無線自組織應急通信網絡的多信道介質訪問控制

摘要:文章研究了多信道資源分配算法，并對其5個重要過程：獲取節(jié)點請求列表過程、請求分類緩沖過程、請求隊列截取過程、資源分配過程、節(jié)點使用分配結果過程進行了探討。文章認為在算法中可以考慮增加請求信息的內容以完善分配機制，加入自適應的優(yōu)先級預留比例調整機制，添加和完善更高效地分配時隙、信道二維資源。

關鍵字:介質訪問控制；資源分配策略；節(jié)點收發(fā)控制；時分多址

英文摘要:This paper examines multi-channel resource allocation algorithm and its five key processes: access node list request, request classification buffering, interception of request queue, resource allocation, and use of allocation results for nodes. Algorithms can determine whether to increase request information content to improve the distribution mechanism, add a priority reserve ratio adaptive adjustment mechanism, analyze and improve timeslots allocation, and channel two-dimensional resources.

英文關鍵字:medium access control; resource allocation strategy; node transceiver control; TDMA

基金項目：北京市自然科學基金資助項目(4092029)

隨著無線技術和網絡技術的發(fā)展，應用無線自組織網絡技術構造應急通信網絡將成為今后發(fā)展的趨勢。既有研究表明多信道介質訪問控制可以有效地提高網絡的通信能力，因此，需要研究適合無線自組織應急通信網絡的多信道介質訪問控制機制。在IEEE 80.11[1]標準中已經定義了多信道的通信模式。在有關IEEE 802.11的介質訪問控制的研究中，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用。使用多信道改善通信性能已經成為無線通信領域的共識，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

在無線數據通信中，信道復用技術用于控制如何分配或使用信道。典型的復用技術包括：載波感知多址接入(CSMA)、競爭方式和時分復用訪問(TDMA)、碼分復用(CDMA)。在已知的網絡中，衛(wèi)星通信的ALOHA系統(tǒng)和無線以太網的CSMA/CA為競爭方式的代表；GSM、TD-SCDMA和WiMAX為時分復用方式的代表�；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，其他信道為數據通信信道。既有的關于多信道的研究表明：對于存在多信道的通信系統(tǒng)，當信道數到達某個臨界值時，系統(tǒng)的吞吐率不再隨信道數量的增加而增加。如何最合理最有效地利用多信道的通信能力，使網絡和應用呈現(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，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[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)務信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。無論在核心網絡中，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：在無線數據通信系統(tǒng)中，公共控制信道和業(yè)務信道的關系和控制模型如何確定才能夠滿足特定的組網要求。

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的機制中，一個節(jié)點在一個時隙內既能夠占用一個信道發(fā)送數據，又能夠同時接收來自其他4個節(jié)點在不同信道上的4路數據。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、融合的無線數據通信有很明顯的幫助。

2 多信道資源分配算法

自組織應急通信網絡媒體訪問控制(MAC)技術重點在于動態(tài)分配資源和區(qū)分優(yōu)先級的服務質量。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)先級的服務質量主要包括：對分組區(qū)分優(yōu)先級，始終保障最高優(yōu)先級的服務質量；其他優(yōu)先級按比例分配帶寬，該分配比例能夠靈活調整；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網絡的MAC層機制。該控制機制采用TDMA的組網方式，節(jié)點通過請求/響應的方式來接入媒體，其中集中控制方式同樣支持Ad hoc網絡的集中式MAC資源調度和管理。IEEE 802.16協(xié)議支持不同的服務水平，從企業(yè)級的高質量服務到家用型的盡力而為服務都有定義。協(xié)議通過集中調度來支持時延敏感業(yè)務，如話音和視像等。由于確保了無碰撞數據接入，IEEE 802.16的MAC層改善了系統(tǒng)總吞吐量和帶寬效率，并確保數據時延受到控制。TDMA接入技術還使支持多播和廣播業(yè)務變得更容易。IEEE 802.16系統(tǒng)的QoS機制可以根據業(yè)務的實際需要來動態(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)點使用分配結果過程

5個過程的順序處理關系如圖1所示。