寬帶無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議研究.pdf

1、隨著無線局域網(wǎng)絡(WLAN)應用的不斷推廣,WLAN在物理層技術及頻譜利用方面也得到了快速的發(fā)展。WLAN的媒質訪問控制(MAC)協(xié)議決定了網(wǎng)絡系統(tǒng)中各節(jié)點共享接入信道的具體實現(xiàn)方式,并從根本上決定著WLAN的性能?，F(xiàn)有IEEE802.11系列的MAC主要采用了基于CSMA/CA協(xié)議的分布式協(xié)調功能(DCF)以實現(xiàn)媒體的共享接入。然而,伴隨OFDM調制技術在物理層的應用而帶來的物理層速率的增加,CSMA/CA的吞吐量性能卻隨之下降。另外

2、,在長時延及相干時間較大的無線信道環(huán)境下,CSMA/CA已經(jīng)不再適應用,此時,時隙ALOHA協(xié)議成為一種新的選擇。時隙ALOHA及其改進協(xié)議由于簡單而在認知無線網(wǎng)絡、射頻識別(FRID)的標簽識別、衛(wèi)星通信及新的無線網(wǎng)絡技術研究等方面得到了廣泛應用。為提高信道利用率,保證時隙ALOHA的穩(wěn)定性及獲得最大系統(tǒng)吞吐量方面展開了大量相關研究。本文針對傳統(tǒng)MAC隨機信道接入機制CSMA/CA在寬帶WLAN環(huán)境下存在的問題,考慮以時隙ALOHA作

3、為這類應用的信道接入控制協(xié)議,并對時隙ALOHA協(xié)議的性能及穩(wěn)定性控制開展了一些具有創(chuàng)新意義的工作。本文的創(chuàng)新點如下:
　　1.與現(xiàn)有文獻主要考慮采用幀匯聚方式來達到提高寬帶WLAN環(huán)境下DCF吞吐量性能不同,提出采用基于時隙的信道控制協(xié)議作為寬帶WLAN環(huán)境下的MAC協(xié)議。針對高速物理信道環(huán)境下,每個OFDM符號能攜帶更多的數(shù)據(jù)信息,以Bianchi的二維維Markov模型為基礎,研究了OFDM攜帶比特數(shù)、OFDM符號持續(xù)時間及

4、數(shù)據(jù)分組長度對信道利用率的影響。數(shù)值分析及仿真結果表明,當物理層速率超過100Mbps,數(shù)據(jù)分組長度小于1000字節(jié)時,無論采用RTS/CTS模式還是Basic模式,也無論系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)如何,信道的有效吞吐量均小于0.35,低于時隙ALOHA協(xié)議的吞吐量。當物理層速率到達600Mbps時,每個OFDM符號攜帶信息達到2400bit,基于RTS/CTS模式的CSMA/CA協(xié)議的信道吞吐量率小于0.16,而Basic模式的信道吞吐量也不足25

5、％?？紤]采用時分多址作為寬帶無線局域網(wǎng)絡的MAC層協(xié)議,提出了集中調度與完全自由競爭兩種應用場景下MAC設計方案。
　　2.提出了長時延寬帶WLAN的MAC設計方案?，F(xiàn)有WLAN主要應用于終端節(jié)點近距離范圍內無線接入網(wǎng)絡的場景,而本文研究了長距離范圍內WLAN的應用問題,在此場景下無線信號傳輸時延增大。針對長時延無線信道網(wǎng)絡應用環(huán)境,受信道特性的影響OFDM符號時間較大,CSMA/CA性能較低,確定采用OFDM符號為單位的時隙AL

6、OHA作為信道控制協(xié)議。提出在集中式網(wǎng)絡環(huán)境中采用競爭加預約的時隙ALOHA協(xié)議;而分布式無線網(wǎng)絡環(huán)境下采用時隙ALOHA的信道控制算法。并進一步分析了時隙ALOHA的穩(wěn)定性。
　　3.提出了p堅持控制算法(pPCA),并將二進制指數(shù)回退算法(BEBA)應用到時隙ALOHA系統(tǒng)中。現(xiàn)有時隙ALOHA控制算法的研究均基于節(jié)點傳輸后能夠立即獲得信道狀態(tài)信息的假設條件,但實現(xiàn)上這種假設往往是不成立的。本文首先分析了基于傳統(tǒng)假設的偽貝葉斯

7、控制(PBCA)經(jīng)典控制算法的性能。其次,針對節(jié)點只能檢測到信道空閑狀態(tài)的應用環(huán)境,提出了以時間幀為更新單位的p堅持控制算法。系統(tǒng)通過統(tǒng)計某時間窗口內空閑時隙的概率,估計出系統(tǒng)節(jié)點數(shù)n,然后調整節(jié)點的發(fā)送概率為1/n,以獲得系統(tǒng)最大穩(wěn)定吞吐量。并考慮到二進制指數(shù)回退算法在CSMA/CA中的應用,提出將該算法應用到時隙ALOHA中,通過二維Markov模型獲得系統(tǒng)穩(wěn)定吞吐量的數(shù)學表達式。仿真結果表明,三種控制算法均能獲得接近理論最大值的系

8、統(tǒng)穩(wěn)定吞吐量。最后對三種控制算法在調整過程中的吞吐量,達到穩(wěn)定最大吞吐量的時間及算法復雜度三個方面進行了比較。仿真結果顯示,當節(jié)點數(shù)較小,PBCA在平均吞吐量和調節(jié)時間上都優(yōu)于BEB算法和pPCA算法;當節(jié)點數(shù)較大時,三種算法的平均吞吐量基本一致,但pPCA調節(jié)時間較長;在算法復雜度方面,PBCA最優(yōu)。
　　4.提出了快速自適應(FA)時隙ALOHA穩(wěn)定控制算法。針對偽貝葉斯控制算法及p堅持控制算法中,當節(jié)點數(shù)目突然發(fā)生急驟變化時