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(luò)(WLAN)應(yīng)用的不斷推廣,WLAN在物理層技術(shù)及頻譜利用方面也得到了快速的發(fā)展。WLAN的媒質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)共享接入信道的具體實(shí)現(xiàn)方式,并從根本上決定著WLAN的性能。現(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(diào)功能(DCF)以實(shí)現(xiàn)媒體的共享接入。然而,伴隨OFDM調(diào)制技術(shù)在物理層的應(yīng)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(shí)延及相干時(shí)間較大的無線信道環(huán)境下,CSMA/CA已經(jīng)不再適應(yīng)用,此時(shí),時(shí)隙ALOHA協(xié)議成為一種新的選擇。時(shí)隙ALOHA及其改進(jìn)協(xié)議由于簡單而在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別(FRID)的標(biāo)簽識(shí)別、衛(wèi)星通信及新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究等方面得到了廣泛應(yīng)用。為提高信道利用率,保證時(shí)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(guān)研究。本文針對傳統(tǒng)MAC隨機(jī)信道接入機(jī)制CSMA/CA在寬帶WLAN環(huán)境下存在的問題,考慮以時(shí)隙ALOHA作

3、為這類應(yīng)用的信道接入控制協(xié)議,并對時(shí)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(diǎn)如下:
　　1.與現(xiàn)有文獻(xiàn)主要考慮采用幀匯聚方式來達(dá)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(shí)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(gè)OFDM符號(hào)能攜帶更多的數(shù)據(jù)信息,以Bianchi的二維維Markov模型為基礎(chǔ),研究了OFDM攜帶比特?cái)?shù)、OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)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(jié)果表明,當(dāng)物理層速率超過100Mbps,數(shù)據(jù)分組長度小于1000字節(jié)時(shí),無論采用RTS/CTS模式還是Basic模式,也無論系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)如何,信道的有效吞吐量均小于0.35,低于時(shí)隙ALOHA協(xié)議的吞吐量。當(dāng)物理層速率到達(dá)600Mbps時(shí),每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶信息達(dá)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(shí)分多址作為寬帶無線局域網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議,提出了集中調(diào)度與完全自由競爭兩種應(yīng)用場景下MAC設(shè)計(jì)方案。
　　2.提出了長時(shí)延寬帶WLAN的MAC設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)有WLAN主要應(yīng)用于終端節(jié)點(diǎn)近距離范圍內(nèi)無線接入網(wǎng)絡(luò)的場景,而本文研究了長距離范圍內(nèi)WLAN的應(yīng)用問題,在此場景下無線信號(hào)傳輸時(shí)延增大。針對長時(shí)延無線信道網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境,受信道特性的影響OFDM符號(hào)時(shí)間較大,CSMA/CA性能較低,確定采用OFDM符號(hào)為單位的時(shí)隙AL

6、OHA作為信道控制協(xié)議。提出在集中式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采用競爭加預(yù)約的時(shí)隙ALOHA協(xié)議;而分布式無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用時(shí)隙ALOHA的信道控制算法。并進(jìn)一步分析了時(shí)隙ALOHA的穩(wěn)定性。
　　3.提出了p堅(jiān)持控制算法(pPCA),并將二進(jìn)制指數(shù)回退算法(BEBA)應(yīng)用到時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)中?，F(xiàn)有時(shí)隙ALOHA控制算法的研究均基于節(jié)點(diǎn)傳輸后能夠立即獲得信道狀態(tài)信息的假設(shè)條件,但實(shí)現(xiàn)上這種假設(shè)往往是不成立的。本文首先分析了基于傳統(tǒng)假設(shè)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(diǎn)只能檢測到信道空閑狀態(tài)的應(yīng)用環(huán)境,提出了以時(shí)間幀為更新單位的p堅(jiān)持控制算法。系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)某時(shí)間窗口內(nèi)空閑時(shí)隙的概率,估計(jì)出系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)n,然后調(diào)整節(jié)點(diǎn)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(jìn)制指數(shù)回退算法在CSMA/CA中的應(yīng)用,提出將該算法應(yīng)用到時(shí)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(xué)表達(dá)式。仿真結(jié)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(diào)整過程中的吞吐量,達(dá)到穩(wěn)定最大吞吐量的時(shí)間及算法復(fù)雜度三個(gè)方面進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果顯示,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較小,PBCA在平均吞吐量和調(diào)節(jié)時(shí)間上都優(yōu)于BEB算法和pPCA算法;當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較大時(shí),三種算法的平均吞吐量基本一致,但pPCA調(diào)節(jié)時(shí)間較長;在算法復(fù)雜度方面,PBCA最優(yōu)。
　　4.提出了快速自適應(yīng)(FA)時(shí)隙ALOHA穩(wěn)定控制算法。針對偽貝葉斯控制算法及p堅(jiān)持控制算法中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目突然發(fā)生急驟變化時(shí)