控制( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l m a c ) 和无线分组调度算法( w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n g ) 是实现q o s 控制 的核心技术。同时随着无线多跳网络技术研究的不断推进，无线资源分配与业务 调度在w m n 中也面临新问题，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。 w m n 的复杂无线链路和组网坏境，使得在m a c 层设计中需要考虑物理层信道变 化影响。因此结合w m n 多跳的特点，实施跨层次的设计有着重要的应用价值， 同时也对无线分组调度算法提出了新的思路。本文主要将两者相结合研究，实现 了业务q o s 要求与网络( 信道) 资源的合理协同，达到网络资源优化和业务服务 能力保障的研究目标。 首先，无线分组调度算法是保障业务q o s 及其公平性的重要手段。该算法确 定了对业务流服务的准则，以使得所有输入业务流能够按照预定的业务q o s 指标 共享链路带宽。有效的无线分组调度算法应当拥有诸多良好的特性，主要归结为 有效性、公平性和复杂度三方面。它影响的主要参数性能包括带宽分配，时延， 时延抖动等。调度算法是在最大化系统吞吐量基础上，确保不同业务流的q o s 以 及保证用户间公平性。 媒体接入控制层的主要任务之一就是获取网络资源，并控制网络资源的使用， 它涉及多址信道的分割、接入技术、分配策略和控制机制等多方面内容。在无集 中控制的m e s h 网络中，如何实现高效率资源控制是一项技术难题。在单信道接入 协议中，各个用户共享同一信道。当信道的使用产生竞争时，需要采用有效的协 调机制或服务准则来分配信道的使用权，以避免不同的用户同时使用同一信道， 否则就会产生相互干扰( 主要是碰撞) 问题。基于多信道的接入协议具有多个信 道资源，相邻节点可以使用不同信道同时进行通信。在使用多信道的情况下，接 入控制更加灵活。多信道接入协议通常将控制信道与业务信道分离，从而避免业 务信道上数据信息的干扰和冲突。另一方面，媒体接入控制可以采用随机式的分 布控制和集中控制等控制策略。随机接入控制多以c s m a c a 协议为基础，具有分 布式的灵活性，但其信道利用率低。相对而言，采用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，但对系统有诸多限制。无线m e s h 网络既是分布式系统又要 求高信道利用率，因此对无线m e s h 网络m a c 层协议的研究提出了新的挑战。 2 重庆人学硕士学位论文 l绪论 1 3 课题研究的主要内容 “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。无线m e s h 网络具有“建网迅速”、“抗毁能力强”、“带宽大”、“可靠 性高”等诸多优点，成为目前无线通信领域的热点。论文根据部队数字化需求，完 成了某宽带无线m e s h 网络设备的m a c 层设计工作。在此基础上参加了国家高技 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”，将m a c 协议 和业务调度算法结合研究。 无线m e s h 网络的协议栈架构通常可以采用“三层二平面”( 见图1 1 ) 构架。 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。 此外，还可以根据设计要求增加安全层协议，同时控制和管理算法对系统性能起 到重要作用。 网络层 l l c 层 网络 裂惦链跆层 管理 m a c 层 系统 物理层 数据控制平面管理平面 图1 1 无线网络协议架构图 f i g1 1p r o t o c o ls t a c ko fw i r e l e s sn e t w o r k 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( 包括m a c 层和l l c 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。 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研究。通过无 线m e s h 网络中的媒体接入控制研究，对t d m a t d d 技术下的m a c 协议进行设 计，完成某宽带无线网络设备的m a c 设计和测试工作 同时本文在m a c 协议设计的基础上，通过适当的无线业务调度算法，实现网 络的q o s 保障。采用t i m e l y 3 j 无线网络分组调度算法模型，研究业务分类和信 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 道估计部分，将信道状态量化为若干阶进行讨论。将无线业务分组调度算法与m a c 层相结合，使分组调度算法不仅考虑本节点的业务调度，还考虑节点内部转发业 务的调度，使算法适合多媒体通信和时变资源的要求。 本文通过研究无线m e s h 网络架构，结合无线m e s h 网络特点，介绍跨层设计 思想及其在无线m e s h 网络中的应用，将媒体接入控制和无线业务调度算法相结 合，对现有的无线调度算法模型进行改进，并通过仿真验证改进算法适合多媒体 通信和时变资源的要求，有效的提高了系统公平性和系统吞吐量，降低平均分组 时延，更好的提供了区分化的q o s 服务。 1 4 论文安排 全文分为五章，各章的具体内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍本课题的研究背景、目的与意义，研究的主要内容 和论文安排。 第二章阐述了无线m e s h 网络架构及特点，以及无线m e s h 网络中跨层设计思 想和设计原则。针对无线m e s h 网络中，动态变化的业务数据和信道资源的不确定 性，研究了媒体接入控制层协议，特别是基于t d m a t d d 技术下的m a c 协议设 计策略。 第三章首先介绍业务调度算法，及其数学分析方法。研究有线网络中经典的 业务调度算法，和无线网络中的业务调度算法。同时研究了t i m e l y 模型的五大 组成部分，根据t i m e l y 模型对无线调度算法进行分析。 第四章根据某无线m e s h 设备需求，设计一种固定信道分配的m a c 接入协议， 完成该协议的软件实现，并对系统进行测试。 第五章针对无线m e s h 网络信道资源时变和多跳的特点，提出一种根据信道状 态变化，和业务区分化的无线业务调度算法改进模型，并仿真验证该改进在无线 业务调度问题中的有效性。 第六章总结本文的研究工作，提出未来的工作展望。 4 重庆大学硕十学何论文 2 无线m e s h 网络巾的媒体接八控制 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 媒体接入控制是无线通信网络的关键技术，为用户和所承载的业务提供信道资 源，无线m e s h 网络由于特定的拓扑而对其媒体接入控制有其特殊要求。 2 1 无线m e s h 网络 2 11 无线m e s h 网络的网络架构 无线m e s h 网络”l ，也称为w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) ，足一种高容量、 高速率的分布式网络，已成为目前的研究热点。以i e e e 为代表的标准组织成立了 相关工作组开展了标准化研究工作，如：1 e e e8 0 2 1 ls , i e e e8 0 2 1 55 ，i e e e s 0 2 1 6 以及i e e e8 0 22 0 。根据无线m e s h 网络的功能以及其网络中节点设各的组成，其 网络可以分为以下三太类： 【h 特网 图2 有基础设施，骨干无线m e s h 网络 f i 9 2 】i n f r a s t r u c t u r e b a c k b o n ew m n 有基础设拗骨干无线m e s h 网络( 1 n f r a * t r u c t u r e b a c k b o n e w m n s ) ：这类网 络架构如图21 所示，图中虚线和实线分别代表无线和有线链路。在这类无线m e s h 重庆人学硕+ 学位论文2 无线m e s h 网络中的媒体接八控制 网络架构中，客户端连接到m e s h 路出器上，由m e s h 路由器为客户端形成一个基 础设施网。这些m e s h 路由器本身形成了一个具有自配置自愈链路的网状网络。凭 借网关功能，m e s h 路出器可以连接到i n t e m e tr ，为传统客户端提供骨干连接， 并实现无线m e s h 网络和现有无线网络的集成。基础设施，骨干无线m e s h 网络是最 常用的网络架鞫。 客户端无线m e s h 网络( c l i e n tw m n s ) ：客户端网状化使得在客户端设各 中形成对等网络( p e e r - t o p e e rn e t w o r k s ) 。在这类网络架构中，客户端节点组成宴 际的网络，既为客户提供终端用户应用，还完成路由和配置功能。因此，采用这 种架构的网络不需要m e s h 路由器。在客户端无线网状网中，预定送往网络中某节 点的数据包跳经多个节点到达目的地。与基础设施网状化相比，客户端无线m e s h 网络对终端用户设备要求更高。 混合无线网状网( h y b r i dw m n s ) ：这种网络架构是摹础设施网状网和客 户端网状网的结合，如图2 2 所示。m e s h 客户端既可以通过与其它m e s h 客户端 的直接网状连接接入网络，也可以通过m e s h 路由器接入网络。在基础设施网提供 到其它网络连接的同时，客户端具备的路由能力提高了w m n 内的网络连通性和 覆盖范围。一般来说，这种架构下客户端设备需要同时能够支持接入上层网络m e s h 路由嚣和本层网络对等节点的功能。 w 特州 图2 2 混合无线网状网 f i 9 22h y b r i dw m n s 重庆人学硕十学位论文 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 2 1 2 无线m e s h 网络特点 与蜂窝移动通信系统的区别 相比蜂窝移动通信系统，无线m e s h 网络具有更高的可靠性和自愈能力。w m n 的链路构成网状拓扑，网络的可靠性有了很大程度的提高。此外，由于w m n 增 加了具备基站功能的节点，从而提高了无线覆盖能力；相对蜂窝移动通信系统， 其无线小区采用星型结构，一旦基站出现故障，将造成小区服务中断。 与a dh o c 网络的区别 w m n 与a dh o c 网络均采用了m e s h 网状拓扑。a dh o c 网络中的移动节点都 兼有独立路由和主机功能，且移动性强、业务流量较低。a dh o c 网络不存在类似 于基站的网络控制中心，因此，通常采用分布式控制方式。w m n 则着重于宽带业 务支持与灵活的组网方式。 与w l a n 、w m a n 和w p a n 的联系 早期的w l a n 、w m a n 和w p a n 均采用星型拓扑的点对多点的组网方式。 随着网络功能扩展和覆盖能力增强等要求，m e s h 网络目前已成为上述网络的技术 发展方向，如：i e e e 8 0 2 1 l s 就是w l a n 的m e s h 演进版本，而i e e e 8 0 2 1 6 也提 出了w m a n 的m e s h 演进需求。 2 2 无线m e s h 网络的跨层设计 2 2 1 跨层设计的背景 在网络设计中，传统的网络协议层需要彼此透明，以保持各层协议设计的独 立性，简化网络协议开发和实现的难度，而且满足软件设计的信息隐藏原则，因 而得到了广泛应用。这已被有线网络证明是非常有效和成功，但这些优势是基于 具有恒定容量和高可靠性的有线连接链路。然而，无线通信系统由于其无线信道 的有限性和干扰性等因素，从而促使跨层设计成为无线通信的一个特征。进一步， 无线m e s h 网络由于其特殊的组网方式，对跨层设计也提出了特殊要求。 2 2 2 跨层设计的必要性 无线信道的动态特性 由于无线信道的物理特性( 信道传播的开放性和信道参量变化的时变性等) ，造 成无线信道成为一种非常不稳定的媒介。而且人们为了保证可用性，往往只按照 信道性能最差的情况和系统最低要求进行保守设计。这在信道质量较好的情况下， 将会造成频谱、功率等资源的浪引5 1 。 特别在无线m e s h 网络中，组网方式更加复杂，通过功率控制、拓扑控制和多 信道技术的采用，使得无线m e s h 网络中的干扰和噪声问题更加突出，虽然采用合 适的编解码技术、差错控制技术和抗干扰技术能在一定程度上改善这些问题，但 7 重庆大学硕士学位论文 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 是信道资源的动态变化仍然存在，无法提供长期稳定的信道资源。因此上层协议 在设计的同时必须考虑无线m e s h 网络中的动态资源变化情况，与物理层进行有效 的协调。 传统通信系统分层参考模型的弊端 传统的分层设计方法便于模块化和通用化，从而简化了整体网络设计的复杂 性。但是遵循o s i 设计理念必然摒弃协议层之间的跨层耦合，从而在不同协议层 中存在一定的信息冗余【6 】，例如，物理层和m a c 层对信道估计、同步信息、误码 率以及信号强度等信息的处理结果，可以应用到发送端到接收端的距离估计中来； 另一方面，节点位置和网络拓扑信息也可以被其他协议层充分利用，如：信道估 计、功率控制、移动性管理等。因此，传统o s i 严格分层的参考模型不能对无线 网络资源进行整体管理，也使得网络性能不能得到整体优化。尤其是增加了无线 链路的协议通信丌销。 2 2 3 各层跨层设计分析 物理层的跨层设计 对于w m n 跨层设计来说，物理层主要的角色是向数据链路层( 特别是m a c 子层) 、p 协议( 路由协议) 、传输控制协议( t c p u d p 等) 等提供本层的状态参数， 如信噪比( s n r ) 、误码率( b e r ) 和数据传输速率等，作为其上协议层优化设计的依 据。另一方面，上层网络的实时调整，如：组网方式和链路业务速率控制，也为 物理层优化提供信息。 链路m a c 协议的跨层设计 这里分为两个方面：链路m a c 层状念信息的共享和m a c 协议的跨层设计。 对于链路m a c 层，向其他协议层提供的状态信息主要包括前向纠错( f e c ) 方案信 息、媒介空闲忙信息等，以及剩余带宽信息等。 对于m a c 层，需要区分接入业务的类型，采取优先级或预留信道资源的调度 机制，这种机制必须要依据其上协议层的业务建模信息，以及物理层的信道状态 信息等。同时m a c 协议层还可以要向物理层发出速率选择指令或功率控制指令。 路由协议的跨层设计 传统的最短路径准则设计无线多跳网络的路由协议不足以构造一个良好的路 由，即传输延时、吞吐率和可靠性等性能不能达到理想的指标1 7 j 。原因在于最短路 径准则没有考虑到其下物理信道特性的变化对m a c 层接入性能的影响等因素，所 以造成所选路径无法适应底层性能的变化，也可能造成传输层性能的较大波动。 此外，就无线信道的特点而言，即使信道环境在通信期间没有产生变化，最短路 径也未必意味着就是最优路径。在同样的b e r 条件下，传输距离越长，所支持的 数据传输速率就越低，也就意味着长距离的最短路径比短距离的非最短路径的传 8 重庆人学硕+ 学位论文2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 输速率或吞吐率低。因此对于w m n 来说，需要设计一种新的能满足网络业务q o s 需求的路由准则，体现网络剩余带宽、b e r 、丢包率、分组延时等参数，这就必 须要采用跨层设计的方法。 t c p 协议的跨层设计 在w m n 中，节点的移动可能会导致通信链路的中断，从而导致数据包丢失。 按传统的t c p 机制，这将判决为t c p 拥塞而导致的结果，从而频繁触发t c p 超 时重传机制，导致不必要的t c p 性能下降。这在分层协议设计的原则下是不可避 免的，因为t c p 协议层无法判定数据包丢失的真正原因。 如果对t c p 协议实施跨层设计，t c p 层就可以通过检测物理层s n r 的变化， 判定是由于拥塞或移动性而导致的数据包丢失，从而分别采用不同的窗口控制和 包重传机制【7 l 。此外，有了跨层控制机制，t c p 协议还可以将a c k ( a c k n o w l e d g e c h a r a c t e r ) 消息跨层传递给m a c 层实施流控制，实现多个t c p 流的公平调度。 2 2 4 业务对跨层设计的要求 在w m n 中，随着终端用户所承载多媒体业务的不断丰富，其q o s 参数，如 吞吐率、传输时延、时延抖动、丢包率、误码率等也将时变。因此，有效的多媒 体业务q o s 保证机制，必须给多个具有不同需求的业务提供q o s 保障，并且保证 要求较低的业务不会对敏感业务产生消极影响。 另一方面，q o s 保证机制涉及到所有协议层，也就是说，每个协议层相应参 数的设置都涉及到q o s 能否能到保证。从应用层的角度讲，可以粗略分为非实时 业务和实时业务。对于非实时业务，在传输层可以采用t c p 协议，它可以根据接 收器窗口大小和网络拥塞情况自适应地调整业务流速率；对于实时业务，因其对 延时要求比较高，如果实时业务的数据包到达接收器时己经超出预先确定的期限， 它将变得毫无利用价值，因此在传输层常采用r t p u d p 协议。在网络层，特别是 在w m n 中，路由选择与链路跳数、链路稳定性等有关，这些参数同样会对q o s 产生影响。链路层对各个业务流优先级的设置、调度以及信道选择等也会影响端 到端的q o s ( 女1 1 延时等) 。物理层中，选择不同的调制方式和传输功率，也会使得 q o s 中的误码率、吞吐率、发送速率等发生变化。由于多媒体业务对以上所述q o s 参数的要求不同，所以对于各层选择的策略也不同。因此，如何综合利用各层之 问的依赖关系和交互信息，有效地实现多媒体业务的动态q o s 保证，成为跨层设 计的重要目的之一。 9 重庆人学硕十学位论文 2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 刊 一j f 击用仨己 一i ，l 厂订压 信 _ 二高 q o s 道 亳仕蛤日 i 一 自 自 1 r 删压 l 一适 适 应 应 自刊 网络层 j 一 自 下 一ll 上 而 而 下 上 数据链路层卜 的 的 _ _ _ _ _ _ 一 信 信 卜一_ j 息 息物壬里犀卜一 f = 图2 3 各层间跨层信息交互示意图 f i 9 2 3c r o s s l a y e ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e 综上所述，从跨层设计的角度看，有必要考虑层与层之i 日j 的依赖关系，加强 层与层之间的信息交互和共享，从而使网络性能得到整体优化。图2 3 为各层问跨 层信息交互示意图1 5 1 。 2 2 5 跨层设计思想与原则 跨层设计就是网络各层共享与其它层相关的信息，对无线网络进行整体设计。 所有层间可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方式适应所需的q o s 和网络状 况的变化，并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化，实现对网络资源 的有效分配，提高网络的综合性能，其原理如图2 3 所示。其重要原则是不孤立地 对各层进行设计，而是利用它们之间的相关性将各层协议集成到一个综合的分级 框架中。对无线网络的跨层设计主要包括以下几个方面： 网络的每一层把会对其他层次产生影响的信息直接或间接地传递给相应 的层次。比如物理层、m a c 层关于信道环境的信息。 网络的每一层要分析其他层次中传递过来的影响本层性能的信息，并对本 层通信做出相应的调整。通常要结合各个层次的自适应功能，使网络足够灵活， 能够随时进行自适应调节来满足特定应用的要求。 对于会影响多个层次的参数，要结合应用性能要求对各层进行综合考虑， 对相关的性能参数进行折衷。 1 0 重庆大学硕士学何论文2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 2 3 无线m e s h 网络m a c 协议研究 网络的数据链路层大多可以分为两个子层：逻辑链路控制子层l l c 和媒体接 入控制子层m a c 。l l c 子层完成连接控制、分簇等与信道无关的链路控制功能； m a c 子层通过规定一定接入规则，让网络中的所有节点有序、高效、公平地共同 使用无线媒体1 8 , 9 ，控制节点接入无线信道。图1 1 给出了m a c 协议在简化协议栈 中的相对位置。同时m a c 还控制着对物理层的访问，为上层协议提供统一服务， 屏蔽底层不同的信道控制方式，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、差错控 制和流量控制等功能。 m a c 协议的具体功能与任务随系统要求和所面向的应用而有所不同，例如， 宽带无线网络的多媒体宽带业务要求有严格的服务质量( q o s ) 保证，这就要求 m a c 协议必须有完善的无线资源管理方案。m a c 协议的设计与复杂度还受到网 络结构、通信模式( 同步还是异步) 和双工机制等方面的影响【9 j 。同时由于m a c 层 紧邻下面的物理层，能通过物理层及时的对无线信道的状态变化进行感知，实时 的反映链路质量，可为无线资源管理、q o s 保障等提供重要的参考信息，常作为 跨层设计的关键层，起到沟通物理层和网络层的作用。 在多跳无线网络这种共享媒体的通信网络中，网络的性能，如吞吐率、接入 延迟和公平性等，在很大程度上依赖其所使用的m a c 协议，所以制定合适的m a c 层规范，以有效地配置无线信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容 量和传输质量，提供有保障的q o s 服务，是无线多跳网络研究的重要课题，同时 也是跨层设计的关键部分。 2 3 1 无线网络m a c 协议分类 本文根据课题设计要求对m a c 协议按以下方法分类： 首先根据获得信道资源方式的不同，可以分为基于分配的和基于竞争的， 如图2 4 所示。 基于竞争的m a c 协议中，随机接入方式的用户可以根据业务需要为自己主动 抢占信道资源发送信息。如a l o h a 协议描述为：网络中的所有节点共享信道，任何 节点需要发送数据时，不需要获取信道工作状态，直接发送。a l o h a 协议简单，吞吐 率较低，最大值只能达到18 4 。时隙a l o h a 协议( s a l o h a ) 是对传统的a l o h a 协议的改进，它将整个信道的占用时间分成长度为t 的时隙，并规定节点发送数据的 起始时刻必须与划分的时隙起点对齐，即只能在每个时隙开始时刻发送一个数据 帧。时隙a l o h a 与纯a l o h a ) f n 比，吞吐率提高了l 倍，达到了3 6 8 。c s m a ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s ，载波侦听多址) 方式是一种用户检测信道使用情况，避开冲突 发送分组的方式。在发送分组前，首先要检测载波，即监听信道状态，检测其他 用户是否正在使用信道，一旦信道空闲就立即发送分组，从而使网络获得大大高 重庆人学硕士学位论文2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 于时隙a l o h a 协议l e 的最大信道使用率。 图2 4 根据获得信道资源方式不同的m a c 协议分类 f i 9 2 4c l a s s i f i c a t i o no fm a cp r o t o c o l s 但是随机接入方式容易造成报文冲突，且存在隐藏终端和暴露终端的问题。 通过预约冲突处理机制，可以降低发生冲突的机率，或者在冲突产生后选择合适 的机制进行处理，同时也增加了协议的复杂性。女h m a c a 协议 1 0 l ( 多址接入碰撞避 免协议) 包括r t s c t s d a t a a c k 四个过程，充分利用了控制报文r t s 与c t s 帧，一 定程度上避免了隐终端和暴露终端的问题。而c s m a c a ( 载波监听碰撞避免协议) 在节点发送数据时，先监听信道的工作状态，如果信道已经被其他节点占用，则 延迟发送以避免数据碰撞。由于c s m a c a 中在发送数据前先监听了信道工作状 态，因此可以降低信道碰撞概率，但同时也增大了发送延时。 基于分配的m a c 协议通过分配机制来避免竞争。该类协议为每个用户分配确 定的信道，确保每个用户都不会受其他用户干扰，也不会干扰其它用户的通信。 因此，分配协议避免了竞争协议的不稳定性。其中又可以分为轮替方式，即轮询 ( p o l l i n g ) 、令牌传递( t o k i n g ) 等方式。轮询方式采用集中控制，由主节点或者 控制节点依次轮询其它节点，以控制信道的使用；而令牌传递方式采用分布式控 制，其本质是一种分布式的轮询方式，其令牌环就是将网络中的多个节点临时组 成一个环状拓扑，然后依次传递令牌，控制各节点的信道接入。另外就是采用多 址方式( t d m a 、c d m a 、f d m a 等) 将信道分为若干子信道，通过固定或者动 态分配的方式为各个用户指配一定数量的子信道。 根据m a c 协议使用的信道数目，m a c 协议可分为单信道和多信道协议。 1 2 重庆人学硕士学位论文2 无线m e s h 网络中的媒体接入控制 单信道协议中，节点的发送和接收只占用一个信道，工作于半双工方式。目前 己有的许多m a c 协议都是基于单信道的，常用的主要有a l o h a 、c s m a c a 、 m a c a 等，i e e e 8 0 2 1 1 中的d c f 也是典型的单信道协议。当然，单信道协议的最大 缺点之一即是可能会造成数据报文和控制报文的冲突，因为数据报文要比控制报 文长得多，数据报文的冲突会严重影响信道的利用率。所以，这种m a c 层协议目标之 一就是通过使用控制报文尽量减少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避 免策略。单信道m a c 协议在隐藏终端和暴露终端问题上，隐发送终端问题可以通 过在发送数据报文前的控制报文握手来解决。但隐接收终端问题无法在单信道条 件下解决，可能会引起报文冲突；暴露终端问题也无法在单信道条件下解决，可 能会引起可用信道未能被使用，这对信道容量的浪费，尤其是对采用分布式控制 的m e s h 网络。 多信道接入协议是指利用2 个以上的信道进行数据传输，有效的减少冲突的 产生。实践表明，单信道接入协议在网络负载比较重时效率是很低的，这是由于 冲突和退避造成了信道带宽的巨大浪费。对此可以考虑采用信道分割技术，把信 道分成控制信道和数据信道，避免控制信息和数据信息之间的冲突。控制信道用 于传输帧长较短的控制信息，由于控制帧的长度很小，所以冲突发生的概率大大 减少，并且可以更好地解决暴露终端问题；数据信道，用来传输帧长较长的数据帧。 多信道m a c 协议通过适当的控制机制，可以完全消除隐终端和暴露终端的影响， 避免数据报文的冲突。 2 3 2 基于t d d t d m a 技术的无线m e s h 网络m a c 协议 在无线m e s h 网络中，需要m a c 层来协调各个节点对信道的使用。m a c 协 议将影响到网络的接入公平性、吞吐量、时延以及分组丢失率等重要的网络指标。 对无线m e s h 网络来说，m a c 的最主要功能就是媒体接入控制，实现分布式控制 和区域性信道资源管理。 由于无线m e s h 网络大容量的需求，常采用t d d t d m a 技术，通过分配机制 避免信道使用冲突。同时可以采用多信道m a c 协议通过适当的控制机制，消除隐 终端和暴露终端的影响，迸一步提高系统容量。 而t d d t d m a 技术下的无线m e s h 网络m a c 协议首要解决的问题就是时隙 分配问题。时隙分配对象可以是网络中的节点，也可以是网络中的链路【1 1 1 。当面 向节点进行分配时，一个节点可以分配到一个或多个时隙。在每一个已分配时隙， 该节点可以利