基于認(rèn)知無線電的無線局域網(wǎng)MAC層協(xié)議.pdf

1、近幾年來,無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)技術(shù)以其易接入,易擴(kuò)展,傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)受到了大力推廣,并取得了巨大的成功。與此同時(shí),公共WLAN熱點(diǎn)也在廣泛的部署。然而,正是WLAN設(shè)備的日益增加的現(xiàn)狀加上當(dāng)前頻譜管理方法的缺陷,造成了WLAN所使用的開放性ISM(Industrial,Scientific,Medical)頻段(2.4GHz和5GHz)的網(wǎng)絡(luò)擁塞,而占絕大多數(shù)的授權(quán)頻譜并沒有

2、得到充分利用的情況。
　　在這種情形的驅(qū)使下,美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)為WLAN制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11也在不斷的完善和發(fā)展。最新提出的IEEE P802.11af草案旨在通過允許WLAN設(shè)備伺機(jī)接入空白電視頻段(TV White Space,TVWS)的方法擴(kuò)大了WLAN設(shè)備的可用頻譜,從而改善了WLAN的系

3、統(tǒng)性能。
　　認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)將頻譜使用者分為認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶,并允許認(rèn)知用戶在不影響授權(quán)用戶的前提下接入到授權(quán)頻譜中使用。因此,本文基于IEEE P802.11af草案,將CR技術(shù)應(yīng)用到WLAN的MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)中。其中,認(rèn)知用戶是使用CR技術(shù)的WLAN用戶,授權(quán)頻譜為TVWS,授權(quán)用戶為TV。具體包括以下兩個(gè)內(nèi)容:
　　第一,在分析了傳統(tǒng)IEEE802.11中的MAC層協(xié)議的基礎(chǔ)

4、上，針對(duì)載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn),應(yīng)用CR技術(shù)對(duì)該協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),提出了一種可以伺機(jī)接入到TVWS中的新的WLAN MAC協(xié)議,命名為C-CSMA/CA(Cognitive Radio CSMA/CA)協(xié)議,該協(xié)議基于CR中頻譜感知技術(shù)提出了帶外檢測(cè)和帶內(nèi)檢測(cè)兩種檢測(cè)機(jī)制,其中帶外檢測(cè)用來檢測(cè) TVWS

5、中的可以使用的頻譜,帶內(nèi)檢測(cè)用來檢測(cè)當(dāng)前使用的TVWS中是否有TV信號(hào)。通過接入點(diǎn)(Access Point,AP)中設(shè)置了TVWS頻譜列表,根據(jù)TV對(duì)TVWS的使用情況對(duì)TVWS頻譜狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。WLAN用戶將根據(jù)該列表對(duì)TVWS頻段進(jìn)行頻譜接入,頻譜切換和退避抉擇。最后文本對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真,仿真結(jié)果得出,在一個(gè)具有相對(duì)較多節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型BSS中,C-CSMA/CA在網(wǎng)絡(luò)吞吐量,丟包率,媒體接入延時(shí)這三種網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)上都優(yōu)

6、越于傳統(tǒng)的CSMA/CA。較好的解決了傳統(tǒng)IEEE802.11中的WLAN網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。
　　第二,由于網(wǎng)絡(luò)中可以支持多媒體業(yè)務(wù)是WLAN發(fā)展的迫切需要,因此,IEEE802.11e中提出了具有對(duì)多媒體業(yè)務(wù) QOS保障的增強(qiáng)型分布式信道接入(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)機(jī)制。本文對(duì)該機(jī)制進(jìn)行了研究分析,并通過實(shí)驗(yàn)仿真后得出,EDCA機(jī)制并沒有改進(jìn)CSMA/CA這種競(jìng)爭(zhēng)信道接入方

7、式在網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下表現(xiàn)的不足。同時(shí),EDCA通過規(guī)定業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn) QOS保障的方式對(duì)低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸也存在一定的不公平性。為此,本文同樣將 CR技術(shù)應(yīng)用到了EDCA機(jī)制的協(xié)議改進(jìn)中,提出了C-EDCA(Cognitive Radio EDCA)接入機(jī)制。該機(jī)制在制定WLAN如何使用TVWS頻段來解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的同時(shí),考慮到了對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的QOS保證。因此針對(duì)不同的傳輸業(yè)務(wù)制定了不同的信道接入策略。最后,本文對(duì)C-EDCA進(jìn)