WLAN中MAC子層接入技術的研究

2019-11-05 02:19:54

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　　摘要：多址接入技術是WLAN的要害技術之一，本文首先介紹了MAC子層在WLAN協議體系中的主要功用，對常用的多址技術進行了歸類，并根據不同的網絡業務類型粗劣分析了各種技術的特點，具體剖析了當前幾種熱點WLAN的接入機制，最后總結了多址技術的發展趨勢。
　　要害詞：WLAN　　MAC　　802.11HipERLAN/2　　HomeRF
　　
　　一．引言:——
　　移動計算網絡的解決方案可以分為兩種：廣域方案和局域方案。廣域方案主要是依靠無線蜂窩數據通信網和衛星通信網作為移動計算的物理網；而局域方案WLAN由于具有更高的傳輸速率和更低的通信成本，可作為有線局域網LAN的擴展和替代，而顯得格外的引人注目。
　　WLAN都以多路復用信道作為通信的基礎，這樣與采用點到點連接的網絡相比，存在一個要害的技術問題：當信道的使用產生競爭時，如何分配信道的使用權。在WLAN中完成該功能的是數據鏈路層DLC的介質訪問控制MAC(medium access control)子層。可以說，WLAN的網絡性能（吞吐量、時延等）完全取決于MAC子層的接入協議。所以，制定適當的MAC子層規范，根據網絡業務特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統的容量和傳輸質量，是未來WLAN研究的重要課題。
　　二. MAC接入機制的分類
　　MAC層的中心論題是相互競爭的用戶之間如何分配信道資源。多個終端共享同一信道資源的方法稱為信道接入方式，或稱多址方式。在無線局域網中MAC子層常用的多址機制可以分為以下三類：
　　1．隨機競爭類，如Aloha系列。隨機競爭類的協議一般使用公共信道，連接在這條信道上的終端都可以向信道發送廣播信息。假如終端需要發送，它以某種方式競爭信道的使用權，一旦得到使用權立即發送，所有的終端都能接收到發自任一終端的信息，假如檢測到是發給自己的就接受，否則拋棄。
　　2．按需分配類（或稱預約類、無競爭類），如token ring等。這種方法的原則是網絡按某種循環順序詢問每個終端是否有數據發送，假如有則立即發送，否則網絡立即轉向下一個終端。輪詢的特點是各分站可以公平地獲取信道訪問控制權，適用于通信業務量隨時間變化，且這種變化又難以猜測的情況。這種多址方式操作簡單易于實現，在一般的實時分布式測控系統中獲得了廣泛應用。
　　3．固定分配類，如FDMA、TDMA、CDMA等；它們的原則是把共享的一條信道分割成若干個相互獨立的子信道，每個子信道又分配給一個或多個用戶專用。
　　以上三類多址接入技術分別適用于不同的通信業務。對于以話音業務為主，通信量穩定的網絡，固定分配類可以提供可靠的服務,同時又保持很高的信道利用率。按需分配類，不存在信息的碰撞，但是通常需要一個專用信道，所有的用戶在該信道上以固定分配或隨機接入的方式提出呼叫申請，適用于通信業務量隨機變化且難以猜測的情況。固定分配和按需分配適合于對實時性要求高的業務，而隨機競爭類更適用于間歇性工作的用戶發送非時延敏感性的業務。
　　
　　三．各類多址方式的優劣淺析
　　固定分配方式如時分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）等，固定地將信道劃分為不同的子信道分配給各個用戶。這種分配方法是面向信道的，適用于比較連續的流業務，如語音業務，而當用戶不發送信息時，分配給它的信道將白白浪費。
　　CDMA是固定分配方式和隨機分配方式的結合，它有著一些顯著的優點，如零信道接入時延，帶寬利用率高和良好的統計復用特性，而且使用CDMA技術能夠在很大程度上降低隱藏終端問題的影響。但是它的缺點是傳輸速率限制和基站復雜性高。
　　隨機接入方式是一種競爭方式的多址接入技術，適合于強突發性業務，ALOHA是一種簡單的隨機接入方式，當業務量較重時，輕易發生業務流碰撞。而載波偵聽多址訪問CSMA技術使整個信道帶寬為所有用戶共享，只有當信道空閑時，才答應用戶發送信息，這種方式降低了碰撞發生的概率。而CSMA/CA將時間域的劃分與幀格式緊密聯系起來，保證某一時刻只有一個終端發送，實現了網絡系統的集中控制。但必須看到，時延、隱藏終端和暴露終端是WLAN固有的問題，目前主要的解決方法是采用RTS/CTS（Request To Send/ Clear To Send）短信息握手機制。像多址接入沖突預防協議MACA（Multiple Access Collision Avoidance）、MACAW（MACA的改進型）、FAMA（Floor Acquisition Multiple Access）等主流的MAC子層協議都使用了RTS/CTS短分組。
　　按需分配方式為用戶保留了帶寬，用戶考慮到自己對帶寬的需求向網絡提供明確信息。網絡根據用戶業務的數據長度分配帶寬，當用戶處于空閑期時，分配給該用戶的帶寬將分配給其它的用戶。通過按需分配帶寬，網絡帶寬資源的浪費減少到最小，也沒有由于資源競爭而浪費的帶寬以及由此產生的時延，從而可以達到很高的信息吞吐率。一種簡單的按需分配方式是由中心控制器輪流詢問各個用戶，當用戶需要發送信息時，由中心控制器分配帶寬，這就要求中心控制器的穩定性相當高。
　　必須指出，多址方式還與網絡的通信方式密切相關。預分配方式或爭用方式對點對點（只有一個目的終端）的通信方式較適用，但單純的爭用方式對廣播型（有多個目的終端）的通信方式并不適用，因為一次爭用信道，難以保證多個目的終端都能順利接收，但若采用爭用和預約相結合的辦法就可行了。
　　總而言之，一種好的MAC子層協議應在以下方面達到折中：
　　1．公平、有效地分享帶寬資源；
　　
　　2．獲得盡可能高的吞吐量；
　　
　　3．時延盡可能的小。
　　
　　四．下面具體分析一下當前幾種主流WLAN系統的多址接入機制。
　　
　　1．802.11
　　802.11是IEEE（Institute of Electronic and Electrical Engineers）于97年推出的WLAN的協議標準，該標準考慮了兩種網絡拓撲結構：基本結構網絡BSS和獨立網絡IBSS。BSS是IEEE 802.11結構的基本功能模塊，它覆蓋的地理區域類似于蜂窩通信網中的蜂窩。在BSS內，任一終端可與任一其它終端直接建立通信過程。每個BSS中有一個終端作為接入點AP接入分布系統DS，并通過DS與其他BSS相連，形成擴展業務群ESS，也可以通過DS和PORTAL與其他有線LAN相連。而IBSS是由BSS內的一組終端組成，是完全無中心的網絡結構。802.11的MAC層的基本結構如圖1所示：
　　
　　　　其中，DCF是無線網絡對共享媒體的一種訪問控制功能，其核心是CSMA/CA，包括載波檢測（CS）機制、幀間間隔（IFS）和隨機退避(random back-off)規程。對802.11而言，網絡中所有的終端要發送數據時，都要按照CSMA/CA的媒體訪問方法接入共享媒體，也就是說需要發送數據的終端首先要監聽媒體，以便知道是否有其它終端正在發送。假如媒體不忙，則可以進行發送處理，但不是馬上發送數據幀，而是由CSMA/CA分布算法，強制性地控制各種數據幀相應的時間間隔（IFS），只有在該類型幀所規定的IFS內媒體一直是空閑的方可發送。如檢測到媒體正在傳送數據，則該終端將推遲競爭媒體，一直延遲到現行的傳輸結束為止。在延遲之后,該終端要經過一個隨機退避時間重新競爭對媒體的使用權。
　　　

　　圖1
　　退避時間的設置：退避時間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計數器的初始值。
　　
　　退避時間=INT[CW×Random( )]×Slot Time
　　
　　CW(競爭窗)：在MIB中CWmin～Cwmax中的一個整數；
　　
　　Random( )：0～1之間的偽隨機數；
　　
　　Slot Time：MIB中的時隙值。
　　關于競爭窗CW參數的選擇，初始值為CWmin，假如發送MPDU不成功，則逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指數增加，以適應高負載的情況。具體過程如下：
　　
　　1)．檢測到媒體空閑時，退避計時器遞減計時；
　　
　　2)．檢測到媒體忙時，退避計時器停止計時，直到檢測到媒體空閑時間大于DIFS后重新遞減計時。
　　
　　3)．退避計時器減少到0時，媒體仍為空，則該終端就占用媒體。
　　
　　4)．退避時間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對媒體的訪問權；失敗的終端會保持在退避狀態，直到下一個DIFS。
　　5)．保持在退避狀態下的終端，比第一次進入的新終端具有更短的退避時間，易于接入媒體。
　　CSMA/CA的基礎是載波偵聽，802.11根據WLAN的媒體特點提出了兩種載波檢測方法。一種是基于物理層的載波檢測CS，從接收射頻或天線信號檢測信號能量或根據接收信號的質量來估計信道的忙閑狀態；另一種是虛擬CS方式，通過MAC報頭或RTS/CTS中的NAV來實現。只要其中之一指示媒體正在被使用，媒體就被認為已處于忙狀態。
　　以CSMA/CA為基礎的分布協調功能（DCF）是MAC的基本訪問方式，DCF只能提供競爭型的異步業務，對數據傳輸的延時較大。為了能提供限時服務，MAC協議還提供了一種不適用于IBSS，用戶可按需選擇的點協調功能PCF的訪問方式。PCF建立在DCF基礎上，由BSS內接入點AP的中心控制器來決定當前哪一個站有權發送數據。PCF通過DCF以較高的優先級來競爭媒體，訪問媒體的優先級別是以不同的IFS的長短來決定的。PCF用較短的PIFS，使PCF的業務優先訪問媒體。PCF不象DCF那樣，每個終端用CCA( Clear Channel Assessment )和隨機退避來競爭信道，而是點協調器用信標幀BF（Beacon Frame）定義無競爭期CFP來獲得信道，BF是以一定規則間隔發送的定時信息幀。BSS內的所有終端在每一個CFP的開始，設置它們的網絡配置矢量NAV，告訴所有的終端在該NAV內要延遲接入媒體。工作在PCF的BSS中的所有終端都能接收到PCF控制下發送來的所有的幀，也能夠對點協調器發送的無競爭輪詢CF-Poll 作出響應。被輪詢終端在CPF內不使用RTS/CTS，它只發送一個可達任何目的終端的MSDU，且可以接收到來自下一幀的確認應答。假如數據幀不被應答，則CF-Pollable終端將不重發該幀，除非它再一次被點協調器輪詢或它決定在競爭期間重發。同樣，點協調器也不對未確認幀進行重發，它在下一個CFP內根據注明在輪詢表表頭的終端識別號SID重發未應答的幀。
　　假如一個CF發送幀的目的終端不處于無競爭輪詢狀態，則該終端按DCF應答規則應答此次發送，且點協調器在恢復CF發送之前要等待一個PIFS，再控制媒體。點協調器可單獨使用無競爭幀向BSS內的終端發送，無需詢問。由于PCF具有優先接入媒體的優勢，點協調器可在媒體空閑時占有媒體，進入無競爭期，采用輪詢方式在BSS內各站來發送數據幀。因此，PCF具有較小的延遲，能促進網絡吞吐量最佳化，更好的支持無競爭的限時業務，如語音、話音、視頻或多媒體業務等。
　　2．HIPERLAN/2
　　HIPERLAN/2是歐洲通信標準協會ETSI(European Telecommunications Standards Institute)主推的歐洲標準。HIPERLAN/2無線接口采用的是基于時分雙工TDD和動態時分多址TDMA，所謂動態即是由接入點AP配置無線資源并動態調整MAC幀各部分的結構比例，動態分配信道，以達到資源的最佳利用。其協議站結構如下圖：
　　　

　　圖2
　　HIPERLAN/2的基本MAC 幀具有2ms的固定時長，它包括廣播信道BCH、幀信道FCH、接入反饋信道ACH、隨機接入信道RCH等傳輸信道。其中，BCH的時長是固定的，每扇區一個，其他信道的時長則根據當時的通信情況動態變化。廣播信道BCH下行傳播有關傳輸功率級別、喚醒指示器、FCH和 RCH的起始點和長度等信息。幀控制信道FCH具體描述在當前的MAC幀中資源的分配情況。訪問反饋信道ACH傳輸與前一幀的RCH相關的應答信息。MT用隨機信道RCH向AP請求分配上行或下行傳輸資源，并傳輸某些RLC 信令信息。每扇區至少要保證擁有一個RCH，若MT發來的RR（Resource Request）增加，AP將分配更多的資源給RCH。這些控制信息通過MAC幀進行發送并且到達所有的MT，MT一直監聽并處理來自BCH和FCH的信息，當它嘗試接入RCH后，也要監聽相應的ACH，以獲得RG（Resource Grant）。
　　MT接入RCH的過程是由競爭窗CWa來控制的。第一次接入之前，要產生一個數字a，并將其置為零，
　　
　　初次嘗試： a=0 CW0 = n
　　
　　256 2a≥256
　　
　　重發： a≥1 CWa = 2a n<2a≤256
　　
　　n n≥2a
　　當在RCH信道進行第a次重發時，要在[1, CWa]之間隨機選擇一個參數ra（若a=0，則ra=1），然后，MT開始計算MAC幀的RCH的數目，當數到第ra個RCH時，MT接入該RCH。若接入成功，a重新置零，以備下次嘗試接入再用；若接入失敗，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發生碰撞，則a=a +1，再重復以上步驟。
　　AP為了控制資源配置，需要知道自身緩沖區和MT緩沖區的配置，因此，MT在RR中要說明自己的緩沖區狀態，并根據傳輸能力來請求資源分配。AP根據緩沖區的狀態和所有的RR信息，按需考慮服務質量要求，并公平的分配資源。若RR發送成功，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發送成功并通過FCH來安排一幀內的具體的資源分配，例如MT應該發送和接收的時隙。MAC幀結構如圖3所示。
　　　

　　圖3
　　
　　3． HomeRF
　　家庭射頻HomeRF技術是對現有無線通信標準的綜合和改進，無繩電話技術DECT（Digital Enhanced Cordless Telephone）和WLAN技術相互融合構成HomeRF采用的共享無線應用協議SWAP（Shared Wireless Access PRotocol）。SWAP采用TDMA＋CSMA/CA方式，適用于小范圍內的多種傳輸業務類型，并且能夠與公眾交換電話網PSTN和互聯網進行交互式操作。HomeRF把業務類型分為三種：交互式語音及其它實時業務、高速分組數據和有優先級的流媒體業務，并根據業務的不同要求采用不同的接入機制。對實時性要求不高的數據業務采用CSMA／CA機制，獲得除為話音預留時隙之外剩余時隙的使用權，其接入方式與802.11中的DCF相一致。而對實時性要求較高的同步全雙工均衡語音服務完全以DECT規范為基礎，采用TDMA方式和分組預約話音插空技術以進一步提高網絡容量，滿足對時延的要求。而對實時性要求介于兩者之間的流媒體業務則采用了UDP/IP協議，規定了高級別的優先權并采用了帶有優先權的重發機制，可隨時占用數據信道資源，這樣就確保了實時性流媒體業務所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時支持8個工作在單工、雙工及多播等多種方式的流媒體業務。HomeRF的協議棧結構如圖4所示。
　　　

　　圖4
　　TDMA傳輸的語音數據需要一個非常規則的時隙信道，而CSMA/CA機制則以一種不確定的方式搶占時隙，處于競爭狀態。為了在20ms內支持以上兩種數據類型的傳輸，SWAP協議規定了兩種幀結構以滿足不同業務類型的需求。其結構如圖5所示。一種是20ms的超幀（Superframe），另一種是10ms的子幀（Subframe），AP根據是否有語音服務而決定采用哪種幀結構。當網絡中只有數據業務時，HomeRF將使用超幀，在一個跳頻點上的通信時間為20ms，并且采用異步方式。當網絡中有語音業務時，此時采用10ms的子幀，并增加了一個標志位以同步方式進行通信。無論在哪種幀結構中，大部分的時隙會留給異步數據通信，同時根據激活的話音信道數目，動態的為語音業務預留一部分資源，HomeRF最多可同時支持8路全雙工語音通信，而當有剩余時隙時，就把剩余時隙留給數據業務。數據業務中，流媒體擁有更高的優先權，最多可有八種等級的流媒體業務同時工作。同樣，若沒有那么多的流媒體業務，這些時隙都將留給異步數據業務。另外，HomeRF語音的重發機制是HomeRF所獨有的，若由于外界的干擾造成語音數據包丟失，則CP安排在下一個頻點的10ms時間里重發，以保證可靠的語音傳輸質量。
　　

　　圖5
　　
　　五．接入協議的發展趨勢
　　接入機制是無線個人通信的核心技術，也是爭論的焦點之一，選用哪一種接入技術直接影響到系統的頻譜利用率、系統容量、小區結構、設備的復雜度及成本等要害問題。隨著現代社會對通信業務要求的不斷提高，網絡的業務類型越來越趨向多樣化，比如短數據、報文、話音業務和流媒體業務等等。為提供相應的QoS保證，優化網絡性能，這就對MAC層的接入機制提出了更高的要求，各種接入方式正處于不斷的改進和融合之中。其發展趨勢有以下幾個方面：
　　1．若只采用某一種接入方法很難實現網絡對任意業務類型和負載進行公平、有效的資源分配，因此各種接入機制必須相互借鑒、融合。在WLAN中應考慮多種接入方式有機結合，制定適當的MAC子層接入協議，以維持網絡較高的吞吐量、較低的時延和較少的系統開銷；
　　2．考慮到未來通信業務發展的實際需要，WLAN的接入機制必須對語音等及時性較強的業務提供有力的支持和QoS保證，這一點對無中心的自組織網絡尤為要害；
　　3．下一代移動通信系統4G應是基于全IP，可在多種接入方式中靈活切換的多網絡融合系統，接入網可采用多種協議，且終端能夠在各個接入網之間實現無縫漫游和切換。所以設計WLAN的接入機制時，要考慮作為3G、4G系統接入網及與其無隙切換而對接入機制產生的新要求。

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