（通信与信息系统专业论文）无线局域网多速率和多信道mac协议研究.pdf

摘要 摘要 随着i e e e8 0 2 1 1 系列标准的颁布，无线局域网以其灵活布设、高带宽和无 线接入的优势，成为一种很有发展前景的互联网接入解决方式。由于m a c 层对无 线网络的性能有着重要的影响，因此设计一个高效的m a c 协议显得尤为重要。 当前很多m a c 协议采用速率自适应机制来适应无线信道，这就使得单一的网 络中存在多种速率。许多研究者对多速率m a c 性能进行分析，但没有考虑信道错 误对其性能的影响，因此本文的研究内容之一就是分析多速率i e e e8 0 2 1 1m a c 在高斯信道和衰落信道下的性能。 另外，现有的i e e e8 0 2 1 1 协议在多速率网络下存在明显的性能缺陷。因此 本文通过实验系统地评估了当前的各种解决多速率网络性能异常的方法，然后提 出一种基于完全碰撞避免的多速率m a c 协议( c o l l i s i o na v o i d a n c em u l t i - r a t e m a c ，c a m r - m a c ) 。实验表明，该协议有效地提高了多速率网络的性能并保证了各 个节点的时间公平性。 最后在基于专用控制信道的多信道m a c 协议中，控制信道的碰撞会极大地降 低数据信道的利用率。因此，本文以i ) c a ( d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t ，d c a ) 为例，分析了基于专用控制信道的多信道m a c 协议的性能。在此基础上，提出基 于自适应竞争窗口机制的d c a 协议( a d a p t i v ew i n d o wd c a ，a w d c a ) 。仿真表明， a w d c a 有效地提高了网络的吞吐量。然而，a w d c a 毕竟还是基于竞争接入的， 因此本文进一步提出基于完全碰撞避免的d c a 协议( c o l l i s i o na v o i d a n c ed c a ， c a d c a ) 。实验表明，该方案又比a w d c a 有了较大的性能提高。 关键词：i e e e8 0 2 1 1 ；多速率m a c ；多信道m a c a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ep u b l i c a t i o no fas e r i e so fi e e e8 0 2 1 ls t a n d a r d s w i r e l e s sa r e al o c a l n e t w o r kb e c o m e sap r o m i s i n gs o l u t i o nt oi n t e r n e td u et oi t sf l e x i b i l i t y , b r o a d b a n da n d w i r e l e s sa c c e s s s i n c em a cp r o t o c o lh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sn e t w o r k s ，d e s i g n i n ga ne f f e c t i v em a cp r o t o c o lb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t m a n ym a cp r o t o c o l su s er a t e - a d a p t i v em e c h a n i s m t oa d a p tt h ew i r e l e s sc h a n n e l ， t h u st h e r ea r em u l t i p l er a t e se x i s ti nt h es i n g l en e t w o r k m a n yr e s e a r c h e r sh a v e a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i - r a t em a c h o w e v e r , t h e yc a n n o tc o n s i d e rt h e i m p a c to fc h a n n e le r r o r t h u s ，o n eo fm a j o rw o r k si nt h i st h e s i si st oa n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fm u l t i - r a t ei e e e8 0 2 11m a c o v e rg a u s s i a na n df a d i n gc h a n n e l i na d d i t i o n ，c u r r e n ti e e e8 0 2 1 1f a c e st h ep e r f o r m a n c ea n o m a l yi nm u l t i - r a t e n e t w o r k n l i st h e s i se v a l u a t e st h ev a r i o u sm e t h o d st os o l v et h ep e r f o r m a n c ea n o m a l y , a n dt h e np r o p o s e san e wm e t h o db a s e do nc o l l i s i o na v o i d a n c e ，k n o w na sc o l l i s i o n a v o i d a n c em u l t i r a t em a c ( c a m r - m a c ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t c a m r - m a cc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i - r a t en e t w o r ka n d g u a r a n t e et h et e m p o r a lf a i m e s si nt h en e t w o r k f i n a l l y , w et a k ed c a ( d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t ) f o re x a m p l et oa n a l y z e t h et h r o u g h p u to fm u l t i c h a n n e lm a cb a s e do nd e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l b e s i d e s ，i n t h i sm u l t i - c h a n n e lm a cp r o t o c o l ，t h ec o l l i s i o ni nc o n t r o lc h a n n e lg r e a t l yr e d u c e st h e u t i l i z a t i o nr a t eo fd a t ac h a n n e l t h u s ，w ep r o p o s ead c ab a s e do na d a p t i v ew i n d o w , k n o w na sa d a p t i v ew i n d o wd c a ( a w - d c a ) t h er e s u l t ss h o wt h a ta w 二d c ac a n e f f e c t i v e l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k h o w e v e r , a w - d c ai sb a s e do nt h e c o n t e n t i o na c c e s s ，w h i c hc a nn o tf u l l ya v o i dt h ec o l l i s i o n t h u s ，w ep r o p o s ean e w m e t h o dc a l l e dc o l l i s i o na v o i d a n c ed c a ( c a d c a ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t c a d c ah a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h a to f a w d c a k e vw o r d s ：i e e e9 0 2 1l ；m u l t i r a t em a c ；m u l t i c h a r m e lm a c h 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：茎害 纱多年箩月l 纱日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：耋蒡 导师签名：剖哆 日期：刃哆年y 月f 纱日 e l 期：o o 孑年，月侈日 第l 章无线局域网m a c 协议概论 第1 章无线局域网m a c 协议概论 当前无线局域网的m a c 层主要使用i e e e8 0 2 1 1 ，因此本章首先介绍无线m a g 协议的主要功能及技术指标。然后介绍i e e e8 0 2 1 1d c f 协议、其存在的问题及 目前的解决方案，如速率自适应m a c 协议主要利用无线信道的特性，而多信道 m a c 协议主要是为了更好地解决暴露终端问题。接着讨论目前多速率m a c 协议存 在的问题及研究进展，并进一步讨论多信道m a c 协议存在的问题及研究状况。最 后指出本文的主要工作及创新点。 1 1 无线m a c 协议的主要功能及技术指标 本节主要介绍无线m a c 协议的主要功能，接着指如其主要的性能衡量指标。 1 1 1 无线m a c 协议的主要功能 无线终端通过无线网络来访问网络中的资源。当多个终端同时接入无线信道 时，就可能会产生碰撞，导致通信失败。典型的无线共享链路有：卫星链路、蜂 窝移动通信的链路、无线局域网等。在卫星和蜂窝移动通信系统中，多个用户采 用竞争或预约分配等方法向一个中心站( 卫星或移动通信系统中的基站) 发送信 息，中心站通过下行链路( 中心站到用户的链路) 发送应答信息。在无线局域网中， 一个用户发送，所有用户都可以接收到，它是个全连通的网络。 为了有效地进行通信，就需要有某种机制来决定无线信道的使用权，这就是 媒体访问控制m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 技术的主要功能。所谓媒体访问控制 就是在一个网络中，解决多个用户如何高效共享一个无线链路资源的技术。一个 理想的m a c 协议就是使各个节点按照某种次序依次接入信道，这样就可以有效地 避免分组在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。 1 1 2 无线m a c 协议的主要技术指标 无线m a c 协议性能指标包括很多种，如：吞吐量、时延、公平性，稳定性等 笙 寸0 1 吞吐量( t h r o u g h p u t ) 通常按照每单位时间内成功发送的数据包数来测量吞吐量。即如果在t ( s ) l 无线局域网多速率和多信道m a c 协议研究 时间内，节点成功发送的数据为l ( b i t ) ，则吞吐量s 为 ， s = 鲁( 1 - 1 - 1 ) _ 2 时延 m a c 层时延定义为发送节点分组到达m a c 层的那一时刻与发送节点确认其发 送的该分组已被节点成功接收到的那一时刻之间的时间差。因此此时延主要包括 四个部分：处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。处理时延是指分组到达 一个节点的输入端与该分组到达该节点输出端之间的时延。若节点的传输队列在 节点的输出端，则排队时延是分组进入传输队列到该分组实际进入传输的时延。 若节点的输入端有一个等待队列，则排队时延是指分组进入等待队列到分组进入 节点进行处理的时延。传输时延是指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一 个比特至发送完该分组的最后一个比特所需的时间。传播时延是指发送节点在传 输链路上发送第一个比特的时刻至该比特到达接收节点的时延。 3 公平性 公平性衡量为不同节点的分组流所做出的信道分配的公平程度。如果有多个 用户要接入信道，而m a c 协议没有显示出对其中任何一个用户具有倾向性，则说 这个m a c 协议是公平的。具有公平的m a c 协议可以使各个用户公平地共享信道资 源和带宽资源。本文采用公平性指数( f a i r n e s si n d e x ) 4 3 来衡量公平性，其定 义为 仃： ( 1 - 1 - 2 ) 群 ，= i 这里1 7 表示节点的个数。s 是第j 个节点被分配到的资源，如衡量吞吐量公 平性，s 就表示第j 个节点的吞吐量；如衡量占用信道时间的公平性，s 就表示 第j 个节点占用信道的时间。公平性指数的计算结果位于o 和l 之间，其值越接 近1 ，表示网络所提供的公平性越好。 4 稳定性 稳定的m a c 协议是指对于给定的到达率，该协议可以保证每个分组的平均时 延是有限的。或者说对于给定的到达率，系统是稳定的。使系统稳定的到达率的 最小上界称为系统的最大稳定的吞吐量。 2 第l 章无线局域网m a c 协议概论 5 多媒体支持 随着语音、图象和数据网络的融合，m a c 协议支持多媒体业务十分必要。协 议需要基于不同应用的帧处理机制，这些应用对延迟的要求各不相同。两种常用 的方法是接入优先级法和接入预定法。接入优先级是指某些网络服务享有比其他 服务更高的接入信道的优先权。接入预定可保证限定的延迟。 本文主要研究无线数据网络中的多速率和多信道m a c 协议，没有考虑支持多 媒体业务，因此只使用吞吐量和公平性指标。 1 2l e e e8 0 2 1 1d c f 协议简介、面i l 螽问题及解决方案 本节首先介绍i e e e8 0 2 1 ld c f 协议，然后指出现有的i e e e8 0 2 1 1d c f 协 议存在的不足之处：未考虑无线信道的衰落特性和暴露终端等问题。最后针对这 些不足之处提出相应的解决办法一也即本文主要的研究内容。 1 2 1ie e e8 0 2 1 1d c f 协议简介 i e e e8 0 2 1 1d c f 1 协议是针对无基础设施的无线局域网而提出。它是基于 载波侦听冲突避免协议( c s m a c a ) ，并包含可选择的信道预留机制，即r t s c t s 接入。 1 基本接入的d c f 协议 基本的c s m a c a 协议只依靠两种技术来避免碰撞：载波侦听和随机退避。如 图1 - 1 - 1 ( a ) 所示。在开始发送数据包前，发送端先侦听信道是否空闲。如果信 道空闲，则经过一段帧问间隔d i f s ，数据包就直接发送；如果信道忙，则它再 随机选择一个退避值进行退避。退避值是b 倍的退避时隙，其中b 是一个从 0 ， c w 一1 中随机选择的一个整数，c w 是竞争窗口的大小。竞争窗口的初始值为 c w m i n ，如在8 0 2 1l b 8 中c w m i n 为3 2 。如果数据包正确接收，接收节点将等 待一个短帧间间隔s i f s 后发送a c k 包。如果a c k 在规定的时间内没有被接收， 发送节点就按相同的规则重新发送数据包。在每次重新发送时，竞争窗口c 1 j 翻 倍直到达到最大值1 0 2 4 。 为了减少由于隐藏终端带来的包碰撞，可以加大载波侦听范围。但是增大载 波侦听范围又加大了暴露终端的影响，从而减少了无线信道的空间利用率。另外 一种减少隐藏终端问题的技术是使用信道预留机制，即r t s c t s 接入。 无线局域网多速率和多信道m a c 协议研究 2 r t s c t s 接入的d c f 协议 如图1 - 1 1 ( b ) 所示，在发送数据包前，发送节点和接收节点交互r t s c t s 控制包。如果接收节点正确接收到r t s 控制包，它就回复c t s 控制包。邻居节点 收到r t s 或c t s 控制包就延迟数据传输。延迟的时间是由这些控制包中的相应的 时间域决定。如r t s 中的时间域长度等于a c k 定时器长度加上c t s 中指定的时问 域长度。c t s 中的时间域长度等于接收端所估计的数据传输结束的时间。这就是 所谓的虚拟载波侦听。 d i f s 广1s i f s 广1 卜l 刊d a t a 卜i 叫 a c k l ( a ) 基本接入 d i f s 厂_ s i f sr 1s i f s 广1s i f s 广1 | | 刊 r t sk 刊c t s | 刊d a t a f 刊 a c k i ) r t s c t s 接入 图卜1 一li e e e8 0 2 1 10 c f 接入协议 1 2 2l e e e8 0 2 1 1d o f 协议面临的问题及解决办法 当前的i e e e8 0 2 1 1d c f 协议只针对单速率单信道协议，没有考虑到无线信 道的一些特性，而且由于原有的单信道协议受限，其暴露终端问题特别严重。下 面我们主要介绍i e e e8 0 2 1 1 协议的两点不足及解决办法。 1 i e e e8 0 2 1 1d c f 协议未能考虑到无线信道的特性及其解决办法 由于无线信道特性十分复杂，如具有多径和多普勒效应等，从而使接收信号 高低起伏。在此情况下，如果m a c 协议未能很好地考虑这一特性，将使得网络吞 吐量比较低。比如在原有的i e e e8 0 2 1 1 协议中，传输速率是固定的，这就需要 接收端的信噪比固定大于一个某个阈值，这样才能保证接收端正确接收数据包。 但是此时如果信号由于衰落的影响而突然降低，则此时由于信噪比低于这个阈 值，造成传输中断，如果此时能降低传输速率或加大传输功率，就可以继续传输。 因此需要设计一个能适应无线信道变化的m a c 层协议，以提高无线网络的吞吐 量。目前已经提出一些自适应传输机制来增强网络的性能。这些自适应机制包括 4 第1 章无线局域网m a c 协议概论 速率自适应m a c 层协议，如a r f 2 和r b a r 3 。 速率自适应技术，是指在不同的信道条件下，选用适当的数据传输速率( 调 制方式) 来实现网络的最大吞吐量。在有线网络中，这种技术已经得到应用，同 时，人们正试图将这种技术应用于无线网络中。为了实现速率的自适应，两个方 面比较关键：信道质量估计和速率选择。信道质量估计是利用时变信道的状态来 估计未来信道的质量。速率选择是指选用哪个参数作为信道质量的预测来迸行最 佳速率的选择。人们通常通过设置门限的方法来实现速率的选择。 那在速率自适应m a c 协议中，进行速率选择的时间间隔是多少? 这里我们一 般基于每个数据包，因为信道的相干时间通常大于数据包传输时溯。比如，节点 的运动速度为l m s ( 3 6 k m h ) 一2 0 m s ( 7 2 k m h ) ，那么信道相干时间为 1 2 5 m s 与2 5 m s 。假如传输1 0 0 0 b y t e 的数据，传输速率为l b f b p s 。那么传输时间 大约为8 m s 。这说明即使在最低的传输速率下，在相干时问内至少可以传输一个 数据包。 另外，蜂窝网络中的速率自适应，只工作在物理层，那为什么速率自适应在 无线网络里要工作在m a c 层上昵? 传统的无线局域网采用分布式、基于竞争的媒 质接入协议，为了有效地工作，需要精确地知道数据包的传送时间，如虚拟载波 侦听机制。因此如果采用在物理层上链路自适应技术，那么对于m a c 层获取精确 的传送时间是很困难的，从而导致了m a c 层的无法正常工作。 2 单信道i e e e8 0 2 1 1m a c 的局限性及解决办法 在原有的i e e e8 0 2 11 m a c 协议中，暴露终端不能发起新的传输。隐藏终端 由于不能侦听到传输或者正确接收c t s ，可能发起新的传输，从而与当前的传输 发生碰撞。这就使得单信道m a c 协议的系统吞吐量随着网络中节点的数目的增加 而迅速下降。解决暴露终端的有效方法是在物理层引入定向天线 4 ，或使i e e e 8 0 2 1 lm a c 协议工作在多信道环境，如m i a c 5 和d c a 6 协议，从而允许多个 通信节点对同时发送数据，从而增强网络的吞吐量。本文主要介绍多信道的m a c 层协议。 在无线网络中使用多信道的主要优点是它可以使多个发送接收节点对在一 给定区域内同时传输。随机多址接入协议通过将不同的传输分配到互不重叠的时 间间隔来避免互相干扰。两多信道协议则通过将不同的传输分配到不同的信道和 时间上来减少碰撞，从而引入附加的一维来控制干扰，有效提高网络吞吐量。如 无线局域网多速牢和多信道m a c 协议研究 图1 - 1 - 2 所示，节点a 、c 和e 分别要发送数据给节点b 、d 和f ，并且假设节点 a 、c 、e 都可以各自侦听到对方。如果使用单信道，当节点a 正在传输时，节点 c 和e 会侦听到信道忙，然后退避并延迟发送数据。而如果此时有3 个空闲的信 道，则节点a 、c 和e 可以各自工作在一个信道上进行传输数据。 图1 - 1 - 2 多信道并行传输 1 2 3i e e e8 0 2 1 1 标准对多信道和多速率的支持 当前i e e e8 0 2 1 1 系列标准对多信道、多速率均有支持。目前常见的三个标 准：i e e e8 0 2 1 1 1 ，i e e e8 0 2 1 l a 7 和i e e e8 0 2 1 l b 8 。这些标准的不同点 只是物理层的传输技术不同。i e e e8 0 2 1 1 在2 4 g 上使用p s k 调制，然后再使 用c d m a 扩频技术。i e e e8 0 2 1 1 b 则使用c c k 调制方式，从而允许更高的传输速 率。i e e e8 0 2 1 l a 则使用o f d m 在5 g 上传输，数据率高达5 4 m b p s 。所有这些物 理层标准都支持多信道和多速率，如表卜卜1 所示。由于在i s m 频段上的射频干 扰，可用的正交信道数与实际可用的信道数不同。如i e e e8 0 2 1 l b 中的1 1 个正 交信道，只有信道1 ，6 和1 1 可以同时使用而不会产生互相干扰。类似地，i e e e 8 0 2 1 1 a 只有8 个可用信道。 表1 - 1 - 1i e e e8 0 2 11 系列标准的参数 标准频率( g h z )调制方式数据传输速率( m b p s )可用信道数 8 0 2 112 4p s k l ，2 3 8 0 2 1l b2 4c c k 1 ，2 ，5 5 ，11 3 8 0 2 11 a5o f d m 6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 8 6 第1 章无线局域阔m a c 协议概论 1 3 多速率m a c 协议综述 本节首先通过实验说明i e e e8 0 2 1 1d c f 在多速率网络中存在的性能异常问 题，然后综述目前多速率m a c 协议的研究情况主要对多速率m a c 协议的性能 分析和对多速率网络存在的性能异常问题的一些解决方法。 1 3 1i e e e8 0 2 ”在多速率网络中存在的问题 假如各个节点按照a r f 或者r b a r 这些速率自适应协议选择速率后，即在同 一个网络中存在多个不同速率时，这时就会出现性能异常( p e r f o r m a n c e a n o m a l y ) 9 。例如在i e e e8 0 2 1 1 b 系统里，节点a 和b 要传送资料到远端的服 务器上，而节点a 随着时间会慢慢地向外移动，如图1 - 2 - 1 所示。可以看见当节 点a 往外开始移动时，根据速率自适应m a c 协议，节点a 的传输速度将从1 1 m 调 整为1 m ，假设节点a 和b 所传输的数据包的大小不变，所以占用信道的时间长 度与自己的传输速度成反比，因此当节点a 的传输速度降低时，很明显地可以看 到占用信道的时间会拉长，但节点b 占用信道的时间并不改变。所以在相同的时 间长度t 里，原本节点a ，b 可以传送多个数据包，由于节点a 的传输速度降低使 得节点a 和b 仅能传送一个数据包，影响到整体系统的性能外，同时节点b 的性 能也恶化。 图i - 2 - i 多速率i e e e8 0 2 1 l b 性能异常 为了更清楚更直观地了解这种现象，我们做了以下实验：这里我们设定有节 点a 和节点b 各自传送2 m b p sc b r 到节点c 上，节点c 为接入节点，包长为 7 无线局域嘲多速率和多信道m a c 协 义研究 1 0 0 0 b y t e 。整个模拟过程约为6 0 秒，在0 2 0 秒内节点a 和节点b 的传送速度为 l1 m b p s ，2 0 4 0 秒节点a 的传输速度调整为1 m b p s ，4 0 秒以后节点a 已经离开， 此时剩下节点b 传送资料。在这个实验里，我们观察在节点c 上各收到节点a 、 b 的数据量。实验场景也是如图卜2 一l 所示。 我们仿真了在基本接入情况的多速率i e e e8 0 2 1 l 网络性能异常的情况，如 图1 - 2 - 2 所示。 岔 舍 善 与 呈 詈 2 舌 2 0 1 5 1 0 p e r f o r m a n c ea n o m a l yi nb a s i ca c c e s s 01 02 03 04 05 06 0 s i m u l a t i o nt i m e ( s e c o n d ) 图i - 2 - 2 基本接入情况下的性能异常情况 我们从上图可以看出，在0 2 0 秒节点a 和节点b 的传输速率为l1 m b p s ，此 时节点c 收到节点a 的数据率为2 m b p s ，收到节点b 的数据率为2 m b p s ，整个系 统的性能约为4 m b p s 。在2 0 一4 0 秒内，节点a 的传输速率降为i m b p s ，很明显地 看出节点a 的性能从原来的2 m b p s 降成约7 5 0 k b p s ，同时节点b 本身的传输速率 依然还在1 1 m b p s ，但是其性能从2 m b p s 也降为7 5 0 k b p s ，与节点a 的性能接近， 而整个系统的性能从4 m b p s 降为1 5 m p b s ，此现象就称为性能异常( p e r f o r m a n c e a n o m a l y ) 。在4 0 秒以后，少了节点a 的影响，节点b 的性能又恢复到2 m b p s 。 这是因为i e e e8 0 2 1 lm a c 协议保证每个节点公平接入信道，以至于速率慢 8 第l 章无线局域网m a c 协议概论 的节点占用信道时间比速率高的节点时间长，因此，总体性能就被恶化了。为了 更清楚地说明低速率节点对网络性能的影响，我们设置了如下场景，全部节点的 速率为ll m b p s ，只有一个节点分别是1 m b p s 、2 m l o p s 和5 5 m b p s ，而其余节点的速 率为l1 m b p s 。仿真参数也是采用i e e e8 0 2 1 1 b 的参数。实验结果如下图卜2 3 所示。 t h er e d u c t i o ni nt h r o u g h p u to fs t a t i o n st h a to p e r a t ea t11m p b s w h e no n es t a t i o no p e r a t e sa t1 。2a n d5 5 m p b si nb a s i ca c c e s 8 024681 01 21 41 61 82 02 22 42 6 2 83 0 3 2 n u m b e ro fs t a t i o n s 图卜2 3 多速率i e e e8 0 2 1 1 性能异常 从上图可以发现，随着节点个数的增加，吞吐量的差异越来越小。最大的差 异发生在网络中只有两个节点，其中一个节点以最高速率发送，另个节点以低 速率发送。说明低速率节点在高速率节点个数不多的情况下，对多速率网络的性 能影响很大。 1 3 2 目前的研究情况 目前研究多速率网络主要有两种方法，一种是建立多速率m a e 协议的数学模 型，分析对多速率网络的性能产生影响的因素；另一种是提出一些方法去解决多 速率i e e e8 0 2 1 1d c f 存在的性能异常问题。 目前很多文献已经分析了i e e e8 0 2 1lm a c 协议的性能，g i u s e p p e 9 5 o 5 0 5 o 5 0 5 o 5 o 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 q 一q口z一1了qcor、o1cj-co；彤ir、节 无线局域两多速率和多信道m a c 协议研究 b i a n c h i 1 1 首次引入m a r k o v 链分析节点的退避行为，并分析了在无错误信道上 的单速率无重传次数限制的m a c 协议性能。但是这不是很准确，因为i e e e8 0 2 儿 d c f 规定了最大重传次数，即超过重传次数的节点将会发起重新传输。在文献 1 2 ，研究人员分析了在最大重传次数限制下单速率m a c 协议性能。但是， 1 2 没有考虑信道出错的情况。文献 1 3 研究了在最大重传次数限制的情况下，单速 率m a c 协议在错误信道情况下的性能。d ar u it h e n 1 4 分析了多速率m a c 协议 在无最大重传次数限制和无错误信道下的性能。文献 1 5 分析了在无最大重传次 数限制的情况下多速率m a c 协议经过高斯信道的性能。但是文献 1 5 的方法太过 复杂，它引入三维m a r k o v 链。本文则利用文献 1 1 引入的二维m a r k o v 链来分析 在最大重传次数限制的情况下多速率m a c 协议经过高斯信道和衰落信道的性能。 由于i e e e8 0 2 11m a c 协议在多速率网络中存在性能异常，因此目前很多学 者都试图设计多速率m a c 协议来增强网络的性能。常见的改进多速率m a c 协议的 性能方法主要有：i ) 改变包长 1 6 ，高速率的节点传输的包大一些，低速率的节 点传输的包小一些；i i ) 改变退避窗口大小 1 7 ，高速率的节点的竞争窗口小一 些，低速率的节点竞争窗口大一些；i i i ) 改变帧问间隔 1 8 ，高速率的节点的帧 间间隔短一些，让低速率的节点的帧间间隔长一些。所有这些办法不能很好地增 强多速率网络的性能。本文则提出一种基于碰撞避免的多速率m a c 协议 ( c o l l i s i o na v o i d a n c em u l t i - r a t em a c ，c a m r - m a c ) ，它的基本思想源于轮询的 方法，由当前发送节点根据某种策略指定下一个节点发送，从而在传输节点间完 全不存在碰撞。这种选择策略是根据节点的速率在网络中存在的比例来选择下一 个发送节点，从而使高速率节点以较大的概率被指定发送，低速率节点则以较小 的概率被指定发送，最终使网络的性能得以大幅度的提高并使各个节点达到较好 的时间公平性。 1 4 多信道m a c 协议综述 1 4 1 多信道协a c 协议存在的问题 尽管多信道m a c 协议相比单信道m a c 协议，有效提高网络的吞吐量。但是它 在设计中也面临的种种问题，下面我们举个例子逐一对这些问题进行说明。 考虑一个场景 6 ，有任意个节点，n 个信道，每个节点具有一个半双工的 l o 第l 章无线局域网m a c 协议概论 i n t e r f a c e 。每个节点分配的信道号是采用静态分配的，即一旦节点i d 号确定下 来，按照i dm o dn 就可以得到该节点所分配的信道号。当节点x 需要给节点y 发送数据包时，它就把自己的信道号切换到节点y 的信道号上。 从这里我们可以看出，由于各个节点在任意时刻只能停留在一个信道上，所 以这就使得节点“变聋”的机会很大。所以会使隐藏终端变得更多，暴露终端变 得更少。 1 节点变聋 如图1 3 1 所示，节点b 要给节点c 发送数据，因此把自己的信道切换到信 道3 与节点c 进行通信。然后节点a 要与节点b 通信，并在信道2 上发送r t s 给 节点b ，由于节点b 正忙于发送数据包给节点c ，因此节点b 就接收不到节点a 发送的r t s ，因此节点a 一直重传r t s ，直到传输失败。这就会导致广播风暴。 图1 - 3 - 1 节点变聋 2 隐藏终端问题 如图1 - 3 - 2 所示，节点b 与节点c 在信道3 上进行通信，然后节点d 与节点 c 进行通信，这样就会造成数据包在节点e 上产生碰撞。甚至如果节点e 也是分 配到信道3 的话，那么节点d 要给节点e 发送数据，也会在节点c 产生碰撞。这 就加剧了隐藏终端的影响。 3 暴露终端问题 图1 - 3 - 2 隐藏终端问题 无线局域网多速率和多信道t v l a c 协 义研究 如图1 3 3 所示，节点a 与节点b 在信道2 上进行通信，虽然节点c 也听 、j 叫。“1 几2 厂、厂、厂、 b a ( i ) r t s 2 。 c ( 4 ) r t s 3 。 d r h = ( 2 ) c t s 2 r h = l c h = 2c h = 3 。“、。“1 图卜3 - 3 暴露终端问题 到a 的r t s ，但是c 仍然能在信道3 上与节点d 进行通信。这就减弱了暴露终 端的影响。 4 死锁问题 如图卜3 4 所示，每个节点都想要向下一节点发送数据。由于每个节点都处 于发送模式，因此这些r t s 都会被丢弃。 1 4 2 目前的研究情况 图卜3 - 4 死锁问题 现有的多信道m a c 协议主要分为三类：i ) 物理层采用基于跳频扩展频谱技术 ( f h s s m a ) ，m a c 协议的重点是确定相应的频率时隙给数据传输；i i ) 基于专用控 制信道的多信道m a c 层协议：i i i ) 无专门控制信道的多信道m a c 层协议。 1 物理层使用f h s s m a 在美国，f h s s m a 在2 4 g h z 频段上提供7 9 个信道频率，频率间隔为1 m h z 。 总共三中不同的跳频序列集合，其中每个集合有2 6 个跳频序列。在给定的自组 网中，所有的终端必须使用相同的跳频序列。可是，多个跳频序列的使用使多个 1 2 第1 章无线局域网m a c 协议概论 系统或网络能够同时存在。 很多已经提出的m a c 协议是基于慢跳频。所谓慢跳频是指跳频速率比数据包 的传输次数短 1 9 2 2 。这类协议的一般原理是让所有节点在公共的跳频序列上 侦听。为了发送数据，节点就在当前的跳频序列交换控制包。假如这次握手成功， 他们就使用相同的频率通信。其他节点继续跳频，而通信节点在数据包传输完成 后，就同步到公共的跳频序列上。这些协议的优点是不需要载波侦听也不需要分 配码字。跳频预约多址接入( h r m a ) 1 9 在发送数据包前，使用传统的r t s 和c t s 握手。接收端发起的碰撞避免( r i c h ) 2 0 和带有双轮询的接收端发起的碰撞避免 协议( r i c h - d p ) 2 1 使用接收端发起用r e a d y - t o r e c e i v e ( r t r ) 包轮询。带有训 练的跳频接入协议( c h a t ) 增强了控制包的握手，从而让数据包、多包和广播包无 冲突地传输。这些协议都实现在具有跳频接收的节点上。 2 基于专门控制信道的多信道m a c 协议 许多多信道m a c 机制使用独立的信道发送控制包，如r t s 和c t s ，而更多的 信道用于传输数据和确认包，如d a t a 和a c k 。在 ) c a ( d y n a m i cc h a n n e l a s s i g n m e n t ) 6 中，总的带宽分成一个控制信道和n 个数据信道。每个数据信道 具有相同的带宽。控制信道的目的是解决数据信道上的竞争，并把数据信道分配 给节点。每个节点都具有两个半双工的收发器。其中一个是专门工作在控制信道 上，而另一个则动态地切换数据信道以传输数据包和确认包。而在文献 5 ，所 提出的m m a c ( m u l t i c h a n n e lm a c ) 中，每个节点只有一个半双工的收发器，但需 要节点同步，在传输过程中，节点周期性地发送b e a c o n 帧，把时间划分成信标 问隔。在每个信标间隔包括a t i m 窗和数据传输，a t i m 窗口也是专门用于控制包 的交互，与d c a 的控制网卡的功能类似。 3 无专门控制信道的多信道m a c 协议 与那些使用专门信道的多信道m a c 协议不同，无专门控制信道的多信道m a c 协议通过灵活地分配信道来进行r t s c t s d a t a a c k 来减少碰撞。i n t e r l e a v e d c s m a ( i c s m a ) 2 3 和j a m m i n g b a s e dm a c ( j m a c ) 2 4 就是使用这种机制，把整个 带宽分成两个信道，并且分别为每个信道配置一张半双工的网卡。在i c s m a 2 3 中，节点允许在每个信道上发起传输。发送节点在其中一个信道上传送r t s 和 d a t a ，而接收节点在另一个信道上回复传输c t s 和a c k 。这种机制支持两个节点 间的同时传输。在j m a c 2 4 中，带宽也是划分成两个信道：s 信道和r 信道。r t s 无线局域网多速率和多信道m a c 协议研究 和d a t a 在r 信道上传输，而c t s 和a c k 在s 信道上传输。当发送节点在r 信道 上正在等待或接收c t s a c k 时，它就在s 信道上发送拥塞信号。对于接收节点， 当它正在s 信道上等待或接收d a t a 时，它就扰乱r 信道以阻止邻居节点s 信道 上发送r t s 。拥塞信号应具有足够的能量使无线媒质变忙。 1 5 本文的主要工作及创新点 本文的主要内容分为两大部分：多速率i e e e8 0 2 1 lm a c 的性能分析及协议 改进与基于专用控制的多信道m a c 的性能分析及协议改进。本文的章节安排如 下：第2 章分析了多速率i e e e8 0 2 1 1 网络在高斯信道和衰落信道下的性能情况， 并且讨论了r t s t h r e s h o l d 对多速率网络性能的影响。第3 章主要是针对i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议在多速率网络中存在的性能异常情况提出解决方案，首先通过 实验分析了现有几种解决方案的性能，然后提出一种新的基于碰撞避免的多速率 m a c 协议( c a m r m a c ) ，实验表明新的解决方案极大提高了多速率网络的吞吐量并 很好地保证了网络中节点的时间公平性。第4 章主要是针对基于专用控制信道的 多信道m a c 协议，首先介绍两种经典的基于专用控制信道的多信道m a c 协议：m m a c 和d c a 。接着以d c a 为例子，对这类协议建立相应的数学模型并通过仿真验证该 模型。然后针对这类协议在控制信道上的碰撞，会引起数据信道利用率的下降这 一缺点，提出使用自适应竞争窗口机制的d c a ( a w d c a ) 协议，有效地降低了控制 信道的碰撞，从而使网络的性能有较大的提高。最后再提出一种基于碰撞避免的 多信道m a c 协议( c a - d c a ) ，通过仿真表明，c a - d c a 相对a w d c a 进一步提高了网 络的吞吐量。第5 章主要是总结了本文的主要工作，然后指出今后的研究方向。 本文主要有六个创新点： ( 1 ) 分析了多速率i e e e8 0 2 i im a c 在高斯信道下的性能情况； ( 2 ) 分析了多速率i e e e8 0 2 1 1m a c 在衰落信道下的性能情况： ( 3 ) 分析了r t s t h r e s h o l d 对多速率i e e e8 0 2 1 1m a c 层性能的影响； ( 4 ) 将自适应窗口调整机制应用到多速率i e e e8 0 2 1 1m a c 层性能研究中； ( 5 ) 提出了一种基于碰撞避免的多速