無線自組織應急通信網(wǎng)絡的多信道介質(zhì)訪問控制

隨著無線技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，應用無線自組織網(wǎng)絡技術(shù)構(gòu)造應急通信網(wǎng)絡將成為今后發(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)絡的通信能力，因此，需要研究適合無線自組織應急通信網(wǎng)絡的多信道介質(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，信道復用技術(shù)用于控制如何分配或使用信道。典型的復用技術(shù)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(wǎng)絡中，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(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)務信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。無論在核心網(wǎng)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(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，公共控制信道和業(yè)務信道的關(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

自組織應急通信網(wǎng)絡媒體訪問控制(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)議支持不同的服務水平，從企業(yè)級的高質(zhì)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(diào)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(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)務變得更容易。IEEE 802.16系統(tǒng)的QoS機制可以根據(jù)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(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)信息對應于MAC優(yōu)先級隊列中的一個分組，包含了該對應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。

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的優(yōu)先級隊列中適當位置，對應優(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)先級預留比例數(shù)據(jù)，用于計算預留給對應優(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)先級比例預留策略，可以限制各個優(yōu)先級在網(wǎng)絡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)先級預留比例，計算出各個優(yōu)先級超出預留發(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)絡具有5個不同子頻率所對應的信道，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?？臻e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)點在響應前導階段接收到網(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：響應前導階段節(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處理軟件應用了自適應的原理，但是沒有涉及認知無線網(wǎng)絡技術(shù)。我們將認知無線網(wǎng)絡技術(shù)引入到應用模式中，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急通信網(wǎng)絡的多信道介質(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、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)先級機制帶來的預留比例靈活調(diào)整的問題。今后可以考慮加入自適應的優(yōu)先級預留比例調(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。