无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制（1） 通信, 网络, 无线, 领域, 如何

我是MT

随着无线技术和网络技术的发展，应用无线自组织网络技术构造应急通信网络将成为今后发展的趋势。既有研究表明多信道介质访问控制可以有效地提高网络的通信能力，因此，需要研究适合无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制机制。在IEEE 80.11[1]标准中已经定义了多信道的通信模式。在有关IEEE 802.11的介质访问控制的研究中，通信模式或者是基于竞争方式的多信道、或者是基于单一控制信道的时分复用。使用多信道改善通信性能已经成为无线通信领域的共识，但是如何配置、控制和使用多信道，仍然是一个值得研究的问题。
1 多信道控制模式
在无线数据通信中，信道复用技术用于控制如何分配或使用信道。典型的复用技术包括：载波感知多址接入(CSMA)、竞争方式和时分复用访问(TDMA)、码分复用(CDMA)。在已知的网络中，卫星通信的ALOHA系统和无线以太网的CSMA/CA为竞争方式的代表;GSM、TD-SCDMA和WiMAX 为时分复用方式的代表。基于Wi-Fi的多信道研究有两种方式：其一是两个或多个同样的竞争信道;其二是指定一个信道为控制信道，其他信道为数据通信信道。既有的关于多信道的研究表明：对于存在多信道的通信系统，当信道数到达某个临界值时，系统的吞吐率不再随信道数量的增加而增加。如何最合理最有效地利用多信道的通信能力，使网络和应用呈现更好的可扩展性成为重要的课题。
在过去的20多年中，人们多从系统的角度设计无线通信系统。为提高无线通信系统传输能力，多信道技术，特别是多个无线载波方式，受到极大重视。在现在比较流行的IEEE标802.11标准体系中[2-3]，出现了BAPU、DBTMA和DCMA等双信道和Multiple Channel CSMA和DCA-PC等多信道技术[4-6]。
在一般的商用通信系统中，一般包括一个公共控制信道和一群业务信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。无论在核心网络中，还是在无线环路中都有相同的控制模式。为了提高通信系统的效能，一个重要的研究课题就是：在无线数据通信系统中，公共控制信道和业务信道的关系和控制模型如何确定才能够满足特定的组网要求。
本文研究一种多信道控制模型。该模型的控制模式是为了满足应急通信的信息快速融合的需要而建立的。该模型提出多信道控制算法。在同时4路接收的多信道并行传输的机制中，一个节点在一个时隙内既能够占用一个信道发送数据，又能够同时接收来自其他4个节点在不同信道上的4路数据。多信道手法是一种特定的多信道通信模式。确定这种多信道控制模式，对建立信息汇聚、融合的无线数据通信有很明显的帮助。
2 多信道资源分配算法
自组织应急通信网络媒体访问控制(MAC)技术重点在于动态分配资源和区分优先级的服务质量。动态分配资源主要包括：动态地分配时隙，使得空闲的时隙能够被发送请求数较多的节点充分利用;动态地分配信道，使得节点能够灵活使用多信道机制，实现快速信息融合所需要的多路接收一路发送的通信能力。区分优先级的服务质量主要包括：对分组区分优先级，始终保障最高优先级的服务质量;其他优先级按比例分配带宽，该分配比例能够灵活调整;高负载时性能下降相对平缓。
本文的多信道资源分配算法参考IEEE 802.16中Mesh网络的MAC层机制。该控制机制采用TDMA的组网方式，节点通过请求/响应的方式来接入媒体，其中集中控制方式同样支持Ad hoc网络的集中式MAC资源调度和管理。IEEE 802.16协议支持不同的服务水平，从企业级的高质量服务到家用型的尽力而为服务都有定义。协议通过集中调度来支持时延敏感业务，如话音和视像等。由于确保了无碰撞数据接入，IEEE 802.16的MAC层改善了系统总吞吐量和带宽效率，并确保数据时延受到控制。TDMA接入技术还使支持多播和广播业务变得更容易。IEEE 802.16系统的QoS机制可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。Mesh模式的QoS机制还需要进一步研究和完善，可以借鉴其他模式下较成熟的QoS机制对Mesh模式进行补充和改进。
本文提出的资源分配算法处理流程包括了5个重要过程：
(1)获取节点请求列表过程
(2)请求分类缓冲过程
(3)请求队列截取过程
(4)资源分配过程
(5)节点使用分配结果过程
5个过程的顺序处理关系如图1所示。

其中的(1)和(5)这两个过程不属于资源分配算法的核心内容，但在资源分配总过程的数据流处理中担当了重要角色。资源分配总过程数据流如图2所示。即(1)过程产生算法输入数据，(5)过程使用算法输出数据。

2.1 获取节点请求列表过程
获取节点请求列表过程可以划分为几个时隙(数量通常等于节点数量)，每个节点查看自己的MAC优先级队列中各个优先级是否有分组要发送，有的话就生成一定数量的请求状态信息(每一个请求状态信息对应于MAC优先级队列中的一个分组，包含了该对应分组的一些特征信息摘要，网控中心进行资源分配时需要用到这些信息)。节点生成的所有请求状态信息会在某个小时隙中发送给网控中心节点，作为资源分配算法的输入。请求状态信息所包含的内容如表1所示。

MAC优先级队列是由各个节点独立维护的一个区分优先级的分组缓冲区，可以认为是一个按优先级索引的多链表结构，用于缓冲上层协议实体传输下来的分组。该队列能够在每帧开始的请求前导阶段按照MAC的要求，查看缓冲区的内容并生成一定数量的请求状态信息返回给MAC;然后在数据时隙阶段，根据MAC得到的分配结果从缓冲区里取出正确的分组返回给MAC并发送。
获取节点请求列表：每个节点的MAC协议实体查看优先级队列里的缓冲分组。MAC指定一个数值作为优先级队列能够生成的请求状态信息个数的上限，队列据此数值控制发给网控中心的请求信息的总大小。另外，由于每个请求对应一个待发送分组，提交多个请求就意味着节点可能根据网络忙闲状况在一个时帧里获得多次发送机会，从而具备实现动态时隙使用的基础。优先级队列将这些请求状态信息返回给MAC，MAC获得此信息后，在请求前导阶段某个时间将它们封装成为一个请求分组，发送给网控中心节点。