认知无线Mesh网的多信道MAC协议

1、第 48卷 第 2期 厦门大学学报 (自然科学版 Vol. 48 No. 2 2009年 3月Journal of Xiamen University (Nat ural Science Mar. 2009认知无线 Mesh 网的多信道 MAC 协议喻明皓 , 黄联芬 3(厦门大学信息科学与技术学院 , 福建 厦门 361005收稿日期 :20082062223通讯作者 :lfhuang . cn摘要 :随着宽带无线通信业务的发展 , 无线频谱资源日益紧张 . 本文在认知无线电频率感知技术的基础上 , 将其应用于无线 Mesh 网的多信道 MAC 协议 (MMAC 中 , 提出了

2、认知无线 Mesh 网的多信道 MAC 协议 (CWMN 2MMAC . 本协议 通过增加认知用户对频谱的感知和针对多跳特点的分布式协商 , 将空闲的频谱动态地分配给非授权用户使用 , 可以有效 提高频谱资源利用率 . 并通过仿真 , 研究了协议 A TIM 窗对吞吐量的影响和主用户空闲时的信道利用率 . 根据仿真结果 可以看到 , 该协议通过单网卡可以实现较好的信道利用率 .关键词 :认知无线电 ; 多信道 ;Mesh ;MAC中图分类号 :TN 92 文献标识码 :A 文章编号 :043820479(2009 0220180204 随着宽带无线通信业务蓬勃发展 , 移动用户数与 日俱增 ,

3、 宽带无线通信的数据传输速率也越来越高 , 从 而导致了无线频谱资源变得日益紧张 . 认知无线电由 此应运而生 , 它是一种智能无线通信系统 , 能够感知外 界环境 , , 和调制技术等 , 的统计性变化 , 从而实现在任何时间任何地点的高可 靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行 高效的利用 1.在认知无线电中有两种用户 , 主用户 (Primary user :那些得到频谱资源使用授权的用户 , 次用户 (Secondary users :那些需要临时使用授权频谱资源 , 但又没有得到授权的用户 . 次用户在接入授权信道时 不能影响到主用户的正常使用 2.认知无线 MAC 协议主要

4、有以下两个特点 : 能够动态地掌握授权频谱的使用状况 , 一旦主 用户回到信道中 , 立刻停止次用户在该信道的通信 . 次用户之间可以互相交换频谱信息 , 采用分布 式的检测系统可以更好地掌握当前的频谱状况 .本文主要将认知无线电技术引入到无线 Mesh 网 的多信道 MAC 协议 (MMAC 3中 , 提出一种基于认 知无 线 Mesh 网 的 多 信 道 MAC 协 议 (CWMN 2MMAC , 通过增加认知用户对频谱的感知和针对无 线 Mesh 网多跳特点的分布式协商窗 , 将空闲的频谱 动态地分配给次用户使用 .1 无线 Mesh 网 协议种 线 Mesh 网 多 信 道 没有专门的

5、控制信道 , 每, 同时每个节点是同 步的 . 每一个节点的所有信道都定义了一种数据结构 , 称为可选信道表 (Preferable channel list , PCL , 表中 记录这个节点可以使用的最优信道 . 在此基础上把信 道分类为 3种状态 : 高优先级 (HIGH :这种信道在节点当前的信 标间隔中已经被选择使用 . 如果有信道处于这种状态 , 那么这种信道必须被选择 . 中优先级 (M ID :这种信道在节点的传输范围 内没有被使用 , 如果没有高优先级的信道 , 这种状态的 信道会被优先选择 . 低优先级 (LOW :这种信道被节点的至少一个 相邻节点使用 , 对于每个信道在

6、 PCL 中都有一个计数 器 , 记录当前间隔中有多少对节点想要用此信道进行 通信 . 如果全部信道都处于低优先级 , 那么节点会选择 计数器最少的信道 .由于没有专用的控制信道 ,MMAC 协议在整体上 将时间分为相同长度的信标间隔 (Beacon interval , 每个信标间隔包含 1个 A TIM (Announcement t raffic indication message 窗和 1个数据传输窗 . A TIM 窗期 间每个节点都在公共信道上进行监听 , 通过发送或接 收控制数据包 , 实现传输信道的协商 , 然后在数据传输 窗完成数据的传递 .2 CWMN 2MMAC 协议

7、2. 1 假设条件我们在具体介绍 CWMN 2MAC 协议前 , 先总结一 下本协议的假设条件 : N +1条信道可供使用 , 所有的信道带宽相同 . 没有信道发生重叠 , 节点预先知道有多少条信道 . 其中的一条是作为控制信道 . 控制信道不在主 用户的使用频段内 , 所以不会受主用户使用的影响 . 每个主机使用一个半双工收发器 , 并且收发器 可以动态地切换所需的信道 . 利用的主用户网络是广播电视网络 , 一般来说 电视网络的活动周期比信标间隔要长 . 所以当主用户 出现后 , 在一个信标间隔的时间内就可以检测出来 . 节点是严格同步的 , 所以网络中所有节点都在 同样的时间开始和结束信

8、标间隔 .2. 2 数据结构 图 1 协议时间结构图Fig. 1 Protocol time structure每个节点都有两种数据结构 :一种被称为主用户 频谱状况 (Primary users spect ral state , PSS , 另一种 是 PCL. PSS 是次用户检测到的主用户在当前信道中 的状态 , 次用户通过共享各自的 PSS 来实现对全局频 谱信息的掌握 . PSS 的状态分为 2种 :( 在信道 n 上活动 (PSSn n 上 活动 (PSSn =1 . 而 用的状况 , . 本协议 PCL 的 3种 状态和功能与我们前面介绍的 MMAC 协议的 PCL 一样 .2

9、. 3 协议结构如图 1, 协议运行时 , 在时间上可以划分为固定长 度的信标间隔 , 每个信标间隔分为 4个窗 . 当一个节点 加入网络时 , 它要对 N 条授权信道进行一次完整的扫 描 , 扫描结果被存储在节点的 PSS 中 . 在第 1个信标 窗中 , 所有节点向控制信道竞争发送信标 (beacon 来 实现时间同步 , 其中信标数据包含了当前节点的时钟 . 之后节点会对授权信道的使用状况进行检测 , 而且实 现了同步 , 不存在检测期间有次用户使用的情况 , 这样 就无需区分主次用户的信号 . 由于信标窗的长度限制 ,不可能检测全部信道 . 所以每个节点会随机选择几条 信道进行检测 ,

10、 并根据结果对节点的 PSS 进行更新 . 第 2个频谱协商窗是用来进行所有节点频谱信息 的共享 . 我们将频谱协商窗分为 n 个小时隙 , 每个小时 隙代表一条数据信道 . 由于实现了时间同步 , 使得每个 节点可以通过监听小时隙来知道其他节点对于该信道 的检测结果 . 当节点有 PSSi =1, 该节点就在第 i 个 时隙发送忙信号 , 其他节点听到忙信号后 , 就会与自己 的 PSS 进行对比 , 并将该信道也标记为忙 ; 节点的 PSS 为 0时 , 则保持监听 , 不进行其他动作 .通过该算法 , 我们可以将 PSS 为 1的信道排除出 通信 , 确保了主用户活动信道的安全 , 将由

11、于漏检造成 对主用户干扰的可能性降到最低 . 而且这种分布式的 频谱 协 商 较 集 中 式 方 式 , 更 加 适 用 于 多 跳 的 无 线 Mesh 网 . 当一个节点探测到有主用户使用授权信道时 , 在一跳的范围内该信道将不会被用于通信 , 而在一 , 该信道仍能被用 于通信 . . 3A , 所有节点 , 要传输数据的节点向接收节点 A TIM 数据包 , 而接收节点根据自己的 PSS 和 PCL 选择合适的信道 , 并将该信道通过 A TIM 2AC K 返回给发送节点 , 发送节点收到后回复 A TIM 2RES , 确认使用的信道 . A TIM 2AC K 和 A TIM 2

12、RES 数据包 还有一个作用就是将要使用的信道告知周边节点 , 周 边节点根据 A TIM 2AC K 和 A TIM 2RES 来修改自己 的 PCL. 所有信道在 PCL 中初始值均被设为 M ID ; 当 发送和接收节点协商好使用某条信道时 , 该信道被标 记为 H IGH ; 而周边节点监听到 A TIM 2AC K ,A TIM 2RES 时 , 则将数据包中标记的信道改为 LOW. 如果信 道由原状态为 M ID 改为 LOW , 相关计数器被设为 1. 第 4个数据传输窗 , 完成了 A TIM 协商的节点会 保持活动状态直到完成数据传输 , 而其他节点将会进 入休眠状态直到下一

13、个信标间隔的到来 . 数据传输按 照常规的 802. 11DCF 进行 .181 第 2期 喻明皓等 :认知无线 Mesh 网的多信道 MAC 协议 3 仿真与分析我们使用 ns 22对该协议进行仿真 , 仿真在 2种网络场景中进行 , 即单跳和多跳 Mesh 网络 . 数据和控制 信道的速率均为 1Mbit/s , 数据信道数 N 为 4. 每个数 据包设为 512bytes. 信标间隔设为 100ms , 小时隙设 为 802. 11F HSS 设定的时隙长度 (Slottime 50s , 其 余网络设置依据 802. 11的默认设置 4. 信标窗设为 20ms. 每个源节点产生固定比特

14、 (CBR 数据流 , 发包 率分别采用 100%饱和负载 (节点持续发送数据包 , 队 列一直是非空的 和 10%的饱和负载 . 每个仿真运行 40s. 通过将 A TIM 窗由 5ms 逐步增加到 30ms , 来研究 A TIM 窗对吞吐量的影响 .在单跳网络仿真中 , 所有的源节点和目标节点都 在单跳内 , 也意味着每个节点都可以收到其他所有节 点共享的频谱信息 . 节点数为 20个 , 一半作为源节点 、 一半作为目标节点 , 形成 10条数据流 . 在 100%的饱 和负载时 , 在主用户活动率为 0%、 30%、 60%下 , 如图 2本场景中随着 A TIM 窗的增加 , 平均

15、吞吐量会持续 降低 . 这是由于在饱和发包率下 , 用 . 而且本场景中 , A 窗中得到协商 , , 影响到吞吐量的表现 . 10%的饱和负载 时 , 随着 A TIM 窗的增大 ,3种主用户活动率的吞吐量 保持了平稳的状态 . 这是因为在低负载下 , 数据传输窗 并没有得到充分利用 .在多跳 Mesh 网络仿真中 ,100个节点随机分布 在 500m ×500m 的范围里 , 其中任意 45个节点为源 节点 ,45个为目标节点 . 一个节点有可能是多个目标 的源节点 , 也有可能成为多个源的目标节点 . 从图 4可 以看到 , 本场景在饱和负载的 3种主用户活动率下 , A TI

16、M 窗制约了吞吐量 . 多跳 Mesh 网络中 , 数量众多 的数据 流 需 要 更 长 的 A TIM 窗 来 协 商 信 道 . 虽 然 A TIM 窗的增长会占用数据传输窗的长度 , 但在本场 景中 , 显然 A TIM 窗对吞吐量的影响更大 . 在 10%的 饱和负载的图 5中 , 在 A TIM 窗为 25ms 前 , 类似于 图 4, 吞吐量随着 A TIM 窗增加也在增长 , 但是在 30ms 时刻 ,A TIM 窗的增长并没有给吞吐量带来好处 , 而数据传输窗的减小影响了吞吐量表现 .在优化选择 A TIM 窗大小时 , 数据流数是一个重 要的影响因素 , 每条数据流的协商都需

17、要 A TIM 包的 交换 . 从我们的仿真结果也可以看到 , 网络的负载是另 一个不可忽视的因素 . 需要 A TIM 窗能够适应数据流 数和网络负载的变化 , 以达到最佳的吞吐量 . 我们将在 以后的工作中对此进行深入的研究 . 图 2 单跳 ,100%负载时 A TIM 窗对吞吐量的影响Fig. 2 Single hop , 100%load , the influence of A TIMwindows to throughput 图 3 单跳 ,10%负载时 A TIM 窗对吞吐量的影响Fig. 3 Single hop ,10%load ,the influence of A TI

18、M win 2dows to throughput 图 4 多跳 Mesh ,100%负载时 A TIM 窗对吞吐量的影响Fig. 4 Multi 2hop Mesh , 100%load , the influence ofA TIM windows to throughput提高频谱的利用率是认知无线电的主要目标 . 下 面我们分析该协议在 3种主用户空闲信道数下的信道 利用率 . 为了准确获知可用的信道资源 , 本仿真采用前 281 厦门大学学报 (自然科学版 2009年 图 5 多跳 Mesh ,10%负载时 A TIM 窗对吞吐量的影响Fig. 5 Multi 2hop Mesh ,

19、 10%load , the influence ofA TIM windows to throughput面提到的单跳网络场景 ,A TIM 窗设为 10ms , 网络负 载从 20%增加到 100%, 将数据包从发送到接收的时 间定义为使用信道 . 由于本协议采用的时间结构 , 数据 传输窗与信标间隔的比例决定了信道利用率的极限 值 , 而本仿真的极限值为 70%.由图 6的仿真结果看 出 , 在大部分情况下信道利用率可以达到 50. 只是在信道数为 4、 负载为 20%.Multi 2channel MAC Protocol for Cognitive Wireless Mesh N e

20、t w orkYU Ming 2hao , HU AN G Lian 2fen 3(School of Information Science and Technology ,Xiamen University ,Xiamen 361005,China Abstract :With the development of broadband wireless communication ,wireless spectrum resource gets scarce. Base on spectrumsensing of cognitive radio ,the technology was ap

21、plied in multi 2channel MAC protocol of wireless Mesh network ,and propose multi 2channel MAC protocol for cognitive wireless Mesh network (CWMN 2MMAC in this paper. By adding spectrum sensing of cognitive users and distributed negotiation based on multi 2hop characteristic ,it can allocate unused s

22、pectrum to unlicensed user ,and improve u 2tilization of spectrum resource effectively. Through simulation ,the influence of A TIM window to the throughput and the channel uti 2lization when licensed user is absent are analyzed. From the simulation result ,this protocol can realize good channel util

23、ization with one network card.K ey w ords :cognitiveradio ;multi 2channel ;Mesh ;MAC4 结 语本文将认知无线电技术融合进无线 Mesh 网的多 信道 MAC 协议 , 提出了 CWMN 2MMAC 协议 . 认知 用户对频谱使用状况进行感知 , 在针对无线 Mesh 网 多跳特点的分布式的协商后 , 动态地将空闲频谱分配 给次用户使用 , 有效地提高了频谱资源的利用率 . 而且 图 6 主用户空闲的信道利用率Fig. 6 Spectrum utilization when PU is absent本协议采用的单网卡配置 , 可以有效降低设备的成本和