（通信与信息系统专业论文）iee80216mesh模式下基于业务区分的mac层机制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着宽带无线接入技术( w i m a x ) 在人们的生活中扮演着越来越重要的作 用，其基础协议i e e e 8 0 2 1 6 协议也成为研究的热点，具有相当大的发展潜力。 该协议m a c 层支持拓扑结构为p m p 和m e s h 两种模式的网络，其中m e s h 模 式以其传输距离远，建网成本低，组网灵活，可靠性强以及在多跳环境下用户吞 吐量大等优点使得m e s h 己经成为无线网络理论研究的热点。而随着网络中业务 的多元化使得为不同需求的业务提供不同的服务保障成为一种必要，从而能够最 大程度的利用网络资源。 本文将着重从业务区分的角度，在m e s h 模式分布式调度机制下研究无线资 源的预留和分配算法。 首先，本文先对i e e e 8 0 2 1 6 协议的产生背景和整体框架进行了大致的介绍， 并详细分析和本文工作相关的协议细节，即分布式调度机制各消息帧结构，消息 单元，三次握手机制等。 其次，本文将对前人对业务区分机制的研究进行总结和分析，在深入研究 i e e e 8 0 2 1 6 协议各基础消息单元的基础上提出了一种基于业务区分的带宽分配 算法，提出一种以位于m s h d s c h ( 分布式调度消息) 中d e m a n d p e r s i s t e n c e 字段 的长度大小区分不同的业务，并对已区分好的不同优先等级的业务实施不同的带 宽分配策略，具体来说就是在节点查找发送空闲时隙或接受空闲时隙的时候，根 据其设定不同的优先等级限定其空闲时隙的搜索范围。通过对不同优先等级的业 务在进行空闲时隙搜索的时候分配不同的时隙搜索范围来实现充足的资源预留， 以保证高优先等级业务的高服务质量，同时也提高了信道的利用率。 最后通过n s 2 仿真验证说明了本文提出的区分机制有效地对业务进行了区 分，并使得高优先级业务得到了好的服务质量，且并没有对网络的总体性能产生 过大的影响。 关键词：i e e e8 0 2 1 6m e s h 分布式业务区分数据微时隙 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 t h ew i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 16 s t a n d a r d , h a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nd a i l yl i f e i e e e 8 0 2 16s t a n d a r d a l s ob e c o m e sa sah o t s p o tw i t hg r e a td e v e l o pp o t e n t i a l t h es t a n d a r dd e s i g n sp m pa n dm e s hf o rm a c p r o t o c o l ，a n dt h em e s hm o d e h a sb e e nc o n s i d e r e da sr e s e a r c hh o t s p o tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fl a r g e t r a n s m i s s i o nr a n g e ，l o wc o s t , g r e a tr e l i a b i l i t y , g o o df l e x i b i l i t ya n dg o o dt h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e & t e ni nm u l t i - h o pe n v i r o n m e n t o nt h eo t h e rs i d e ，a sm u l t i - m e d i at r a f f i c b e c o m e sam a i n s t r e a m , i t si m p o r t a n tt op r o v i d ed i f f e r e n tq u a l i t yo fs e r v i c et o d i f f e r e n tk i n d so ft r a f f i ct om e e td i f f e r e n td e m a n d s ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l en e t w o r k t h em a i ni d e ao ft h i st h e s i si st op r o v i d ean e ww a yf o ra l l o c a t i n gm i n i - s l o t a c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so ft r a f f i cb a s e so nt h ed i s t r i b u t e dc o o r d i n a t e dm a c m e c h a n i s m f i r s t l y , t h i s t h e s i sw i l lg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h eb a c k g r o u n da n d a r c h i t e c t u r eo fi e e e 8 0 2 16 ，t h e ns o m ed e t a i lw h i c hr e l a t e dt oo u rm a i ni d e aw i l lb e g i v e n , i n c l u d i n gt h ef la m ec o n s t r u c t i o no fd i s t r i b u t e d c o o r d i n a t e dm e s s a g e s ，t h e t h r e e - w a yh a n d s h a k i n gm e c h a n i s m sa n ds oo n s e c o n d l y , t h i st h e s i sw i l la n a l y z et h ed i f f e r e n t i a t i o nm e c h a n i s mt h a th a sb e e n p r o p o s e d , t h e np r o p o s ean e wm e t h o df o ra l l o c a t i n gm i n i s l o t b a s e do nt r a f f i c d i f f e r e n t i a t i o n t h eb a s i ci d e ai st os e td i f f e r e n ts e a r c hr a n g ew h e nan o d es e a r c h e sf o r f r e em i n i s l o ta c c o r d i n gt ot r a f f i c sd i f f e r e n tp r i o r i t y , w h i c hi ss p e c i f i e da st h ed i f f e r e n t l e n g t ho fd e m a n d _ p e r s i s t e n c e w eh o p et h et r a f f i cw i t hh i g hp r i o r i t y c a ng e th i g h q u a l i t yo f s e r v i c et h r o u g ho u rm e t h o d , a n dt h ew h o l en e t w o r kp e r f o r m a n c ew i l ln o tb e e f f e c t e dal o t s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w so u rm e t h o di se f f e c t i v et og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fh i g h p r i o r i t yt r a f f i ca n dc a na l s om a i n t a i nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l en e t w o r k k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 16m e s hd i s t r i b u t e dd i f f e r e n t i a t i o nm i n i - s l o t 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近l o 多年来，通信行业的蓬勃发展早已颠覆了以往的通信方式，人们对于 通信的要求也在不断的提高。随时，随地及多业务的通信要求对下一代通信技术 提出了更高的要求，各种无线技术应用而生。w i m a x ( w o f l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ) ，即全球微波接入互操作性成为其中的杰出代表。 w i m _ a x 是一种无线城域网技术，相对于无线局域网技术和w i f i 技术 1 0 卜3 0 0 米的传输范围，w i m a x 技术有着更远的传输范围，其传输范围可达到 5 0 公里，其中卜1 0 公里为其典型的应用范围。3 g 是众所周知的下一代移动无 线技术，相对其2 m 的带宽来说，w i m a x 具有更快及组网更加灵活的特点。 w i m a x 的每个基站可以拥有6 个扇面，且每个扇面可提供7 0 m 的独立带宽， 为多媒体业务的承载提供了足够的载体，基站的覆盖范围是3 g 基站的1 0 倍， 被认为最有希望成为下一代移动通信主流技术之一。其典型的应用场景包括： 在较大范围内部署网络时利用w i m a x 各个基站之间的无线链接，延伸 网络覆盖范围。 在一个需要高速传输速率的场景部署w i f i 热点，而热点与其他网络之间 的远距离链接由w i m a x 来完成，这样可以延伸热点的使用范围，使得高速率和 远距离能够有机的结合起来，满足应用需求。 对于在家庭部署了w i f i 的用户，在临时移动到w i f i 覆盖范围之外的情 况下，w i m a x 可以保证移动用户在w i f i 网络和w i m a x 网络中平滑漫游。 在上述的几种组网方式中，w i m a x 都支持数据、语音和视频。w l m a x 独 有的服务质量保证( q o s ) 、按需提供的带宽分配、自适应参数调整等特点，给 组网带了更大的灵活性。 w i m a x 基于i e e e 8 0 2 1 6 协议，该协议主要对w i m a x 进行了空中接口物 理层数据链路层进行了较为详细的定义。本文也是基于对该协议进行研究和改 进。 1 2ie e e 8 0 2 16 标准背景 1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技术 规范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 1 6 工作组 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的，主要任务是制定l m d s 的网络无线传输标准，建立一个全球统一的宽带无 线接入标准，解决“最后一公里 的宽带无线城域网的接入问题。它的出现大大 地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。 与i e e e 组织发布的其它8 0 2 协议类似，i e e e8 0 2 1 6 标准所关心的是用户终 端同基站系统之间的空中接口，并且主要定义空中接口的物理层和m a c 层。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列包含多个标准版本，每个版本都有所侧重。其中8 0 2 1 6 d 是对8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 的修订，目前主要提及两个标准：固定宽带无线 接入标准8 0 2 1 6 d 、支持移动特性的宽带无线接入标准8 0 2 1 6 e 。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在1 0 - - 6 6 g i - i z 频段的固定宽带无线 接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高，因 此仅能应用于视距( l o s ，l i n eo f s i g h t ) 传输。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 标准是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是对工作在 l o q 5 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统的兼容性规范，它详细规定了1 0 - 。6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对 使用2 1 1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和 m a c 层进行了规范，该频段具有非视距( n l o s ，n o nl i n eo fs i g h t ) 传输的特 点，覆盖范围最远可达5 0 公里，而通常小区半径为1 0 公里以内。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。 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，是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本。 8 0 2 1 6 d 对1 0 - - 6 6 g h z 频段和小于l l g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理 层和m a c 层进行了详细规定，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8 0 2 1 6 标准进行了整合和 修订，仍属于固定宽带无线接入规范。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规 定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，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，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线 接入用户能力并不因此受到影响。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一 种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。 8 0 2 1 6 f 是2 0 0 4 年7 月份正式成立的任务组，该任务组负责制定8 0 2 1 6 f 标 准，定义8 0 2 1 6 固定无线接入系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及 相关的管理流程。 8 0 2 1 6 9 也是2 0 0 4 年7 月份正式成立的任务组，标准制定的目的是为了规定 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 8 0 2 1 6 管理流程和接口，从而能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、 移动性和频谱的有效管理。8 0 2 1 6 9 标准的主要工作是围绕管理平面进行的。 1 3le e e 8 0 2 16 标准主要内容 i e e e8 0 2 1 6 标准【l l 固定宽带无线接入系统的空中接1 ：3 ，也被称为无线 城域网标准。它分别在p m p 和m e s h 两种模式下对物理层和m a c 层进行了详 细的定义。其中物理层三种表现方式分别为：单载波、o f d m 、o f d m a 。o f d m 和o f d m a 是i e e e 8 0 2 1 6 中最典型的物理层方式。o f d m 、o f d m a 方式，相 较传统方式而言，具有较高的频谱利用率，它可以使得应用i e e e 8 0 2 1 6 标准的 系统在同样的载波带宽下提供更高的传输速率。另外，o f d m 和o f d m a 方式 在应对多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上均存在其明显的优势。 对于p m p 模式，详细的定义了q o s 服务等级及其实现方式，而对于m e s h 模式，服务等级的区分和相关策略都没有给出明确的定义，有很大的研究空间。 相较于早先为大家所熟知的i e e e 8 0 2 1 1 协议，i e e e8 0 2 1 6 提供一个支持真 正无线网络回程的标准，从一开始就提出了有关于语音、视频、数据的服务质量 ( q o s ) 问题，为区分业务服务提供了基础。总的来说，i e e e8 0 2 1 6 标准具有 以下优点： 从更广的范围上定义了服务对象； 能够进一步提升带宽，和i e e e 8 0 2 1 1 最高5 4 m b s 的速率相比，其最高 1 2 0 m b s 的接入速率有了明显的进步。 可同时向用户提供语音、数据及视频综合业务，并根据不同业务进行区 分服务，与传统的接入方式相比，更具灵活性和效率性，使业务的多样化更加顺 畅。 在有线接入难以到达的地区，能够避免高昂的安装费用，能够克服传统 有线网络的物理局限，最大可能实现网络无盲点覆盖。 1 4 课题研究背景及本文工作 i e e e 8 0 2 1 6 标准使得对业务的区分服务成为研究的热点。对于p m p 模式， 该标准已经详细定义了五种类型的服务，本文主要在m e s h 下，对m a c 层及分 布式调度方式进行深入的研究，基于业务区分思想，对比现有的i e e e 8 0 2 1 1 和 i e e e 8 0 2 1 6 m a c 层机制，提出一种基于业务区分的时隙分配和资源预留策略。 具体安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 技术的由来及其主 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 要内容。 第二章详细介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 协议( 也是本文的基础协议版本) 的相关 技术，首先对i e e e8 0 2 1 6 d 协议的整体架构以及所支持的网络拓扑结构进行了 阐述，接下来介绍分布式m e s h 模式下的m a c 层三次握手机制，调度机制及各 帧结构。 第三章在介绍i e e e 8 0 2 1 1 标准m a c 层机制的基础上，重点分析，对比现 有的i e e e 8 0 2 1 1 及i e e e 8 0 2 1 6 的业务区分机制。 第四章i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络中提出了一种支持不同优先等级的业务享有 不同时隙分配策略的机制。 第五章根据i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准和n s 2 面向对象的仿真思想，借用目前 较为流行的m e s h 模式仿真的功能模型对本文提出的时隙分配机制进行了仿真实 验分析。 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 6d 标准系统概述 第二章：i e e e 8 0 2 1 6d 标准系统概述 i e e e8 0 2 1 6 d 1j 是i e e e8 0 2 1 6 标准的一个修订版本，也是相对比较成熟并且 最具实用性的一个标准版本，本文主要参考该版本进行研究和改进。本章节将首 先对i e e e8 0 2 1 6 d 协议的整体架构以及所支持的网络拓扑类型进行了阐述。 i e e e8 0 2 1 6 d 标准是基于v l a c 层和物理层的空中接口的协议集合，在不同的 频段上，所给出的协议也会不同。2 - - - 6 6 g h z 频段的物理环境由于是微波，要求b s 和s s 之间是视距传输( l o s ) ，并可忽略多径效应。其信道带宽较大，通常是基于 单载波调制的空中接口，单载波带宽为2 5 m h z 或2 8 m h z ( 我国采用) ，因此也被 成为w i r e l e s s m a n s c a 空中接口。 2 1ie e e8 0 2 16 d 标准的协议参考模型 由协议栈参考模型可知，i e e e8 0 2 1 6 d 标准只包括了数据控制平面，数据腔 制平面包括m a c 层和p h y 层。在数据控制平面中总共定义了三个服务接入点 ( s a p , s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) ，层与层之间的信息流由所定义的原语来完成。 i e e e 8 0 2 1 6 主要定义了物理层及v l a c 层。 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 l 标准范畴 l 2 1 1m a c 层 图2 18 0 2 1 6 d 协议栈模型 5 网 络 管 理 系 统 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6d 标准系统概述 总的来说m a c 层最显著的特征为基于“连接”。在各节点进行交互的过程 中，一系列的序列号将会分配到每个节点或者是每两个节点之间形成的连接中， 如n o d ei d 、c i d 。也就是说，对于所有的数据业务以及与此相联系服务类型要 求，都是在某一个“连接 中完成的。这个连接有一个特定的连接号，为两个节 点之间每次的业务流提供不同的连接号以示区别，从而让节点识别出当前连接。 我们称这个连接号为c m ( e o n n e e t i o ni d ) ，其大小为1 6 比特，即表示同时可维护 2 1 6 个不同的业务流。当一个节点进入网络并完成注册后，“连接 以及伴随着的 服务流就被提供给该节点。当用户的业务需要改变时，也需要新建一个“连接 。 “连接 一旦被建立起来后，需要维护时，维护要求则随着连接的业务类型不同 而改变。与“连接 紧密相连的服务流概念则定义了在“连接 上传输的p d u ( 协议数据单元) 的q o s 参数，一个“连接”分配一个服务流，服务流也可以 与带宽分配过程联系在一起，这正是本文的着眼点所在。 m a c 层包括三个子层： 服务汇聚子层：s e r v i c e - s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ( c s ) ，将所有从汇聚 层服务接入点( c ss a p ) 接收到的外部网络数据的转化映射成m a cs d u ，通过 m a cs a p 发送给m a cc p s 。c s 层的功能包括：分类外部网络服务数据( s d u ) ， 将这些数据关联到正确的m a c 服务流( s f i d ) 及连接( c i d ) 。还可能包含负 荷头压缩功能( p h s ) 。有两种服务汇聚子层：a t m 汇聚子层及包汇聚子层。 m a c 公共子层：m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ( c p s ) ，c p s 不用理解分析任 何从c s 层来的负荷信息。该层包含m a c 层的核心功能，包括带宽请求，连接建 立，连接维护。该层从m a cs a p 接收数据，按m a c 连接分类。q o s 将被应用到 传输中并由物理层来保证。 加密子层：p r i v a c ys u b l a y e r ，m a c 层包含一个单独的加密子层来提供认 证、密钥交换及加密。 m a c 层的帧结构如下【l 】： m s bl s b g e n e n cm a c h e a d e rp a y l o a d ( 长度可变) c r c 图2 2m a c 层帧结构 图2 2 表示了m a cp d u 的封装结构，其中m a ch e a d e r 的长度为一个固定值， 在i e e e 8 0 2 1 6 中定义了两种类型的m a ch e a d e r 类型，它们以不同的帧结构分别 表示了普通m a ch e a d e r 和请求带宽m a ch e a d e r 。p a y l o a d 中可以主要传输c s 数据 和m a c 层管理数据，分别根据其帧结构进行区分，该字段为可变长度字段，可 根据所包含数据类型或数量的不同有不同的长度。传输m a c 管理消息时，p a y l o a d 6 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6d 标准系统概述 包括m a n a g e m e n tm e s s a g et y p e 以及m a n a g e m e n tm e s s a g ep a y l o a d 。8 0 2 1 6 d 标准中 共定义了4 9 种管理消息，用于注册、系统接入、上下行信道描述、连接建立、资 源申请、接入认证动态、服务管理等功能。诸多的m a c 层的管理信息种类决定 了其丰富的性能。另外，标准中还预留了管理信息域空间，为进一步增强m a c 层的功能打下了基础，也留下了可供研究的空间。c r c 为循环效验码，在数据完 成封装和加密后，添加在m a cp d u 结构的最后，覆盖m a c 头和负载。 2 1 2 物理层 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准支持的无线双工方式包括f d d 和t d d 两种，并根据使用 频段的不同，8 0 2 1 6 d 分别规范了多种物理层规范与之相对应。 w i r e l e s s m a n s c 物理层：主要应用于1 0 - - 6 6 g h z 频段的p m p 结构系统，具 有视距传输的特点，可采用f d d 或t d d 双工方式。下行方向采用t d m 方式， 且调制方式必须支持q p s k 和1 6 q a m ，可选支持6 4 q a m 。上行方向采用t d m a 和d a m a 方式，且调制方式采用q p s k 。 w i r e l e s s m a n s c a 物理层：采用单载波调制技术，主要应用于2 l1g h z 频 段，具有非视距传输的特点，可采用f d d 或t d d 双工方式。下行方向采用t d m 或t d m a 方式，上行方向采用t d m a 方式。此外，上下行均可采用f e c 编码 技术，当选择不支持f e c 编码时，差错控制采用a r q 技术。可选支持a a s 和 s t c 。 w t r e l e s s m a n o f d m 物理层：采用2 5 6 个子载波的o f d m 调制技术，主要 应用于2 1 1 g h z 频段的p m p 结构系统，具有非视距传输的特点。在许可频段， 双工方式可采用f d d 或t d d ，且b p s k 、q p s k 、16 q a m 和6 4 一q a m 是必须 支持的调制方式；在免许可频段，只能采用t d d 双工方式，并且除了b p s k 、 q p s k 和1 6 q a m 外，可选支持6 4 - q a m 调制方式。在6 4 一q a m 调制方式下， 2 0 m h z 信道可提供高达7 3 m b p s 的传输速率。可选支持m e s h 网络结构、a a s 和a r q 。 v ( 1 r e l e s s m a n o f d m a 物理层：采用2 0 4 8 个子载波的o f d m a 技术，主要 应用于2 - 1 1 g h z 频段的p m p 结构，具有非视距传输的特点。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。可选支持 a a s 、a r q 和s t c 。 晰d 鹊s 孙m a n 物理层：主要应用于5 - - 6 g h z 免许可频段，典型信道宽带 为1 0 m h z 和2 0 m h z 。可采用s c a 或o f d m 或o f d m a 调制方式，双工方式为 t d d ，必须支持动态频率选择( d f s ) ，可选支持a a s 、a r q 、m e s h 和s t c 等。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6d 标准系统概述 2 2i e e e 8 0 2 1 6 的拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 6 标准定义了p m p ( 点对多点) 和m e s h ( 对点对多点) 两种网络 拓扑结构，并详细给出了各网络模型下的服务定义。 2 2 1p m p 模式 ，b y 叁b s 芝叁 惫 叁 叁 豁 2 2 2m e s h 模式 m e s h 模式的网络是一种多点对多点的结构，又称为无线网格网络，是典型 的分布式系统。在这样的结构中，可以没有中心的调度节点，节点之间的交互取 决于两个节点之间的协商，每一个节点都可能成为发送和接受节点的“核心节 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6d 标准系统概述 点，每一个节点既可以是数据接收端又是中转发送端，从而很好的解决了集中式 网络可扩展性差等问题。拓扑结构下图所示： q 7 名、 s s 纱 g b s 笤 b s 含b 8 s s 图2 4m e s h 拓扑 m e s h 模式对于网络结构来说，一般作为一种补充性的结构，在布置较大范 围的网络中，根据当时当地的具体情况，选择是否采用该结构来覆盖。从无线传 输、链路可用、链路损耗性能方面考虑，m e s h 网络都比p m p 网络性能更优越， 在链路变化时，m e s h 网络更加健壮。 相对于比较成熟p m p 模式来说，m e s h 模式作为近几年炙手可热的研究热 点，其各种机制仍然需要进一步进行研究与改进，以期达到更好的效果。本文的 研究正是基于m e s h 模式的研究。 2 3 集中式调度及分布式调度 首先我们给出调度的定义，所谓调度就是根据一定的规则来协调用户共享无 线信道资源( 无线中主要是指带宽) ，使其能够尽可能的满足综合或者特定方面 的性能指标，如规定用户何时，以何种方式发送数据；或者使某项业务得以优先 发送等。 m e s h 网络有两种调度方式：分布式调度和集中式调度。在分布式调度中， 所有节点需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 它们的传输情况，避免数据传输时冲突的产生。而在集中式调度中，资源的分配 通过更集中的方式进行，只有中心节点( b s ) 能够进行资源的分配，b s 搜索在 可达范围内的s s 所发送的资源请求，并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可达范围内的s s 。 9 叁s 鲞； 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6d 标准系统概述 两种调度方式都有各自应用的场景，比较起来，分布式调度的优势主要体现 在组网灵活，可扩展性强，能够在很大程度上解决网络瓶颈问题，提高网络容量 等方面。但是整个系统的复杂度是高于集中式调度的，因为每个节点都需要维持 自己和邻居节点的信息，并不断的进行更新，从研究空间上来说也更优子集中式 调度。 另外，分布式调度也分为协调分布式调度和非协调分布式调度。协调和非协 调的分布式调度方式的区别是其控制消息的发送是否会产生冲突。 协调分布式调度控制消息以一种无冲突的方式发送，节点时刻对邻居节点进 行监听，在保证没有冲突的情况下进行数据发送。而非协调方式，由于不会对节 点进行监听而可能导致冲突的产生，节点采用直接发送方式来发送数据，在传输 前无须对邻居节点是否在发送数据进行监听。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，并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( 分布式调度消 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。 m s h d s c h 消息对于本文来说非常重要，在以后的章节中也会反复提到。 2 4 本章小结 本章主要对本文工作的基础协议i e e e 8 0 2 1 6 d 协议做了一个大致的介绍，对 它的参考模型及拓扑结构给出了一个总体印象，并在此基础上介绍了集中式调度 和分布式调度的概念和区分，为本文工作的进一步进行理清了思路。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章现有服务区分机制研究与分析 第三章现有服务区分机制研究与分析 3 1 基于ie e e 8 0 2 11 d c f 的服务区分机制 i e e e 8 0 2 1 1 【2 】是针对无线局域网的协议标准，而d c f ( 分布式协调功能) 是 8 0 2 1 l m a c 层的基本接入机制，所有应用8 0 2 1 1 协议的节点都默认该机制，该 机制采用具有冲突检测的载波侦听多路访 ；- j ( c s m a c a ) 方法，提供基本模式和 r t s c t s 模式两种信道访问方式，利用竞争窗1 ：3 的二进制指数回退机制协调多 个终端对共享链路的访问，避免出现因争抢信道而无法通信的情况d c f 机制采用 c s m a c a 策略来竞争信道，其避免发生碰撞的方式是通过设定窗口的退避指数 来协调每个节点参与竞争的时间，这个时间的调节是和当前的链路情况等相关 的。窗口竞争的机制如下为： 第一步，计算初始窗口值州面。；然后是窗口的退避指数w = w * 2 + i ；如 果( w w 嗽) ，则将w 。赋值给w ：最后一步用b a c k o f f _ t i m e = r a n d o m o * s l o t _ t i m e 计 算当时节点的退避时长。 基于其m a c 层d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t e df u n c t i o n ) 协议的服务区分机制 大致以下几种方式： 3 1 1 后退算法 后退算法是i e e e 8 0 2 1 l d c f 协议的主要组成部分，针对这个方面进行优先 级的区分机制的改进的文章比较多，所基于的侧重点也各有不同。 该类算法的主旨是针对不同优先级的业务，在执行回退的过程中，分配一个 不同的增量函数。具体体现在修改原有的回退时间公式： 原有的公式为b ac k o f ft i me = 2 2 “，口1 d ( ) 】事s ，ot t i me 式( 3 1 ) 改后的公式为b a c k o f f t i m e = 【p ，2 + i 毒r a n d ( ) 】宰s l o t t i m e 式( 3 2 ) 其中参数p ，代表了不同优先级的业务，通过设定不同的p ，来确定不同的回 退窗口，从而达到业务区分的效果。 对于回退算法的进一步改进工作也有不少的研究成果。比如采用分组到达率 为考虑d c f 的性能，或者为了能够克服将业务区分时带来的带宽分配的不公平 性，提出在信道接入机制中采用公平排队机制等等。 比较典型的做法有： b a n c h s 等人在文献 4 中提出c w 根据实际的吞吐量( a ) 和预期的吞 重庆邮电大学硕士论文 第三章现有服务区分机制研究与分析 吐量( b ) 之间的差值进行调整，如果a b ，则 c w 自动增加。 b a n c h s 等人在文献 5 】中提出的d w f q 算法，该算法要求所有移动节 点额所有业务流具有一个相同的吞吐量与权值的比率p ，移动节点通过与其他 节点对该p 值进行比较来对c w 进行调整j 总的来说，就是通过一个与吞吐量 有关的权值来区分不同类的业务，并为他们分配相应的带宽，从而保证了不同 优先级的业务的不同服务类型。 但是，这类方法会使得c w 更加频繁的调整，使其随机性大大增加，而直 接导致增加不必要的开销，加重延迟的抖动性。 上面提到的对c w 产生影响参数都是基于本身的应用需求，也就是从满足 不同需求的特定规则来考虑的，对c w 的调整，也可以从网络本身的运行情况 加以考虑，比如如何通过对c w 的设置来缓解拥塞情况，提高信道利用率也是 值得研究的方向。本文总的基调是从网络应用需求上出发来寻求解决方法，这 方面就不加赘述。 3 1 2b b 机制 b b 机制【2 们，是黑突发机制( b l a c kb r u s t ) 的简称。它是基于c s m a 的，具 有相对的业务区分能力。在该机制中，实时节点利用不同数量的b b 的能量脉冲 来竞争公共信道的访问权，b b s 的长度与节点必须等待信道变为空闲的时间成正 比。该机制是分布式的而且仅仅基于载波侦听。它给实时业务优先访问权，以保 证实时业务包的无冲突传输。当该机制运用于a dh o c 无线局域网中时，更可以 限制实时业务的延迟。 该机制的原理为：当网络中的节点n 需要接入无线信道时，首先进行载波侦 听。如果信道忙，则继续等待一段时间，直到信道出现空闲且空闲时间达到t ， 对实时业务节点来说，t 冽。= ，其中为i e e e 8 0 2 1 1 标准中“d c f 帧间 间隔 时间；对非实时业务节点来说，2 t + ，t 为网络中相互能侦听到 的两个节点之间的最大路径时延，从而从接入时间上区分不同的业务，使得实时 业务节点能够享有接入信道，获取资源的优先权。 对于实时业务节点，连续两个实时业务包之间的调度时间间隔为f 商，对所 有节点来说相同，对有实时业务包等待发送的节点，当信道空闲时间达到乞册 时，节点开始发送髓，连续发送的b b 数b 是其竞争时延丸。，的函数： a 6 ( ) = ( 1 + 【等】) 式( 3 3 ) 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章现有服务区分机制研究与分析 在节点发送完所有b b 后，再次侦听信道，如果信道空闲达 k ( f 鼬， t d z e s ) 时间，则发送实时业务，否则取消发送，按上述原理重 新作发送尝试。 b b 机制最主要的优点是具有一定程度的业务区分的能力，它可以在一定程 度上保证有实时业务的节点优先接入到信道中。另一方面，当网络中不存在隐形 终端时，它可以实现实时业务包的无碰撞发送。它的缺点也体现在此，其只适用 于无隐形终端的无线a dh o c 网络，且要求网络中的所有具有实时业务的节点以 相同的时间间隔调度实时业务包。 3 1 3 设定if s 值 我们知道，在d c f 中机制中，所有节点在完成一次消息发送后，必须等待一 段时间才能发送下一帧这段时间的通称为帧间间隔i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) ，帧 间间隔的长度取决于该节点当前想要发送的帧的优先级。高优先级的帧需要等待 的时间较短，在同等情况下可优先获得发送权，低优先级帧就必须等待较长的时 间，若低优先级的帧还没来得及发送而来自其他节点的高优先级的帧已竞争到了 媒体，也就是媒体状态由闲转忙，此时低优先级帧就只能推迟发送了，通过这样的 方式来避免频繁的发生碰撞。很明显，可以通过不同长度的帧间间隔 i f s ( i n t e r - f r a m es p a c e ) 来设置帧接入的优先级，分别为s i f s 、p i f s 、d i f s 、e i f s 时长依次增长。帧间间距越短，优先级越高；帧间间距越长，优先级则越低。也 就是说，节点在发送r t s c t s 消息或者数据包之前，需要等待的时间长度不同， 不同优先级的业务有着不同的等待时间，确保高优先级的业务先进行发送。 s i f s 为较短帧间间隔，也就是最短的一种帧间间隔，像r t s 、c t s 、a c k 这些控制信息或特别定义的业务，一般会使用s i f s 作为帧间间隔来保证其消息 达到的及时性。该帧用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时 间内从发送方式切换到接收方式。 p i f s 为点协调功能帧间间隔，应用在p c f ( 点协调模式) 下，点协调模式是 8 0 2 1 1 的可选工作模式，具有比分布式协作模式更高的优先级。点协作模式使用 接入点( a p ) 控制的轮询调度策略，在选中点协作模式作为工作模式的情况下， a p 通过检测信道空闲点协作模式帧间隔为较长帧间间隔p i f s 来竞争信道，通过 发送信标来发起信标间隔( 又被称为超级帧) 。在该超级帧中，竞争期和非竞争 期轮流进行。，当节点处在非竞争期时，a p 通知各个节点屏蔽各自的分布式协作 模式( d c f ) ，并在自己维护的节点表中任意选择一个节点，用来发送当前数据。 p i f s 相对s i f s 的持续时间较长，一般为s i f s 加一个时隙( s 1 0 t ) 长度，所不 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章现有服务区分机制研究与分析 同的是，它是基于p c f ( 点协作模式) 方式的。在p c f 下，节点优先获得接入到 媒体中。在一个基本服务集b s s 内，若一无线站点在某个时隙开始接入到媒体， 则在下一个时隙开始时，其他站都能检测出信道已转变为忙态，选定该长度作为 时隙长度。 d i f s ，即分布协调功能帧间间隔，在d c f 方式中用来发送数据帧和管理 帧。d i f s 的长度比p i f s 再增加一个时隙长度。 e i f s ，即延长帧间间隔( 最长的i f s ) ，节点在进行帧重发的时候所必须等待 的时间。e i f s 的长度至少等于d i f s 再增加一个时隙长度。 以上为几种帧间间隔的基本应用，鉴于他们之间的本质区分，即用不同的长 度的间隔来划分其不同的应用场景，包括针对需要传送的数据包的优先级不同来 进行相应设置。可针对其作用扩