無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制

隨著無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)造應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)將成為今后發(fā)展的趨勢。既有研究表明多信道介質(zhì)訪問控制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的通信能力，因此，需要研究適合無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制機制。在IEEE 80.11[1]標準中已經(jīng)定義了多信道的通信模式。在有關(guān)IEEE 802.11的介質(zhì)訪問控制的研究中，通信模式或者是基于競爭方式的多信道、或者是基于單一控制信道的時分復(fù)用。使用多信道改善通信性能已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的共識，但是如何配置、控制和使用多信道，仍然是一個值得研究的問題。

1 多信道控制模式

在無線數(shù)據(jù)通信中，信道復(fù)用技術(shù)用于控制如何分配或使用信道。典型的復(fù)用技術(shù)包括：載波感知多址接入(CSMA)、競爭方式和時分復(fù)用訪問(TDMA)、碼分復(fù)用(CDMA)。在已知的網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信的ALOHA系統(tǒng)和無線以太網(wǎng)的CSMA/CA為競爭方式的代表;GSM、TD-SCDMA和WiMAX 為時分復(fù)用方式的代表?；赪i-Fi的多信道研究有兩種方式：其一是兩個或多個同樣的競爭信道;其二是指定一個信道為控制信道，其他信道為數(shù)據(jù)通信信道。既有的關(guān)于多信道的研究表明：對于存在多信道的通信系統(tǒng)，當信道數(shù)到達某個臨界值時，系統(tǒng)的吞吐率不再隨信道數(shù)量的增加而增加。如何最合理最有效地利用多信道的通信能力，使網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用呈現(xiàn)更好的可擴展性成為重要的課題。

在過去的20多年中，人們多從系統(tǒng)的角度設(shè)計無線通信系統(tǒng)。為提高無線通信系統(tǒng)傳輸能力，多信道技術(shù)，特別是多個無線載波方式，受到極大重視。在現(xiàn)在比較流行的IEEE標802.11標準體系中[2-3]，出現(xiàn)了BAPU、DBTMA和DCMA等雙信道和Multiple Channel CSMA和DCA-PC等多信道技術(shù)[4-6]。

在一般的商用通信系統(tǒng)中，一般包括一個公共控制信道和一群業(yè)務(wù)信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。無論在核心網(wǎng)絡(luò)中，還是在無線環(huán)路中都有相同的控制模式。為了提高通信系統(tǒng)的效能，一個重要的研究課題就是：在無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，公共控制信道和業(yè)務(wù)信道的關(guān)系和控制模型如何確定才能夠滿足特定的組網(wǎng)要求。

本文研究一種多信道控制模型。該模型的控制模式是為了滿足應(yīng)急通信的信息快速融合的需要而建立的。該模型提出多信道控制算法。在同時4路接收的多信道并行傳輸?shù)臋C制中，一個節(jié)點在一個時隙內(nèi)既能夠占用一個信道發(fā)送數(shù)據(jù)，又能夠同時接收來自其他4個節(jié)點在不同信道上的4路數(shù)據(jù)。多信道手法是一種特定的多信道通信模式。確定這種多信道控制模式，對建立信息匯聚、融合的無線數(shù)據(jù)通信有很明顯的幫助。

2 多信道資源分配算法

自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制(MAC)技術(shù)重點在于動態(tài)分配資源和區(qū)分優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量。動態(tài)分配資源主要包括：動態(tài)地分配時隙，使得空閑的時隙能夠被發(fā)送請求數(shù)較多的節(jié)點充分利用;動態(tài)地分配信道，使得節(jié)點能夠靈活使用多信道機制，實現(xiàn)快速信息融合所需要的多路接收一路發(fā)送的通信能力。區(qū)分優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量主要包括：對分組區(qū)分優(yōu)先級，始終保障最高優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量;其他優(yōu)先級按比例分配帶寬，該分配比例能夠靈活調(diào)整;高負載時性能下降相對平緩。

本文的多信道資源分配算法參考IEEE 802.16中Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC層機制。該控制機制采用TDMA的組網(wǎng)方式，節(jié)點通過請求/響應(yīng)的方式來接入媒體，其中集中控制方式同樣支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的集中式MAC資源調(diào)度和管理。IEEE 802.16協(xié)議支持不同的服務(wù)水平，從企業(yè)級的高質(zhì)量服務(wù)到家用型的盡力而為服務(wù)都有定義。協(xié)議通過集中調(diào)度來支持時延敏感業(yè)務(wù)，如話音和視像等。由于確保了無碰撞數(shù)據(jù)接入，IEEE 802.16的MAC層改善了系統(tǒng)總吞吐量和帶寬效率，并確保數(shù)據(jù)時延受到控制。TDMA接入技術(shù)還使支持多播和廣播業(yè)務(wù)變得更容易。IEEE 802.16系統(tǒng)的QoS機制可以根據(jù)業(yè)務(wù)的實際需要來動態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。Mesh模式的QoS機制還需要進一步研究和完善，可以借鑒其他模式下較成熟的QoS機制對Mesh模式進行補充和改進。

本文提出的資源分配算法處理流程包括了5個重要過程：

(1)獲取節(jié)點請求列表過程

(2)請求分類緩沖過程

(3)請求隊列截取過程

(4)資源分配過程

(5)節(jié)點使用分配結(jié)果過程

5個過程的順序處理關(guān)系如圖1所示。

其中的(1)和(5)這兩個過程不屬于資源分配算法的核心內(nèi)容，但在資源分配總過程的數(shù)據(jù)流處理中擔當了重要角色。資源分配總過程數(shù)據(jù)流如圖2所示。即(1)過程產(chǎn)生算法輸入數(shù)據(jù)，(5)過程使用算法輸出數(shù)據(jù)。

2.1 獲取節(jié)點請求列表過程

獲取節(jié)點請求列表過程可以劃分為幾個時隙(數(shù)量通常等于節(jié)點數(shù)量)，每個節(jié)點查看自己的MAC優(yōu)先級隊列中各個優(yōu)先級是否有分組要發(fā)送，有的話就生成一定數(shù)量的請求狀態(tài)信息(每一個請求狀態(tài)信息對應(yīng)于MAC優(yōu)先級隊列中的一個分組，包含了該對應(yīng)分組的一些特征信息摘要，網(wǎng)控中心進行資源分配時需要用到這些信息)。節(jié)點生成的所有請求狀態(tài)信息會在某個小時隙中發(fā)送給網(wǎng)控中心節(jié)點，作為資源分配算法的輸入。請求狀態(tài)信息所包含的內(nèi)容如表1所示。

MAC優(yōu)先級隊列是由各個節(jié)點獨立維護的一個區(qū)分優(yōu)先級的分組緩沖區(qū)，可以認為是一個按優(yōu)先級索引的多鏈表結(jié)構(gòu)，用于緩沖上層協(xié)議實體傳輸下來的分組。該隊列能夠在每幀開始的請求前導(dǎo)階段按照MAC的要求，查看緩沖區(qū)的內(nèi)容并生成一定數(shù)量的請求狀態(tài)信息返回給MAC;然后在數(shù)據(jù)時隙階段，根據(jù)MAC得到的分配結(jié)果從緩沖區(qū)里取出正確的分組返回給MAC并發(fā)送。

獲取節(jié)點請求列表：每個節(jié)點的MAC協(xié)議實體查看優(yōu)先級隊列里的緩沖分組。MAC指定一個數(shù)值作為優(yōu)先級隊列能夠生成的請求狀態(tài)信息個數(shù)的上限，隊列據(jù)此數(shù)值控制發(fā)給網(wǎng)控中心的請求信息的總大小。另外，由于每個請求對應(yīng)一個待發(fā)送分組，提交多個請求就意味著節(jié)點可能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)忙閑狀況在一個時幀里獲得多次發(fā)送機會，從而具備實現(xiàn)動態(tài)時隙使用的基礎(chǔ)。優(yōu)先級隊列將這些請求狀態(tài)信息返回給MAC，MAC獲得此信息后，在請求前導(dǎo)階段某個時間將它們封裝成為一個請求分組，發(fā)送給網(wǎng)控中心節(jié)點。[!--empirenews.page--]

2.2 請求分類緩沖過程

請求分類緩沖過程用于對獲取節(jié)點請求列表過程中接收到的所有節(jié)點的請求狀態(tài)信息進行區(qū)分優(yōu)先級的緩沖，并統(tǒng)計各個優(yōu)先級的請求數(shù)以及總的請求數(shù)。此過程的關(guān)鍵內(nèi)容是網(wǎng)控中心具有一個總請求狀態(tài)信息緩沖區(qū)，其為每個優(yōu)先級準備一個獨立的請求狀態(tài)信息隊列，包含不同優(yōu)先級信息的請求將緩存到對應(yīng)優(yōu)先級的隊列中。請求分類緩沖過程如圖3所示。

圖上的n表示節(jié)點總數(shù)，優(yōu)先級數(shù)目示例為3個，NULL表示該節(jié)點的請求已經(jīng)分類完或者該節(jié)點沒有任何請求。從該圖可以看出請求分類緩沖過程是將各節(jié)點的請求狀態(tài)信息列表依次拆解為數(shù)個請求狀態(tài)信息，并按照它們的優(yōu)先級分別緩存到對應(yīng)的優(yōu)先級隊列中。

請求分類緩沖過程：在網(wǎng)控中心獲得所有節(jié)點請求狀態(tài)信息后，算法按照一定的順序依次處理每個節(jié)點的所有請求狀態(tài)信息。判斷是否有節(jié)點的請求還未處理完畢，是的話取得一個未處理的節(jié)點的所有請求狀態(tài)信息，根據(jù)該請求狀態(tài)信息的優(yōu)先級序號將其緩存對應(yīng)的優(yōu)先級隊列中適當位置，對應(yīng)優(yōu)先級的請求計數(shù)器和總請求計數(shù)器分別加1。當所有節(jié)點的請求均分類緩沖完成，整個過程結(jié)束。

2.3 請求隊列截取過程

請求隊列截取過程使用請求分類緩沖過程生成的總請求狀態(tài)信息緩沖區(qū)和請求計數(shù)器值，在緩沖區(qū)中的請求總數(shù)大于數(shù)據(jù)時隙能夠提供的最大發(fā)送機會時執(zhí)行。

發(fā)送機會是指能夠滿足節(jié)點進行一次完整發(fā)送過程的時機，在多信道環(huán)境下為某一信道上的某一數(shù)據(jù)時隙，可用二元組<時隙，信道>表示。最大發(fā)送機會是指多信道環(huán)境下所有數(shù)據(jù)時隙能夠提供的發(fā)送機會的總和，即最大發(fā)送機會=數(shù)據(jù)時隙數(shù)×信道數(shù)，它代表了當前時幀結(jié)構(gòu)下全網(wǎng)絡(luò)一幀能夠提供給節(jié)點的最大發(fā)送次數(shù)。當總請求數(shù)超過最大發(fā)送機會時，當前的請求中將會有一部分得不到滿足。請求隊列截取過程即是用來決定哪些請求能夠被滿足，哪些需要被丟棄。采取優(yōu)先級比例預(yù)留進行請求隊列的截取。算法事先配置并存儲好優(yōu)先級預(yù)留比例數(shù)據(jù)，用于計算預(yù)留給對應(yīng)優(yōu)先級的發(fā)送機會數(shù)。

例如，3個優(yōu)先級算法，優(yōu)先級從高到底(優(yōu)先級號從0到2)的預(yù)留比例配置為：1.0、0.6、0.3。其中最高優(yōu)先級0的比例是1.0，表示該優(yōu)先級為強制滿足的優(yōu)先級，屬于該優(yōu)先級的請求應(yīng)該在截取過程中盡量保留而不被丟棄;優(yōu)先級1和優(yōu)先級2的比例都小于1，表示它們需要進行正常的按比例截取。通過上述優(yōu)先級比例預(yù)留策略，可以限制各個優(yōu)先級在網(wǎng)絡(luò)繁忙時占用的帶寬上限，以此實現(xiàn)了優(yōu)先級帶寬按比例預(yù)留的要求。

請求隊列截取過程：請求分類緩沖過程執(zhí)行完畢后，所有節(jié)點請求已經(jīng)緩存到對應(yīng)優(yōu)先級隊列中。判斷請求總數(shù)是否大于最大發(fā)送機會數(shù)，如果是則使用優(yōu)先級預(yù)留比例，計算出各個優(yōu)先級超出預(yù)留發(fā)送機會的個數(shù)。依次截取(丟棄)各個優(yōu)先級中超出預(yù)留發(fā)送機會數(shù)的那一部分請求。當各個優(yōu)先級的實際請求數(shù)的超額部分已經(jīng)全部截取完畢，但此時如果總數(shù)仍然大于發(fā)送機會數(shù)，則需要進一步截取。當各個優(yōu)先級能夠滿足的請求個數(shù)之和已經(jīng)等于或小于最大發(fā)送機會數(shù)，無需再截取。記錄截取結(jié)束，結(jié)果供資源分配過程使用，過程結(jié)束。

2.4 資源分配過程

資源分配過程使用請求隊列截取過程截取后的各個優(yōu)先級的實際發(fā)送機會數(shù)，從最高優(yōu)先級開始依次為每個優(yōu)先級分配數(shù)量等于該優(yōu)先級的剩余請求個數(shù)的二元組<時隙，信道>資源，并在分配過程中進行收發(fā)控制。

資源分配策略是指為各個優(yōu)先級的剩余請求分配MAC資源時所采取的策略。從區(qū)分優(yōu)先級的服務(wù)角度來看大體可分為兩種策略：間隔分配策略和連續(xù)分配策略。由于間隔分配策略是同一優(yōu)先級的請求間隔發(fā)送，可以在一定程度上減少突發(fā)信道干擾對某一優(yōu)先級數(shù)據(jù)的影響，因此我們采用間隔分配策略。間隔分配策略即將各個優(yōu)先級的請求以間隔的方式依次分配到各個時隙中。分配后各個優(yōu)先級的請求比較“均勻”地分布在時幀中，高優(yōu)先級和低優(yōu)先級請求的發(fā)送順序沒有明顯地被區(qū)別對待。

節(jié)點收發(fā)控制用于限制節(jié)點在同一個時隙中接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)。多信道環(huán)境下，節(jié)點可以在一個時隙內(nèi)使用不同的信道同時進行數(shù)個收發(fā)過程。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)具有5個不同子頻率所對應(yīng)的信道，則理論上一個節(jié)點可以在同一時隙接收或發(fā)送5路數(shù)據(jù)流。這違背了節(jié)點的物理設(shè)備的“四收一發(fā)”限制，即一個節(jié)點在同一時隙內(nèi)最多只能接收4路同時發(fā)送1路數(shù)據(jù)。所以需要在資源分配的時候在每個時隙上控制節(jié)點的收發(fā)次數(shù)。為此，資源分配過程通過網(wǎng)控中心維護一個記錄節(jié)點收發(fā)狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為“節(jié)點收發(fā)狀態(tài)表”。網(wǎng)控中心在進行資源分配的時候便可以根據(jù)其中內(nèi)容判斷是否將當前請求分配到某個時隙上。

資源分配過程：請求隊列截取過程執(zhí)行完畢后，網(wǎng)控中心已經(jīng)知道了為各個優(yōu)先級實際提供的發(fā)送機會數(shù)。初始化“節(jié)點收發(fā)狀態(tài)信息表”，之后，按照各個優(yōu)先級實際提供的發(fā)送機會數(shù)請求分配<時隙，信道>二維資源。如果當前緩沖區(qū)中還有請求沒有被分配，且還有可用數(shù)據(jù)時隙，則按照從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的順序，循環(huán)取到某個優(yōu)先級的請求隊列。若該優(yōu)先級已經(jīng)被分配的請求個數(shù)達到了實際提供的發(fā)送機會數(shù)，該優(yōu)先級仍有未被分配的請求且當前還有空閑信道，則獲取該優(yōu)先級請求隊列的一個未被分配資源的請求。判斷該請求分配到當前時隙上是否滿足節(jié)點收發(fā)控制的要求，如果滿足就為該請求分配當前時隙上的一個空閑信道，并將請求的部分信息以及分配到的<時隙，信道>資源保存為資源分配結(jié)果;否則暫時“跳過”該請求。空閑信道標號超出信道數(shù)范圍，表示當前時隙上所有信道資源已經(jīng)被分配完畢，將可用時隙標號增加1以指向下一個可用時隙。當所有的請求都已經(jīng)被分配資源，或者已經(jīng)沒有可用的數(shù)據(jù)時隙，資源分配過程結(jié)束。源分配過程如圖4所示。

2.5 節(jié)點使用分配結(jié)果過程

節(jié)點在響應(yīng)前導(dǎo)階段接收到網(wǎng)控中心廣播的資源分配結(jié)果后(資源分配結(jié)果所包含的內(nèi)容如表2所示)，使用分配結(jié)果信息決定節(jié)點自己是否能夠?qū)嶋H發(fā)送分組，能夠發(fā)送哪個/哪些分組，以及用什么時隙/信道發(fā)送分組。

節(jié)點使用分配結(jié)果過程：響應(yīng)前導(dǎo)階段節(jié)點接收到網(wǎng)控中心的資源分配結(jié)果，數(shù)據(jù)時隙階段開始，之后，節(jié)點使用分配結(jié)果進行分組發(fā)送和接收。每個時隙來臨時，MAC根據(jù)分配結(jié)果中的時隙標識(ID)和源節(jié)點ID判斷該時隙是否分配給了自己，是的話就向優(yōu)先級隊列確認分組。優(yōu)先級隊列使用分配結(jié)果中的目的節(jié)點ID和優(yōu)先級ID，判斷該發(fā)送機會具體分配給哪一個分組，然后將該分組返回給MAC。MAC確認分組后，使用分配結(jié)果中的信道ID，在該信道上將分組發(fā)送出去。接收節(jié)點使用分配結(jié)果中的時隙ID和目的節(jié)點ID，判斷自己是否需要在該時隙接收分組，然后在信道ID標識的信道上接收分組。目的節(jié)點成功接收分組后，源節(jié)點將分組從優(yōu)先級隊列的緩沖區(qū)中刪除，過程結(jié)束。

3 算法分析

優(yōu)先級的動態(tài)TDMA算法融合SPMA接入方式，通過推遲低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的發(fā)送，為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)預(yù)留部分資源來實現(xiàn)流量控制。要求通信節(jié)點數(shù)量小于時隙數(shù)量的條件成為MAC算法的制約。從多信道和優(yōu)先級機制共同存在帶來的開銷和效率問題需來考慮，將對集中式和分布式的時隙分配和調(diào)度建立節(jié)點規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)的控制模型和算法，并且建立<時隙，信道>二維資源高效的分配和調(diào)度算法。

MAC處理軟件應(yīng)用了自適應(yīng)的原理，但是沒有涉及認知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我們將認知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到應(yīng)用模式中，研究了MAC層多信道控制、多信道和時隙分配與調(diào)度算法。建立了具備認知功能的移動節(jié)點體系結(jié)構(gòu)和組成模型，定義多信道環(huán)境下的時隙分配與調(diào)度算法。

4 結(jié)束語

本文研究了一種用于無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制機制，實現(xiàn)了資源動態(tài)分配(動態(tài)分配時隙和動態(tài)分配信道)、區(qū)分優(yōu)先級服務(wù)、按優(yōu)先級比例分配帶寬。但是，仍然存在一些尚未解決的問題，需要進一步改進。

算法目前使用的請求狀態(tài)信息的結(jié)構(gòu)比較簡單，有關(guān)分組的信息量也較少，且主要根據(jù)優(yōu)先級來分組。今后可以考慮增加請求信息的內(nèi)容以完善分配機制。

算法目前還沒有解決優(yōu)先級機制帶來的預(yù)留比例靈活調(diào)整的問題。今后可以考慮加入自適應(yīng)的優(yōu)先級預(yù)留比例調(diào)整機制。另外，多信道和優(yōu)先級機制共同帶來的開銷和效率問題在目前的算法中仍然存在，<時隙，信道>二維資源如何更高效的分配仍然值得進一步的研究和完善[7-9]。

IEEE 802.16工作組在建立無線自組網(wǎng)絡(luò)的研究方面相當活躍。本文研究的資源分配算法是以IEEE 802.16協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC為基礎(chǔ)地。如何將IEEE 802.16協(xié)議更有效的運行在多信道環(huán)境下，以及如何與相關(guān)算法更好地結(jié)合值得進一步深入研究。