（通信与信息系统专业论文）mesh网中的mac协议研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 作为无线自组织( a dh o e ) 网络的成员之一，无线m e s h 网是一种与传统 的无线网完全不同的网络在无线m e s h 网中，每个节点都可以与一个或者多 个节点进行直接通信，而不需要通过基站中转与传统的无线网络相比，无线 m e s h 网除了具有自组网、自动修复、自我平衡和自我管理等智能优势外，最大 的优点是支持多跳通信，而且能提供更大的覆盖范围和更高的数据传输速率。 在无线m e s h 网络中，由于多个节点需要共享无线信道，所以作为协调多 个节点访问共享信道的介质访问控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 机制就成 为无线m e s h 网络的关键技术之一m a c 机制的性能不仅会影响到无线信道资 源的利用率、节点利用无线信道的公平性，而且还会影响网络层和传输层协议 的性能同时它也是无线m e s h 网络支持服务质量的关键然而，由于无线m e s h 网络自身的一些特点，如分布式结构、带宽资源有限、网络拓扑频繁变化等等， 使得研究高效、公平、支持q o s 的m a c 机制面临很大的挑战 本文首先对无线m e s h 网络进行了系统的介绍，然后分别介绍了a d h o e 网 络中的支持q o $ 的m a c 协议和无线m e s h 网络中的支持q o s 的m a c 协议， 并对这些m a c 协议进行性能分析本文的核心内容是，针对目前已有的m a c 协议无法支持多业务且不能保证业务服务质量要求的缺陷，提出了一种新的用 于无线m e s h 网络的支持q o s 的m a c 协议带抢占的无线分布式m a c ( w d m p c ，w i r e l e s sd i s t r i b u t e dm a cp r o t o c o lw i t hc o n t e n t i o n ) 协议，并对 w d m p c 协议的性能进行了仿真分析理论和仿真分析表明，w d m p c 协议给 有服务质量要求的业务提供了带宽和延迟的保证 关键字l 无线自组织网络，无线m e s h 网络，m a c 协议，服务质量 重送坚皇盔堂堡主鲨塞 堑墨 a b s t r a c t a sam e m b e ro fa dh o cn o t w o r k s , t h em e s hn e t w o r ki sd i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s i nt h em e s hn e t w o r k , t h ed a t ai se x c h a n g e db yu s i n g n o d e st h e m s e l v e s ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tm e r i ti ns u c hw i r e l e s sn e t w o r k , i n s t e a do ft h eb s ( b a s es t a t i o n ) m a n yi n t e l l i g e n tf u n c t i o n sa r es u p p o r t e db yt h e m e s hn e t w o r k , s u c ha ss e l f - o r g a n i z a t i o n , a u t o - c o n f i g u r a t i o na n ds c l f - h e a l i n g a n d , t h eg r e a t e s ta d v a n t a g eo ft h em e s hn e t w o r ki sm u l t i - b o pt r a n s m i s s i o nw h i c hc a n e x t e n dt h ec o v e r a g ea r e aa n di n c r e a s et h ed a t at r a n s f e rr a t e i ti sw e l lk n o w nt h a tt h em a c c d i 啪a c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c o lp l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l eo nl i n ku t i l i z a t i o na n df a i r n e s si s s u e ，a n dt h ep e r f ；o r m a n c oo fi tc o u l d i n f l u e n c eb o t hn e t w o r kl a y e ra n dt r a n s p o r tl a y e ri no s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) r e f e r e n c em o d e li nm e s hn e t w o r k s ，m a cm e c h a n i s ms h o u l db ei n e r tc o m p l i c a t e d b o o a u $ eo ft h ed i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e , t h el i m i t e db a n d 耐d t ha n dt h ef r e q u e n t l y c h a n g e dn e t w o r kt o p o l o g y t h e s eo p e np r o b l e m s m o t i v a t e du st oc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v es t u d yi no u rt h e s i s f i r s t l y , w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h em e s hn e t w o r k a n dt h e n , t h ee x i s t i n g q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) m a cp r o t o c o l sa r ep r e s e n t e db o t hi na d h o en e t w o r ka n d m e s hn e t w o r k a f t e rt h i s 。w ep r o p o s e dan e wq o s 眦p r o t o c o lf o rs u p p o r t i n g m u l t i - s e r v i c e sn a m e dw d m 吧c ( w i r e l e s sd i s t n b u t e dm a cp r o t o c o lw i t h c o n t e n t i o n ) ，w h i c hi st h ek e yp o i n to f t h i st h e s i s t h ed e t a i li sg i v e ni nc h a p t e r5o f o u rt h e s i s f o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n , w es i m u l a t et h en e wm a c p r o t o c o lb y u s i n gn s 2 t b es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a to u rp r o t o c o l c a ng u a r a n t e et h e b a n d w i d t ha n dd e 埘e f f e c t i v e l y k e y w o r d ：a dh e cn e t w o r k s , m e s hn e t w o r k s ，m e d i u ma c c e 鹳c o n t r o lq i a q ， q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭整血太堂或其 他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作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：钥翌荔 签字日期：汐p 占年厂月1 日 学位论文 版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖塑电太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅本人授权 重废整电太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；调遣菇 导师签名： 聊a 弋 签字日期：聊6 年r 月加日签字日期：，z 磊f 月z 日 蔓鏖坚皇盔竺堡主堡茎苤= 雯笙鲨 1 1 引言 第一章绪论 无线网状网络，又称为无线m e s h 网络，是由若干无线m e s h 路由器互连而 成的多跳无线网络不同于传统蜂窝无线网络，无线m e s h 网络通过无线m e s h 路由器来实现多跳无线接入，能覆盖更广的范围，避免无线覆盖的盲区，具有 更大的灵活性和健壮性同时，由于无线m e s h 网络具有t l 组织的特点，扩容 方便，只需增加相应的无线m e s h 路由器节点，便可为更多用户提供无线接入， 而且无线m e s h 网络可以提供远比现有蜂窝无线网络更大的带宽无线m e s h 网 络在环境检测和保护、智能交通、智能小区、信息家电、企事业网络等领域， 具有广阔的应用前景和巨大的市场空间 目前，许多国际大公司正加紧无线m e s h 网络相关产品的研发，典型的有 m o t o r o l a 、n o r t e l 、t r o p o s 、f i r e t i d e 等，并推出了无线m e s h 网络的第一代产品 已有的无线m e s h 网络路由器产品主要有n o r t e l 公司的n o r t e l5 0 0 0 、t r o p o s 公司 的t r o p o s5 2 1 0 、f i r c t i d e 公司的h o t p o r t3 2 0 0 作为第一代的无线m e s h 网络路由 器这些产品的共同特点是主要面向数据应用，而不支持语音和图像业务的传送 这在较大程度上限制了m e s h 网络产品的应用推广为了有效支持语音和图像业 务的传送，无线m e s h 网络必须提供带宽、延时等服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证m a c 机制是无线m e s h 网中较为关键的技术，本论文重点研究 无线m e s h 网络中的m a c 机制。 目前无线网络的m a c 层一般采用i e e e 8 0 2 1 1 协议，此协议在m a c 层主要 采用分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和混合协同功能 ( h c f ，h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 两种机制，此两种机制都无法支持业务的 q o s 要求针对以上问题，i e e e 8 0 2 1 1 工作组制订了8 0 2 1 lm a c 协议的增强机 制，也称为8 0 2 1 l e i e e e 8 0 2 1 l e 在m a c 层采用增强型分布式协同( e d 疆， e n h a n c o dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和h c f 两种机制。h c f 是以e d c f 为 基础的它兼容了8 0 2 1 1 中的超帧的概念超帧分成无竞争阶段( a m ， c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 和竞争阶段( c p ，c o n t e n t i o np e r i o d ) 两部分e d c f 只 适用于c t 阶段由于a dh o c 网络无中心的特点，h c f 并不适合a dh o e 网络， 只能通过使用e d c f 可以达到m a c 层的业务区分的目的i e e e 8 0 2 1 l e 不支持 多跳服务为了解决上述问题，也为了能更好的运用于无线m e s h 网络，i e e e 提出了i e e e 8 0 2 1 l s 协议，i e e e 8 0 2 1 l s 是目前较为可行的无线m e s h 网中的m a c 重鏖堕皇盔竺塑主望塞蔓= 童缝鲨 协议 但是i e e e 8 0 2 1 l s 无法支持多业务且不能保证业务的q o s 要求。本文针对 i e e e 8 0 2 1 l s 的这些缺点，对i e e e 8 0 2 1 l s 做出了改进，提出了一种新的用于无 线m e s h 网络的q o sm a 卜带抢占的无线分布式m a c ( w d m p c ，w i r e l e s s d i s t r i b u t e dm a cp r o t o c o lw i t hc o n t e n t i o n ) 协议通过仿真分析可以看出， w d m p c 协议不仅能支持多业务，而且能保证业务的q o s 要求 1 2 课题简介 本文的研究内容属于华为公司委托重庆邮电大学光互联网及无线信息网络 研究中心开发的无线网状网q o s 研究( 厶同登记编号；y b x r 2 0 0 5 0 0 1 ) 项目。 本项目的研究目的是提出在无线m e s h 网络中提供q o s 保证的方案，主要是从 如下几个方面来实现q o s 保证。提供q o s 保证的网络体系结构，提供q o s 保 证的m a c 协议，提供q o s 保证的路由协议，以及提供q o s 保证的传输层和应 用层策略本人在本项目中主要负责无线m e s h 网络的q o sm a c 协议的研究。 1 3 论文内容及结构 本论文的主要工作包括： 1 简要介绍无线m e s h 网络的特点、关键技术以及应用前景 2 详细研究分析了现有的a dh o e 网络中的支持q o s 的m a c 协议 3 详细研究分析了现有无线m e s h 网络中的支持q o s 的m a c 协议 4 提出了一种新的无线m e s h 网络中支持q o s 的m a c 协议 5 通过n s 仿真工具对所提出的m a c 协议进行了性能分析 6 提出下一步的工作 本文的章节安排是： 第一章绪论，介绍了课题背景 第二章介绍无线m e s h 网络的特点、关键技术以及应用前景 第三章对现有a d h o e 网络中的支持q o s 的m a c 协议进行了阐述和分析 第四章对现有的无线m e s h 网络中的支持q o s 的m a c 协议进行了阐述和 分析 第五章在以上分析的基础上，提出了一种新的用于无线m e s h 网络的支持 q o s 的m a c 机制w d m p c 协议，并在此章节中做详细的阐述 然后用n s 仿真工具对所提出的新m a c 协议进行了仿真分析，并 给出了仿真结果 2 第六章总结了本文所作的工作，并提出了进一步的工作 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络简介 第二章无线m e s h 网络简介 随着科技的发展和社会的进步，无线网络正在快速发展，与此同时，用户 对带宽和传输的可靠性要求越来越高，传统的基于星形的“点到点”或。点到 多点”的单跳无线技术表现出通信距离短、要求直视、存在盲区以及链路带宽 随着距离增加而降低等固有的局限性无线m e s h 网络的出现在很大程度上解 决了这一问题 作为无线自组织网络的成员之一，无线m e s h 网络u - 3 1 是一种与传统的无线 网络完全不同的网络传统的无线网络必须首先访问基站才能进行无线连接 这样的话，即使两个节点实际上就是互相挨着，它们也必须通过基站中转才能 进行通信而在无线m e s h 网络中，每个节点都可以与多个节点进行直接通信 “m e s h ”这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，当然实际上绝大多 数现代的无线m e s h 网络只是通过部分节点相互连接 目前，无线m e s h 网络技术由于其支持多跳连接、覆盖范围广以及数据传 输速率高等特点，已经被业内人士普遍认为是无线网络技术的一个发展方向 2 1 无线m e s h 网络的特点 无线m e s h 网络除了具有无线自组织网络的自我管理、自动修复和自我平衡 等智能优势外，无线m e s h 网络还有如下特点： 1 ) 支持多跳连接，对于传统的采用星型等方式连接的无线网络，往往单个 故障就可以轻易使局部甚至整个网络瘫痪而无线m e s h 网络是多跳连 接系统，提供从源头到目的地的多条冗余通信路径如果一条路径由于 硬件故障或干扰而停止工作，无线m e s h 会自动改变信息包中的路由信 息，使它们能够利用一条未受影响的替代路径 2 ) 低功率：无线m e s h 网络能使数据经由多个节点进行转发，从而使付出 的功率代价最小例如对于一个使用电池供电的便携式电脑，假如通过 g p r s 卡与几公里外的蜂窝基站进行连接的话，电池可能没有足够的电 量来维持连续的工作；但如果是无线m e s h 网络，这些电量就足够使电 脑通过仅几步远的蓝牙节点与其他站点进行通信 3 ) 可靠性强：无线m e s h 系统具有自我调节和自愈特性如果某个接入点 或节点发生故障，无线m e s h 系统可绕过这些故障，从而确保用户不受 影响此外。无线m e s h 系统通常可以自我调节，无需人工干预就可取 里鏖堡皇盔竺堡圭堡塞蔓三童玉垡坠! 旦塑笪尘 得最佳的性能，因此无线m e s h 网络可始终如一地以最佳性能运行 4 ) 可伸缩性强：无线m e s h 网络系统比其他网络系统具有更好的可伸缩性 如果一位r r 经理决定需要增加覆盖区域，或在已有区域增加覆盖密度， 只需向已有网络添加接入点或节点，接通节点的电源，然后进行网络配 置，无线m e s h 网络就可开始运行了 5 ) 高冗余度和可扩充性：在无线m e s h 网络中，冗余度基本上是节点密度 的函数在网络设计上，增加节点以增强可靠性为目的，所以每种装置 都有一条或几条传送数据的路径无线m e s h 网络的扩充性，体现在它 能控制数百个乃至数千个节点。 2 2 无线m e s h 网络中的关键技术 无线m e s h 网络有如下关键技术； 1 ) m a c 层 无线m e s h 网络分布式的特点希望相应的m a c 机制能够分布实施、同时能 有效的解决无线m e s h 网络的隐藏终端和暴露终端问题，并能充分利用无线信道 的带宽资源同时。为了给整个无线m e s h 网络提供q o s 保证，要求m a c 机制 具有业务区分和，或资源预留的能力由于无线m e s h 网络的信道资源由多节点共 享，以及节点的移动性。使得满足上述要求的m a c 机制的实现具有很大的难度， 虽然人们在这方面已有一些研究，但结果并不理想作为本论文的研究重点，本 文将在第三章对无线m e s h 网络中的支持k s 的m a c 机制作进一步的阐述 2 ) 网络层 网络层需要考虑的因素，珀兼容；性能指标；q o s ) 对链路故障的容错能力i 负载平衡；可伸缩性；对网状路由器和客户机的自适应支持 目前，路由协议的研究仍是无线m e s h 网络的研究热点之一。已有路由协议 主要包括以下几类t 2 6 - 船 z 多无线电路由，此类协议主要是为路由协议设计一个新 的网络性能指标加权累积期望传输时间w c e t t ( w e i g h t e c ic u m u l a t i v e e x p c c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e ) ，同时考虑链路质量指标和最小跳数；多路径路由， 此类路由主要是支持负载均衡和容错；层次路由，此类协议采用一定自组织模式 把网络节点分成簇，每个簇有一个或多个簇头，簇内路由和簇问路由可能使用不 同机制；地理路由，此类路由在转发分组时仅使用邻近节点和目的节点的位置信 息 3 ) 传输层 到目前为止还没有专门为无线m e s h 网络设计的传输协议。 4 ) 服务质量q o s 重壁煎皇盔堂壁堡塞箩三章无线m e s h 网络简介 在无线m e s h 网络中，无线链路的带宽相对较低，移动节点的资源相对有限， 并且网络拓扑结构动态变化，因此，如何合理、有效地利用网络资源，获得更好 的网络性能，从而为语音、视频等多媒体业务提供保障，就成为一个研究热点 无线m e s h 网络提供q o s 保证可以通过采用提供q o s 保证的网络体系结构、提 供q o s 保证的m a c 协议、提供q o s 保证的路由协议、以及提供q o s 保证的传 输层和应用层等方法实现本文将重点介绍通过提供q o s 保证的m a c 机制来为 无线m e s h 网络提供q o s 保证 2 3 无线m e s h 网络的应用 目前，无线m e s h 网络在美国、英国等地已经得到商用它在国内的市场推 广工作也在一步步地展开无线m e s h 网络的应用前景很广泛，总结如下： 1 ) 突发事件现场应急指挥网络：无线m e s h 网络可以提供移动宽带和灵活 的自组网通信，在重大事件或重要活动的现场，它能够迅速建立无线网 络，可以实现现场指挥官和外警人员之间的数据、语音、实时视频通信， 并能够对外警人员精确定位，将现场的酝面和数据实时回传给指挥中心， 以此作为现场决策的重要依据 2 ) 移动应急指挥网络；目前的无线调度网络使用的是数字集群或模拟集群 网络，只能保障语音通信，即便是国内引入的t e t r a 数字集群网络，也只 能传输最大2 8 8 勋p s 的低速数据，无法解决公安、交警、城管人员将现 场实时图像传给总部，或者在办案过程中调用总部数据库核查数据的需 求无线m e s h 网络恰好可以填补宽带数据传输的空白，为公安、交通、 城管、医疗救护的人员及车辆提供移动数据库调度、车载视频监控、车 辆从员定位、移动指挥车等业务需求 3 ) 铁路、地铁视频应用t 对地铁月台的监控已经基本得到实现，但随着铁 路、地铁系统对安全运营的进一步重视，地铁、城铁、列车行驶中车厢 内的视频监控成为新的需求在这种情况下无线m e s h 网络可以做到 一网多用。首先它可以解决铁路、地铁的安全运载问题，实现行驶列车 车厢内的视频监控其次还可以为乘客提供高速移动状态下的多媒体服 务、定位服务如在城铁、地铁、火车上为乘客提供网络电视、高速网 络互动、到站提示、车辆定位、实时影视等各类服务 4 ) 3 d 定位服务：无线m e s h 网络支持独立于g p s 的三维定位，可以用x 、 y 、z 坐标表示定位，也可以用经度、纬度、海拔表示定位对于时速 2 0 0 公里的车辆，定位精度小于1 0 m ，可以为公共安全相关客户、邮政、 快递公司、民航、保险业、租车公司、旅游公司等提供精确定位服务 6 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络简介 5 ) 大型赛事的网络应用：在大型赛事中，于任何时间、任何地点、享受任 何形式的信息服务是一个基本需求对此，虽然3 g 可以为用户提供各 类宽带服务，但对于从世界各地临时参加奥运会人员来讲，国际漫游或 临时购买本地号码都是不经济、不方便的解决手段。 6 ) 满足运营商的需求；新兴( 或小型) 的运营商面临的主要问题是如何利 用较少的网络资源提供最有特色的增值服务相对而言，无线m e s h 网 络的建网成本远远低于g s m 、c d m a 、3 g 它的应用非常灵活，并且 还有更多的无线电子商务、电子政务、智能交通的应用正在进一步的开 发当中因此，无线m e s h 网络可以为国内的新兴( 或小型) 的运营商、 无线i s p 提供为一些新的机遇，使他们能为特定的市场开展多种无线增 值服务 综上所述，无线m e s h 网络目前在国外已经得到了商用，它在国内的市场推 广工作也在逐渐地展开在未来几年内，随着更多类型的终端如w i - f ip d a 、 w i - f i 手机的广泛应用，可以兼容w i - f i 技术的无线m e s h 网络技术也会得到广 泛的普及，并且特别适合于为大型赛事的相关人员提供不同级别、多层次、个性 化的服务 7 第三章a d h o c 网络中q o sm a c 协议研究 移动a dh o c 网络 4 - 7 1 是一种分布式无线分组网络，网络由具有无线收发装 置的终端设备组成区别于传统的无线网络，移动a dh o c 网络是没有基础设施 的无线网络由于没有控制中心来调度、转发信息，每个无线设备既是终端， 又是路由器，不在彼此覆盖范围内的无线设备之间的通信是通过中问结点的转 发来完成的 移动a dh o c 网络具有组网灵活、分布实施、抗毁能力强、可快速组网等特 点，可用于野战通信、公安、紧急搜救、会议会场等，也可作为已有无线、有 线网络的多跳扩展，以扩展它们的覆盖范围因此，移动a d h o e 网络具有广阔 的应用前景，已成为国内外的一个研究热点 在移动a d h o c 网络中，由于无线信道是由多个节点共享，因而用于协调多 个节点访问共享信道的介质访问控制( m a c ) 机制就成为移动a dh o c 网络的 关键技术之一m a c 机制的性能会影响到无线信道资源的利用率、节点利用无 线信道的公平性，同时还会影响网络层和传输层协议的性能，也是移动a dh o e 网络支持q o s 的关键但是，由于移动a dh o e 网络自身的一些特点，如存在 隐藏终端爆露终端问题、网络拓扑频繁变化等等，使得研究q o sm a c 机制面 临很大的挑战 目前。已有的a d h o c 网络中的q o sm a c 协议有如下几种；d c c 舯j 协议、 p s d c c 0 0 1 协议、凹叫协议、f p p p 【1 2 1 协议、b b t l 3 1 协议、c s m a i d l 1 5 1 协议和 e d c f t l 氐1 7 - 1 叼协议下面我们对这些协议逐一进行分析 3 1d c c 协议 分布式竞争控制协议( d c c ，d i s t r i b u t e dc o n t e n t i o nc o n t r 0 1 ) ，如图3 1 所 示，它的特点是在标准接入机制和物理层之间添加了一个过滤器过滤器的功 能是使有数据发送的站点以概率尸，研专输概率) 进行数据传输，以概率1 - p t 延 迟数据传输 里区堕皇丕竺堡主堡塞墨三堡垒! ! 塑旦堑垒! ! ! 竖丝堡堡塞 图3 1d c c 协议 d c c 协议详细描述如下； 在d c c 中，我们引入了配( 时隙使用率) 的概念，珥表示当前信道的使 用情况。每个站点在回退阶段保持和更新以值以属于【0 ，l 】，其中0 表示在 本次回退时问内信道一直处于空闲状态，l 表示在本次回退时间内信道一直处 于忙状态；珥分布在【o ，l 】中，并且与网络竞争水平成正比珥的计算公式如 下所示； o 以= 导o 1 】 0 4 其中岛为在本次回退时间内，信道上出现的传输尝试的次数，为本次回 退时间所占的时隙数 在d c c 机制中，竞争站点在评估了c 值后，会根据以的值计算传输概率 p i ，并以概率户，进行本次数据传输，以概率1 只延迟本次数据传输只的一般 计算公式如下所示； 只( 以) = 1 - 以 从上式可以看出，如果以值很高，则会导致p f 值很低，就会使下一次的 珥的值变小；而低以将会得到高的p 值，会导致下一次的以值变高所以用 上式计算p ，值，会导致系统的配值在o 和l 间抖动，且没有使用信道为了避 免这种抖动，所以采用如下式子计算p f 值； 露似，虬) = l 一以心 其中飓表示：此帧已执行的尝试，包括本次传输尝试 由于以上p i 的值只和信道利用率以及本次数据传输的传输次数有关，所以 无法支持业务的q o s 要求 为了支持业务的q o s 要求即为不同优先级的业务提供不同的接入信道的 9 重庆邮电大学硕士论文 第三章a d h o c 网络中q o sm a c 协议研究 b 值，我们采用如下公式计算p f 值： 忍( ，口，毋) = l 一以。4 其中p ，为表示业务的优先级，通常把一映射成由应用层定义的t o s ( t y p e o f s e r v i c e ，服务类型) 的值 从d c c 的工作机制来看，d c c 协议具有如下优点：通过以概率一传输数 据可以减少竞争概率、冲突概率和拥塞概率；d c c 可以在已存在的接入机制上 执行，且不会引入附加的开销；简单，状态稳定，可以和标准的接入机制兼容i 完全分布式；信道利用率高；在网络拥塞的情况下，提高对网络变化的反应速 度：拥塞恢复速度快d c c 协议的不足之处是未考虑隐藏终端问题 3 2p s d c c 协议 节能的分布式竞争控制协议( p s - d c c ，p o w e rs a v ed i s t r i b u t e dc o n t e n t i o n c o n t r 0 1 ) ，是对d c c 协议的改进p s - d c c 可用从节能的角度提高i e e e s 0 2 1 1 d c f 协议的性能，p s - d c c 的能量消耗水平接近最优能量消耗水平且信道使 用率接近i e e e s 0 2 1 1 协议的理论上限值。 在p s - d c c 协议中，时隙使用率计算公式如下所示： 以= l 一( 1 一) = 一薹) 锄r m 其中m 为当前处于活跃状态的站点的数量，腑为p 的最优值，站点用参 数p 从几何分布中选择回退问隔，p f f i 必五p 】+ 1 ) 捌珂为站点自身的平均回 退时间 p s - d c c 和d c c 协议的不同之处是对传输概率只的计算不同，如下所示： 只双，圯，p 。) - 1 - m i n ( 1 ，历r l _ 4 “懈，肼( 吩 其中，乃表示当前网络的负载度，a c l ( a s y m p t o t i c a lc o n t e n t i o nl i m i t ， 渐进竞争门限) 为被使用的网络时隙的门限值，通常是将能量消耗的最优参数 设置映射成a c l ；p t x 为传输阶段网络接口消耗的能量，以m w 为单位# p r x 为接收阶段网络接口消耗的能量，以m w 为单位 1 0 重鏖坚皇盔竺塑主量塞蔓三童型! 竺旦堑g 堕丛丝垫垫要塞 冀 簧 望 呈p s d c c ：p a y , o a d = 2 5 s l o t b m e s 一 ) 、渊；勰糍嚣勰= ： 、p $ - d c c ：p a , 调o a u ：1 0 0s l o tt i m e s 一 ：、k 避翌塑墨曼三 22 0 4 0 1 1 加 4 d1 6 0 1 8 02 0 0 站点数量 图3 2p s - d c c ，8 0 2 1 1d c f 和最优的信道利用率 从仿真结果，如图3 2 所示，可以看出i e e e 8 0 2 1 l 的d c f 的能量消耗受到 竞争限制的影响p s - d c c 是通过肘z 叫的值来定义最优的竞争限制，即a c l 的值，从而保证了最优的节能效果而且相对于d c c 协议来说，p s - d c c 协议 没有引入附加的开销 p s d c c 协议优点：p s - d c c 达到的节能效果很明显而且随着平均帧长度的 增加而增长，且没有附加更多的开销；包的平均延迟变小了；信道利用接近于 理想的最优值p s - d c c 的帧传输的能量要求要比标准系统低完全分布式 p s - d c c 的不足之处为：对于较短的消息，能量消耗无明显改进；对处于 活跃状态的站点的数量和网络负载值的估计较困难；减少了竞争的公平性。 3 3c p 协议 允许负载协议( c p ，o o u n e s yp i g g y b a c k i n g ) ，通过将低优先级的业务负载 在属于高优先级业务且未被使用的带宽上，来减少在高优先级业务负载较高的 情况下低优先级业务的带宽饿死问题 在介绍c p 协议前，需要对系统做如下假设； a ) 系统中包含n 个移动节点，这些节点均匀的分布在系统域中 ”如果两个节点在相互的传输范围内。或者通过其它节点中转后它们可 以进行通信，则此两个节点被认为可直接通信 c ) 系统中需要使用一些基于竞争的m a c 协议 d ) 我们假设在网络层使用了一些服务区分机制，不同类的业务在源节点 l l 重庆邮电大学硕士论文第三章a dh o c 网络中q o sm a c 协议研究 被区分当数据包从网络层向下传时，根据不同的优先级，放进不同 的传输队列中，并在m a c 层等待被传输。 c ) s n r ( s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，信噪比) 越大，包长度越大 0 为了提高信道利用率，我们假设m a c 协议可以根据信道状态自适应的 调整刀( f r a g m e n t a t i o nt h r e s h o l d 帧的长度门限) 和传输速率 g ) 对了准确指出包需要传输时的信道状态，我们假设我们有信道评估器 和预测器，这些可以为合适的m a c 层片段提供准确的信道信息 c p 协议描述如下： a ) 在c p 协议中，包的长度允许在最小值到最大值问变化 如果太小，则造成太多开销；如果太大。当f t ( f l a g r n e n t a t i o nt h r e s h o l d ， 分裂门限值) 小的时候，会导致需要很多碎片，这会降低全局的吞吐 量因此，必须有一个最优值p 贮，使得和成功传输相关的全局开销 最小化假设我们获得了，二，此值不等于任何f t k ，要尽量接近 于p x - 我们把置成门k ， ”在c p 协议中，我们引入了空闲空间的概念空闲空间表示m p d u ( i 姒c p r o t o c o ld a t a u n i t ，m a c 协议数据单元) 中是否有空闲的比特。当包被 分裂时，除了最后一个碎片外，其它碎片中都没有空闲空间当信道 传输的刀大予飓。，即每个包都有空闲空间如果信道有空闲空间， 则认为信道处于有空闲空间状态，如果信道没有空闲空闯，则认为信 道处于无空闲空间状态 c ) 如果信道处于有空闲空问状态，节点可以传输更多字节，可以加载更 多队列中的字节，这些字节的优先级可以不同但是在路由表中必须有 相同的下一跳地址。由于是跨层设计，所以m a c 层可以获得路由信息， m a c 层也可以从传输队列中获得这些字节负载规则的基本思想是； 在不同信道状态下，我们聚集多个m s d u ( m a cs e r v i c ed a t au n i t ，m a c 服务数据单元) ，这些m s d u 的优先级可以不同但是必须有相同的下 一跳路由地址。组成一个长度依赖于信道的m p d u 。选择规则是先选 择队列中优先级较高的字节，当没有优先级较高的b i t 时，才考虑优先 级较低的字节 d ) c p 协议处理过程如下t 首先，不同优先级的包m s d u ，来自于网络层 如果过长，则分裂成多个b - m s d u ，分裂后的碎片都要继承m s d u 的 口头出队列控制器根据负载规则进行操作，将下跳的地址相同的一 个或多个b - m s d u 出列，并根据信道状态组成一个满足f t 的m p d u 。 为了减少长帧的传输时间，可以使用适应性速率传输机制，使得传输 重庆邮电大学硕士论文 第三章a dh o c 网络中q o sm a c 协议研究 一个帧的时间不会太长为了避免对m a c 层做过多的修改，我们采用 把有相同下一跳地址的b - m s d u 进行打包为了方便接收方解包，在 传送方，m s d u 的口头部中一个未使用的b i t 被置为l ，表示在此 b - m s d u 后还有一个装订的b - m s d u ，最后一个b - m s d u 的相应b i t 置为0 从以上描述，我们可以看出，c p 协议有如下优点：实现简单；c p 协议可 以提高低优先级业务的性能，因为低优先级的包可以被打包在高优先级的包中， 因此从统计上来说，减少了低优先级业务竞争信道的时间；另一方面，减少来 自低优先级的竞争可以给高优先级业务带来好处，如减少了高优先级业务传输 的冲突概率等等；减少了在高优先级业务负载较高的情况下低优先级业务的带 宽饿死问题 c p 协议的缺点：只能负载下一跳地址相同的低优先级的数据；如果要负载 下一跳地址不同的低优先级的数据，系统就较复杂，实现困难；中间节点需检 查收到的m p d u 中的数据是否属于相同的下一跳地址，增加了中间结点的复杂 度 3 4f p r p 协议 5 阶段预留协议( f p r p ，f i v ep h a s er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) ，是一种时分复用 协议，具有资源预留能力f p r p 要求网络中所有节点同步，同时，在连续两次 f p r p 工作间隙，网络拓扑相对稳定f p r p 的帧结构由r f 帧和紧跟在r f 帧后 的若干信息帧( 环) 组成r f 和均有以个时隙，r f 帧的第i 时隙( 麟) 负责 帧的第i 时隙( i s 0 的预留，需要预留艘的节点必须在r s i 时隙进行竞争一个 j 醛包括m 个r c ( r e s e r v a t i o n c y c l e ，预留周期) 。每个r c 又由5 阶段协商组成。 节点在r c 期间同其他的竞争节点协商，进行相应塔的预留 f p r p 的5 阶段协商包括r r ( r e s e r v a t i o nr e q u e s t ，预留请求) 、c r ( c o l l i s i o n r e p o r t ，冲突报告) 、r c ( r e s e r v a t i o nc o n f l r m a t i o n ，预留证实) 、r a ( r e s e n ，a t i o n a c k n o w l e d g m e n t ，预留确认) 和填塞，清除阶段 协议描述如下s a ) 需要预留空闲信息时隙j 研的节点弹以概率p 在r s i 时隙发送r r 包， 开始预留竞争 b ) 当一个节点同时收到多个r r 时，该节点以c r 包通知这些节点 c ) 如果r n 在规定的时间内收到c r ，则放弃这次预留竞争，否则节点 押发送r c 包，进行预留确认 d ) 收到r c 包的节点将对应的信息时隙标记为已预留，同时发送r a 包。 重鏖墅皇盔堂塑主丝奎蔓三童缝塾箜塑笙坐! 坚丝垫望堡窒 r a 包通知同疗相距两跳的节点信息时隙廊已被预留，从而解决隐终 端问题 e ) 收到r a 包的节点还需发送填塞包，告知同自己相邻且同节点以距离 为3 跳的节点自己不会竞争信息时隙艘，使这些节点在竞争预留信息 时隙艘时以更大的概率p 发送r r 包 f ) 如果多个t n 相邻，它们构成死锁，1 n 在第5 阶段发送的清除包用于 清除死锁 g ) 竞争预留的结果维持到下一个r f 之前，当下一个r f 到来时，节点重 新进行预留竞争 f p r p 的主要优点是具有资源预留功能，且可实现分布式控制，因此具有良 好的可扩展性但其缺点也是相当明显的；不适合节点移动速度快、网络拓扑 变化频繁的网络；且没有业务区分能力 3 5b b 协议 黑突发协议( b b ，b l a c kb u r s t ) ，是基于c s m a 协议的，具有相对的业务区 分能力b b 是由整数个b l a c ks l o t 组成，每个b l a c ks l o t 长度为乜棚，大于 等于最大往返路由延迟时间2 t ( r 为网络中相互能侦听到的节点之间的最大 路径时延) b b 是对载波侦听无线网络中的实时业务进行q o s 保证这些实时 业务的性能要求主要是有界的端到端时延 在b b 中，铀表示每个实时包传输的最小持续时间，2 r ( f 为网络 中相互能侦听到的节点之间的最大路径时延) 在一个b b 中发送的b l a c ks l o t 的数量是以铀为单位计算的，不同的节点以b b 包含的不同的b l a c ks l o t 的数 量来进行区分 b b 的基本原理如下；当节点再需要接入无线信道时，首先进行载波侦听， 如果信道忙，则等待，直到信道空闲如m 段时间对实时业务节点，“出产f d e 胁 t d i f 8 为i e e e 8 0 2 1 1 中的 d c f 帧问间隔”时间，对非实时业务节点 f f 如2 f + 乞船， 从而使实时业务节点享有接入信道的