（通信与信息系统专业论文）基于无线mesh网络的超高速wpan+mac协议研究.pdf

摘要 摘要 无线个域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 可以提供短距离( 1 米一1 0 米) 各种数 据率的连接，同时它的功率消耗很低，对于移动设备而言，这是非常重要的一个因素。值得注意的 是。早在2 0 0 5 年3 月，i e e e 即已成立i e e e8 0 2 1 5 3 c 任务组，其目标是定义一个新的毫米波 ( 5 7 g h z - 6 4 g i - i z ) 物理层标准，可以提供不低于i g b p s 的传输速率，同时可以与其他采用i e e e8 0 2 1 5 协议的w p a n 微波设备共存这样完全可以满足w p a n 用户不断增长的无线通信速率要求。 无线m e s h 网络是近年来无线通信领域兴起的一个新的研究热点。传统星型拓扑的无线网络结 构简单。覆盖范围小，链路冗余度差，可靠性低，拓扑扩展不便，无线m e s h 网络拥有网状拓扑结 构，可以弥补星型网络的这些不足。如果把无线m e s h 网络结掏应用到w p a n 中，必能大大提高网 络性能满足用户对通信网络越来越高的要求。 本文专注于基于无线m e s h 网络的超高速w p a nm a c 协议研究论文中首先分析了现有m a c 协议应用于超高速w p a n 时存在的问题，进而提出了一种改进协议，同时研究了其带q o s 控制的增 强算法，仿真结果表明改进协议可以提供更好的网络性能。其次，论文详细分析了e c m a 一3 6 8m a c 协议在不同a c k 机制下的最优吞吐率问题，仿真和分析结果均表明存在一个最优数据帧帧长，以此 长度发送数据帧，可以达到最大吞吐率。最后，论文讨论了e c m a - 3 6 8m a c 协议应用于无线m e s h 网络时产生的问题以及现有算法对类似问题的改进，进而提出了更好的改进算法仿真和分析结果 都表明文章中提出的改进算法可以有效的提高网络吞吐率增强网络性能。 【关键词】 无线个域网媒体接入控制协议无线m e s h 网络i e e e8 0 2 1 5 3 ce c m a - 3 6 8 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) c a no f f e rv a r i a b l ed a t ar a t ec o n n e c t i o ni ns h o r td i s t a n c e ( 1 m - l o m ) ，a n di t sp o w e ri sv e r yl o ww h i c hi sak e yf a c t o rf o rm o b i l ed e v i c e s i ti sw o r t hn o t i n gt h a ti e e e f o r m e di e e e8 0 2 1 5 3 ct a s kg r o u pi nm a r c h2 0 0 5w h o s eo b j e c t i v ei sd e f i n i n gan e wm m - w a v e ( 5 7 g h z - 6 4 g h z ) p h y s i c a ll a y e rw h i c hc a no f f e ra tl e a s ti g b p sd a t ar a t ea n di tc a nb ec o e x i s t e n c ew i t h o t h e ri e e e8 0 2 1 5w p a nd e v i c e s w a e l e s sm e s hn e t w o r ki sah o tr e s e a r c hp o i n ti ni e 2 ：c n ty e a r s t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r kw i t hs t a r t o p o l o g yi sr e l a t i v e l ys i m p l e ，b u ti t so n v e m g e ，l i n kr e d u n d a n c y , r e l i a b i l i t ya n dt o p o l o g ye x p a n s i o na b i l i t i e s a r e p o o r w i r e l e s s m e s h n e t w o r k j u s t t r e a t s t h e s e p o i n t s i t sa d v a n t a g e s ，i f a p p l y i n g w l r e l e s s m e s h n e t w o r k t o w p a n ，i t m u s t b ea b l e t o i m p r o v e n e t w o r k p e r f o r m a n c e a n d s a t i s f y u s c g s h i g h e r a n dh i g h e r r e q u i r e m e n t sa b o u tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nr e s e a r c h i n gu l t r a h i g h - r a t ew p a nm a c p r o t o c o lb a s e dw i r e l e s sm e s h n e t w o r k a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sp r o b l e m so fe x i s t i n gm a c p r o t o c o l sw h e nt h e ya r ea p p h e di n u l t r a h i g h - r a t ew p a na n dr a i s e sa ni m p r o v e dm a cp r o t o c 0 1 a tt h es a i mt i m e t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e s i t se n h a n c e da l g o r i t h mw i t hq o sc o n t r 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t ei m p r o v e dp r o t o c o lc a no f f e rb e t t e r n e t w o r k p e r f o r m a n c e s t h e n ，o p t i m a l t h r o u g h p u t p r o b l e m w i t h d i f f e r e n t a c k p o l i c y i n e c m a 一3 6 8 m a c i sa n a l y z e dd e t a i l e d l yb o t hs i m u l a t i o na n dt h e o r yr e s u l t ss h o wt h a ti te x i s t sa no p t i m a ld a t af r a m es i z e i f s e n d i n gd a t af r a m ew i t ho p t i m a ls i z e ，i tc a na c h i e v em a x i m u mt h r o u g h p u t a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o n d i s c u s s e sp r o b l e m sw h e ne c m a - 3 6 8m a c p r o t o c o li sa p p l i e di nw i r e l e s sm e s hn e t w o r kd i r e c t l ya n d i m p r o v e m e n tb yc u l t e n ta l g o r i t h mf o rs i m i l a ri s s u e f u r t h e r , i tr a i s e sab e t t e ri m p r o v e dm e t h o d b o t h s i m u l a t i o na n dt h e o r yr e s u l t sp r o v ei tc a ni n c r e a s en e t w o r kt h m u g h p a te f f e c t i v e l y , e n h a n c en e t w o r k p e r f o r m a n c e s w 佗l e s sp e r s o n a ln e t w o r k 。m e d i u m a c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 w i r e l e s sm e s hn e t w o r k i e e e8 0 2 1 5 3 c e c m a 一3 6 8 缩略词 w p a n qa n w 魄n w ，a n u 矾r b o f d m m a c p i i y a p c s 如【a ，c a m d r p p c a b p m a s p n c c a p c l a p a c k h 匝 p l m 匣 d h d 匪 a c q o s a 毽 s = s b 答 h 田蔼 p 】瞻p p l m u p s d u b e r 缩略词 w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k w i l e s sl o c a la t e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k u 1 t r aw i d e b a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g m e d i aa c c e s sc o n t r o l p h y s i c a ll a y e r a c c c s sp o i n t c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e i n f o r m a t i o ne l e m e n t d i s t r i b u t e dr e s e r v a t i o np r o t o c o l p r i o r i t i z c dc o n t e n t i o na c c e s s b e a t o np e r i o d m e d i u m a c c e s ss l o t p i e o n e tc o o r d i n a t o r c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d c h m e l 髓r r 喀a l l o c a t i o np e r i o d a c k n o w l e d g m e n t 劓魄cs u b t a y e rm a n a g e m e n te n t i t y p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y d e v i c em a n a g e m e n te n t i t y a c c e s sc a t e g o r y q u a l i t yo f s e r v i c e a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c i n g s h o r ti n t e r f r a m es p a c i n g b a c k o f f i n t e r f r a n s p a c i n g m i n i m u mi n t e r f r a r ms p a c i n g p h y s i c a ll a y e r c o n v e r g e n c ep r o t o c o l n 工! pp r o t o c o ld a t au n i t 网盯s e r v i c ed 锄au n i t b i tb m w r a t e v 无线个域网 无线局域网 无线城域网 无线广域网 超宽带 正交频分复用技术 媒体接入控制 物理层 接入点 载波偾听多点接入，碰撞避免 信息元素 分布式预约协议 带优先级的竞争接入 信标周期 媒体接入时隙 网络协调节点 竞争接入周期 信道时间分配周期 应答 m a c 子层管理实体 物理层管理实体 设备管理实体 接入类别 服务质量 仲裁帧间隔 短帧间隔 退避帧间隔 最小帧间隔 物理层会聚协议 p l c p 协议数据单元 物理层殿务数据单元 误码率 列图索弓i 列图索引 图1 - 1 星型拓扑3 图1 2 点对点拓扑3 图2 - 1m e e 踟眨1 5 3 阿络结构1 0 图2 - 2i e e e 眦1 5 3 超帧结构一1 0 图2 - 3 无线m e s h 结构的正髓8 0 2 1 5 3 网络组成1 4 图“无线m e s h 网络两层体系结构 图2 - 5 支持m e s h 结构的i e e e8 0 2 1 5 3 超帧结构 1 4 1 5 图2 - 6 层管理参考模型1 5 图2 - 7 增加m e s h 结构支持的m a c 帧结构1 6 图2 - 8t r e er o u t i n g 示倒1 7 图2 - 9 集中式踌由示例1 8 图2 1 0e c m a 矗鸸m a c 协议超帧结构 图3 - 1c s m 忙 协议流程图2 4 图3 2c s m 眦协议较小的初始退避窗口问题2 5 图3 - 3c s m c 协议较大的退避计数器问题。2 5 图3 4s u b a a 算法存在的问题2 7 图3 - 5 i e e e 8 0 2 1 5 3 m a c 协议中的f r a m e c o n t r o l 域2 7 图3 - 6p n c 算法流程图2 8 图3 _ 7 算法流程图2 8 图3 8 归一化吞吐率3 1 图3 - 9 平均接入时延3 1 图3 1 0 发送成功率一3 2 图3 1 1 不同分配比例下d e v 的吞吐率3 4 图3 1 2 不同分配比例下d i v 的平均接入时延3 4 图4 - 1p p d u 结构一3 7 图4 2 i m m - a c k 和b a c k 机制下的m a r k o v 链状态转移图4 1 图4 3n o - a c k 机制下的m a r k o v 链状态转移图4 1 图4 4n o - a c k 机制下的仿真和分析结果4 5 图4 ji m m - a c k 机制下的仿真和分析结果。4 5 图4 击ba c k 机制下的仿真和分析结果( b e r ：o 0 0 0 1 ) 4 6 图4 - 7ba c k 机制下的仿真和分析结果( x ；3 ) 图销ba c k 机制下的仿真和分析结果( p a y l o a d = 1 0 0 0 b y t e s ) 图 9 吞吐率随b e r 的变化情况( p a y l o a d = l o o o b y t e s ，k - 3 ) 图4 - - 1 0p c a 方式下不同a c k 机制的吞吐率分析结果 图4 - 1 1p c a 方式下不同a c k 机制的吞吐率仿真结果 4 6 4 7 4 7 4 8 4 9 图5 1d r p 预约请求命令帧的负载格式5 2 图5 - 2d r pi e 帧格式一5 2 图5 - 3d r pc o n t r o l 域格式。5 2 图5 4 多跳传输存在的问题5 3 图5 - 5d r p a l l o c a t i o n 域格式。5 5 图5 - 6b i a sc o n t r o l 域格式鄹 东南大学硕士学位论文 图5 7 增加了m a sc o n t r o l 域后的d r pm 帧格式j 5 图5 - 8 a ) p 算法流程图5 6 图5 _ 9m = l 时三种方法的网络吞吐率情况5 9 图5 1 0m = 2 时三种方法的网络吞吐率情况。邡 图5 1 1m 3 时三种方法的网络吞吐率情况。6 0 图5 1 2m 时三种方法的网络吞吐率情况6 1 列表索弓 列表索引 表1 - 1 主流w i a n 技术一览3 表3 - 1 仿真参数和取值。3 0 表3 2 仿真参数和取值3 3 表4 1 预约时隙类型3 6 表4 2 仿真参数和取值。 表5 - 1 仿真参数和取值- 5 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权预约本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容楣一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 e t 期：兰竺堡：! ：p 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着民众生活水平的提高以及一些相关技术的发展，人们对于无线通信的要求也越来越高，现 有的一些无线通信技术已经无法满足一些如家庭影院、视频点播、超高速i n t e m e t 接入等新兴应用的 需求。特别是如今高画质影像时代即将来l 临，若要避免造成画面延迟，h d t v 、蓝光光驱以及l i dd v d 光驱等产品间的非压缩h d t v 影像传输速率要求至少为1 5g b p s ，远高于已普及化的各项无线传输 协议规定的传输速率。而此类产品问，目前仅能以h d m i 连接线连接，为了免受布线的困扰，势必 要有更好更快的无线传输技术来支持这些应用。同时消费类电子产品整合无线模块的设计越来越 普遍，现有更多的是采用i e e e8 0 2 1 1 i l l 系列标准，但i e e e8 0 2 1 1 支持的传输速率有限，并且对于 掌上可移动设备而言，其耗电量相当可观，支持的传输距离也稍显浪费。无线个域网哺o 5 1 就是为 了解决这些问题而提出的，它可以提供短距离( 1 米一l o 米) 各种数据率的连接，最重要的是，它 的功率消耗很低。对于移动设备而言，这是非常重要的一个因素。 同时，在无线网络无处不在的今天，人们生活的很多方面因为无线通信而发生极大的改变然 而现今的无线网络大多都采用的是点对多点的通信方式，无论是蜂窝通信的基站与终端，还是无线 局域网的a p 与终端都是这种形式这样的通信方式或者说拓扑结构具有简单可靠的特点，但覆盖 范围和网络扩展的灵活性却很有限，为改善这一缺陷，无线通信领域兴起了一个新的研究热点一一 无线m e s h 网络。 本章将从无线通信网络发展现状出发，介绍无线个域网和无线m e s h 网络的相关背景知识，包 括它们的产生、发展、特性以及研究现状等等，同时简要介绍无线媒体接入控制的概念，最后提出 本文的研究安排。 1 2 无线通信发展现状 无线通信经过最近几年的高速发展，已经成为人们交互信息的主要手段，同时也成为信息社会 人们赖以生存的必要条件之一。 根据无线网络的作用范围，可以分成以下几类： ( 1 ) 无线广域网( w w a n ，w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) 连接某个国家或世界不同部分的设备。 主要指蜂窝移动通信系统。蜂窝移动通信经历了模拟阶段，窄带数字阶段，正进入宽带数字阶段 第三代移动通信时代第三代移动通信主要包括四个国际移动通信标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 l 东南大学硕士学位论文 t d s c d m a 和w i m a x 其中，w i m a x 是最近才被批准成为3 g 标准的”i 。 ( 2 ) 无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 是一种无线固定宽带接入网络， 工作在直径超过5 0 千米的区域，主要用于整个建筑楼或家庭与骨干通信网的无线接入，相应的标准 规范由i e e e8 0 2 1 6 工作组指定。 ( 3 ) 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a f e a n e t w o r k ) 最初被定义为有线局域网的无线延伸。 现在则作为高速无线互联网接入技术，应用于机场、工厂、大厦，图书馆、学校等人口密集的热点 地方。至少能够支持大于1 0 0 米距离的通信。主要的标准包括由i e e e8 0 2 1 l 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 l a b g 等 ( 4 ) 无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是一种用于连接家庭各种家电、娱 乐设备的无线网络，作用距离在1 0 米范围内。 人们对无线产品的距离和速率需求呈现出多样性，因此任何一种无线网络都不能满足所有的需 求。最终期望的无线网络是由各种无线网络无缝连接的，与各种有线通信网络互通的。可以在任何 时间、任何地点，与任何人进行通信的全球统一的信息传输网络。 1 3 无线个域网简介 无线个域网是指能在便携式消费型电器与通信设备之间实现短距离特别连接的网络。w p a n 所 覆盖的范围一般在1 0 米半径以内对于一个设备而言，特别连接术语是指设备既能提供主控功能、 又具有从属功能的能力，除此之外，还要求设备能够很容易地接入或离开现有网络。蓝牙3 i 无线系 统就是一种最先出现的解决w p a n 应用的技术，它的主要特点是功率消耗低，系统小型化且成本低。 蓝牙设备的最高数据速率为i m b i t s ，而实际的吞吐量大约只有该数据速率的一半。蓝牙通信链路只 能支持非常有限的3 路话音信道，甚至不具备用于突发数据业务的附加带宽。 w p a n 是移动中的网络，只能采取无线接入，而且要求自动接入，而其它的局域网大多属于固 定网络。既可以采用无线，也可以采用有线方式互连。w p a n 的目的是“解决最后的几米电缆”的 问题。同时“将无线联网进行到底”i e e e 专门为w p a n 成立了i e e e8 0 2 1 5 工作组，目标是提供 简单、低耗能、短距离的无线通信标准。它又分为几个重点研究小组，其中的w e e8 0 2 1 5 3 1 7 1 关心 的是数据率为5 5 m b p s 的高速w p a n 开发，在它之后，i e e e 又成立了i e e e8 0 2 1 5 3 a 嘲任务组，该 任务组的目标是制定超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 的标准，以满足超高速w p a n 的应用。可惜 的是，由于在两项竞争性提议的表决上，任务组一直未能达成7 5 的多数同意，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工 作组己于2 0 0 6 年初宣告解散。这两项表决分别是由l r w bf o r u m 建议的直接序列超宽带 ( d i r e c t - s e q u e n c e u w b ) 9 1 技术和由w i m e d i a 联盟提出的多带o f d m ( m u l t i - b a n d o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。在这种情况下，i e e e 的重心转向了i e e e8 0 2 1 5 3 c t l ”任务组。早在 2 第1 章绪论 2 0 0 5 年3 月，i e e e 即己成立i e e e8 0 2 1 5 3 e 任务组其目标是定义一个新的毫米波( 5 7 g h z - 6 4 g h z ) 物理层标准，可以提供至少m b p s 的传输速率，同时可以与其他的采用i e e e8 0 2 1 5 协议的w p a n 微波设备共存。这样完全可以满足w f a n 用户不断增长的无线通信速率要求。主流w p a n 技术如 表1 1 所示。 表l - l 主流w p a n 技术一览 速率协议商业名称 低速 e e8 0 2 1 5 1 ，正e e8 0 2 1 5 4 b l u e t o o t h z i g b e c 高速 正e e8 0 2 1 5 3 超高速 髓8 0 2 1 5 3 c ，e c m a - 3 6 8 一，w i 删i a 1 4 无线m e s h 网络简介 无线m e s h 网络也称无线网状网、无线网格月。传统的无线网络多是点到多点的星型网络，如 i e e e8 0 2 1 lw l a n 。拓扑结构如图1 - 1 所示，所有终端节点必须与中心节点交换数据。而m e s h 网 络是一种点对点的网状网络，在这一点上类似于移动a dh o c 网络，但其结构相对后者更多样，移动 性相对较小。点对点网络拓扑结构如图1 2 所示。全功能点之间构成网状结构，可以互相通信而不 必通过中心节点。传统星型网络在操作与维护的费用、安装与扩容的速度、位置的适应性、可测量 性等均存在着诸多不足。而点对点的网状网络对以上这些指标的性能将会有较大的提高。无线m e s h 网络与传统无线星型网络的差别在于：无线m e s h 网络采用了对等式的网络拓扑，需要在一种分布 式网络环境中进行构建。每个节点只与其临近节点进行通信，并且具有数据转发功能，可以向网络 中的其它节点转发它所接收到的数据包。无线m e s h 网络是一种自组织和自配置网络i l ”。它代表一 种拓扑结构，由此引发m a c 层、路由层相应的协议变化这种m e s h 结构可以用于不同种类的网络， 如i e e e8 0 2 1 6 无线城域网，i e e e8 0 2 1 l 无线局域网和l e e e8 0 2 1 5 无线个域网等。无线m e s h 网络 的系统结构根据节点功能的不同分为三类：骨干网m e s h 结构，客户端m e s h 结构和混合结构“3 1 等 心节点 。终端节点 能点 。半功能点 图1 1 星型拓扑图1 - 2 点对点拓扑 相比于传统的无线网络，无线m e s h 网络具有一些显著的优点，比如网络可靠性大大增强；链 3 东南大学硕士学位论文 路设计可以得到有效简化；网络覆盖范围增大；组网灵活，维护方便以及投资成本低，风险小等等。 无线m e s h 网络结构可以应用于不同类型的通信网。特别是可以完美地应用于w p a n 中，用户 终端即节点以多跳方式接入网络，每个节点可以自由移动，网络的拓扑结构也会随着节点的移动而 不断的动态变化。每个节点都可以充当路由器和接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) ，而且每个节点都具备 动态搜索、定位和恢复连接的能力。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作，无线m e s h 网 络会自动改变信息包的路由，使它们能够利用一条未受影响的替代路径。同时无线m e s h 网络能够 使一个节点在一定发射功率下发送的数据经过转发来到达目的节点，可有效降低发射功率。从而延 长用户无线终端电池的使用寿命。低功率节点还可以极大地提高频率复用度，从而达到提高网络容 量的目的。同样作为无线多跳网络，与a d h o c 网络技术只用于军事以及特殊网络不同，无线m e s h 网络的研究开发是由实际应用需求为驱动力的，其应用场景和应用范围相当广泛，并且有着不可替 代的作用和优势。 目前的一些较前沿物理层技术可以被用于无线m e s h 网络的开发，比如u w b 技术，由于其传输 距离有限，如果应用于星型的w p a n 网络中，可能会影响网络质量，但如果和m e s h 网络结构相结 合，利用多跳的方式来传输数据，必定能大大提高网络性能。当然，在这种情况下，也对无线网络 的m a c 协议提出了更高的要求。 1 5 基于m e s h 网络的超高速w p a nm a c 协议设计讨论 众所周知，无线媒体是一种广播媒体，当多个无线设备同时发送时会导致数据的冲突和碰撞， 造成数据难以恢复。因此，协调、控制对无线媒体的接入就成为无线网络的重要功能之一，同时， 它也直接决定了网络的性能、复杂度和成本。无线媒体接入控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o m x 0 1 ) 协议的最主要的功能包括信道接入控制、服务质量维护和安全管理等等。它已经成为无线网络中不 可忽视的关键部分之一 与有线通信系统的m a c 协议相比，无线通信的m a c 协议需要考虑的问题要复杂得多，这主要 是由无线媒体的特性决定的。无线媒体的半双工特性、信道的时变特性、传输过程中的突发错误和 与位置紧密相关的载波检测特性，都增加了m a c 协议的复杂度。 评价无线m a c 协议的优劣，可从以下几个方面进行i ： 接入延迟：数据分组在队列中的平均等待时间。 吞吐率：吞吐率是指信道容量中用于传输数据的那部分所占的比率。m a c 协议的目标之一 是使接入延迟尽可能小而使吞吐率尽可能高。 公平性：无线m a c 协议的公平性是指当有多个用户或终端的同类型业务请求接入信道时 其接入成功概率应相等，从而保证了所有用户或终端的同类型业务对信道带宽的平等共享。 4 第1 章绪论 具有不同服务质量要求的多种业务可以规定不同的接入优先级。 稳定性：m a c 协议的稳定性是指当网络的业务负载短时闻超出其最大传输能力时，协议仍 能够正常运行，吞吐率仍保持在相对稳定的高吞吐率状态。 功耗：大多数的无线设备需要电池供电。因此无线m a c 协议应充分考虑节能措施与机制。 多媒体支持：随着语音、数据和视频网络的融合。无线m a c 协议对多媒体业务的支持也 愈发必要。在支持多媒体业务的无线m a c 协议中，接入优先级控制和分组调度是两种经 常采用的措施。 超高速w p a n 对无线网络的m a c 协议提出了新的要求，它是借用已有的协议还是开发一种全 新的协议，当前业界尚有争议，主要有以下三种观点： ( 1 ) 直接采用已有的i e e e8 0 2 1 5 ，3 的m a c 协议i e e e8 0 2 ，1 5 3 协议面向短距离( 1 0 米左右) 高速多媒体应用，支持的最高速率为5 5 m b p s 。但现在无线通信的传输速率越来越快，w i m e d i a 联盟 定义的最高速率已有4 8 0 m b p s ，而i e e e8 0 2 1 5 3 c 定义的至少就有1 0 b p s ，简单的采用i e e e8 0 2 1 5 3 m a c 协议，势必会引起一些问题，不能很好的满足如此高速率下无线接入的要求。 ( 2 ) 开发全新的无线媒体接入控制协议。w i m d e d i a 联盟对i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 5 3 和欧洲 电信标准委员会制定的h i p e r l a n 系列协议1 5 l 的m a c 协议进行了详细研究。结果表明这些m a c 协 议均可应用在高速网络中，但都不理想，原因在于这些协议没有充分考虑新传输技术所具有的优点、 功能，特性及其应用环境。因此，w m e d i a 联盟已经开发了全新的媒体接入解决方案，该方案目前 已经成为了e c m a - 3 6 8 标准峨1 ”的一部分，该标准定义p h y 和分布式的m a c 层，采用未授权的 3 1 g h z 到1 0 ，6 g h z 频谱，强制支持至少5 3 3 m b p s 、1 0 6 7 m b p s 和2 0 0 m b p s 数据速率。 ( 3 ) 借用现有协议，进行补充改进。i e e e8 0 2 1 5 3 c 任务组就明确规定i e e e8 0 2 1 5 3 c 的m a c 协议要基于i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议，在它上面进行一些必要的补充和修改，以使其更好的适应新 物理层的特性，同时还能向后兼容当前的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议1 “】。 超高速w p a n 的m a c 协议之所以产生如此多的争论，原因之一就是现有的m a c 协议都是针 对速率不高的无线网络应用当传输速率接近i g b p s 甚至2 g b p s 以上时，就有必要对现有的m a c 协议进行重新考虑了在这种情况下。希望能综合现有两种最有可能应用于超高速w p a n 的m a c 协议( 即i e e e8 0 2 1 5 3m a c 和e c m a 3 6 8m a c ) ，通过对它们性能的分析，从而对其进行进一步 的改进和优化，以使其能适应更高速率的无线网络应用，如i e e e8 0 2 1 5 3 c 预期定义的物理层 显然，如果再结合无线m e s h 网络结构，则对m a c 协议的设计提出了更高的要求。首先目前 的几种无线m a c 协议佤”多是在i e e e 8 0 2 h 基础上进行的修改，比如对c s m a c a 算法的竞争窗 口的大小，退避过程的修改。对于多跳的无线m e s h 网络来说这样的m a c 协议还远远达不到提高全 网吞吐率的要求，随着传输跳数的增加，用于协议管理的开销将大大增加，如果不能适当的处理随 5 东南大学硕士学位论文 之而来的一些问题，将会大大影响到无线网络的性能。因此，势必需要对现有的m a c 协议进行必 要修改以使其适用于无线m e s h 网络的网络环境。 其次，由于网络的非对称性，可能需要非对称的m a c 层。大量a dh o c 网络的m a c 协议并不 能被直接移植到无线m e s h 网络中。因为在a dh o c 网络中节点之间的地位作用性能是对称的，相应 的各节点的m a c 协议是相同的。而在无线m e s h 网络中，节点和路由在移动性，能量要求，功能上 是不完全相同的，因此就会需要在节点和路由上运行不完全相同的m a c 协议。 最后，可以根据物理层和路由层的特性进行跨层设计和联合优化。 1 6 本文研究内容 本文主要进行基于无线m e s h 网络的超高速w p a nm a c 协议的研究，分析已有的协议性能，同 时根据超高速w p a n 的速率要求，提出必要的改进，以使其能更好地满足超高速率下无线通信的需 求。 本文首先从i e e e8 0 2 1 5 3m a c 出发，分析了当它应用于i e e e8 0 2 1 5 3 c 超高速w p a n 时的性 能情况，并且与已有的几种改进协议进行了对比，进而提出了一种改进的m a c 协议，仿真结果表 明，当其应用于超高速w p a n 时，可以显著地提高网络的吞吐率，减小接入时延，同时还能提供 q o s 控制。其次，本文详细分析了e c m a - 3 6 8m a c 协议中d r p 和p c a 两种接入方式下，在采用不 同a c k 机制时的最优吞吐率问题。最后，本文讨论了e c m a - 3 6 8m a c 协议应用于无线m e s h 网络 时产生的问题以及现有算法对类似问题的改进，进而提出了更好的改进方法，同样给出了分析和仿 真结果。 全文共分六章，其中，第三、四、五章是本文的重点。 第一章是绪论。首先介绍了无线通信的发展现状；其次重点介绍了无线个域网的概念，提到了 现在应用于无线个域网的主流技术，特别是超高速无线个域网很可能会用到的技术：i e e e8 0 2 1 5 3 c 和e c m a - 3 6 8 ；进而大致介绍了无线m e s h 网络的概念，优点以及与w p a n 结合的好处；然后简要 分析了基于无线m e s h 网络的超高速w p a n m a c 协议设计面临的挑战；最后简述了论文的研究安排。 第二章简要介绍了e c m a - 3 6 8m a c 协议和i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议以及对其的m e s h 扩展。 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议是i e e e8 0 2 1 5 3 c 协议的基础，规定了高速无线个域网的物理层和m a c 层协议。 而m 髓8 0 2 1 5 5 对i e e e8 0 2 1 5 3 的m e s h 功能扩展主要从帧结构的改进，m e s h 地址分配，路由建 立与维护等方面加以研究和增强。 第三章分析了现有的m a c 协议应用于超高速w p a n 时的性能状况，发现它们的表现都不是很 理想，究其原因是i e e e8 0 2 1 5 3 c 定义的物理层最低速率就达到了1 g b p s ，而现有的很多m a c 协议 都是针对速率不太高的无线应用而设计的。在现有m a c 协议的基础上，论文中提出了一种改进的 6 第1 章绪论 m a c 协议。仿真结果表明，尤其是在速率很高的情况下，论文中提出的m a c 协议可以有效地提高 网络吞吐率，减小接入时延同时，还能满足特定网络节点的q o s 要求 第四章详细分析了e c m a - 3 6 8 m a c 协议在不同的a c k 机制下，最优吞吐率的问题。仿真和分 析结果都表明，在n o - a c k 、i m m - a c k 和b - a c k 等三种a c k 机制下，都存在一个最优的负载长 度。数据包以这个负载长度发送，可以便网络的吞吐率达到最大，也就是说存在一个最优的吞吐率 这个结论给网络设计人员提供了一个有用的参考，方便他们针对不同的情况，去设计不周的包长度 第五章讨论了e c m a - 3 6 8m a c 协议应用于无线m e s h 网络中产生的问题以及现有算法对类似问 题的改进，进而提出了更好的改进方法。