（通信与信息系统专业论文）无线局域网中妥善安排传输的多址接入协议的研究.pdf

摘要 近年来，无线局域网以其廉价、方便、快捷的无线接入方式日益为越来越多 的人所青睐，关于无线局域网的接入技术也逐渐引起了学术界和工业界的广泛关 注和深入研究。随着无线数据业务的迅速发展和多媒体应用需求的增加，开发提 供具有高的通过量、高度的公平性和支持实时业务q o s 要求的所有特性的m a c 协议颇具挑战性和吸引力。 本文主要针对无线局域网的多址接入技术进行了深入研究，主要内容和创新 性成果如下： 1 基于有效竞争接入、妥善安排分组无冲突传输的思想提出了无线局域网中 根据用户数目和业务负载妥善安排传输的多址接k ( u t p m a ) 协议。在竞争 接入周期，提出根据竞争接入时隙的有效占用信息和冲突信息自适应调整 竞争接入时隙个数的冲突解决策略( m i l d ) ，使节点尽快获取信道资源 同时节省竞争接入开销。在无冲突服务周期，接入点根据每个节点局部反 馈的信息自适应安排节点传输分组，既减少了传输控制开销，又为分组尽 快得到传输提供了保障。在i e e e8 0 2 11 标准的平台上，提出了u t p m a 协 议的实现方案，描述了u t p m a 协议的网络自组织算法，并设计了协议的 管理、控制、数据分组的结构。 2 提出了u t p m a 协议在不同负载条件下的分析模型，通过采用m m 1 m 模 型完成了对网络的吞吐量、分组接入时延和分组接入拒绝概率的分析。分 析结果与仿真结果吻合。使用该分析模型，得到协议的最佳帧长设计。另 外，我们还研究了不同协议参数和业务类型对协议性能的影响；仿真比较 了u t p m a 协议和1 e e e8 0 2 1 1d c f 机制的性能，结果显示u t p m a 协议有 比较明显的优越性。 3 以u t p m a 协议为基础，提出了提供q o s 支持的e u t p m a 协议。它采用基 于优先级的竞争接入算法和传输安排策略。根据业务优先级将竞争接入时 隙分成连续的相互独立的时隙组，根据每个竞争接入时隙组的冲突信息自 适应调整竞争接入时隙的分配，保证了高优先级业务的优先接入，同时也 为低优先级业务不被饿死提供保障。通过有区别的安排不同优先级业务的 传输，保证了高优先级业务的优先传输。另外，为缓解网络中业务的积压 问题，提出了业务积压分解策略。通过为有不同业务积压的节点提供有区 别的分配策略，在满足分组时延要求的情况下降低分组的丢弃概率，有效 的缓解了网络中业务的积压状况。 关键词：无线局域网多址接入协议服务质量自组织 a b s t r a c t r e c e n t l y ，a sac h e a pa n dc o n v e n i e n tw i r e l e s sl o c a la c c e s sm e t h o d ，w i r e l e s sl a n h a sa r o u s e dt h ei n t e r e s t so fm o r ea n dm o r ep e o p l e t h ew i r e l e s sl a na c c e s s t e c h n o l o g i e sh a v e a l s og r e a t l ya t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fi n d u s t r i a la n da c a d e m i c r e s e a r c h e r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sd a t as e r v i c ea n dt h ei n c r e a s i n g d e m a n do fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，d e v e l o p i n gam e d i u ma c c e s sp r o t o c o lw i t hh i g h t h r o u g h p u t ，g o o d f a i r n e s sa n dp r o v i d i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i sd e f i a n ta n d a t t r a c t i v e t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h em u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u ei nw i r e l e s sl a n t h e m a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ei d e ao fc o n t e n t i o na c c e s sa n dp e r f e c ts c h e d u l i n gt r a n s m i s s i o n ， u s e r - a n d - 1 h 街c d e p e n d e n tp e r f e c t - s c h e d u l i n gm u l t i p l ea c c e s s ( u t p m a ) p r o t o c o li sp r e s e n t e d i nt h ec o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，b a s e do nt h ei n f o r m a t i o n a b o u tt h ee f f e c t i v eu s a g ea n dt h ec o l l i s i o no ft h ec o n t e n t i o na c c e s ss l o t ( s ) ，a c o l l i s i o nr e s o l u t i o ns t r a t e g yo fa d a p t i v ea d j u s t i n gt h en u m b e ro fc o n t e n t i o n a c c e s ss l o t si sp r o p o s e d ，w h i c hm a k e san o d et oa c c e s sc h a n n e lq u i c k l yw h i l e r e d u c e st h eo v e r h e a do fc o n t e r n t i o na c c e s s i nt h en o n c o l l i s i o nt r a n s m i s s i o n p e r i o d ，t h ec e n t r a la c c e s sp o i n ts c h e d u l e st h et r a n s m i s s i o no f e a c hn o d ew i t hi t s p a r t i a lf e e d b a c ki n f o r m a t i o n ，w h i c hr e d u c e st h et r a n s m i s s i o no v e r h e a dw h i l e i n s u r e st h ep a c k e t st ob et r a n s m i t t e da ss o o na sp o s s i b l e o nt h ep l a t f o r mo f i e e e8 0 2 1 1 ，t h er e a l i z a b l es c h e m ei s p r o p o s e d b yi n t r o d u c i n g t h e s e l f - o r g a n i z e da l g o r i t h ma n dd e s i g n i n gm a n a g e m e n tp a c k e t s ，c o n t r o lp a c k e t s ， m a dd a t ap a c k e t so f u t p m a 2 a na n a l y s i sm o d e li sp r e s e n t e dt oa n a l y s i st h et h r o u g h p u t ，a c c e s sd e l a ya n d a c c e s s r e j e c t i o np r o b a b i l i t yo fu t p m ap r o t o c 0 1 t h ea n a l y t i c a la n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l m o s tc o i n c i d e w i t ht h ea n a l y s i sm o d e l ，t h eo p t i m a lf r a m e l e n g t ho fu t p m a i so b t a i n e d i na d d i t i o n ，as t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t p r o t o c o lp a r a m e t e r sa n dt r a f f i ct y p e so nt h ep r o p e r t i e so fu t p m ap r o t o c o li s c o n d u c t e d t h ec o m p a r i s o nr e s u l t so fu t p m aa n di e e e8 0 2 1 1d c fs h o w u t p m ah a sb e t t e rp e r f o r m a n c e 3 ，b a s eo nu t p m a ，a ne n h a n c e du t p m ap r o t o c o ls u p p o r t i n gq o si sp r e s e n t e d i n t h i sp r o t o c o l ，b o t ht h ec o n t e n t i o na c c e s sa l g o r i t h ma n dt h et r a n s m i s s i o n s c h e d u l es c h e m ea r eb a s e do nt h ed i f i e r e n t i a t i o no fp r i o r i t y t h ec o n t e n t i o n a c c e s ss l o t sa r ed i v i d e di n t oi n d e p e n d e n ta n dc o n s e c u t i v es l o t sg r o u p s t h e n u m b e ro fc o n t e n t i o na c c e s ss l o t si ne a c hg r o u pc a nb ea d j u s t e da d a p t i v e l yw i t h t h ec o l l i s i o ni n f o r m a t i o no fs u c hs l o t s ，t h u sg u a r a n t e e st h et r a f f i cw i t hh i g h p r i o r i t ya c c e s sc h a n n e lf i r s tw h i l em a k e st h et r a f f i cw i t hl o wp r i o r i t yn o tb e s t a r v e d b yp e r f e c t l ys c h e d u l i n gt h et r a f f i ci no n en o d et ob et r a n s m i t t e do nt h e o r d e ro ft h ep r i o r i t y , t h et r a f f i cw i t hh i g hp r i o r i t yc a l lb et r a n s m i t t e df i r s t i n a d d i t i o n ，t ol e s s e nt h et r a f f i co v e r s t o c k e di nt h en e t w o r k ，a no v e r s t o c kr e s o l v e s c h e m ei sp r o v i d e d i tp r o v i d e sd i f f e r e n ts l o ta l l o c a t i o ns c h e m e st ot h en o d e s w i 廿1d i f f e r e n to v e r l o a ds t a t e t h u sr e d u c e st h ed r o p p i n gp r o b a b i l i t yi nt h ec a s e o fs a t i s f yt h ed e l a y 佗q u i r e m e n t k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k m u l t i p l ea c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) s e l fo r g a n i z a t i o n 插图目录 插图目录 图1 1 集中式网络结构示意图2 图1 2 分布式网络结构示意图2 图1 3 典型竞争协议的性能曲线5 图1 4 典型分配协议的性能曲线7 图1 5p r m a 协议帧结构7 图1 6d q r u m a 工作原理8 图1 7d t d m a 帧结构1 0 图1 8 i e e e8 0 2 1 1m a c 体系结构1 l 图1 9c s m a c a 的基本工作机制11 图1 1 0r t s c t s 的工作机制1 2 图2 1 节点状态转移过程一3 2 图2 2 轮询队列3 4 图2 _ 3 节点1 和3 消息发送完毕一3 4 图2 4 节点1 有消息到达3 5 图2 5 节点1 成功加入轮询队列3 5 图2 6 星型网络u p m a 协议帧结构3 5 图2 7 星型拓扑的无线接入网一3 6 图2 8 星型网络u t p m a 协议的帧结构一3 7 图2 9 节点接入信道成功没有在随后帧中被分配服务时隙的解决策略4 l 图2 1 0 拓扑分群示意图4 1 图2 11 分布式网络u t p m a 协议的超帧结构4 2 图2 1 2m a c 帧格式4 5 图2 1 3 帧控制域4 5 图2 1 4 控制分组的控制子域4 7 图2 1 5s t a r t 分组结构4 8 图2 1 6e n d 分组结构4 8 图2 1 7b e a c o n 分组结构4 9 图2 1 8s o p 分组结构4 9 图2 1 9t a 分组结构一5 0 图2 2 0 数据分组结构5 0 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 西安电子科技大学博士学位论文 图2 2 1t 1 分组结构 图2 2 2t t 分组结构 图3 1m m 1 m 状态流图 图3 2 简化的u t p m a 协议帧结构 图3 3u t p m a 协议的分析模型 图3 4 业务时延的组成 图3 5u t p m a 协议的服务模型 图3 6u t p m a 协议平均业务时延的计算值和仿真值 图3 7u t p m a 协议平均业务丢弃率的计算值和仿真值 图3 8u t p m a 协议吞吐量的计算值和仿真值 图3 9n e w 时隙个数不同时u t p m a 协议的平均业务时延曲线 图3 1 0n e w 时隙个数不同时u t p m a 协议的平均业务丢弃率曲线 图3 1 1n e w 时隙个数不同时u t p m a 协议的吞吐量曲线 图3 1 2 轮询队列长度对平均业务时延的影响 图3 ，1 3 轮询队列长度对平均业务丢弃率的影响 图3 1 4 轮询队列长度对吞吐量的影响 图3 15u t p m a 协议对u p m a 协议平均业务时延的改善 图3 1 6u t p m a 协议对u p m a 协议吞吐量的改善一 图3 1 7 不同业务模型下u t p m a 协议的平均业务时延衄线一 图3 1 8 不同业务模型下u t p m a 协议的平均业务丢弃率曲线一 图3 1 9 不同业务模型下u t p m a 协议的吞吐量曲线 图3 2 0 不同接入机制下平均业务时延比较 图3 2 1 不同接入机制下平均业务丢弃率比较 图3 2 2 不同接入机制下吞吐量比较 图4 1 无线局域网中q o s 的研究一 图4 2c f p 与c p 交替 图4 3p c f 帧传输的例子 图4 4 同一节点不同优先级的多个流的退避过程 图4 5e y - n p m a 协议示意图 图4 6e y - n p m a 优先级解析示意图 图4 7 星型模式e u t p m a 协议帧结构 图4 8 节点a 更新预约发送信息的一个例子一 图4 9n e w 时隙的分配方式一 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 n虬卯印甜邸醯醒凹加加n记住竹似”弛跎豁斟卵盯凹虬吣 插图目录 图4 1 0 慢速话音活动检测模型一 图4 1 l 高优先级业务的平均时延曲线一 图4 1 2 中等优先级业务的平均时延曲线一 图4 1 3 低优先级业务的平均时延曲线 图4 1 4 高优先级业务的平均分组丢弃率曲线 图4 1 5 中等优先级业务的平均分组丢弃率曲线一 图4 1 6 低优先级业务的平均分组丢弃率曲线 图4 17u a s m a 协议帧结构 图4 1 8 u a s m a 与u p m a 协议的平均分组时延曲线 图4 1 9 u a s m a 与u p m a 协议的平均分组丢弃率曲线 9 4 9 5 9 6 ，9 6 9 7 9 7 9 8 9 9 1 0 1 ，1 0 2 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 西安电子科技大学博士学位论文 表格目录 表1 1 各种m a c 协议比较 表1 2 网络各层上服务质量功能 表2 1 路由表格式 表2 2 距离表格式 表2 3 节点状态表格式 表2 4i e e e8 0 2 1 1 标准中帧类型及子类型的保留值 表2 5u t p m a 协议中分组类型及子类型一 表2 6 物理特性参数 表3 1u t p m a 协议性能评估部分参数设置一 表3 2 最佳n e w 时隙个数设置 表4 1 几种媒体所需的q o s 表4 - 2 用户优先级与接入类型的映射 表4 3 数据包接入优先级计算值 表4 4 话音模型参数的取值 表4 5e u t p m a 协议性能评估部分参数设置 表4 6e d c f 使用的协议参数一 表4 7u a s m a 协议主要仿真参数 5 1 6 3 3 3 3 3 4 4 6 ，4 6 5 1 6 7 7 2 8 2 8 5 8 8 9 5 9 5 9 5 1 0 1 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 创新性声明 本人声明所呈交的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，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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 文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规 定) 本人签名： 导师签名：盏为日期：塑堑j - j 一 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了全文的研究背景和无线网络中媒质接入控制算法，然后着重阐述了无 线局域网中多址接入技术的研究现状和挑战，以及无线局域网中提供服务质量保证的 研究，最后，给出了全文的内容安排。 1 1研究背景及意义 移动计算平台和无线通信技术的迅速发展引起了对无线网络协议设计和开发的 极大兴趣。由于无线网络具有便于移动且不受有线约束的优点，对无线网络的研究获 得了很大的进展。任何人( w h o e v e r ) 任何时i i ( w h e n e v e r ) 在任何地点( w h e r e v e r ) 与任何 人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的信息交换已经成为无线通信的主要发展目标 2 1 。 随着多媒体终端的广泛应用，现代通信网络向宽带化、全业务、智能化方向发展， 宽带化不仅需要拓展骨干网、城域网的带宽，也需要解决好接入网的带宽问题。在各 种信息接入技术中，无线接入技术( w i r e l e s s a c c e s st e c l l n o l o g y ) 以投资少、建网周期 短、提供业务快等优势成为重要的接入方式。无线接入技术是指接入网的某一部分或 全部使用无线传输媒介，向用户提供与有线接入相同的业务种类和更广泛的服务范围。 它可以分为固定无线接入和移动无线接入两大类。固定无线接入主要包括无线本地环 路w l l ( w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 田、本地多点分配业务l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e ) t 3 】【4 】年口多信道多点分配系统。移动无线接入主要分为四类：卫星网口1 、蜂窝网 6 】、 无线局域网 7 1 和无线个人局域网i s 。卫星网的典型代表包括i n m a r s a t 9 1 和 g l o b e s t a r 1 0 】【“】。基于蜂窝网的无线接入的典型代表包括蜂窝数字分组数据 c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) t “】【1 3 】、通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 1 4 1 1 5 j 、增强数据速率g s m 演进技术e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s m e v o l u t i o n ) 1 6 l 1 7 蝽。无线局域网主要包括两大体系：i e e e8 0 2 1 1 【1 8 】协议标准体系和 h i p e r l a n 协议标准体系f 2 0 】。无线个人局域网的典型代表包括h o m e r f l 2 1 】嘲和 b l u e t o o t h t 2 3 1 1 7 4 1 。 无线通信网中最宝贵的资源就是信道( 相应于一定带宽的频带) 。由于无线媒质是 共享媒质，因此可能会有多个用户同时尝试接入信道【2 5 。当多个传输同时进行时就会 引起冲突破坏数据，这样就使通信变得困难。媒质接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 2 西安电子科技大学博士学位论文 m a c ) 协议通过安排大量用户以相互协调和有效的方式接入共享媒质，从而实现用户 之间的有效通信。无线网络中媒质接入控制协议的主要目的是提高网络的通过量，近 来，新的无线媒质接入控制协议的设计还考虑了其它因素，如公平性【2 6 1 p t 、服务质量 2 8 】等。 1 2 无线网络概述 1 2 1 无线网络结构 自从1 9 7 1 年美国夏威夷大学设计实现a l o h a 系统【2 9 】以来，在这三十多年时间 里世界各地出现了多种不同种类、服务于不同目的的无线网络。无线网络的分类方法 很多，如按频段分类，可以分为工作于短波、甚高频或微波频段的无线网络：按传输 速率可以分为低速或高速无线网络；按服务目的可以分为军用或民用无线网络；按分 组传输过程中是否通过节点进行存储转发，可以分为单跳或多跳无线网络；按网络控 制方式可以分为集中控制或分布式的无线网络。 在集中式网络中需要接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 将无线节点和分布式系统 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 相连。分布式网络是以自发的方式产生的网络：它们不需 要接入点。节点之间使用高频电磁波传输消息。图1 1 和图1 2 给出了典型的无线网络 结构。 嵇蝴蝴 图1 1 集中式网络结构示意图图1 2 分布式网络结构示意图 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 第一章绪论 在分布式网络中，无线节点之间相互通信无需任何基础设施。无线节点有一个无 线接口，并以分布式的方式相互交换信息。这种结构的网络通常使用公用广播信道， 各节点都可竞争公用信道，而信道接入控制协议大多采用载波侦听多址接入( c a r d e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 3 0 】类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁 性好、建网容易、且费用较低。但是当网络中用户数( 节点数) 过多时，信道竞争成 为限制网络性能的重要因素。并且为了满足任意两个节点之间可以通信，网络中节点 布局受环境限制较大。因此这种拓扑结构适用于用户相对较少的网络规模。 集中式网络的特点是有一个有基础结构的控制器或调度器作为无线网络和有线 网络的接口并控制无线移动台之间的传输。由于每个节点只需在中心节点覆盖范围之 内就可与其它节点通信，因此网络中节点布局受环境限制很小。有中心网络拓扑结构 的弱点是抗毁性差，中心接入点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心接入节点的 引入增加了网络成本。由于在这种结构的网络中，接入点可以使用各种安排或者控制 传输的算法来满足不同的服务质量要求，因此这种中心式无线网络在设计媒质接入控 制( m a c ) 算法时具有高度的灵活性。 通常，无线局域网能够支持这两种不同的网络结构。 1 2 2 无线媒质的特点 无线媒质具有下述特性，如广播、竞争和有限的信道干扰，并有衰落和多径效应 p “。因此，无线媒质具有时变信道、突发性信道误码以及和位置有关的载波侦听的特 点。这些特点使得m a c 协议的设计比有线网络中更为困难。由于时变信道和变化的 信号强度，无线通信有高的传输错误率。在有线网络中，误比特率通常小于1 0 6 ，因 此分组出错的概率很小。相比之下，无线信道的误比特率高达1 0 也，导致较高的分组 出错概率。 在自由空间中，信号强度衰减与收发信机之间距离的平方成正比1 3 l 】1 3 2 l 。由于变化 的衰落和未知的干扰，以及无线设备中侦听电路的设计，使得冲突检测更加困难，因 此，提出了无线网络中的许多冲突避免方案p 3 1 1 3 4 1 。同样，由于载波侦听与站点的位置 有关，受无线通信范围的限制，出现了隐藏终端【3 5 1 和暴露终端d 6 。隐藏终端是在接收 机的范围内而在发射机的范围之外的节点。与隐藏终端相反，暴露终端是在发射机的 范围之内而在接收机的范围之外的节点。隐藏终端可以导致在接收端的碰撞，降低通 过量。由于发射枧的传输，虽然暴露终端能够向发射机范围之外的目标接收机进行很 好的传输，但是它并不传输。因此，如果不很好的解决隐藏终端和暴露终端问题，这 两种节点都可以降低基于冲突避免的m a c 协议的性能。 到达接收端的信号是接收到的发送信号的和。当多个信号同时到达接收端时，重 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 西安电子科技大学博士学位论文 叠信号会互相干扰，这样接收端就无法正确接收分组，即出现冲突。在一些情况下， 为防止分组丢失，需要对冲突的分组进行重传。这样就额外消耗了网络资源并造成分 组时延的增加。因此，减少碰撞次数是m a c 协议设计的一个关键问题。 1 2 3 网络模型 本论文中，无线网络中的多个节点共享同一无线信道，无线收发信机在单信道上 以半双工方式工作。由于无线电波的信号强度随着传播距离的增加迅速衰减，只有位 于发射机一定范围内的节点才能接收发送的分组。在传输范围内所有节点被认为是邻 节点。 本文的工作基于以下四个假设：( a ) 当一个接收节点位于两个或更多同时传输节点 的传输范围内时，该节点接收的分组发生碰撞； 一个节点不能同时发送和接收分组； ( c ) 相邻节点具有相互交换信息的特性：( d ) 不考虑与非冲突有关的信道误差。 1 3 无线网络媒质接入控制协议 无线网络中一个好的媒质接入控制算法应该提供有效的方式共用有限的信道资 源，并且操作简便，所有节点的服务公平，且有高的通过量。在低的网络负载情况下 有低的时延，在高的网络负载情况下有高的通过量，通常很难同时满足这两个条件。 无线网络中大部分媒质接入控制算法可以分成两大类，即基于竞争的媒质接入控制算 法和基于预约的媒质接入控制算法。基于竞争的媒质接入控制算法通常用在分布式网 络结构中，由于具有低的时延特性并且操作简单，适合于低的网络负载下突发性数据 业务，这也为没有基础结构和接入点的分布式无线网络中的接入问题提供了很好的解 决方法 2 0 1 1 3 7 1 。集中式网络结构中的接入点使用基于预约的媒质按入控制算法【3 8 】【3 9 】。 基于预约的媒质接入控制算法能够很容易的支持有不同q o s 要求的各种业务类型，并 且能够有效的工作在网络重负载情况。然而，基于预约的媒质接入控制算法具有复杂 的系统结构，在网络负载轻和用户数变化时有大量的开销1 4 0 4 1 1 。混合接入协议结合了 基于竞争和基于预约的协议设计更有效的m a c 协议。大多数混合接入协议基于请求一 准予( r e q u e s t - g r a n t ) 机制。每个节点使用基于竞争的接入协议向基站发送请求。基站 安排传输顺序并且发送准予信息通知节点进行数据传输。 各种m a c 协议的比较如表1 1 所示。其中，c s p s 表示是载波侦听还是分组检测； c h 表示使用的信道数；c d 表示是集中式网络还是分布式网络：q o s 表示是否有服 务质量保证；p a 表示是否具有白适应特征 4 2 j 。 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 西安电子科技人学博士学位论文 叠信号会互相干扰，这样接收端就无法正确接收分组，即出现冲突。在一些情况下， 为防止分组丢失，需要对冲突的分组进行重传。这样就额外消耗了网络资源并造成分 组时延的增加。因此，减少碰撞次数是m a c 协议设计的一个关键问题。 1 2 3 网络模型 本论文中，无线网络中的多个节点共享同一无线信道，无线收发信机在单信道上 以半双工方式工作。由于无线电波的信号强度随着传播距离的增加迅速衰减，只有位 于发射机一定范围内的节点才能接收发送的分组。在传输范围内所有节点被认为是邻 节点。 本文的工作基于以下四个假设：( a ) 当一个接收节点位于两个或更多同时传输节点 的传输范围内时，该节点接收的分组发生碰撞；( b ) 一个节点不能同时发送和接收分组； ( c ) 相邻节点具有相互交换信息的特性；( d ) 不考虑与非冲突有关的信道误差。 1 3 无线网络媒质接入控制协议 无线网络中一个好的媒质接入控制算法应该提供有效的方式共用有限的信道资 源，并且操作简便，所有节点的服务公平，且有高的通过量。在低的网络负载情况下 有低的时延，在高的网络负载情况下有高的通过量，通常很难同时满足这两个条件。 无线网络中大部分媒质接入控肯4 算法可以分成两大类，即基于竞争的媒质接入控制算 法和基于预约的媒质接入控制算法。基于竞争的媒质接入控制算法通常用在分布式网 络结构中，由于具有低的时延特性并且操作简单，适合于低的网络负载下突发性数据 业务，这也为没有基础结构和接入点的分布式无线网络中的接入问题提供了很好的解 决方法 2 0 1 1 3 7 。集中式网络结构中的接入点使用基于预约的媒质接入控制算法 3 8 1 e 3 9 。 基于预约的媒质接入控制算法能够很容易的支持有不同q o s 要求的各种业务类型，并 且能够有效的工作在网络重负载情况。然而，基于预约的媒质接入控制算法具有复杂 的系统结构，在网络负载轻和用户数变化时有大量的开销m q 刚。混合接入协议结合了 基于竞争和基于预约的协议设计更有效的m a c 协议。大多数混合接入协议基于请求- 准予( r e q u e s t g r a n t ) 机制。每个节点使用基于竞争的接八协议向基站发送请求。基站 安排传输顺序并且发送准予信息通知节点进行数据传输。 各种m a c 协议的比较如表1 1 所示。其中，c s p s 表示是载波侦听还是分组检测； c h 表示使用的信道数；c d 表示是集中式网络还是分布式网络 q o s 表示是否有服 务质量保证；p a 表示是否具有自适应特征 4 2 。 务质量保证；p a 表示是否具有自适应特征m 。 i s n 国家重点实验室信惠科学研究所宽带无线通信网络实验室 第一章绪论 表1 1 各种m a c 协议比较 协议方案出现时 c s ，p s 协议中使用的数据分组类型 c hc d q o s p a 间 a l o h a1 9 7 5 无 d a t a - a c k1d 无无 c s m a c ac sd a t a 1d 无无 b t m a 1 9 7 5c s d a 协 2d 无 无 s r m a1 9 7 6p sr t s - c t s d a t a2d 无无 m a c a1 9 9 0p sr t s c t s - d a t a1 d 无无 d c f1 9 9 4 c s o s ) r t s c t s d a t a - a c k1d 无有 p c f1 9 9 4p sr t r d a t a - a c k1c 有 有 e y _ n p m a 1 9 9 4c sd a t a1d 有有 m a c a w1 9 9 4p s ( r r t s ) - r t s c t s - d s - d a t a - a c k ld 无无 f a m a1 9 9 5c s + p sr t s c t s d a t ald 无无 g a m a 1 9 9 8 c s + p sr t s c t s d a t a1 d 有无 p a m a s 1 9 9 8r t s - c t s - d a t a 2 d 有 1 3 1 竞争协议 竞争协议使用随机接入策略。当新分 组到达时，节点开始传输分组，每次传输 失败后，节点按照退避算法修改传输概率 并且准备在不久的将来进行下一次传输。 但是，随着传输失败次数的增加，分组的 传输概率减小，系统的通过量也在减小。 这样就产生了铃型性能曲线，如图1 - 3 所 示。当该曲线上升时，分组到达率没有达 到协议的最大传输速率。在这种情况下， 分组经历的时延有限而且协议稳定。曲线 的下降表明分组的到达率大于协议的传输 蒯 蜊 删 业务负载 图1 3 典型竞争协议的性能曲线 能力。在这种情况下，分组时延无限增加，协议变得不稳定。如果协议保持不稳定的 状态，网络服务将变得混乱并可能开始失效。 由于每个节点具有自身的传输概率，竞争协议满足我们最初的设计要求。但是， 不稳定的现象表明竞争协议不具备很好的适应性，导致较低的信道利用率。 在基于竞争的随机接入协议中，如果只有一个节点传输分组，分组就可以被成功 的传输；如果多个节点同时传输分组，就会发生碰撞。为解决碰撞，提出了各种类型 的m a c 算法。作为最初的竞争接入协议，a l o h a 以简单的操作方式工作在全分布 式网络。但是，这种协议没有使用载波侦听机制，因此通过量性能很差。由于随机接 入协议在时间上并不同步，因此大多数这类协议依靠载波侦听限制冲突的概率。随机 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信网络实验室 西安电子科技大学博士学位论文 接入协议的代表包括c s m a 3 0 1 、m a c a 4 3 1 、m a c a w 3 ”、f a m a 4 4 1 1 4 5 1 。 1 c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) c s m a 3 0 】是最为普遍的多址接入协议。节点在发送数据之前，首先对信道进行载 波侦听。根据不同的侦听策略，c s m a 分为：非坚持、l 一坚持和p 一坚持3 种。这种信 道接入方案在低的网络负载下有低的端到端时延，但是当节点同时侦听到信道空闲并 传输时，就会产生冲突，还会出现前面所述的隐藏终端和暴露终端问题。 2 m a c a ( m u l t i p l ea c c e s s 谢t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 带冲突避免的多址接) k ( m u l t i p