（通信与信息系统专业论文）无线通信网mac协议qos分析.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 无线通信网中的介质访问控制( m a c ) 协议q o s 具有双重含义：尽可能地 提高吞吐量并减小时延；在保证吞吐量和时延的前提下实现优先级的控制。 本文在对各种无线通信网络中m a c 协议进行广泛调研的基础上，分析了 无线局域网( w l a n ) 、无线个人区域网( w p a n ) 和移动通信网中m a c 予 层的q o s 增强策略。重点分析了三种典型场景的m a c 协议性能：基于载波监 听冲突避免机制的w l a n 中优先级相关的接入机制：带集中控制器的w p a n 中基于优先级的调度算法；w c d m a 中h s d p a 环境的h a r q 。这三种场景分 别代表了在m a c 层实现分布式接入控制、实现集中式资源调度和实现差错控 制的三项基本技术；也分别对应了a d h o c 、c e l l u l a rl i k e 和高误码率链路三种 m a c 设计的典型环境。 文中在分析了排队论在m a c 控制算法中的应用和博弈论在分布式m a c 控 制的潜在价值之后，采用n e t w o r ks i m u l a t o r2 2 6 对相关的协议及其算法进行了 仿真。在理论分析与仿真结果的相互验证的基础上，给出了8 0 2 1 1 e 协议关键 参数的参考数值；8 0 2 1 5 3 协议中调度算法的性能对比以及w c d m a 的h a r q 相关参数的参考数值。相关分析过程对不同组网形式、不同链路资源分配方 案、不同物理层特性的无线通信网络的m a c 协议q o s 特性设计均具有参考价 值。 关键词：无线通信，服务质量，介质访问协议 导师：卫国( 教授) 硕士学位申请人：陈晓辉 中国科学技术大学硕士学位论文 q o sa n a l y s i so fw i r e l e s sn e t w o r k m a cp r o t o c o l a b s t r a c t o o se n h a n c e m e n t so fm a cp r o t o c o li nw i r e l e s sn e t w o r ka r es t u d i e di nt h i s t h e s i s e s s e n t i a lp r o b l e m sa r ed i s c u s s e da f t e ra n a l y s i so fm a c q o s c h a r a c t e r i s t i c si n w l a n ，w p a na n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t i o n r e s u l t so f a l g o r i t h mp e r f o r m a n c e a r e p r o v i d e dw i t hn e t w o r ks i m u l a t o r c o m b i n a t i o n s o ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wd i f f e r e n tm e t h o d so fm a co o s e n h a n c e m e n t t h e r ea r et w om a i n p a r t si nt h i sp a p e r t h ef i r s tp a r tp r o p o s e sa n a l y t i c a lm o d e l s f o r p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fm a cp r o t o c o lw h i l et h es e c o n d p a r tp r e s e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c ha t t a i n e du n d e rn e t w o r ks i m u l a t o r t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n s o fg a m et h e o r yi nd i s t r i b u t e dm a cc o n t r o la r ei n t r o d u c e da sw e l la s a n a l y t i c a l m o d e l sb a s e dq u e u et h e o r ya r es t u d i e d 。m o r e o v e r ，t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h e d i s t i n c td i f i e r e n c eb e t w e e nv a r i o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h r e es i m u l a t i o n su s i n gn sa r e p e r f o r m e dt h ef i r s ti su m t s i n3 g t h es e c o n di s8 0 2 1 1i nw l a n a n dt h et h i r di s 8 0 21 5 3i nw p a n t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ：i ns e c t i o n1 c o n c e p t sa n dr e l a t e dw o r k so f w i r e l e s sn e t w o r km a ca r ep r o v i d e d 。i ns e c t i o n2 ，d i f f e r e n ta n a l y t i c a lm o d e l sa r e d e s c r i b e da n d c o m p a r e d m a cp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n so fi e e e 8 0 2 11 a n d h i p e r l a n a r e g i v e n i ns e c t i o n3 s e c t i o n4 p r e s e n t sp e r f o r m a n c e s o fd i f f b r e n t s c h e d u l ea l g o r i t h mi n8 0 2 153v i as i m u l a t i o n s e c t i o n5d i s c u s s e ss u p p o r t i n go f p a c k e td a t ai nu m t sa n dc d m a 2 0 0 0 s i m u l t a n e o u s l yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f h a r q i nu m t sh s d p am o d ei so b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ：q o s ；m a c p r o t o c o l d i r e e t e db y ：p r o f w e ig u o a p p l i c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：c h e n x i a o h u i ( d e p a r t m e n to fe e c t r o n i ce n g i n e e r i n ga n di n f o r m a t i o ns c i e n c e ，u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a ) 中国科学技术大学碗l j 学位论文 第1 章引言 q o s 是各种通信网络叶】的研究热点。从协议栈角度可区分不同的研究方 向：应用层上高效率自适应的信源编码、传输层和网络层上实现带宽和流量的 有效管理、链路层上实现有区分的服务以及在物理层上提高物理带宽和信道编 码的可靠性。 一个完整的传输路径( p a t h ) 由多个链路( 1 i n k ) 组成。网络层及以上协议 层的技术研究的重点在于端到端( e n d t o e n d ) 的资源管理；链路层及物理层则 关注的是实现点到点( p o i n t t o p o i n t ) 的资源管理。因而这两个方面的技术在研 究方法和侧重点有很大的不同。端到端的研究更多地从整体上研究优化问题， 点到点的研究则涉及局部优化与整体优化匹配的问题。 有线网络中q o s 的相关研究相对集中在协议栈的上层，但是无线通信网中 数据链路上可用的资源受物理信道的影响不断变化，其链路的局部特性对网络 的整体性能影响远远超过有线网络。故而无线通信网中链路层资源的利用和管 理较有线通信网而言具有更加重要的意义。加之当多个设备共享同一物理信道 的时候，出于无线环境中无法检测冲突，其接入协议q o s 支持也异于有线环 境。故链路层的链路控制子层和媒体接入控制子层均需要进一步的研究以适应 f | 益提高的q o s 要求。 m a c 协议设计受物理层特性和上层业务流特性的双重影响。首先，m a c 子层由于和物理层相关性很强，其实现技术受物理层发展影响较大。随着移动 通信刚、w l a n 和w p a n 发展规模的日益扩大，新的物理层技术迫使m a c 子 层的q o s 研究亟待深入。其次，i p 无线网络要求各类无线网络实现对t c p i p 协议栈以及各种实时、非实时应用层业务的支持。t c p i p 协议的数据流特性和 数据业务多样化的q o s 参数给无线通信网的m a c 协议设计带来新的挑战。 m a c 层q o s 的核心研究内容为：在有限链路资源的前提下尽可能地提高 吞吐量并减小时延：与此同时实现对不同优先级业务流的有区别服务。由于介 质访问控制方法可以分成分布式的( 如c s m a c a ) 和集中式的( 如t d m a ) 两大类，本文中分别选取8 0 2 1 1 e 和8 0 2 1 5 3 为例进行分析。这两个协议分别是 w l a n 和w p a n 中q o s 最完善的m a c 协议。对于误码率较高的环境，u m t s 巾h s d p a 引入的m a c 层h a r q 则是较为成熟的解决方案，在本文中对 h s d p a 的数据重传性能也进行了分析。 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章无线网络m a c 子层q o s 简介 2 1m a cq o s 2 1 1 q o s 主要参数 根据a t mf o r u m 对业务流的分类，在通信网络中提供的业务类型有：恒定 速率业务c b r 、可变速率业务v b r 、可用比特率业务a b r 。各类业务主要特 征如表2 1 所示。 表2 1a t m 中定义的业务流类型 l服务特性 c b rr t v b rn r t v b ra b ru b r 带宽保证是是 是可选 不 适用于实时通信是是 不 不不 适用于突发通信 不 不是是是 有关于拥塞的反馈不 不 不是不 用户选择了上述某种业务类型以后，需要进行q o s 参数协商( 这些参数通 常被表示为表2 - 2 ) 。 表2 - 2 业务流的q o s 特性参数 参数缩写词含义 峰值信元速率 p c r 信元发送的最大速率 持续信元速率 s c r 长时间的平均信元传输速率 最小信元速率 m c r 最小的可接受的信元传输速率 信元延迟变化极值 c d v t 最大的可接受的信元抖动 信元丢失比率 c l r 佰兀丢失或提交得太迟的比例 信元传送延迟 c t d 信元提交时延迟的时间 1 i 兀延迟变化 c d v 信元提交时间的变化幅度 信元错误比率 c e r 提交无错信元的比例 严重错误信元块比率 s e c b r 出错信元的比例 信元错误目的地比率 c m r 信元提交至错误目的地的比例 2 1 2q o s 解决方案概述 在以i p 为核心技术的i n t e m e t 中，可以在网络协议栈的各层进行q o s 的提 高，已经有大量的成熟技术出现如表2 3 所示( 见参考文献 l i j i n s h e n 9 0 1 】，p 2 6 6 ) 。 表2 - 3i n t e m e t 中不同协议层的q o s 解决方案 层涉及协议涉及设各 自适应、分级压缩等 n ，a 应用层 r t p ，r t c p n a t c p 流控带宽控制设备 传输层 r s v pn ，a t c p a j d p 端口号四层交换机 网络层c o s 、d i 停s e r v路由器 数据链路层i e e e8 0 2 1 p 标记交换机 中国科学技术大学硕士学位论文 无线通信网络中同样也可以在协议栈的各层进行q o s 支持。如 【b a u d e t 0 1 】中对u m t s 中核心网和接入网之间q o s 协商进行了详细地分析。 提出在核心网协议栈各层可采用的技术为：( 1 ) 应用层：c a l la d m i s s i o n c o n t r o l ；( 2 ) l a y e r 3 ：c l a s s i c a li pd i f f e r e n t i a l e ds e r v i c e ；( 3 ) l a y e r 2 ：m p l s & a t m 。接入网需要关注的技术为：( 1 ) 上层：r a d i oa d m i s s i o nc o n t r o l ： ( 2 ) l a y e r 2 ：r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n t 。【i e e e8 0 2 ，16 a b c - 0 1 5 7 】中还提出了p h y s i c a ll a y e ra r q 的概念( 将自动重传的任务放置到物理 层的功能实体中，其目的是为了进一步减小重传引起的) 。【f r a n ki t c o m o l 】 提出了一种独特的基于p r e f e t c h i n g 的针对流媒体的应用层解决方法。 2 1 3m a cq o s 可研究的内容 接入协议优劣的一般衡量原则包括： f a i r d e s s ，公平、有效地分享带宽资源 t h r o u g h p u t ，获得尽可能高的吞吐量 d e l a y ，时延尽可能的小( 包括建立连接和数据发送) s t a b i l i t y ，短时间高负载时是否能保持稳定性 o o s ，对实时数据、多媒体的支持( 事实上包括了时延和吞吐量) 接入协议的高级功能包括： r o b u s t n e s sa g a i n s tf a d i n g ，抗衰落特性( 对信道的自适应能力) b a t t e r yp o w e rc o n s u m p t i o n ，低功耗设计，协议设计中无数据发送的 节点除了周期性地监听广播信息以外不监听其他数据 s e c u r it y ，在共享的信道中实现安全的通信 c o m p l e x i t y ，物理层支持该接入协议的复杂性 根据每一条m a c 协议的评价原则，均可以做针对性地分析( 针对性的优 化) 。针对无线环境q o s 可以从以下几个方面着手进行分析。 ( 1 ) 传统吞吐量和时延分析法对各种接入协议变体是否有效( 各种接入机制 经过改进以后建模变得比较困难，例如：对8 0 2 1 l 的分析就集中在d c f 模式，因为p c f 模式不易建模。目前采用仿真方法进行分析的较多，建 模并理论分析的文章很少见到) ( 2 ) 如何实现对不同优先级业务数据的区别服务，m a c 层实现的优先级服务 与上层协议相似，有些优先级控制算法可以采用。将上层分析的成熟算 法直接应用于m a c 层。 ( 3 ) 无线环境下m a c 与p h y 特性结合后的吞吐量和时延分析。目前见到的 主要工作有：m a c 层也支持链路控制子层的a r q 机制并研究a r q 与信 道编码的关系；针对不同物理层手段的m a c 设计适应。 ( 4 ) 适用于分布式应用环境的m a c 协议的吞吐量和时延分析。c s m a c a 属 于典型的具有空间复用能力的m a c 协议，在分布式环境下如何设计 m a c 以充分利用空间复用能力将十分有意义。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 无线网络数据链路层简介 2 2 1 无线通信信道的特点 无线通信系统与有线通信系统存在很多差别，无线环境引发的主要问题 有：只能以半双工模式操作；多径衰落；长突发错误；载波监听依赖 于距离。 载波监听是发送端和接收端距离的函数。导致了无线网络中特有的三个问 题： ( 1 ) 隐藏站点问题：由于站点距离竞争者太远，从而不能发现潜在介质竞 争者的问题称为隐藏站点问题。如下图( a ) 示，a 向b 发送数据的过程中，c 由 于收不到a 的数据，也可以向b 发送数据，导致b 接收发生冲突。( 2 ) 暴露 站点问题：如图2 1 左所示，由于非竞争者距离发送站点太近，从而导致介质非 竞争者不能发送数据的问题称为暴露站点问题。如图2 1 右所示，b 向a 发送数 据，被c 监听到，导致c 不能向d 发送数据。 因囵回 图2 1 隐藏站点与暴露站点问题示意图 ( 3 ) 捕获：当某个站点接收同时到两个强度不同的信号是，可以识别出信号 强度高的信号。如图2 2 所示，b 同时收到a 和d 的信号，由于d 的信号在b 处远远超过a 的信号，所以b 能够正确接收d 的信号。捕获效应可以提高协议 的性能，但是导致了对各个节点对带宽的不公平使用。 i l |i 。 1 ii adbc 图2 - 2 捕获效应示意图 2 2 2 无线网络链路层q o s 数据链路层分为m a c 子层( 介质访问控制) 和l l c 子层( 逻辑链路控 制) 。对于点到点的通信，是不需要m a c 子层的。m a c 予层负责解决设备使 用共享信道的问题，而l l c 子层完成通常差错控制和流量控制。由于各种通信 系统的差异性，不仅m a c 子层不相同，l l c 子层也差异。数据包顺序的保持 也是链路层的功能：如果链路层必须提供顺序正确的数据流，那么就必须在该 层对数据包进行缓存和顺序检查以及顺序恢复等功能。决大部分链路还需要在 回 罂 中国科学拄术大学硕士学位论文 同一时间传输一个以上的数据流( 既可处理并发数据流) ，情况就更复杂一 些。常见的无线通信协议简况如表2 - 4 所示。 表2 - 4 常见无线通信网络简况 通信案例m a c 摘要物理层技术摘要 8 0 21 6 ( l m d s ) d a m a1 0 - 6 6 g h z w m a n t d m a ( s c b e d u l e )s c ，q p s k ，】6 - q a m ，6 4 - q a m 8 0 21 6 a ( m m d s )d a m a2 l l g h z w i m a x t d m a ( s c h e d u l e ) s c o f d m c s m a c a 2 4 g i s m 频段 w i f i ( 8 0 2 11b 1 ( d c f 和p c f )c c k ，p b c c b p s k ，q p s k c s m a c a 5 g h z + i n i l 频段 w l a n 8 0 2 1 1 a ( d c f 和p c f )o f d m ，b p s k ，0 p s k ，1 6 - q a m ，6 4 - 0 a m t d m a + p o l i i n g 5 g h z 、 h i p e r l a n o f d m ，b p s k ，o p s k ，1 6 q a m ，6 4 0 a m b i u e t o o t h a c k ( a r q n = i 12 4 g h z l s m 频段g f s k f h s s ( 8 0 2 15 1 )n a k ( a r q n = 0 ) w p a nw i m e d i aa l o h a t d m a d r a f t i n g ( 8 0 2 1 5 3a 、 c s m a c a z i g b e e ( 8 0 21 5 4 、 a l o h a 9 0 0 m & 24 gi s m 频段b p s k o q p s k 无线通信网中链路上可用的资源受物理信道的影响不断变化，对其资源的 利用和管理较有线通信网而言具有更加重要的意义。当多个设备共享同一物理 信道的时候，由于无线环境中无法检测冲突，其接入协议q o s 支持也异于有线 环境。故链路层的链路控制子层和媒体接入控制子层均需要进一步的研究以适 应日益提高的q o s 要求。 无线环境下链路层q o s 分析才刚刚起步。目前对无线通信网链路层q o s 的 研究集中在几个方面：自适应重传机制：链路层对上下层协议的适应；c r o s s - l a y e r 的链路层设计；自相关业务流分析；分布式链路控制。 1 链路控制子层的q o s 增强 为了降低在数据链路层内的数据丢失率，使用了纠错方案如a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 、f e c ( f o r w o r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。因为f e c 的 开销，在数据链路层使用静态f e c 的代价是降低了吞吐量，使用动态f e c ( 根 据信道状态动态选择f e cc o d e ) 可以提高吞吐量同时也增加了时延的波动 ( d e l a yv a r i a t i o n ) 。而使用a r q 的代价是显著地提高了时延的波动，因为已 经存储的数据包不得不等待坏包的重传结束( 成功地重传) 。无论是降低了吞 吐量还是增加了时延抖动( d e l a yj i t t e r ) 均导致多媒体应用程序性能地降低。 故而，在无线链路对多媒体应用程序地支持是一个亟待研究地领域。在【i e e e 8 0 21 6 a b c 0 1 5 7 】提出了在w m a n 中适用的p h ya r q ；【c h o c k a l i n g a m 0 0 】讨论了， c d m a 2 0 0 0 中的r l p 协议； q i n q i n gz h a n g0 21 、【u o o y e o l 0 0 分析tw c d m a 中 的r l c 子层；【e s av t c 0 1 】分析了w c d m a 中的h y b r i d a r q 。 2m a c 子层的q o s 增强 m e d i aa c c e s sc o n t r o lf m a c ) 是数据链路层支持的一个重要功能实体。根据 不同的原则可以将现有的m a c 协议分成不同的类别。可分为集中式和分布 式，集中式由基站( 或接入点) 实现接入控制( a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，分布式则无 中国科学技术大学硕士学位论文 需集中控制器；也可分为由冲突的随机接入和无冲突接入；还可以按照对资源 使用的方式分为：资源预留( r e s e r v a t i o n ) 和调度( s c h e d u l i n g ) 。这些不同的 协议优化的目标不同：功耗、时延、吞吐量、公平性以及q o s 。在【v i n h 0 2 】 中提出了d s c d m a 环境下自适应m a c 帧长度的方法；【y e n g z h o n 9 0 2 】提 出适用于b l u e t o o t h 的轮询方案； 【k a n g h e e 0 3 】对8 0 2 1 1 的随机退避窗口长度 进行了研究；【n e l s o n 8 5 】提出了无线传感器网络中具备空间复用能力的 s p a t i a lt d m a ；【j i n d i n 9 0 3 】分析了u w b 物理层对m a c 协议的要求；【y u w a n 9 0 2 】分析了a d h o c 环境下冲突避免协议的性能；【a k k a r a p o lv t c 0 1 】提 出了基于t d m a 的，c o n t e n t i o n f r e e 与c o n t e n t i o n b a s e d 混合的d f r m a d p 介 质访问方案。表2 - 5 中对常见无线通信往中l a y e r 2 协议进行了简要的总结。 表2 - 5 不同l a y e r 2 协议o o s 增强方法摘要 系统名称m a c 协议链路控制 q o s 增强措施 w i m a x8 0 2 1 68 0 22l l c 资源预留；基于流的调度 基于流的集中调度 w i m e d i a8 0 2 1 538 0 2 2 l l c d e l a ya c k n o w l e d g e m e n t 8 0 2 1 lb8 0 2l l8 0 22 l l c 随机遐避窗口大小的优化选择 不同优先级的数据流帧间间隔不同 8 0 2 1 1 e8 0 2 1 l e8 0 2 2l l c 添加了资源预留方式，可进行调度 集中调度，累积应答 i l i o e r l a n 2 t s1 0 1 7 6 1t s1 0 1 7 6 l 发送窗口和接收窗口可以动态调整大小 b l u e t o o t h8 0 2 1 5 i8 0 2 2l l c 同步流和异步流的区分 h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l 的管理 u m t st s 2 53 2 lt $ 2 53 2 2 并发a r q 的使用 各类数据的有区别处理 c d m a 2 0 0 0cs 0 0 0 3c s 0 0 0 4p a c k e td a t ac h a n n e l 的管理 并发a r q 的使用 2 3 l a y e r 2q o s 研究的主要课题 根据上节中协议栈的情况，数据链路层的优化在8 0 2 x 体系的通信系统中 由于链路控制子层均采用8 0 2 2l l c ，故q o s 分析主要集中到m a c 子层。在移 动通信系统中，对于使用传统语音业务的终端用户而言，m a c 子层信道共享的 本质功能不存在，在基站上才真正需要进行多用户共享同一信道的控制，故主 要的研究很长一段时间集中体现在r a d i ol i n kc o n t r o l 子层。移动通信标准近年 的发展提供了对高速数据下载业务的支持，也涉及到对m a c 子层的改进。这 两个子层的基本研究内容包括： ( 1 ) 链路控制子层有关的研究 为了降低在数据链路层内的数据丢失率，使用了a r q 和f e c 。在数据链 路层使用静态f e c 的代价是降低了吞吐量，使用动态f e c 编码方案可以提高吞 吐量同时也增加了时延的波动。而使用a r q 的代价是显著地加大了时延的波 动，因为已经存储地数据包不得不等待坏包地重传结束。无论是降低了吞吐量 还是增加了延时抖动均导致多媒体应用程序性能地降低。采用链路状态自适应 的f e c 编码方案可以在相当的程度上减缓单纯a r q 带来的资源浪费。 中国科学技术大学硕士学位论文 ( 2 ) m a c 子层有关的研究 m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) 是数据链路层支持的一个重要功能实体。分布 式的m a c 需要在没有集中控制器的情况下提高系统吞吐量；集中式的m a c 在 控制器进行资源调度的时候需要考虑时延以及时延的抖动。根据应用环境的不 同，m a c 协议可以针对吞吐量和平均时延者两个基本的q o s 参数进行优化。 也可以对功耗、公平性进行优化。在考虑协议栈整体的情况下，也可以针对i p 协议、t c p 协议或者物理层特性进行优化。 可以从两个方面考虑l a y e r 2 研究课题的分类：一是考虑和其他各层协议的 关系( 结合物理层还是结合其他上层协议进行考虑) ；二是考虑协议设计中的 重点( 思路方案的研究还是具体算法的研究) 。表2 6 列出按上述两种分类方法 列出的目前仍然需要研究的课题。 表2 - 6l a y e r 2 主要研究课题分类 淤 协议设计思路协议优化算法( 参数优化) 不同物理层共享机制选择lj i n d k l 9 0 3 】 a r q 算法改进 与物理层关系相同共享机制对算法的选择介质访问控制算法改进 v i n h 0 2 】，【k a n g h e e 0 3 】 物理层和m a c 层综台设计 调度和轮询算法改进【y e n g - z h o n 9 0 2 】 c e l l u l a rl i k e 下m a c 设计 与网络层关系 p e e r - t o p e e r 环境下m a c 设计 a d h o c 环境下随机接入算法改进【y uw a n 9 0 2 a d h o c 环境下m a c 设计 n e l s o n 8 5 】 为无线环境优化的t c p 与传输层关系与t c p 的匹配 为支持t c p 对l a y e r 2 的优化 业务流特性对m a c 的性能影响 与应用层关系基于终端的分布式 【o m e s h 0 3 】，【f a r s h a d 0 3 】 2 3 1 链路控制子层的a r q 1 流量控制和差错控制简介 由于流量控制和差错控制的数据链路层的核心问题，故数据链路层协议的 核心部分通常为：自动重传a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 、前向纠错编码 f e c ( f o r w o r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。在链路层使用a r q 的原因主要是：链路 上的a r q 的响应速度比t c p 中重传的响应速度要快。链路层a r q 能操纵单 独的帧，帧可能比上层协议数据单元小很多，可提高a r q 过程的效率和链路使 用率。a r q 可以使用对于终端用户不可用的当前链路条件等知识来优化传输 性能。 a r q 操作的是数据帧( f r a m e ) ，一个数据帧可能包含有部分、一个、多个 甚至所有的i p 数据报( p a c k e t ) 。由于数据帧的丢失率和数据帧的尺寸相关， 故存在一个在标定错误率时的最优数据帧大小。为了能够高效率地使用信道， 最大的数据帧尺寸可以低于最大的i p 数据报的尺寸( m t um a x i m u m t r a n s m i s s i o nu n i t ) ，这样每个数据帧中仅仅包含i p 数据报的一部分( 需要对 i p 数据报进行隐式的分片，显式的分片因为一些原因不期望被使用t 数据分片 可以通过p a t hm t ud i s c o v e r y 机制避免) 。注意：较小的数据帧尺寸将增大帧 的头标开销【d r a f t i e t f - p i l c l i n k - a r q i s s u e s - 0 4 】。 7 中国科学技术大学硕士学位论文 f e c 减小了数据帧丢失率( 或者减小相同数据帧丢失率时的传输信号能 量) 的另外一种方法。f e c 在无线链路物理层设计中被广泛考虑，同时也可以 和链路a r q 一起使用。f e e 方案包含有调制、编码甚至还有自适应。h y b r i d a r q 方案集成了自适应f e c 和l i n ka r q 程序，可以用来降低重传数据帧的丢 失率。交织( i n t e r l e a v i n g ) 也可以用来降低帧丢失率( 这也增加了传输时 延) 。 2a r q 链路层流量控制协调通信双发的通信速率，也协助发送方检测包丢失和损 坏情况并作出重新传输的计划。对于数据帧丢失的检测可以通过链路协议的计 数器、或者检测丢失的反向链路应答帧、或者接收显式的未收到应答帧、或者 通过轮询链路的接收状态。 流量控制通常采用“停等”和“滑动窗口”两种策略。“停等”指发送方 传输一个单独的帧后等待接收方的应答，根据收到的应答数据包判断继续传输 还是重新传输。该方式非常简单，但是效率不高。“滑动窗口”允许发送方连 续发送多个帧而不需要等待。应答数据包可以以不同的形式出现( 如肯定应 答、否定应答) ，为了提高效率，可以在发送自己数据的时候对收到的数据进 行应答( 捎带应答，p i g g y b a c k i n g ) 。 当出现错误帧的时候，需要进行重发，使用a r q 协议。常见的a r q 有： s r - a r q ( s e l e c t i v er e p e a t ) 、g o b a c k - na r q 。 如果把检错纠错同时进行，称为h y b i r da r q 方案。有以下几种h y b i r d a r q 方案【e s av t c 0 1 】。t y p ei ：采用f e e 不能恢复错误包的时候，将发生错 误的数据包丢弃，并请求发送端使用相同的f e c 进行重发。t y p ei i ： i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ( i r ) a r q 。发生错误的数据包并不丢弃，而是和发送 端在此提供的冗余比特一起进行随后的解码工作。值得注意的是此方案中重传 的信息不是发生错误数据包本身，而是用于纠错的冗余信息。t y p el l i ：是 t y p ei i 的特例，对经过编码的数据包进行穿孔( p t m c t u r e ) ，每个数据报可 自解码。 为了进一步提高a r q 的效率，有一些新的a r q 方案被提出。如在【t s 2 5 3 2 2 】中提出m u l t i p l er e j e c t sa u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( m r a r q ) 。该方式 比较灵活，接收方可以在出现错误时、被发送方询问时、相关计数器超时时等 多种情况下发送s t a t u sp d u 。s t a t u sp d u 不同于简单的应答包。【i e e e 8 0 2 1 6 a b e 一0 1 1 5 7 】中还提出了p h y s i c a ll a y e ra r q 的概念( 将自动重传的任务放 置到物理层的功能实体中，其目的是为了进一步减小重传引起的数据传输) 。 3a r q 与q o s a r q 显然会增加数据包的时延，具体时延与允许重传的次数、每次重传的 时间间隔都相关。对于非实时性、要求数据准确的业务必须使用重传( 当然不 一定在数据链路层上实现) ；对于实时性业务必须考虑是否采用a r q ，或者必 须仔细计算a r q 引起的时延。 目前还没有充分的理由来建议适合于各种链路的a r q 方案。同时链路 a r q 并不是错误恢复的仅有方案，其他诸如物理层补充性的技术也可以替换链 中国科学技术大学硕士学位论文 路a r q 或与其配合使用来提高i p 业务流链路的效能。潜在方案的选择包括： 配合数据速率、配合信号带宽、配合传输功率、自适应调制、自适应信息冗 余、前向错误控制和交织( i n t e r l e a v i n g ) 。所有这些方案均可以在给定信道条 件时提高接收到的每比特信号能量、减少错误，帧丢失和包丢失率。 目前关于a r q 有两个技术趋势：并发的a r q 进程：允许多个数据包同 时进行重传( 在特殊情况下还可以设计为一个数据包的多个副本同时重传) 。 不仅在链路控制予层设计重传方案，在更下层的m a c 子层( 例如u m t s r e l e a s e 5 中的h a r q ) 或直接在物理层上实现重传。这样做一方面减小了系统 处理时延，另一方面重传的数据包更加精炼( 该方法进一步应该可以演变到重 传数据块的f e c 编码) 。 2 3 2 介质访问控制( m a c ) 介质访问控制是为了解决多个用户共享一个信道时的冲突问题。与多路复 用技术一样，m a c 可以采用t d m a 、f d m a 、c d m a ，这些都是无冲突的接入 方法。还有一一大类是随机接入方法。 1 常见无线网络中的m a c 协议 早期的媒体接入方案有纯a l o h a 、分槽a l o h a 、c s m a ( 载波侦听多路 访问) 等。由于这些方案存在接入冲突、暴露终端以及隐藏终端等问题，后来 提出了冲突检测和冲突避免的c s m a 媒体接入方案。随后又提出了各种相应的 改进形式作为m a c 层的解决方案，包括针对基于c s m a c am a c a ( m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的改进：m a c a w ( m a c af o rw i r e l e s s ) 、 p a m a s ( p o w e r a w a r em u l t i a c c e s sp r o t o c o lw i t hs i g n a l i n g ) 、f a m a s ( f l o o r a c q u i s i t i o nm u l t i p l e a c c e s s )、m a r c h( m e d i aa c c e s sw i t hr e d u c e d h a n d s h a k e ) 、c a t a ( c o l l i s i o n - a v o i d a n c et i m ea l l o c a t i o n ) 、r t - m a c ( r e a l t i m em a c ) ，以及基于p c d m a m u d 的m a c 层协议( 具有定位功能基于 多用户检测的c d m a 系统的m a c 层协议) 。此外，还有b t m a ( b u s y t o n e m u l t i p l ea c c e s s ) 、s r m a ( s p l i t c h a n n e lr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、g a m a ( g r o u p a l l o c a t i o n m u l t i p l e a c c e s s w i t hp a c k e t s e n s i n g ) 、d f w m a c ( d i s t r i b u t e df o u n d a t i o nw i r e l e s sm a c ) 、e y - n p m a ( e t s ih i p e r l a n 标准) 等。 2 轮询和调度 每种方式都有各自的优缺点。当网络中主要是p e e r t o p e e r 通信的时候，调 度( s c h e d u l e ) 是个比较好的技巧。与此同时，调度也有利于降低功耗，由 于每个d e v 预先知道什么时候可以传输，它可以在空闲时间进入节电模式或者 执行其他的任务。在i e e e 8 0 21 5 3 中就使用调度的方法。根据调度算法的复杂 度不同，可以实现不同要求的q o s 。 相反，当大部分数据帧发往a p 或从a p 发出时轮询( p o l l i n g ) 提供了更加 高的效率。由于不需要实现复杂的调度算法。p o l l i n g 相对更容易实现。但是 p o l l i n g 端致部分设备n n n 有被及时询问而得不到发送数据的机会。 9 中国科学技术大学硕士学位论文 p o l l i n g 与s c h e d u l e 结合的可能性：a p 通过p o l l i n g t 解各个移动终端数据缓 冲区的大概情况，然后在调度的时候综合考虑系统资源情况就能更加合理高效 地利用网络带宽。 2 3 3 l a y e r 2 与上层协议的相互影响 数据链路层和传输层均具有流量控制的功能，故考虑与上层协议影响主要 分析传输层协议与链路层的关系。根据t c p 协议的特性，当检测到有数据丢失 的时候，t c p 协议会以为发生了拥塞而减少发送窗口的大小，这有效地避免了 网络因拥塞而瘫痪。由于t c p 协议不能识别出数据丢失是由网络拥塞导致的还 是由无线链路暂时的不稳定引起的，很多情况下，t c p 协议不必要地减小了发 送窗口的大小导致网络的性能下降。由于无线链路的不稳定，虽然数据报成功 接收，但是应答包没有被接受到，会导致发送方误以为数据丢失。进一步导致 吞吐量下降。【j u n l i 0 3 】 有两种方法来实现t c p 协议和链路层协议的协调： ( 1 ) 修改l a y e r 2 不动 t c p ；( 2 ) 对t c p 进行修改，不动链路层。 修改l a y e r 2 的优点是：将链路上数据报的丢失隐藏，