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

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(jié)果過程進(jìn)行了探討。文章認(rèn)為在算法中可以考慮增加請求信息的內(nèi)容以完善分配機(jī)制，加入自適應(yīng)的優(yōu)先級預(yù)留比例調(diào)整機(jī)制，添加和完善更高效地分配時隙、信道二維資源。

關(guān)鍵字:介質(zhì)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(guān)鍵字:medium access control; resource allocation strategy; node transceiver control; TDMA

基金項目：北京市自然科學(xué)基金資助項目(4092029)

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(jī)制。在IEEE 80.11[1]標(biāo)準(zhǔn)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�；�于Wi-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(dāng)信道數(shù)到達(dá)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(kuò)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(biāo)802.11標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)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(fù)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(jī)制。該控制機(jī)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(jī)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(jī)制還需要進(jìn)一步研究和完善，可以借鑒其他模式下較成熟的QoS機(jī)制對Mesh模式進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)。

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。