（通信与信息系统专业论文）ieee80216无线网络协作技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 宽带无线接入( b w a ， b r o a d b a n dw i t l e s sa c c e s s ) 以其运营成本低，组网方 式灵活，支持一定范围的移动性等优势在高速i n t e r n e t 接入、移动办公、军事、救 灾等领域有着广泛的应用前景，因此成为了当前研究热点。尽管i e e e8 0 2 1 6 无线 网络具有很多其它网络无法比拟的优势，但仍然遭受着无线网络受到的影响，使 其性能往往不如预期。协作分集技术是无线通信系统中为对抗衰落，提高传输性 能的一项基本技术。这种技术利用协作节点共享彼此的天线而构成虚拟的m i m o 多天线系统，可以明显改善比特差错率、块差错率甚至中断概率等用户业务质量 问题。因此，将协作分集技术应用在m e s h 网络中，必定能够提升网络容量、增大 数据传输速率、有效对抗衰落，从而提高系统的服务质量和可靠性。 首先，本文介绍了宽带无线接入标准i e e e8 0 2 1 6 ，其中重点介绍了i e e e 8 0 2 1 6m e s h 模式下的帧格式，握手机制，微时隙分配算法以及m s h d s c h 消息 格式，并且简单介绍了协作通信相关概念，重点介绍了目前最为典型的协作技术， 并且对其性能做仿真分析。 其次，提出了一种适用于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的协作技术c c m ( c r o s s 1 a y e rc o o p e r a t i o nm e t h o df o rm e s hn e t w o r k s ) 。 1 1c c m 改进了原有的i e e e8 0 2 1 6m e s hm a c 机制，增加了新的控制信息， 通过这些控制信息的交互，可以为源节点到协作节点，协作节点到目的节点之间 的数据传输预留信道，使各节点获取以及维护信道状态信息。 2 ) 并且提出了一种新的协作节点选择方法，联合考虑系统容量与m a c 层的 开销，选出一定数量的协作节点参与通信，利用协作节点的加入提升系统性能。 3 ) 提出一种新的微时隙调度方法一一最大分组方法来为源节点到协作节点、 协作节点到目的节点预留信道。 最后，本文对c c m 的性能进行了仿真分析。仿真结果表明c c m 的微时隙调 度算法能够更合理的分配微时隙，使更多的已选择的协作节点参与协作；采用c c m 能够获得更高的协作增益，更好的提高系统性能。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 ，m e s h ，协作分集，微时隙调度，协作伙伴选择 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) h a sb e c o m eac u r r e n tr e s e a r c hf o c u s a l t h o u g h i e e e8 0 2 16w i r e l e s sn e t w o r kh a sm a n y a d v a n t a g e s ，i ts t i l ls u f f e r sf r o mt h ei m p a c to f w i r e l e s sn e t w o r k s ，t h u s ，i t sp e r f o r m a n c ei so f t e nl e s st h a ne x p e c t e d c o o p e r a t i v e d i v e r s i t yi sab a s i ct e c h n o l o g yf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o m b a t i n gf a d i n g a n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t r a n s m i s s i o n b yt h a tc o o p e r a t i v en o d e ss h a r et h e i r a n t e n n a sa n df o r mv i r t u a lm i m o m u l t i p l ea n t e n n as y s t e m s ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h es e r v i c eq u a l i t y , s u c ha st h eb i te r r o rr a t e ，b l o c ke r r o rr a t eo rp r o b a b i l i t ya n ds oo n t h e r e f o r e ，a d a p t i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi nm e s hn e t w o r k sw i l li n c r e a s en e t w o r k c a p a c i t ya n dd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，c o m b a tf a d i n ge f f e c t i v e l y , a n dt h e ni m p r o v es e r v i c e q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y f i r s t l y , i e e e8 0 2 16s t a r d a n di si n t r o d u t e d ，w h i c hf o c u s e so nf r a m ef o r m a t ， h a n d s h a k i n gm e c h a n i s m s ，m i n i s l o ta l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dt h em s h d s c hm e s s a g e f o r m a tu n d e ri e e e8 0 2 16m e s hm o d e f u r t h e r m o r e ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n c o n c e p t sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , f o c u s i n go nt h em o s tt y p i c a lc o o p e r a t i v em e t h o da n di t s p e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e d s e c o n d l y , an o v e lc r o s s - l a y e rc o o p e r a t i o nm e t h o df o rm e s hn e t w o r k s ( c c m ) i s p r o p o s e d c c mu s e st h ee n h a n c e dt h r e e w a yh a n d s h a k i n gt oa l l o c a t et h eb a n d w i d t h s f o rt h ec o m m u n i c a t i o n so fs o u r c en o d ea n d c o o p e r a t i o nn o d e ，a l s o f o rt h e c o m m u n i c a t i o n so fc o o p e r a t i o nn o d ea n dd e s t i n a t i o nn o d e c c mc h o o s e st h e c o o p e r a t i o nn o d e sc o n s i d e r i n gb o t ht h ec h a n n e ls t a t eo fp h y s i c a ll a y e ra n dt h eo v e r h e a d o nm a c l a y e r i na d d i t i o n ，an e w m i n i s l o ts c h e d u l i n gm e t h o dw h i c hn a m e dt h el a r g e s t g r o u pm e t h o di sp r o p o s e dt or e s e r v e dc h a n n e lf o rt h es o u r c en o d et oc o o p e r a t i v en o d e ， a n df o rc o o p e r a t i v en o d et od e s t i n a t i o nn o d e f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo fc c m i ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e l a r g e s tg r o u pm e t h o dc a na l l o c a t em i n i s l o t sm o r ee f f e c t i v e ，a n dm a k em o r es e l e c t e d n o d e sp a r t i c i p a t ei nc o o p e r a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，c c mc a ns e l e c to p t i m a lc o o p e r a t i o n n o d e sa c c o r d i n gt od y n a m i cn e t w o r ks c e n a r i o s ，a n di nt u r ni n c r e a s et h ec h a n n e l c a p a c i t ya n di m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 ，m e s h ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，c o o r d i n a t e dd i s t r i b u t e ds c h e d u l e ， r e s o u r c es c h e d u l e i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在日新月异的现代社会，人们对于通信的要求越来越高，所追求的是能在任 何时间，任何地点，使用任何设备，与任何终端进行通信。当基于光纤通信的骨 干网技术已经能够满足大容量信息的传输，能够提供多元化业务的时候，接入网 成为了瓶颈，因此宽带接入网技术就成为当前通信界关注的焦点。 近年来，宽带无线接入【l 捌( b w a ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 以其运营成本 低，组网方式灵活，支持一定范围的移动性等优势在高速i n t e r a c t 接入、移动办公、 军事、救灾等领域有着广泛的应用前景，因此成为了当前研究热点。作为宽带无 线通信的推动者，美国电气和电子工程师协会( 正e e ，i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 于19 9 9 年设立了8 0 2 1 6 工作组【3 】，开发工作于2 - - 6 6 g h z 频 带的无线接入系统空中接1 ：3 物理层( p h y ，p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体接入控制层 ( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 规范，目的是建立一个全球统一的宽带无线 接入标准，解决以无线的方式宽带接入“最后一公里 的问题。2 0 0 1 年1 2 月，基 于单载波的物理层和时分互用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 的m a c 层协议， 该工作组推出了初始版本的标准8 0 2 1 6 。i e e e8 0 2 1 6 1 4 1 标准为宽带无线接入网的 开发与应用提供了广阔的平台，它的出现极大的推动了宽带接入网的发展，有着 重要的现实意义与战略价值。 1 2 课题背景 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准 自i e e e 工作组推出初始版本8 0 2 1 6 标准以来，根据应用场景的不同不断修 改和扩展，陆续制定和发布了一系列8 0 2 1 6 技术标准，分别定义了系统m a c 层 和物理层的管理信息库，相关的管理流程，设备的互操作性，对网络资源、移动 性和频谱的有效管理。 到目前为止，i e e e8 0 2 1 6 标准系列如下表1 1 所示。根据使用频段高低的不 同，i e e e8 0 2 1 6 标准系列可分为应用于视距( 使用2 - 1 1 g h z 频段) 和非视距( 用 1 0 , - , 6 6 g h z 频段) 两种；根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列又可分为 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准。 表1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准关注的技术领域 标准号负责的技术领域 8 0 2 1 6 1 0 - - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 a2 11 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 。1 6 c 1 0 , - , 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 1 0 , - , 6 6 g i - - i z 、小于1 1 g h z ) 8 0 2 1 6 e 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准( 小于6 0 h z ) 8 0 2 1 6 f固定宽带无线接入系统空中接口m i b 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统管理平面流程和服务要求规范 8 0 2 1 6 h 非执照频段的无线宽带系统标准 8 0 2 1 6 i 移动宽带无线接入系统管理信息库标准 8 0 2 1 6 j 移动宽带无线接入系统多跳中继技术标准 8 0 2 1 6 k媒体接入控制( m a c ) 桥接规范 8 0 2 1 6 m先进空中接口标准 其中，8 0 2 1 6 d ，8 0 2 1 6 e 以及8 0 2 1 6 j 是相对比较成熟并且最具实用性的标准。 2 0 0 4 年6 月，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系 列的一个修订版本，对2 - - , 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定， 定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物 理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，属于固定宽带接入规范。 8 0 2 1 6 e 5 】标准实际上是8 0 2 1 6 a 的增补版，是支持客户端移动性的规范，使客 户可以在基站之间自由切换和漫游，进而实现在不同的8 0 2 网络之间自由切换。 该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在小于6 g h z 适宜于移动性 的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动( 一般小于1 2 9 k m h ) 。作为增强版 的i e e e8 0 2 1 6 e 的成功制定，无疑是一个重要的里程碑。它实现了高速数据业务 的宽带无线移动接入，还支持基站或扇区高层切换功能，并且能向下兼容i e e e 8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 j t 6 j 标准通过中继技术改善由无线信道环境导致的阴影衰落，扩大基站覆 盖范围，提高系统容量和性能，以减少有线互联带来的成本压力。 8 0 2 1 6 系统与现有的无线接入技术相比，主要具有如下优势：现有主要的固 定无线接入技术要么覆盖半径太小，要么只能支持视距传播，而8 0 2 1 6 系统基站 的覆盖半径较大，并且支持非视距传播和室内覆盖，这方面的特点大大降低了终 端的复杂性，把终端从室外天线的束缚中解放出来，从而使得8 0 2 1 6 系统具备了 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 提供移动无线接入功能的基础；8 0 2 1 6 技术频谱利用率和容量较高，可以满足终 端用户各种不同的无线通信要求，从而使得8 0 2 1 6 系统能够成为多样化的用户服 务的承载平台；8 0 2 1 6 系统在大规模组网方面的技术特点，决定了它比较容易实 现统一鉴权和计费，可以方便用户的使用；8 0 2 1 6 是标准化的技术，适合于规模 经济下的设备成本的降低，同时可以为运营商，设备商，用户提供灵活多样的选 择，减少了投资风险；加之8 0 2 1 6 e 系统使得用户在移动过程中可以得到不问断的 服务，这方面的优势是现有固定无线接入技术不可比拟的【7 1 。 1 2 2 协作分集技术 尽管i e e e8 0 2 1 6 无线网络具有很多其它网络无法比拟的优势，但仍然遭受着 无线网络受到的影响，使其性能往往不如预期。在无线通信系统中，电磁波的物 理特性导致了无线信号的多径传输，结果由于收发机的位置和频率的变化造成了 接受信号强度的不同，加上收发机的运动特性，共同导致了无线信道在空间、频 率和时间上的变化，通常称为衰落。这种衰落使得接收端不能正确地判断发送信 号，是影响通信质量的主要原因，而分集技术是无线通信系统中为对抗衰落，提 高传输性能的一项基本技术。 分集技术的基本原理是通过多个信道接收到承载相同信息的多个副本，由于 各个信道的传输特性不同，信号各个副本的衰落特性各不相关，接收机将这些信 号副本按照一定的规则合并起来，使得组合后的有用信号能量最大化。根据获得 信号多个副本的不同方法，分集技术可分为空间分集、时间分集、频率分集等。 其中，应用最为广泛的分集方式是空间分集。空间分集要求采用多副接收天线形 成多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l e n a p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统，使得接收端受到 来自不同路径的信息副本。 然而，移动终端因体积、能量受限，配备多副天线是不现实的。针对这一问 题，l a n e m a n 等人提出一种单天线终端也能实现分集的技术：协作分集技术【8 l 【9 】o 其基本思想是多用户环境中，具有单根天线的用户按照一定的方式来分享其它用 户的天线，产生一个虚拟m i m o 系统，从而获得发分集增益。利用协作分集技术， 配有单根天线的终端也能够通过多个空间信道收到信号的多个独立副本。 因此，将协作分集技术应用在i e e e8 0 2 。1 6 无线网络中，必定能够提升网络容 量、增大数据传输速率、有效对抗衰落，从而提高系统的服务质量和可靠性。 1 3 本文工作 本文的研究工作主要在i e e e8 0 2 1 6 的m e s h 模式下进行研究，将对抗无线通 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 信系统多径衰落的协作分集技术应用到i e e e8 0 2 。1 6 无线网络中。具体主要工作和 相关内容如下。 第一章为绪论，首先介绍了i e e e 8 0 2 1 6 标准的产生背景等相关内容，然后简 单介绍了协作分集技术，最后对本文的组织结构作了简单介绍。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 6 的协议模型，其中对i e e e8 0 2 1 6m e s h 协同分布式 网络中的帧格式，消息结构，调度机制以及三次握手过程和尽力而为的微时隙的 调度算法( b e 算法) 进行了详细的阐述。 第三章首先简单介绍协作通信相关概念，对现有的相关工作，即无线网络中 的协作技术做简单归纳，接着详细介绍目前最为典型的协作技术，并且对其性能 做仿真分析。 第四章在i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络中提出一种跨层协作技术c c m ( c r o s s l a y e rc o o p e r a t i o nm e t h o df o rm e s hn e t w o r k s ) 。c c m 改进了原有的i e e e 8 0 2 1 6m e s hm a c 机制，增加了新的控制信息，通过这些控制信息的交互，可以 使节点获得与邻居节点之间的信道信息，并且提出一种新的微时隙分配方法一一 最大分组方法，为源节点到协作节点，协作节点到目的节点之间的数据传输预留 信道。此外，在c c m 中采用了一种新的协作节点的选择方法，联合考虑系统容量 与m a c 层的开销，选出一定数量的协作节点参与通信，利用协作节点的加入提升 系统性能。 第五章对比非跨层协作伙伴选择算法的性能，对c c m 的跨层协作伙伴选择算 法的性能进行仿真评估，并且在考虑协作节点可能会因为微时隙分配失败而无法 参与协作的情况下，将c c m 采用的微时隙调度方法一一最大分组方法与现有的 b e 算法的性能进行比较。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议模型 i e e e8 0 2 1 6 协议规定了物理层和媒体接入控制层的规范，是i e e e8 0 2 1 6 协 议栈的参考模型如图2 1 4 1 所示： r 一一 生l 壬i i i 标准范围 _ - - i ! 兰兰! ， 特定服务汇聚子层 ( c s ) m a cs a p 公共部分子层 ( m a cc p s ) 安全子层 p h y s a p 物理层 ( p h y ) 二i 二i 画五： 数据控制平面 i ： 2 1 1 物理层 管理实体 特定服务汇聚子层 管理实体 公共部分子层 广一一一一一一一i i 安全子层i ii 管理实体 物理层 i i ii 管理平面 i i 管理平面 ： i - - - - - - - - ： 图2 1i e e e s 0 2 1 6 - 2 0 0 1 协议参考模型 网 络 管 理 系 统 在i e e e8 0 2 1 6 中，物理层由传输汇聚子层( t c ，t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) 和物理媒质依赖子层( p m d ，p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t ) 组成。t c 层负责把收到 的m a c p d u 封装成t c p d u ，并执行接入竞争方案和控制同步逻辑；p m d 层主 要执行信道编码、调制等处理。 在实际场景中需要使用不同的频段，为此i e e e8 0 2 1 6 标准规定了以下几种物 理层规范1 4 j ： 5 广li i i；i 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 w i r e l e s s m a n s c 物理层：采用单载波调制方式，工作于1 0 - , 6 6g h z 频段， 可使用f d d 或者t d d 双工方式，上下行链路均采用t d m 方式； w i r e l e s s m a n s c a 物理层：采用单载波调制方式，为工作频段低于11g h z 的n l o s 设计，允许信道带宽不小于1 2 5m h z ，可使用f d d 或者t d d 双工方式， 上行链路采用t d m a 方式，下行链路采用t d m 或者t d m a 方式，差错控制可选 自动重传请求( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ，可选空时编码( s t c ，s p a c et i m e c o d i n g ) 支持分集； w i r e l e s s m a n o f d m 物理层：采用o f d m 调制，工作与2 1 1g h z 频段， 支持n l o s ，在免许可频段，只能采用t d d 双工方式，上行链路采用t d m a + o f d m a 作为多址方式，下行采用t d m 方式，差错控制可选a r q ，支持m e s h 网 络结构； w i r e l e s s m a n o f d m a 物理层：采用o f d m a 调制，工作频段低于1 1g h z ， 支持n l o s ，允许带宽不小于1m h z ，在许可频段，双工方式可采用f d d 或t d d ， 在免许可频段，只能采用t d d 双工方式，差错控制可选自动重传请求a r q ，可选 空时编码s t c 支持分集； w i r e l e s s 讯m a n 物理层：可采用s c a 、o f d m 或者o f d m a 调制，工作 于小于1 1g h z 的免许可频段，只能采用t d d 双工方式，差错控制可选自动重传 请求a r q ，可选空时编码s t c 支持分集，支持m e s h 网络结构。 i e e e8 0 2 1 6 物理层引入许多通信技术，涵盖内容非常丰富，部分技术在未来 下一代通信( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 系统中也会采用。 2 1 2m a c 层 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层位于物理层之上，是面向连接的，每个连接对应一个 业务流，业务流定义了在这个连接上传输的p d u 的q o s 参数。m a c 层主要功能 和特点是：负责将来自高层协议栈的业务数据分段打包为m a cp d u ；负责选择合 适的上下行突发资源和功率来传送m a cp d u ；支持以a r q 方式对错误接收的 m a cp d u 进行重传；支持不同类型的信令和数据承载提高q o s 控制和优先级管 理。 m a c 层分为特定业务汇聚子层( c s ，c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 、公共部分子层 ( c p s ，c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 和安全子层( s s ，s e c u r i t ys u b l a y e r ) 4 1 。 汇聚子层的主要功能是负责将其业务接入点( s a p ，s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 接收到的外部网络数据进行转换和映射到m a c 业务数据单元( s d u ，s e r v i c ed a t a u n i t ) ，并传递到m a c 层的s a p 。i e e e8 0 2 1 6 标准协议中定义的汇聚子层可以提 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 供面向a t m 业务和面向分组业务的两种汇聚子层。由于目前通信网络中最大的业 务数据是基于p 的分组业务，因此面向分组业务的汇聚子层应用最为广泛。 公共部分子层提供了m a c 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连 接建立和连接维护等。公共部分子层通过m a cs a p 接收来自各个汇聚子层的数据 并分发到特定的m a c 连接，同时对在物理层上传输和调度的数据实施q o s 控制。 安全子层的主要功能是提供对通信实体和业务数据的认证、密钥交换和加 解密处理等功能。 2 2i e e e8 0 2 1 6 系统的网络拓扑 i e e e8 0 2 1 6 系统支持点对多点( p m p ，p o i n t - t o - m u l t i p o i n t ) 与网状网( m e s h ) 两种组网模式【4 】【1 0 1 。 2 2 1p m p 拓扑结构 p m p 模式是主要的无线接入形式，由一个中心基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 连接 到各个用户站( s s ，s u b s c r i b e rs t a t i o n ) ，如图2 2 所示。 图2 2 p m p 拓扑结构 下行链路是指从b s 连接到s s 的链路，而上行链路指的是从s s 连接到b s 链 路。下行方向只有b s 发送，因此不需要与其它站点进行协调，通常采取广播发送 的方式：上行链路由多个s s 共享，采用主动宽带保证、轮询以及竞争三种不同的 调度机制实现s s 之间的协调，以保证每个用户对带宽与时延的需求。在p m p 模 式下，b s 同时负责上行和下行带宽资源的分配，并且通过广播下行链路接入定义 ( d lm a p ) 与上行链路接入定义( u lm a p ，) 予所有s s 。 2 2 2m e s h 网络结构 m e s h 模式与p m p 模式的最大区别在于，在p m p 模式中，仅在b s 和s s 之间 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 有通信，而在m e s h 模式下，s s 之间也能够进行通信如图2 3 所示。 图2 3m e s h 拓扑结构 在m e s h 模式下，i e e e8 0 2 1 6 用户可以通过相邻的其他用户节点以多跳的方 式接入骨干网。相较于p m p 模式，这种多跳的网络结构使得网络易于安装，能够 非视距传输，结构灵活，有很强的健壮性，在频谱资源的空间复用度、功率效率 和网络覆盖能力方面有很大的优势。 m e s h 网络有两种调度方式：集中式调度和分布式调度。集中式调度中，资源 的分配是以更集中的方式进行的。m e s hb s 搜索在一定跳数范围内的s s 所发送的 资源请求，决定授权给上行链路或下行链路连接上的资源数量，并把这些授权信 息发送给一定跳数范围内的s s 。分布式调度中，所有节点包括m e s hb s 都要向其 所有邻居节点广播自身的调度信息，并在两跳范围内相互协调它们的传输确保数 据传输时不会发生冲突。与集中式调度相比，分布式方法具有下列几个好处： 使用分布式方法，当节点不能与一些节点通信时，仍然可以发包给其它节 点；但在集中式方法中，如果节点不能与基站通信，则不能传输任何包。 在分布式方法中，无需基站跟踪网内所有节点的状态信息，所有节点共同 维护一张状态表；但在集中式方法中，需要基站来做这种额外开销。 在集中式方法中，基站不能是使用电池的节点，因为一旦电池用光基站就 不起作用了，此时其它节点就必须检测出该基站，并选择一个新的基站。 本文主要是在i e e e8 0 2 16m e s h 模式分布式调度下进行研究。 2 3i e e e8 0 2 1 6m e s h 模式分布式m a c 层协议 分布式m e s h 调度中，用户与用户之间可单独地组成自己的m e s h 网络来进行 通信，并且它们的控制信号由各节点间调用分布式调度程序或请求发送机制来协 调，不需要中心控制站b s 链接。每一个s s 节点与b s 一样既是数据接收端又是 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 中转发送端。 2 3 1m a c 帧结构 在m e s h 模式下，控制消息和数据包在同一个信道中传输，但位于不同的时间 子帧。m a c 帧结构没有严格的上下行之分，如2 4 所示，m e s h 帧可以分为两个部 分：控制子帧和数据子帧【4 】。 t i m e m s h d s c hm s h d s c hm s h - n c f g m s h j n c f g m s h - d s c hm s h - d s c h 图2 4m e s h 协同分布式下的m a c 帧结构 控制子帧被分为若干个时隙( s l o t ) 单元，每个时隙就是一个“传输机会 ( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ) 9 9 0 控制子帧的长度等于m s h - c t r l - l e a r x7 个o f d m 符号，其中参数m s h - c t r l - l e n 表示s l o t 的个数，由网络配置消息m s h - n c f g 中的“网络描述符信息单元( n e t w o r kd e s c r i p t o ri e ) ”给出。控制子帧又分为网络 控制子帧和调度控制子帧。网络控制子帧用来创建和维持不同节点间的协调工作， 主要发送m s h - n c f g 消息和m s h - n e n t 消息，m s h n c f g 消息提供不同节点间 的基本通信，如节点的能量、天线、物理逻辑信息以及调度参数，而m s h - n e n t 消息则为新节点接入网络提供同步和初始化的方式。每个网络控制子帧中，只有 第一个s l o t 用于传送m s h n e n t ，其余的m s h - c t r l 也e 一j 个s l o t 都用于传送 m s h n c f g 。网络控制子帧周期性发送，发送周期为s c h e d u l i n g - f r a m e x 4 + 1 ，其中 参数s c h e d u l i n g f r a m e 由m s h - n c f g 消息中的n e t w o r kd e s c r i p t o ri e 给出。 调度控制子帧用来协调不同节点间的传送速度，主要发送m s h c s c h 和 m s h d s c h ， 由m s h - n c f g 消息中的n e t w o r kd e s c r i p t i o ni e 中的 m s h d s c h n u m 参数说明多少个s l o t 分配给m s h - d s c h 消息，剩下的 m s h c t r l - l e n - - m s h d s c h - n u m 个s l o t 就用于发送m s h c s c h 消息。 数据子帧被分为2 5 6 个微时隙( m i n i s l o t ) 。 分布式调度分为协调分布式调度和非协调分布式调度【4 1 。 协调分布式调度：当s s 节点需要传输数据时，它要通过公共控制信道向 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 距离自己两跳范围的邻居节点发送请求发送帧来获得某个时隙或多个时隙的使用 许可。当且仅当该节点两跳范围内的所有s s 节点均不使用此时隙时，请求节点才 能获得此时隙的使用权。如果邻居节点同意该节点使用此时隙时，邻居节点将保 持沉默，不会做出任何响应。当其他邻居节点也想使用这些时隙时，该节点会在 一定时间间隔内向请求节点返回确认帧，通知请求节点它们在竞争此时隙时发生 了冲突，然后各自调用截短二进制退避算法再随机选择一个或多个时隙来重新请 求时隙。 非协调分布式调度：通过两个节点间直接的请求和许可建立，它要保证它 的数据的发送不会与协调式调度控制的数据和控制命令发生冲突。当节点有数据 要发送时，它就直接发送，在传输前无须对邻居节点是否在发送数据进行帧听。 当数据成功发送时，发送节点将会收到一个从接收节点发送的a c k 确认帧。如果 数据冲突或损坏，发送节点会调用截短二进制退避算法再随机选择一个时隙来发 送数据。当冲突次数达到特定阀值时，发送节点就放弃此次数据传输。 在协调和非协调调度中，所有的节点都要用m s h d s c h 消息和邻居节点进行 资源的协商，并通知其他邻居节点有关自己的调度以相互协调避免冲突。在协调 调度中，为了避免冲突，m s h d s c h 消息在控制子帧中调度发送；而在非协调方 式中，m s h d s c h 调度消息在数据子帧中发送。 2 3 2 握手机制 i e e e8 0 2 1 6 分布式m e s h 调度采用三次握手( t h r e e - w a yh a n d s h a l a n g ) 与邻居 节点建立连接吲，如图2 5 所示。 r e q u e s t e r c n a n t o r 图2 5 三次握手过程 请求。有数据需要发送的请求节点( 源节点) 向目的节点发送m s h d s c h 消息，在其请求信息单元( r e q u e s ti e ) 中说明链路标识( l i n kd ) 以及用于答复 和实际调度的可能时隙等信息； 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 授权。目的节点回复m s h d s c h 消息，在其授权信息单元( g r a n ti e ， d i r e c t i o n = 1 ) 中指明授权给发送请求消息( m s h d s c h r e q ) 的源节点微时隙的 位置； 确认。源节点收到m s h d s c h g r a n t 信息后，发送m s h d s c h 消息，并 同时拷贝授权信息在其确认信息单元( g r a n ti e ，d i r e c t i o n = 0 ) 中。没有包括在该 调度里的邻居节点认为传输正在进行，以避免可能的冲突。 对于数据子帧的调度，标准中并没有详细说明，现阶段最常用的微时隙的调 度算法是尽力而为( b e ，b e s te f f o r t ) 的时隙分配算法，即目的节点根据本地微时 隙使用情况，尽量满足源节点的请求，具体分配方法如图2 6 所示。 源节点可用发送微时隙目的节点可用接收微时隙 i 圈腻阚阚纛纛，蠹 控制时隙数据微时隙 源节点发送m s h d s c h r c q固最终授权微时隙 囫目的节点发送m s h d s c h g i a n t 图2 6 微时隙调度 源节点发送m s h d s c h r e q 消息，在其请求信息单元( r e q u e s ti e ) 中说 明发送数据大小( d e m a n dl e v e l ) 和发送数据持续帧个数( d e m a n dp e r s i s t e n c e ) 等信息并且在可用微时隙单元( a v a i l a b i l i t yi e ) 说明自己可用发送时隙的起始微 时隙号( m i n i s l o ts t a r t ) 以及可用发送微时隙范围等( m i n i s l o tr a n g e ) 信息； 目的节点根据收到的m s h d s c h r e q 消息，将源节点的可用发送微时隙 与自己可用接收微时隙进行比较，找出交集，从该交集的第一个微时隙开始分配 所需的微时隙作为授权微时隙。 2 3 3m s h d s c h 消息格式 三次握手过程主要通过m s h d s c h 消息的交互来实现微时隙的调度和分配， i e e e8 0 2 1 6 协议中m s h d s c h 消息的格式如表2 1 所示【4 】o 表2 1m s h d s c h 消息格式 语句大小 注释 m s h - d s c h _ m e s s a g e _ f o r m a t 0 m a n a g e m e n tm e s s a g et y p e = 4 1 8 b i t s 管理消息类型 c o o r d i n a t i o nf l a glb i t 协调标志：0 = c o o r d i n a t e d 协调式 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 概述 1 = u n c o o r d i n a t e d 非协调式 授权请求标志：o = 请求消息 g r a n t r e q u e s tn a g lb i t 1 = 授权消息( 或授权确认) s e q u e n c ec o u n t e r 6b i t s 顺序计数器 n o r e q u e s t s 4b i t s 消息中的请求信息单元数 n o a v a i l a b i l i t i e s4 b i t s 消息中的可用微时隙信息单元数 n o g r a n t s6 b i t s 消息中的授权信息单元数 r e s e r v e d2 b i t s 预留字段，置为0 i f ( c o o r d i n a t i o nf l a g - - - - - - 0 ) m s h d s c h _ s c h e d u l i n g _ m o v a r i a b l e 调度信息单元 f o r ( i = o ；i n o _ r e q u e s t s ；+ + i ) m s h d s c h _ r e q u e s t _ i e 0 v a r i a b l e 请求信息单元 f o r ( i = o ；i n o _ a v a i l a b i l i t i e s ；+ + i ) m s h d s c h _ a v a i l a b i l i t y _ i e 0 3 2 b i t s 可用微时隙信息单元 f o r ( i 卸；i n o _ g r a n t s ；+ + i ) m s h - d s c