（通信与信息系统专业论文）ieee802153+mac协议性能分析及开发研究.pdf

t 海大学硕l 学位论文 i e e e 8 0 21 53m a c 怫议性能分析及开发研究 摘要 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议作为一种高速无线个人局域网规范，其技术的研究和开 发正日益受到通信行业的关注。本文介绍了无线个人局域网的发展概况，对 i e e e s 0 2 1 5 3m a c 协议从丢帧率、吞吐量、应用业务和信道资源分配算法等各 个方面进行了分析和仿真，研究了超帧和c a p ( c o n t e n tj o i la c c e s sp e r i o d ) 的时 间分配对网络性能的影响；针对微网中的不同码流( 恒比特c b r 和变比特v b r ) 提出了一种动静结合的信道资源分配算法，仿真结果表明这种信道资源分配算法 对于实时业务的传输能够显著提高q o s ，并且能够提高信道资源的利用率和网络 的吞吐量。利用该算法和超帧中各部分的时间分配关系制定了m a c 协议的实现机 制。 根据协议栈的运行机制和m a c 协议的功能要求提出了m a c 协议栈的设计方法 和软硬件设计方案，制定了m a c 协议栈开发的软件设计流程，建立了协议栈实现 的系统模型：多线程模型、定时器模型、模块间通信模型和接口模型。在硬件平 台部分阐述了a r m 开发板的设计和仿真平台以及整个系统的结构。最后说明了 m a c 协议栈向硬件平台移植时的若干问题，包括a r m 系统的初始化、协议栈的调 试和代码优化等，并给出了相应的解决方法。 关键词：无线个人局域网；i e e e 8 0 2 i 5 3m a c 协议：嵌入式系统；a r m 上海大学硕上学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 a bs 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 kh a sb e c o m eas p l e n d i ds c e n a r i o u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，i e e e 8 0 2 1 5 3p r o t o c o li sp r o p o s e da s a l la t t a c t i v es o l u l a t i o nf o rh i 曲 r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s t h eo v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fw p a ni s s i m p l yi n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n t h e nb a s e d o nt h er a t eo ft h e d r o p p e dp a c k e t s ，t h et h r o u g h p u to ft h ee n t i r en e t w o r k ，t h et r a f f f i ca n dc h a n n e lt i m e a l l o c a t i o na l g o r i t h m ，i e e e 8 0 2 1 5 3m a cp r o t o c o li sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h e l e n g t ho fs u p e r f r a m ea n dc o n t e n t i o na c c e s sp e r i o da r ea l s oa n a l y z e d an e w c h a n n e l t i m ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e di nd e t a i lf o rr e a l t i m ev a r i a b l e b i tr a t et r a f f i ca n dc o n s t a n tb i tr a t et r a f f i c t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i s a l g o r i t h mc a l le f f i c i e n t l yd e c r e a s et h ev a l u eo ft h er a t eo ft h ed r o p p e dp a c k e t si nt h e t r a n s m i s s i o no fm u l t i p l er e a l - t i m ev b ra n dc b rf l o w sc o m p a r e dw i t ho t h e rc h a n n e l t i m ea l l o c a t i o na l g o r i t h m s a n dt h et h r o u g h p u to ft h ee n t i r en e t w o r kc a nb ea l s o i m p r o v e d a f t e rt h i s ，t h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fm a cp r o t o c o la r ee s t a b l i s h e d t h es y s t e md e s i g ns c h e m et or e a l i z et h ei e e e 8 0 2 1 5 3m a cp r o t o c o li s p r e s e n t e df o l l o w e db ym a cp r o t o c o lf u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h es o f t w a r es i m u l a t i o n p l a t f o r ma n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m a n dt h e nt h es y s t e mm o d e lo fm a cp r o t o c o l w h i c hi n c l u d em u l t i t h r e a dm o d e l ，t i m e rm o d e l ，c o m m u n i c a t i o nm o d e la m o n g p r o t o c o lm o d u l e sa n di n t e r f a c em o d e la r ef o u n d e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi s i n t r o d u c e di n c l u d i n gt h ed e s i g no fa r ms y s t e m ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt h e s y s t e ms t r u c t u r e s f i n a l l y , s o m ed e t a i l sa b o u tp o r t i n gt h em a cp r o t o c o lt o t h e h a r d w a r ep l a t f o r ma r ed e s c r i b e di n c l u d i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no ft h ea r ms y s t e m ， d e b u g g i n gt h ep r o t o c o lc o d ea n do p t i m i z i n gt h ec o d e k e y w o r d s ：w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ；i e e e 8 0 2 1 5 3m a cp r o t o c o l e m b e d d e ds y s t e m ；a r m 上海大学硕上学位论文 1 e e e s 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：至望尘竺日期：型：! ：12 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 姓吼 卜海大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 第一章绪论 本章提要： 夺无线个人局域网的发展概况 夺论文研究的内容和意义 夺协议开发流程 夺论文的内容安排及创新点 1 1 无线个人局域网的发展概况 在现代无线通信网中，根据通信距离的不同可以分为无线广域网( w w a n ) 、 无线局域网( w l a n ) 和无线个人局域网( w p a n ) 三种，它们的有机结合，构成了 完整的互连网络体系在这三种无线联网技术中，无线个人局域网是最新发展的 技术，也是发展最迅速的技术，它是一种新兴网络【1 】。 随着计算机网络和全球移动通信技术的发展，便携的数字处理设备已经成为 人们日常生活和办公的必需品，这些设备包括笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、 计算机外设、移动电话和各种电子产品等。它们都具有较强的处理能力和较大的 存储空问。但是目前这些设备之间的信息交换大都依赖于电缆的连接，使用非常 不方便，人们越来越需要一种无线技术将个人操作空间内的这些设备连接起来， 真正实现设备之间可移动的、自动的互联，这就是无线个人局域网( w p a n ) 技术， 一种短距离、低功率的无线通信技术。 无线个人局域网( 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 ) 就是指能在便 携式消费型电器与通信设备之间实现短距离特别( a d h o c ) 连接的网络，它既能够 近距离为设备建立连接，还可以将一组相互连接的设备中的一个或多个设备连入 更广阔的l a n 或i n t e r n e t 。而与l a n 连接机制不同的是，l a n 设备是固定的，w p a n 设备是运动的，这意味着w p a n 的标准具有很好的互操作性。w p a n 所覆盖的范围 一般在1 0 m 半径以内，对于一个设备而言，特别连接意味着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f 2 1 。蓝牙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( 蓝牙1 0 ) 的最高数据速率 上海人学硕士学位论文e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 为1 m b it 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，并且抗 干扰能力和安全性不是很强13 1 4 1 5 1 。 下一代便携式消费型电器和通信设备将需要支持高数据速率的多媒体业务， 这些应用包括高质量的视频和声频配送，以及用于音乐及图像文件的多兆字节文 档传送等。这样就需要一种高速的w p a n 技术来满足多媒体业务的需要，基于此 i e e e 8 0 2 1 5 工作组于1 9 9 9 年1 1 月份在夏威夷召开的i e e e 会议上，把高速传输 数据的想法增加到i e e e 8 0 2 1 5 协议系列中，成立了i e e e 8 0 2 1 5 3 工作组，这个 任务组的主要任务就是针对用户数字图像和多媒体应用制定出能够提供低功率、 低成本、短距离通信的高速率w p a n 标准 引。2 0 0 3 年6 月，i e e e 8 0 2 1 5 3 标准正 式发布【7 】。这个标准还可以成为高清晰度视频和高保真度声音、d v d 或具有多个 控制台和虚拟现实护目镜的高质量图片交互式游戏等有线家庭娱乐系统的竞争 技术。图卜1 给出了高速率w p a n 中各设备的示意图。这些设备包括数字摄像机、 数字电视机、打印机、投影仪和笔记本电脑等。要在这些多媒体设备之间实现通 信，就必须有对等的特别连接，这样才能保证2 0 m b i t s 以上的数据速率和保证 带宽的o o s 。 另外，还有一些无线局域网技术，如i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 和h i p e rl a n 也瞄准了2 4g h z 和5 g h z 这两个不需要许可证的频谱。通过对已有的无线l a n 技术比较后可知8 1 9 1 1 0 l 1 1 1 1 2 1 1 3 】，i e e e 8 0 2 1 5 3 高速率w p a n 技术有以下显著益 处： 图卜l 高速w p a n 应用 具有特别连接的能力，并提供支持多媒体业务的o o s 保证； 能方便地接入和离开现有网络，快速的连接时间( 小于1 秒) 网络安全性能较高，协议采用1 2 8 位的高级加密标准( a e s ) ； 具有先进的功率管理，可节省电池功率： 上海人学硕士学位论文 i e e e 8 0 21 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 低成本、低复杂性的m a c 和p h y 层设计，使其虽适合于短距离通信； 支持高达5 5 m b i t s 的高数据速率，可完成高质量的视像和声音传送。 因此基于高速无线个人局域网先进的技术和广阔的市场前景，我们对 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议进行了研究、网络性能的分析和m a c 协议的开发。当前，基 于协议的研究主要是在标准制定过程中，围绕协议的性能进行的理论方面的研 究，真正商业推广还有待时日，但i e e e 8 0 2 1 5 3 高速个人无线局域网已经引起 很多公司的注意，并且正在研究产品的开发。美国的a p p a i r e n tt e c h n o l o g i e s 公司已经研发出了样机系统，并在商业展览上演示了i e e e 8 0 2 1 5 3 系统的良好 性能。然而在国内尚未有基于i e e e 8 0 2 1 5 3 网络协议的样机产品，基于协议的 理论研究也很少，不过已经有一些公司开始了产品的研发工作。相比其它无线个 人局域网技术，i e e e s 0 2 1 5 3 在数据传输速率、q o s 方面有很大的优势，因此研 究此协议对于推动高速无线个人局域网的发展以及我们的生活有很大的意义，它 的研究和应用一定会引起公众的重视。 1 2 论文研究的内容和意义 对网络的性能分析仿真是协议开发和组网基础，而评价一个网络性能好坏的 技术指标包括信息吞吐量、帧平均延迟时间、系统平均响应时间、最大节点数、 通信的最大距离和可靠性、安全性等 5 】【”】。基于i e e e 8 0 2 1 5 3 技术的无线个 人局域网是数据网络，是针对未来的多媒体应用的，它能支持的最大节点数和通 信的最大距离协议都有明确规定，所以我们主要从网络吞吐量和丢帧率这两个技 术指标入手对网络性能进行分析仿真。现实生活中，高速设备间传输的业务包括 恒定比特率( c b r ) 码流，如m p 3 歌曲、文本和图像文件等；实时可变比特率( v b r ) 视频和音频码流等。不同的码流对q o s 的要求是不一样的，为了实现码流高效、 无差错的传输，信道资源的分配算法至关重要。针对不同的码流我们采用了不同 的信道资源分配算法：平均信道资源分配算法和动态信道资源分配算法，并且从 网络吞吐量和丢帧率两方面进行了比较。晟后考虑到一个实际的w p a n 网络中可 能会同时存在不同种类的码流源，我们提出了一种动静结合的信道资源分配算 法，它可以充分利用有限的带宽资源，提高传输的质量和效率。此外如何合理分 配超帧和c a p ( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ) 的时间以及他们对网络性能的影响， 我们都做了研究。 卜海大学顺士学位论文 i e e e 8 0 2 1 53m a c 协议性能分析及开发研究 完成了网络性能的分析和仿真之后，接下来的工作就是基于a r m 平台对l v l a c 协议的开发。当前，采用a r m 技术i p 核的微处理的应用已经非常广泛，已经遍 及汽车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线各类产品市 场，特别在无线设备领域中已经有超过8 5 的无线设备采用了a r m 技术。a r m 处 理器在耗电、数据传输、数据处理速度等方面已经在业界领先，己经成为了移动 通信，手持计算，多媒体数字消费，嵌入式的r i s c 标准m 】。目前，网络通信领 域的嵌入式开发正在飞速的增长，其中将a r m 用作协议控制已经非常普遍，因此 将i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议移植到a 附平台用作嵌入式协议处理是非常有意义的 事情。 本论文完成的工作：根据i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议s d l 流程图构建协议实现的 框架；单元模块开发；单元测试：系统集成与测试：构建软仿真环境对开发出的 协议进行功能仿真：硬件平台设计；协议移植；构建硬件仿真平台进行仿真。 1 3 协议开发流程 整个协议的开发流程如图所示： 厩蕊鬲b 磊稍磊调试。吲最终成品ll 网络陛能分析 刮p c 软件开发 = 刮移植调试 = ：剖 最! 冬成品 网络性能分析主要是从应用业务、网络吞吐量和丢帧率几个方面对w p a n 网 络进行分析，同时对信道资源分配算法进行研究和比较，给出一种最优的信道时 间分配算法，为m a c 协议栈的设计提供依据。 p c 软件开发是指脱离硬件的嵌入式软件开发阶段，此阶段可以在各种i d e 环境下进行开发，并进行软仿真来验证软件的逻辑正确性。我们的p c 软件开发 以及软仿真平台是在l i n u x 操作系统下建立的。 然后将开发出来的p c 软件向硬件平台进行移植调试，此阶段要考虑各种硬 件接口、硬件单元驱动、所移植代码的效率和实时性等问题。我们采用的是三星 的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，在目标板上通过n f s ( 网络文件系统) 来m o u n t 宿主机硬盘，让 应用程序直接运行在目标板上。前三个阶段完成后就得到了开发的最终成品。 1 4 论文的内容安排及创新点 论文的具体内容安排如下： 上海大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 第一章绪论。简单介绍了无线个人局域网的发展概况，论文的研究内容及 协议的开发流程。 第二章i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及算法研究。本章首先介绍了基于 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议w p a n 的组网结构，分析了各种信道资源分配算法并且提出了 一种动静结合的信道资源分配算法。然后从网络吞吐量和丢帧率两个方面对不同 算法进行了分析比较。最后对超帧和c a p 的长度对网络性能的影响进行了分析和 仿真。 第三章i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议栈方案设计。在对协议参数和信道资源分配 算法分析的基础上并且根据m a c 协议的功能要求，本章提出了m a c 协议栈的总体 设计方法、设计关键、设计思想和软硬件设计方案。在硬件平台部分阐述了a r m 系统的设计、仿真平台以及整个系统的结构。 第四章i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议栈实现。根据s d l 描述，本章提出了m a c 协 议栈开发的软件设计流程，建立了协议栈实现的系统模型：多线程模型、定时器 模型、模块间通信模型和接口模型。 第五章协议栈的嵌入与移植。本章说明了协议栈向硬件平台移植的若干问 题，包括a r m 系统的初始化、协议栈的调试方法和代码优化等问题。 本论文的创新之处： l 、对基于i e e e 8 0 2 1 5 3 协议的w p a n 网络从丢帧率、吞吐量、应用业务和 信道资源分配算法等各个方面进行了分析和研究。针对微网中的不同码 流( 恒比特c b r 和变比特v b r ) ，本文提出了一种动静结合的信道资源分 配算法，根据算法确定了m a c 协议的实现机制，并且通过仿真结果证明了 这种算法在信道资源的利用率和网络的吞吐量方面有优势。 2 、根据协议的运行机制和m a c 协议功能要求提出了i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议 栈的设计方法和软硬件设计方案。 3 、根据s d l 描述，建立了i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议栈实现的系统模型：多线 程模型、定时器模型、模块间通信模型和接口模型。 4 、以线程为单位组织代码，实现了m a c 协议栈的基本功能，并且通过仿真 平台验证了软件实现的逻辑正确性。 海大学硕十学位论文i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 第二章i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及算法研究 本章提要： 夺协议网络结构 夺协议信道资源分配算法分析 夺协议网络性能仿真 令超帧持续时间及c a p 对网络性能影响分析 夺结论 2 1 协议网络结构 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议定义的网络结构主要是基于中央控制的设备间的无线连 接，协议定义了媒体接入控制层和物理层的规范，没有定义应用层的功能，但规 定了与一些应用层协议的接口规范。协议m a c 层规范是以支持a dh o c 组网、多 媒体o o s 要求和功率管理为基础的，支持同步和异步数据类型，允许独立设备问 互相通信。微网创建时，由任一设备担任整个微网的协调控制器p n c ，p n c 发射 信令给整个微网提供基本的网络同步，并且根据预先定义的q o s 以及信道资源分 配情况，对别的设备进行控制、对信道资源进行分配、对收发功率进行管理等。 协议中考虑了p n c 功能的移交以及微网运行的结束，对于微网中子网和邻网的创 建与管理也给出了详细的规定。图2 - 1 为i e e e 8 0 2 1 5 3 组网的简要框图： 图2 1i e e e 8 0 2 1 5 3 组网简要框图蕈一 ， 一 一 气 二 导蓍 上海大学硕十学位论文 e e e 8 0 21 5 3 i c 协泌性能分析及开发研究 图2 - 2 则给出了一个家庭最常用的高速率w p a n 的结构示意图，这个微网包 括了高清晰度电视、高保真的音响m j 。当然我们日常生活中的w p a n 构件还包括 数字摄像机、数字照相机、m p 3 播放机、打印机、投影仪和笔记本电脑等。要在 这些多媒体设备之间通信，就必须有对等的特别连接，同时必须有一个性能优异 的设备担任中央协调控制器p n c ，这样才能保证2 0 m b i t s 以上的数据传输率以 及系统传输的q o s 。基于i e e e 8 0 2 1 5 3 协议的w p a n 网络能够在近距离几米的范 围内为设备建立连接，还可以将微网中的一个或多个设备连入更广阔的局域网或 因特网。 图2 2 高速w p a n 应用 2 2 协议信道资源分配算法分析 基于i e e e 8 0 2 1 5 3 协议的微网中超帧的资源主要分三部分如图2 - 3 ，即信 令( b e a c o n ) 、信道竞争访问周期( c a p ) 和信道时隙分配周期( c t a p ) ，信令在 超帧的开始由p n c 周期性的发送，载有微网的控制参数、信道时隙分配信息和各 设备的状态信息等。在c a p 周期内，各设备采用载波侦听多路访问冲突避免 ( c s m a c a ) 的访问控制机制来争用信道9 1 ，向p n c 发出信道按入请求、认证、 关联命令的请求以及一些短的异步数据等，如果p n c 响应则设备就可以加入微 网，通过这种方式p n c 就可以组建一个微网。其中c a p 的长度值由微网中的设备 数决定，两者的具体关系可以参考文献 2 0 。c a p 的时间分配既不能过短，过短 则会造成设备多次竞争信道不成功，即便竞争成功，也有可能在c a p 结束前没有 足够的时f b j 用来传输命令和数据也不能分配过长，否则就会造成c t a p 占用超 帧时间较短，用来传输数据的c t a 则相应减少，传输的数据速率会降低。c a p 的 长度对网络性能的影响会在本章的第四部分做详细分析。c t a p 采用的是t d m a 的 访问机制来接入信道，对已经加入微网的设备来说，若想与一个目的设备创建一 海大学领士学位论文i e e e 8 0 2 1 53m a c 协议性能分析及开发研究 个同步码流时，它就向p n c 发出信道时隙请求的命令，p n c 检查是否有足够的带 宽资源如果有资源能满足设备的请求，p n c 就去响应并分配时隙，各设备在分 得的时隙里就可以传输有特定q o s 的数据，如图像、音乐文件、音频流和视频流 等川。 图2 3i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 超帧结构 从上面的分析可以看出信道资源分配的关键是c t a p 的分配，如何合理有效 的为微网中各设备码流分配信道时间，保证码流传输的q o s ，这就需要一种灵活 有效的信道资源分配算法。而i e e e 8 0 2 1 5 3 协议中关于信道资源的分配算法没 有明确的定义，而是交给协议的开发者自行定义。这就增强了网络的灵活性，甚 至可以根据需要传输的码流类型选择最合适的分配方式。 现实生活中，高速设备间传输的业务包括恒定比特率( c b r ) 码流，如m p 3 歌曲、文本和图像文件等：实时可变比特率( v b r ) 的视频和音频码流等。针对 不同码流可以采用不同的信道资源分配算法，如平均信道资源分配算法和动态信 道资源分配算法。下面简单介绍仿真中用到的这两种算法，虽后我们提出了一种 动静结合的信道资源分配算法，它可以充分利用有限的带宽资源，提高传输的质 量和效率。 2 2 1 平均信道资源分配算法 与动态资源分配算法相比，平均资源分配算法则简单许多，它是一种静态的 资源分配算法。该算法下的超帧结构与i e e e 8 0 2 1 5 3 协议定义的帧结构一样。 在平均资源分配算法下，一个超帧中除去信令和c a p 后，剩下的资源将全部用于 传输码流。并且这些资源将按照请求码流的数目进行平均分配，每个码流分配到 的资源相同，在传输过程中资源的大小也是固定不变的。基于此在我们的仿真中 定义了该算法下的两个主要实现语句： a v e r a g e c t a p = ( s u p e r f r a m e - d u r a ti o n c a p e n d t i m e ) ： a v e r a g e c t a p = f l o o r ( a v e r a g e c t a p ( d e v n u m b e r s 一1 ) ) ： 卜海大学硕士学位论文 i e e e 8 0 21 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 平均资源分配方式适合于恒比特率码流，但是它的分配方式比较单一，资源 不能按需分配，容易造成很大的浪费。对于实时变比特的视频或者音频码流，这 种分配方式会造成很高的丢帧率，在下面的仿真中会对这种分配算法进行分析。 2 2 2 动态信道资源分配算法 动态资源分配算法中的超帧结构，如图2 - 4 所示： 图2 4 动态资源分配算法下的超帧结构图 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议所定义的超帧长度在1 0 0 0 微秒至6 5 5 3 5 微秒的范围内。 为了简化分析便于后面的仿真，并且根据实时v b r 码流的需要，暂时将超帧长度 定在4 0 毫秒。对于c b r 码流的仿真，超帧长度也定为4 0 毫秒。 在c t a p 中n 个r _ m c t a 是动态资源分配算法的关键所在。由图2 3 可以看出 i e e e 8 0 2 1 5 3 协议中并没有定义r _ m c t a ，而动态资源分配算法超帧结构则多出 了这一部分。rm c t a 是特别为动态资源分配算法从c t a p 中分配出来的。 rm c t a 是为微网中的设备分配的r e g u l a rm c t a ，n 的数值即是参与传输的 设备数。也就是说设备与r e g u l a rm c t a 是一一对应的关系。rm c t a 的作用主要 是传递数据帧的长度值，以便对应的设备能向p n c 请求足够的时隙分配。分配出 r _ m c t a 虽然减少了c t a p 周期中可用来传输数据的部分，但是使得c t a p 的分配 更为灵活，按需分配达到资源的最大利用。 在我们的仿真中动态资源分配算法的c t a p 起始位置由以下语句定义： r e g u l a r _ m c t a = c e i1 ( ( p m i n f r a g m e n t s i z e 十f c s ) * 8 ( b d a t a r a t e * s l o t t i m e ) + g u a r d _ t i m e ) a v e r a g e c t a p = ( s u p e r f r a m e d u r a t i o n c a p e n d t i m e ) ： c t a p ：a v e r a g e c t a p r e g u l a r _ m c t a * ( d e v n u m b e r s 一1 ) ： 当设备传递的是实时v b r 码流时，设备中缓存的设置很关键，要根据码流的 特性进行合理的设置。每个设备把放在缓存中当前要发送的实时v b r 流的帧进行 分段打包，并汁算占用的信道时间，然后在为其分配的r e g u l a rm c t a 内，把需 要的信道时间通知给p n c 。从当前超帧中收到各个码流传输帧所需要的信道时间 卜海大学硕士学位论文i e e e 8 0 21 5 3 a c 协议性能分析展开发研究 后，p n c 把它们按照从小到大的顺序进行排列( 也可按照码流的优先级进行排列) ， 然后，先分配c t a 给需要信道时间较小的码流，再分配c t a 给需要信道时间较大 的码流( 或者先分配c t a 给优先级高的码流，再分配c t a 给优先级低的码流，在 优先级一样的情况下按码流时间从小到大排序) ，把这些c t a 依次分配在超帧中 的动态分配时隙空间内。分配完毕，p n c 修改下一个超帧中的b e a c o n ，通知各个 设备资源分配情况。于是各个设备在下一个超帧的c t a p 内，占用分配给自己的 c t a 发送数据。每一个超帧中c t a 的分配情况可能都不相同，这根据实时v b r 流 中每一帧的大小而定】。 由于是采用资源预约的方式，传输v b r 码流时，在当前超帧内p n c 得到的是 实时v b r 码流下一帧传输所需要的信道时间值，实际的数据帧则是在下一超帧中 传输的，因此码流始终要延迟一个超帧时间发送。但对于m p e g - 4 码流来说，这 种延迟不会造成人视觉上的改变，因此这种算法是可行的。 但是对于c b r 码流来说，用这种延迟一个超帧的动态资源分配方式传输码流 虽然保证了服务质量，但是每次都要对相同的c t a 重新分配一次，并且由于 r _ m c t a 的分配浪费了信道时间，同时也多发了好几个命令帧，降低了微网的吞 吐量。特别是当微网中，传输c b r 码流的设备非常多的时候，每个设备所需的 rm c t a 相加构成一个不小的开销。因此对于c b r 码流，静态资源分配方式将更 为适合。p n c 在识别出传输的码流类型后，c t a p 的分配只需按照设备发出的请求 进行分配，静态的保持原来的分配直至该设备数据传输完毕，这才是一种更为有 效，更针对c b r 码流的方法。 2 2 3 动静结合信道资源分配算法 上一节简单地阐述了动态信道资源分配算法的原理。我们通过仿真也证明了 采用动态资源分配算法传输码流能够得到较好的q o s 。网络的吞吐量也明显提高。 然而，值得注意的是，这种分配算法是建立在牺牲部分信道资源的基础上来换取 的。在传输v b r 码流时这种牺牲是必要的，但在传输c b r 时，由于c b r 每一帧的 字节数是不变的，这种牺牲则很浪费或者是没有必要的。动静结合信道资源分配 算法就是在动态信道资源分配算法的基础上提出来的：p n c 根据各设备码流标志， 有选择的分配r m c t a ，对于那些传输c b r 码流的设备不分配r _ m c t a ，而只对传 输v b r 码流的设备分配r _ m c t a ，这样就能够有效的节省信道资源，在下面的仿 上海上学硕士学位论文i e e e 8 0 2 1 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 真中能够证明这种算法相比动态资源分配算法，具有更高的带宽利用率和网络吞 吐量。 随着全球的数字化的发展，便携设备会越来越多，基于i e e e 8 0 2 1 5 3 协议 的w p a n 也会越来越广泛，接入同一个微网的设备数量也会增加。i e e e 8 0 2 1 5 3 协议规定一个微网中p n c 最多可咀控制2 5 5 个设备。这些设备有的传输c b r 码流， 有的传输v b r 码流。当网络中传输c b r 码流时可以采用伪静态的分配方式进行资 源分配，即只需对码流的第一帧进行分配，随后不改变信道的分配方式直至传输 完毕。当网络中传输v b r 码流时，可以采用动态的分配算法来提高o o s 。但是实 际中更多的情况则是微网中既有传输c b r 码流的设备，又有传输v b r 码流的设备。 在这种情况下，分配资源时我们仍然采取动态方式，但是将p n c 分配给c b r 码流 设备的rm c t a 节省了下来，在设备数比较大的情况下，微网传输性能有明显的 提高，这就是本论文所提出的动静结合的信道资源分配算法。 取名动静结合，是来源于在该算法下，p n c 是动态地分配信道资源，而请求 发送c b r 码流的设备则是静态地预约信道资源。根据i e e e 8 0 2 1 5 3 协议，p n c 可以识别码流的类型。当设备传输c b r 码流时，码流每一帧的大小恒定，设备不 需要反复占用r _ m c t a 来向p n c 预约信道资源。此外即使p n c 每次都要根据请求 发送码流的帧大小进行排序并重新分配信道，发送c b r 码流的设备也可以在c a p 期间请求信道资源，这样p n c 只需向传输v b r 码流的设备分配rm c t a 时隙，用 以预约资源即可。 2 3 协议网络性能仿真 本节对基于i e e e 8 0 2 1 5 3 协议的w p a n 网络性能进行仿真。论文中所做的仿 真将主要从丢帧率和网络的吞吐量两方面入手，分析比较传输不同业务时各种信 道资源分配算法的性能。 为了便于仿真，我们做了以下一些假设： ( 1 ) 忽略由于信道不可靠而导致的传输错误，因此在本论文中讨论的码流丢 帧率是由于信道时间不足引起的； ( 2 ) 接入微网的设备数目是有限的，并且所有设备都有码流发送： ( 3 ) 微网的p n c 设备是固定的，在数据传输期间没有p n c 移交的情况发生： ( 4 ) 在微网中，目的设备是固定的，即p n c 设备，所以源设备的码流都向p n c 海大学硕上学位论文 i e e e 8 0 21 5 3l a a c 协议性能分析及开发研究 传输，且检测点也设在p n c 一侧； 在我们的仿真中，所用的码流分为两类：恒定比特率( c b r ) 码流和实时可 变比特率( v b r ) 码流。 目前，我们生活中很大一部分是高速率的c b r 码流，比如压缩为c b r 码流的 m p 3 歌曲；个人家庭存储器件、打印机、扫描仪、p d a 设备、笔记本电脑之间互 传的文本或是图像文件。因此针对c b r 码流进行仿真是具有实际意义的。 仿真中所用的c b r 码流是用t u r b oc 编程所得的d a t a 文件。仿真中一共用 到1 5 m b p s 、2 m b p s 、4 m b p s 及8 m b p s 四种不同比特率的c b r 码流。 为了使仿真更为真实，选用的码流更具代表性，v b r 码流采用了m p e g 一4 格 式的码流。m p e g 一4 编码格式在视频编码协议中的应用越来越广泛，在未来的网 络视频传输中，将会占主导地位。仿真中的v b r 源码可以在网址 h t t p ：t r a c e e & s a s u 。e d u 上下载，它们都具备一定的代表性【2 4 】。图像的压缩 率为9 9 2 ，帧的数量为8 9 9 9 8 ，一秒传2 5 帧，则一共是1 个小时的数据流。由 于各个源码平均比特率不定，给仿真带来计算困难，因此通过m a t l a b 编程将各 个源码都分别编写成平均比特率为1 5 m b p s 、2 m b p s 、4 m b p s 三种码流用于仿真。 2 3 1 基于c b r 码流的网络性能仿真 本仿真的目的主要是为了比较微网中传输c b r 码流时平均资源分配算法和 动态资源分配算法对网络性能的影响。仿真时对网络的丢帧率及吞吐量两个参数 进行了观察。 本仿真共设为3 种场景，分别如表2 5 中所示： 表2 5 仿真中的三个场景 仿真场景 120 5 骢萄澶4 81 2 上匕特率4 胁p 52 肋p s1 5 m b p s 码溺俅争鸯孽时间3 5 6 0 s3 5 6 0 s3 5 6 0 s 超帧长度 4 0 m s4 0 m sd o 】t l s 仿真七毛度4 0 0 0 0 l l l x 54 0 0 0 0 m s 4 0 0 0 0 m 窨 以第一个场景为例。第一场景的设备数为4 ，4 个设各同时向p n c 发送c b r 码流，且所传输的c b r 码流的比特率都为4 m b p s ，p n c 则只听不发。观察点设在 p n c 这一侧，由p n c 来计算丢帧率及吞吐量。 一1 2 上海大学硕十学位论文 1 e e e 8 0 21 53m a c 协议性能分析及开发研究 图2 6 为仿真中第一场景的拓扑逻辑图，场景二、场景三与其相同。 图2 - 6 仿真拓扑逻辑图 场景一仿真结果如图2 - 7 所示： 图2 - 7 场景一的仿真结果 在场景一中，4 个设备同时向p n c 发送4 m b p s 的c b r 码流。其中方点为平均 资源分配的算法下四个设备各自的丢帧率，圆点则代表了动态分配算法下4 个设 备各自的丢帧率。可以看出，按照平均资源分配算法，c t a p 将平均的分配给4 个设备，结果却不能满足任何一个设备请求的资源，4 个设备的丢帧率都达到了 1 0 0 ，c t a p 完全浪费。当采用动态资源分配算法时，当前帧所含字节最小的设 备将获得c t a p 的优先使用权。由于此处每个设备所发的码流相同，因此先行满 足设备号排在前面的设备的请求。在第四个设备发送码流时，剩余的c t a p 无法 满足该设备发送每一帧所需的时间，故第四个设备的丢帧率为1 0 0 。 因为c b r 每一帧的字节数是不变的，所以在传输过程中网络的吞吐量始终是 一个固定值。在动态资源分配的算法下，仿真中有三个设备的丢帧率为0 ，也就 是说这三个设备的4 m b p s 码流全部被接收，同时由于码流的帧传输速率设定为与 超帧的速率相同，由计算可知网络中的吞吐量应为1 2 m b p s ，与仿真结果一致。 海大学顺1 二学位论文i e e e s 0 2 1 6 3m a c 协议性能分析及开发研究 而平均分配时的吞吐量为0 ，也与仿真结果一致。 要注意的是，在图2 7 的左图中，线条没有任何意义，只是方便观察。 图2 - 8 和图2 - 9 分别为场景二、三的结果。 图2 - 8 场景二的仿真结果 图2 - 9 场景三的仿真结果 图2 7 、图2 8 和图2 9 可验证平均资源分配算法这种静态的分配算法传输 c b r 码流没有优势，而动态的分配算法较平均分配算法虽然增加了r _ m c t a 这一 部分的开销，但是它有效的利用了c t a p 资源，因此在i e e e 8 0 2 1 5 3 微网中使用 动态的分配算法传输c b r 码流比使用平均分配算法信道利用率要高。 由于在实际微网中每个设备发送的c b r 码流的比特率不一定是一样的，为了 符合实际本次仿真的场景发生了一些变化。网络中各个设备发送的码流不再是相 同的比特率，第一个设备传输8 m b p s 码流，第二个设备传输的是4 m b p s 码流，第 三个传输2 m b p s 码流，第四个传输的是1 5 m b p s 码流。 仿真结果如图2 1 0 所示。 由于平均分配算法将c t a p 分成了4 个相同的部分，而第一个设备和第二个 设备所发码流的比特率过大，不能被满足，所以这两个码流的丢帧率为1 0 0 ， 上海人学顺士学位论文 i e e e 8 0 21 5 3m a c 协议性能分析及开发研究 即全部丢失。第三个设备和第四个设备发送的分别是2 m b p s 和1 5 m b p s 的码流， 每帧大小都能满足在所分配的c