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WLAN中MAC子层接入技术的研究

 一.引言:

移动计算网络的解决方案可以分为两种:广域方案和局域方案。广域方案主要是依靠无线蜂窝数据通信网和卫星通信网作为移动计算的物理网;而局域方案WLAN由于具有更高的传输速率和更低的通信成本,可作为有线局域网LAN的扩展和替代,而显得格外的引人注目。

WLAN都以多路复用信道作为通信的基础,这样与采用点到点连接的网络相比,存在一个关键的技术问题:当信道的使用产生竞争时,如何分配信道的使用权。在WLAN中完成该功能的是数据链路层DLC的介质访问控制MAC(medium access control)子层。可以说,WLAN的网络性能(吞吐量、时延等)完全取决于MAC子层的接入协议。所以,制定适当的MAC子层规范,根据网络业务特征有效地配置信道资源,提高无线资源的使用效率,提高系统的容量和传输质量,是未来WLAN研究的重要课题。

二. MAC接入机制的分类

MAC层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配信道资源。多个终端共享同一信道资源的方法称为信道接入方式,或称多址方式。在无线局域网中MAC子层常用的多址机制可以分为以下三类:

1.随机竞争类,如Aloha系列。随机竞争类的协议一般使用公共信道,连接在这条信道上的终端都可以向信道发送广播信息。如果终端需要发送,它以某种方式竞争信道的使用权,一旦得到使用权立即发送,所有的终端都能接收到发自任一终端的信息,如果检测到是发给自己的就接受,否则抛弃。

2.按需分配类(或称预约类、无竞争类),如token ring等。这种方法的原则是网络按某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送,如果有则立即发送,否则网络立即转向下一个终端。轮询的特点是各分站可以公平地获取信道访问控制权,适用于通信业务量随时间变化,且这种变化又难以预测的情况。这种多址方式操作简单易于实现,在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛应用。

3.固定分配类,如FDMA、TDMA、CDMA等;它们的原则是把共享的一条信道分割成若干个相互独立的子信道,每个子信道又分配给一个或多个用户专用。

以上三类多址接入技术分别适用于不同的通信业务。对于以话音业务为主,通信量稳定的网络,固定分配类可以提供可靠的服务,同时又保持很高的信道利用率。按需分配类,不存在信息的碰撞,但是通常需要一个专用信道,所有的用户在该信道上以固定分配或随机接入的方式提出呼叫申请,适用于通信业务量随机变化且难以预测的情况。固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务,而随机竞争类更适用于间歇性工作的用户发送非时延敏感性的业务。

三.各类多址方式的优劣浅析

固定分配方式如时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)等,固定地将信道划分为不同的子信道分配给各个用户。这种分配方法是面向信道的,适用于比较连续的流业务,如语音业务,而当用户不发送信息时,分配给它的信道将白白浪费。

CDMA是固定分配方式和随机分配方式的结合,它有着一些显著的优点,如零信道接入时延,带宽利用率高和良好的统计复用特性,而且使用CDMA技术能够在很大程度上降低隐藏终端问题的影响。但是它的缺点是传输速率限制和基站复杂性高。

随机接入方式是一种竞争方式的多址接入技术,适合于强突发性业务,ALOHA是一种简单的随机接入方式,当业务量较重时,容易发生业务流碰撞。而载波侦听多址访问CSMA技术使整个信道带宽为所有用户共享,只有当信道空闲时,才允许用户发送信息,这种方式降低了碰撞发生的概率。而CSMA/CA将时间域的划分与帧格式紧密联系起来,保证某一时刻只有一个终端发送,实现了网络系统的集中控制。但必须看到,时延、隐藏终端和暴露终端是WLAN固有的问题,目前主要的解决方法是采用RTS/CTS(Request To Send/ Clear To Send)短信息握手机制。像多址接入冲突预防协议MACA(Multiple Access Collision Avoidance)、MACAW(MACA的改进型)、FAMA(Floor Acquisition Multiple Access)等主流的MAC子层协议都使用了RTS/CTS短分组。

按需分配方式为用户保留了带宽,用户考虑到自己对带宽的需求向网络提供明确信息。网络根据用户业务的数据长度分配带宽,当用户处于空闲期时,分配给该用户的带宽将分配给其它的用户。通过按需分配带宽,网络带宽资源的浪费减少到最小,也没有由于资源竞争而浪费的带宽以及由此产生的时延,从而可以达到很高的信息吞吐率。一种简单的按需分配方式是由中央控制器轮流询问各个用户,当用户需要发送信息时,由中央控制器分配带宽,这就要求中央控制器的稳定性相当高。

必须指出,多址方式还与网络的通信方式密切相关。预分配方式或争用方式对点对点(只有一个目的终端)的通信方式较适用,但单纯的争用方式对广播型(有多个目的终端)的通信方式并不适用,因为一次争用信道,难以保证多个目的终端都能顺利接收,但若采用争用和预约相结合的办法就可行了。

总而言之,一种好的MAC子层协议应在以下方面达到折中:

1.公平、有效地分享带宽资源;

2.获得尽可能高的吞吐量;

3.时延尽可能的小。

四.当前几种主流WLAN系统的多址接入机制。

1.802.11

802.11是IEEE(Institute of Electronic and Electrical Engineers)于97年推出的WLAN的协议标准, 该标准考虑了两种网络拓扑结构:基本结构网络BSS和独立网络IBSS。BSS是IEEE 802.11结构的基本功能模块,它覆盖的地理区域类似于蜂窝通信网中的蜂窝。在BSS内,任一终端可与任一其它终端直接建立通信过程。每个BSS中有一个终端作为接入点AP接入分布系统DS,并通过DS与其他BSS相连,形成扩展业务群ESS,也可以通过DS和PORTAL与其他有线LAN相连。而IBSS是由BSS内的一组终端组成,是完全无中心的网络结构。802.11的MAC层的基本结构如图1所示:

其中,DCF是无线网络对共享媒体的一种访问控制功能,其核心是CSMA/CA,包括载波检测(CS)机制、帧间间隔(IFS)和随机退避(random back-off)规程。对802.11而言,网络中所有的终端要发送数据时,都要按照CSMA/CA的媒体访问方法接入共享媒体,也就是说需要发送数据的终端首先要监听媒体,以便知道是否有其它终端正在发送。如果媒体不忙,则可以进行发送处理,但不是马上发送数据帧,而是由CSMA/CA分布算法,强制性地控制各种数据帧相应的时间间隔(IFS),只有在该类型帧所规定的IFS内媒体一直是空闲的方可发送。如检测到媒体正在传送数据,则该终端将推迟竞争媒体,一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后,该终端要经过一个随机退避时间重新竞争对媒体的使用权。

 

退避时间的设置:退避时间按下面的方法选择后,作为递减退避计数器的初始值。

退避时间=INT[CW×Random( )]×Slot Time

CW(竞争窗):在MIB中CWmin~Cwmax中的一个整数;

Random( ):0~1之间的伪随机数;

Slot Time:MIB中的时隙值。

关于竞争窗CW参数的选择,初始值为CWmin,如果发送MPDU不成功,则逐步增加CW的值,直到CWmax,呈指数增加,以适应高负载的情况。具体过程如下:

1).检测到媒体空闲时,退避计时器递减计时;

2).检测到媒体忙时,退避计时器停止计时,直到检测到媒体空闲时间大于DIFS后重新递减计时。

3).退避计时器减少到0时,媒体仍为空,则该终端就占用媒体。

4).退避时间值最小的终端在竞争中获胜,取得对媒体的访问权;失败的终端会保持在退避状态,直到下一个DIFS。

5).保持在退避状态下的终端,比第一次进入的新终端具有更短的退避时间,易于接入媒体。

CSMA/CA的基础是载波侦听,802.11根据WLAN的媒体特点提出了两种载波检测方法。一种是基于物理层的载波检测CS,从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态;另一种是虚拟CS方式,通过MAC报头或RTS/CTS中的NAV来实现。只要其中之一指示媒体正在被使用,媒体就被认为已处于忙状态。

以CSMA/CA为基础的分布协调功能(DCF)是MAC的基本访问方式,DCF只能提供竞争型的异步业务,对数据传输的延时较大。为了能提供限时服务,MAC协议还提供了一种不适用于IBSS,用户可按需选择的点协调功能PCF的访问方式。PCF建立在DCF基础上,由BSS内接入点AP的中心控制器来决定当前哪一个站有权发送数据。PCF通过DCF以较高的优先级来竞争媒体,访问媒体的优先级别是以不同的IFS的长短来决定的。PCF用较短的PIFS,使PCF的业务优先访问媒体。PCF不象DCF那样,每个终端用CCA( Clear Channel Assessment )和随机退避来竞争信道,而是点协调器用信标帧BF(Beacon Frame)定义无竞争期CFP来获得信道,BF是以一定规则间隔发送的定时信息帧。BSS内的所有终端在每一个CFP的开始,设置它们的网络配置矢量NAV,告诉所有的终端在该NAV内要延迟接入媒体。工作在PCF的BSS中的所有终端都能接收到PCF控制下发送来的所有的帧,也能够对点协调器发送的无竞争轮询CF-Poll 作出响应。被轮询终端在CPF内不使用RTS/CTS,它只发送一个可达任何目的终端的MSDU,且可以接收到来自下一帧的确认应答。如果数据帧不被应答,则CF-Pollable终端将不重发该帧,除非它再一次被点协调器轮询或它决定在竞争期间重发。同样,点协调器也不对未确认帧进行重发,它在下一个CFP内根据注明在轮询表表头的终端识别号SID重发未应答的帧。

如果一个CF发送帧的目的终端不处于无竞争轮询状态,则该终端按DCF应答规则应答此次发送,且点协调器在恢复CF发送之前要等待一个PIFS,再控制媒体。点协调器可单独使用无竞争帧向BSS内的终端发送,无需询问。由于PCF具有优先接入媒体的优势,点协调器可在媒体空闲时占有媒体,进入无竞争期,采用轮询方式在BSS内各站来发送数据帧。因此,PCF具有较小的延迟,能促进网络吞吐量最佳化,更好的支持无竞争的限时业务,如语音、话音、视频或多媒体业务等。

2.HIPERLAN/2

HIPERLAN/2是欧洲通信标准协会ETSI(European Telecommunications Standards Institute)主推的欧洲标准。HIPERLAN/2无线接口采用的是基于时分双工TDD和动态时分多址TDMA,所谓动态即是由接入点AP配置无线资源并动态调整MAC帧各部分的结构比例,动态分配信道,以达到资源的最佳利用。其协议站结构如下图:

动态分配信道图 HIPERLAN/2的基本MAC 帧具有2ms的固定时长,它包括广播信道BCH、帧信道FCH、接入反馈信道ACH、随机接入信道RCH等传输信道。其中,BCH的时长是固定的,每扇区一个,其他信道的时长则根据当时的通信情况动态变化。广播信道BCH下行传播有关传输功率级别、唤醒指示器、FCH和 RCH的起始点和长度等信息。帧控制信道FCH详细描述在当前的MAC帧中资源的分配情况。访问反馈信道ACH传输与前一帧的RCH相关的应答信息。MT用随机信道RCH向AP请求分配上行或下行传输资源,并传输某些RLC 信令信息。每扇区至少要保证拥有一个RCH,若MT发来的RR(Resource Request)增加,AP将分配更多的资源给RCH。这些控制信息通过MAC帧进行发送并且到达所有的MT,MT一直监听并处理来自BCH和FCH的信息,当它尝试接入RCH后,也要监听相应的ACH,以获得RG(Resource Grant)。

MT接入RCH的过程是由竞争窗CWa来控制的。第一次接入之前,要产生一个数字a,并将其置为零。

初次尝试: a=0 CW0 = n

256 2a≥256

重发: a≥1 CWa = 2a n<2a≤256

n n≥2a

当在RCH信道进行第a次重发时,要在[1, CWa]之间随机选择一个参数ra(若a=0,则ra=1),然后,MT开始计算MAC帧的RCH的数目,当数到第ra个RCH时,MT接入该RCH。若接入成功,a重新置零,以备下次尝试接入再用;若接入失败,AP就通过下一帧的ACH告诉MT发生碰撞,则a=a +1,再重复以上步骤。

AP为了控制资源配置,需要知道自身缓冲区和MT缓冲区的配置,因此,MT在RR中要说明自己的缓冲区状态,并根据传输能力来请求资源分配。AP根据缓冲区的状态和所有的RR信息,按需考虑服务质量要求,并公平的分配资源。若RR发送成功,AP就通过下一帧的ACH告诉MT发送成功并通过FCH来安排一帧内的详细的资源分配,例如MT应该发送和接收的时隙。MAC帧结构下图所示。

 

3. HomeRF

家庭射频HomeRF技术是对现有无线通信标准的综合和改进,无绳电话技术DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone)和WLAN技术相互融合构成HomeRF采用的共享无线应用协议SWAP(Shared Wireless Access Protocol)。SWAP采用TDMA+CSMA/CA方式,适用于小范围内的多种传输业务类型,并且能够与公众交换电话网PSTN和互联网进行交互式操作。HomeRF把业务类型分为三种:交互式语音及其它实时业务、高速分组数据和有优先级的流媒体业务,并根据业务的不同要求采用不同的接入机制。对实时性要求不高的数据业务采用CSMA/CA机制,获得除为话音预留时隙之外剩余时隙的使用权,其接入方式与802.11中的DCF相一致。而对实时性要求较高的同步全双工均衡语音服务完全以DECT规范为基础,采用TDMA方式和分组预约话音插空技术以进一步提高网络容量,满足对时延的要求。而对实时性要求介于两者之间的流媒体业务则采用了UDP/IP协议,规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制,可随时占用数据信道资源,这样就确保了实时性流媒体业务所需的带宽和低干扰、低误码。SWAP最多可以同时支持8个工作在单工、双工及多播等多种方式的流媒体业务。HomeRF的协议栈结构如下图所示。

TDMA传输的语音数据需要一个非常规则的时隙信道,而CSMA/CA机制则以一种不确定的方式抢占时隙,处于竞争状态。为了在20ms内支持以上两种数据类型的传输,SWAP协议规定了两种帧结构以满足不同业务类型的需求。其结构如图5所示。一种是20ms的超帧(Superframe),另一种是10ms的子帧(Subframe),AP根据是否有语音服务而决定采用哪种帧结构。当网络中只有数据业务时,HomeRF将使用超帧,在一个跳频点上的通信时间为20ms,并且采用异步方式。当网络中有语音业务时,此时采用10ms的子帧,并增加了一个标志位以同步方式进行通信。无论在哪种帧结构中,大部分的时隙会留给异步数据通信,同时根据激活的话音信道数目,动态的为语音业务预留一部分资源,HomeRF最多可同时支持8路全双工语音通信,而当有剩余时隙时,就把剩余时隙留给数据业务。数据业务中,流媒体拥有更高的优先权,最多可有八种等级的流媒体业务同时工作。同样,若没有那么多的流媒体业务,这些时隙都将留给异步数据业务。另外,HomeRF语音的重发机制是HomeRF所独有的 ,若由于外界的干扰造成语音数据包丢失,则CP安排在下一个频点的10ms时间里重发,以保证可靠的语音传输质量。

 五.接入协议的发展趋势

接入机制是无线个人通信的核心技术,也是争论的焦点之一,选用哪一种接入技术直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、小区结构、设备的复杂度及成本等关键问题。随着现代社会对通信业务要求的不断提高,网络的业务类型越来越趋向多样化,比如短数据、报文、话音业务和流媒体业务等等。为提供相应的QoS保证,优化网络性能,这就对MAC层的接入机制提出了更高的要求,各种接入方式正处于不断的改进和融合之中。其发展趋势有以下几个方面:

1. 若只采用某一种接入方法很难实现网络对任意业务类型和负载进行公平、有效的资源分配,因此各种接入机制必须相互借鉴、融合。在WLAN中应考虑多种接入方式有机结合,制定适当的MAC子层接入协议,以维持网络较高的吞吐量、较低的时延和较少的系统开销;

2. 考虑到未来通信业务发展的实际需要,WLAN的接入机制必须对语音等及时性较强的业务提供有力的支持和QoS保证,这一点对无中心的自组织网络尤为关键;

3. 下一代移动通信系统4G应是基于全IP,可在多种接入方式中灵活切换的多网络融合系统,接入网可采用多种协议,且终端能够在各个接入网之间实现无缝漫游和切换。所以设计WLAN的接入机制时,要考虑作为3G、4G系统接入网及与其无隙切换而对接入机制产生的新要求。

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