無(wú)線(xiàn)自組織應急通信網(wǎng)絡(luò )的多信道介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，應用無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)構造應急通信網(wǎng)絡(luò )將成為今后發(fā)展的趨勢。既有研究表明多信道介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò )的通信能力，因此，需要研究適合無(wú)線(xiàn)自組織應急通信網(wǎng)絡(luò )的多信道介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機制。在IEEE 80.11[1]標準中已經(jīng)定義了多信道的通信模式。在有關(guān)IEEE 802.11的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制的研究中，通信模式或者是基于競爭方式的多信道、或者是基于單一控制信道的時(shí)分復用。使用多信道改善通信性能已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的共識，但是如何配置、控制和使用多信道，仍然是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

1 多信道控制模式

在無(wú)線(xiàn)數據通信中，信道復用技術(shù)用于控制如何分配或使用信道。典型的復用技術(shù)包括：載波感知多址接入(CSMA)、競爭方式和時(shí)分復用訪(fǎng)問(wèn)(TDMA)、碼分復用(CDMA)。在已知的網(wǎng)絡(luò )中，衛星通信的ALOHA系統和無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)的CSMA/CA為競爭方式的代表；GSM、TD-SCDMA和WiMAX為時(shí)分復用方式的代表?；赪i-Fi的多信道研究有兩種方式：其一是兩個(gè)或多個(gè)同樣的競爭信道；其二是指定一個(gè)信道為控制信道，其他信道為數據通信信道。既有的關(guān)于多信道的研究表明：對于存在多信道的通信系統，當信道數到達某個(gè)臨界值時(shí)，系統的吞吐率不再隨信道數量的增加而增加。如何最合理最有效地利用多信道的通信能力，使網(wǎng)絡(luò )和應用呈現更好的可擴展性成為重要的課題。

在過(guò)去的20多年中，人們多從系統的角度設計無(wú)線(xiàn)通信系統。為提高無(wú)線(xiàn)通信系統傳輸能力，多信道技術(shù)，特別是多個(gè)無(wú)線(xiàn)載波方式，受到極大重視。在現在比較流行的IEEE標802.11標準體系中[2-3]，出現了BAPU、DBTMA和DCMA等雙信道和Multiple Channel CSMA和DCA-PC等多信道技術(shù)[4-6]。

在一般的商用通信系統中，一般包括一個(gè)公共控制信道和一群業(yè)務(wù)信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。無(wú)論在核心網(wǎng)絡(luò )中，還是在無(wú)線(xiàn)環(huán)路中都有相同的控制模式。為了提高通信系統的效能，一個(gè)重要的研究課題就是：在無(wú)線(xiàn)數據通信系統中，公共控制信道和業(yè)務(wù)信道的關(guān)系和控制模型如何確定才能夠滿(mǎn)足特定的組網(wǎng)要求。

本文研究一種多信道控制模型。該模型的控制模式是為了滿(mǎn)足應急通信的信息快速融合的需要而建立的。該模型提出多信道控制算法。在同時(shí)4路接收的多信道并行傳輸的機制中，一個(gè)節點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙內既能夠占用一個(gè)信道發(fā)送數據，又能夠同時(shí)接收來(lái)自其他4個(gè)節點(diǎn)在不同信道上的4路數據。多信道手法是一種特定的多信道通信模式。確定這種多信道控制模式，對建立信息匯聚、融合的無(wú)線(xiàn)數據通信有很明顯的幫助。

2 多信道資源分配算法

自組織應急通信網(wǎng)絡(luò )媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)技術(shù)重點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)分配資源和區分優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量。動(dòng)態(tài)分配資源主要包括：動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙，使得空閑的時(shí)隙能夠被發(fā)送請求數較多的節點(diǎn)充分利用；動(dòng)態(tài)地分配信道，使得節點(diǎn)能夠靈活使用多信道機制，實(shí)現快速信息融合所需要的多路接收一路發(fā)送的通信能力。區分優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量主要包括：對分組區分優(yōu)先級，始終保障最高優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量；其他優(yōu)先級按比例分配帶寬，該分配比例能夠靈活調整；高負載時(shí)性能下降相對平緩。

本文的多信道資源分配算法參考IEEE 802.16中Mesh網(wǎng)絡(luò )的MAC層機制。該控制機制采用TDMA的組網(wǎng)方式，節點(diǎn)通過(guò)請求/響應的方式來(lái)接入媒體，其中集中控制方式同樣支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的集中式MAC資源調度和管理。IEEE 802.16協(xié)議支持不同的服務(wù)水平，從企業(yè)級的高質(zhì)量服務(wù)到家用型的盡力而為服務(wù)都有定義。協(xié)議通過(guò)集中調度來(lái)支持時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，如話(huà)音和視像等。由于確保了無(wú)碰撞數據接入，IEEE 802.16的MAC層改善了系統總吞吐量和帶寬效率，并確保數據時(shí)延受到控制。TDMA接入技術(shù)還使支持多播和廣播業(yè)務(wù)變得更容易。IEEE 802.16系統的QoS機制可以根據業(yè)務(wù)的實(shí)際需要來(lái)動(dòng)態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。Mesh模式的QoS機制還需要進(jìn)一步研究和完善，可以借鑒其他模式下較成熟的QoS機制對Mesh模式進(jìn)行補充和改進(jìn)。
本文提出的資源分配算法處理流程包括了5個(gè)重要過(guò)程：

(1)獲取節點(diǎn)請求列表過(guò)程
(2)請求分類(lèi)緩沖過(guò)程
(3)請求隊列截取過(guò)程
(4)資源分配過(guò)程
(5)節點(diǎn)使用分配結果過(guò)程

5個(gè)過(guò)程的順序處理關(guān)系如圖1所示。

其中的(1)和(5)這兩個(gè)過(guò)程不屬于資源分配算法的核心內容，但在資源分配總過(guò)程的數據流處理中擔當了重要角色。資源分配總過(guò)程數據流如圖2所示。即(1)過(guò)程產(chǎn)生算法輸入數據，(5)過(guò)程使用算法輸出數據。

2.1 獲取節點(diǎn)請求列表過(guò)程

獲取節點(diǎn)請求列表過(guò)程可以劃分為幾個(gè)時(shí)隙(數量通常等于節點(diǎn)數量)，每個(gè)節點(diǎn)查看自己的MAC優(yōu)先級隊列中各個(gè)優(yōu)先級是否有分組要發(fā)送，有的話(huà)就生成一定數量的請求狀態(tài)信息(每一個(gè)請求狀態(tài)信息對應于MAC優(yōu)先級隊列中的一個(gè)分組，包含了該對應分組的一些特征信息摘要，網(wǎng)控中心進(jìn)行資源分配時(shí)需要用到這些信息)。節點(diǎn)生成的所有請求狀態(tài)信息會(huì )在某個(gè)小時(shí)隙中發(fā)送給網(wǎng)控中心節點(diǎn)，作為資源分配算法的輸入。請求狀態(tài)信息所包含的內容如表1所示。

MAC優(yōu)先級隊列是由各個(gè)節點(diǎn)獨立維護的一個(gè)區分優(yōu)先級的分組緩沖區，可以認為是一個(gè)按優(yōu)先級索引的多鏈表結構，用于緩沖上層協(xié)議實(shí)體傳輸下來(lái)的分組。該隊列能夠在每幀開(kāi)始的請求前導階段按照MAC的要求，查看緩沖區的內容并生成一定數量的請求狀態(tài)信息返回給MAC；然后在數據時(shí)隙階段，根據MAC得到的分配結果從緩沖區里取出正確的分組返回給MAC并發(fā)送。

獲取節點(diǎn)請求列表：每個(gè)節點(diǎn)的MAC協(xié)議實(shí)體查看優(yōu)先級隊列里的緩沖分組。MAC指定一個(gè)數值作為優(yōu)先級隊列能夠生成的請求狀態(tài)信息個(gè)數的上限，隊列據此數值控制發(fā)給網(wǎng)控中心的請求信息的總大小。另外，由于每個(gè)請求對應一個(gè)待發(fā)送分組，提交多個(gè)請求就意味著(zhù)節點(diǎn)可能根據網(wǎng)絡(luò )忙閑狀況在一個(gè)時(shí)幀里獲得多次發(fā)送機會(huì )，從而具備實(shí)現動(dòng)態(tài)時(shí)隙使用的基礎。優(yōu)先級隊列將這些請求狀態(tài)信息返回給MAC，MAC獲得此信息后，在請求前導階段某個(gè)時(shí)間將它們封裝成為一個(gè)請求分組，發(fā)送給網(wǎng)控中心節點(diǎn)。

2.2 請求分類(lèi)緩沖過(guò)程

請求分類(lèi)緩沖過(guò)程用于對獲取節點(diǎn)請求列表過(guò)程中接收到的所有節點(diǎn)的請求狀態(tài)信息進(jìn)行區分優(yōu)先級的緩沖，并統計各個(gè)優(yōu)先級的請求數以及總的請求數。此過(guò)程的關(guān)鍵內容是網(wǎng)控中心具有一個(gè)總請求狀態(tài)信息緩沖區，其為每個(gè)優(yōu)先級準備一個(gè)獨立的請求狀態(tài)信息隊列，包含不同優(yōu)先級信息的請求將緩存到對應優(yōu)先級的隊列中。請求分類(lèi)緩沖過(guò)程如圖3所示。

圖上的n表示節點(diǎn)總數，優(yōu)先級數目示例為3個(gè)，NULL表示該節點(diǎn)的請求已經(jīng)分類(lèi)完或者該節點(diǎn)沒(méi)有任何請求。從該圖可以看出請求分類(lèi)緩沖過(guò)程是將各節點(diǎn)的請求狀態(tài)信息列表依次拆解為數個(gè)請求狀態(tài)信息，并按照它們的優(yōu)先級分別緩存到對應的優(yōu)先級隊列中。

請求分類(lèi)緩沖過(guò)程：在網(wǎng)控中心獲得所有節點(diǎn)請求狀態(tài)信息后，算法按照一定的順序依次處理每個(gè)節點(diǎn)的所有請求狀態(tài)信息。判斷是否有節點(diǎn)的請求還未處理完畢，是的話(huà)取得一個(gè)未處理的節點(diǎn)的所有請求狀態(tài)信息，根據該請求狀態(tài)信息的優(yōu)先級序號將其緩存對應的優(yōu)先級隊列中適當位置，對應優(yōu)先級的請求計數器和總請求計數器分別加1。當所有節點(diǎn)的請求均分類(lèi)緩沖完成，整個(gè)過(guò)程結束。

2.3 請求隊列截取過(guò)程

請求隊列截取過(guò)程使用請求分類(lèi)緩沖過(guò)程生成的總請求狀態(tài)信息緩沖區和請求計數器值，在緩沖區中的請求總數大于數據時(shí)隙能夠提供的最大發(fā)送機會(huì )時(shí)執行。

發(fā)送機會(huì )是指能夠滿(mǎn)足節點(diǎn)進(jìn)行一次完整發(fā)送過(guò)程的時(shí)機，在多信道環(huán)境下為某一信道上的某一數據時(shí)隙，可用二元組時(shí)隙，信道>表示。最大發(fā)送機會(huì )是指多信道環(huán)境下所有數據時(shí)隙能夠提供的發(fā)送機會(huì )的總和，即最大發(fā)送機會(huì )=數據時(shí)隙數×信道數，它代表了當前時(shí)幀結構下全網(wǎng)絡(luò )一幀能夠提供給節點(diǎn)的最大發(fā)送次數。當總請求數超過(guò)最大發(fā)送機會(huì )時(shí)，當前的請求中將會(huì )有一部分得不到滿(mǎn)足。請求隊列截取過(guò)程即是用來(lái)決定哪些請求能夠被滿(mǎn)足，哪些需要被丟棄。采取優(yōu)先級比例預留進(jìn)行請求隊列的截取。算法事先配置并存儲好優(yōu)先級預留比例數據，用于計算預留給對應優(yōu)先級的發(fā)送機會(huì )數。

例如，3個(gè)優(yōu)先級算法，優(yōu)先級從高到底(優(yōu)先級號從0到2)的預留比例配置為：1.0、0.6、0.3。其中最高優(yōu)先級0的比例是1.0，表示該優(yōu)先級為強制滿(mǎn)足的優(yōu)先級，屬于該優(yōu)先級的請求應該在截取過(guò)程中盡量保留而不被丟棄；優(yōu)先級1和優(yōu)先級2的比例都小于1，表示它們需要進(jìn)行正常的按比例截取。通過(guò)上述優(yōu)先級比例預留策略，可以限制各個(gè)優(yōu)先級在網(wǎng)絡(luò )繁忙時(shí)占用的帶寬上限，以此實(shí)現了優(yōu)先級帶寬按比例預留的要求。

請求隊列截取過(guò)程：請求分類(lèi)緩沖過(guò)程執行完畢后，所有節點(diǎn)請求已經(jīng)緩存到對應優(yōu)先級隊列中。判斷請求總數是否大于最大發(fā)送機會(huì )數，如果是則使用優(yōu)先級預留比例，計算出各個(gè)優(yōu)先級超出預留發(fā)送機會(huì )的個(gè)數。依次截取(丟棄)各個(gè)優(yōu)先級中超出預留發(fā)送機會(huì )數的那一部分請求。當各個(gè)優(yōu)先級的實(shí)際請求數的超額部分已經(jīng)全部截取完畢，但此時(shí)如果總數仍然大于發(fā)送機會(huì )數，則需要進(jìn)一步截取。當各個(gè)優(yōu)先級能夠滿(mǎn)足的請求個(gè)數之和已經(jīng)等于或小于最大發(fā)送機會(huì )數，無(wú)需再截取。記錄截取結束，結果供資源分配過(guò)程使用，過(guò)程結束。

2.4 資源分配過(guò)程

資源分配過(guò)程使用請求隊列截取過(guò)程截取后的各個(gè)優(yōu)先級的實(shí)際發(fā)送機會(huì )數，從最高優(yōu)先級開(kāi)始依次為每個(gè)優(yōu)先級分配數量等于該優(yōu)先級的剩余請求個(gè)數的二元組時(shí)隙，信道>資源，并在分配過(guò)程中進(jìn)行收發(fā)控制。

資源分配策略是指為各個(gè)優(yōu)先級的剩余請求分配MAC資源時(shí)所采取的策略。從區分優(yōu)先級的服務(wù)角度來(lái)看大體可分為兩種策略：間隔分配策略和連續分配策略。由于間隔分配策略是同一優(yōu)先級的請求間隔發(fā)送，可以在一定程度上減少突發(fā)信道干擾對某一優(yōu)先級數據的影響，因此我們采用間隔分配策略。間隔分配策略即將各個(gè)優(yōu)先級的請求以間隔的方式依次分配到各個(gè)時(shí)隙中。分配后各個(gè)優(yōu)先級的請求比較“均勻”地分布在時(shí)幀中，高優(yōu)先級和低優(yōu)先級請求的發(fā)送順序沒(méi)有明顯地被區別對待。

節點(diǎn)收發(fā)控制用于限制節點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)隙中接收和發(fā)送的數據流數。多信道環(huán)境下，節點(diǎn)可以在一個(gè)時(shí)隙內使用不同的信道同時(shí)進(jìn)行數個(gè)收發(fā)過(guò)程。假設網(wǎng)絡(luò )具有5個(gè)不同子頻率所對應的信道，則理論上一個(gè)節點(diǎn)可以在同一時(shí)隙接收或發(fā)送5路數據流。這違背了節點(diǎn)的物理設備的“四收一發(fā)”限制，即一個(gè)節點(diǎn)在同一時(shí)隙內最多只能接收4路同時(shí)發(fā)送1路數據。所以需要在資源分配的時(shí)候在每個(gè)時(shí)隙上控制節點(diǎn)的收發(fā)次數。為此，資源分配過(guò)程通過(guò)網(wǎng)控中心維護一個(gè)記錄節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)信息的數據結構，稱(chēng)為“節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)表”。網(wǎng)控中心在進(jìn)行資源分配的時(shí)候便可以根據其中內容判斷是否將當前請求分配到某個(gè)時(shí)隙上。

資源分配過(guò)程：請求隊列截取過(guò)程執行完畢后，網(wǎng)控中心已經(jīng)知道了為各個(gè)優(yōu)先級實(shí)際提供的發(fā)送機會(huì )數。初始化“節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)信息表”，之后，按照各個(gè)優(yōu)先級實(shí)際提供的發(fā)送機會(huì )數請求分配時(shí)隙，信道>二維資源。如果當前緩沖區中還有請求沒(méi)有被分配，且還有可用數據時(shí)隙，則按照從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的順序，循環(huán)取到某個(gè)優(yōu)先級的請求隊列。若該優(yōu)先級已經(jīng)被分配的請求個(gè)數達到了實(shí)際提供的發(fā)送機會(huì )數，該優(yōu)先級仍有未被分配的請求且當前還有空閑信道，則獲取該優(yōu)先級請求隊列的一個(gè)未被分配資源的請求。判斷該請求分配到當前時(shí)隙上是否滿(mǎn)足節點(diǎn)收發(fā)控制的要求，如果滿(mǎn)足就為該請求分配當前時(shí)隙上的一個(gè)空閑信道，并將請求的部分信息以及分配到的時(shí)隙，信道>資源保存為資源分配結果；否則暫時(shí)“跳過(guò)”該請求?？臻e信道標號超出信道數范圍，表示當前時(shí)隙上所有信道資源已經(jīng)被分配完畢，將可用時(shí)隙標號增加1以指向下一個(gè)可用時(shí)隙。當所有的請求都已經(jīng)被分配資源，或者已經(jīng)沒(méi)有可用的數據時(shí)隙，資源分配過(guò)程結束。源分配過(guò)程如圖4所示。

2.5 節點(diǎn)使用分配結果過(guò)程

節點(diǎn)在響應前導階段接收到網(wǎng)控中心廣播的資源分配結果后(資源分配結果所包含的內容如表2所示)，使用分配結果信息決定節點(diǎn)自己是否能夠實(shí)際發(fā)送分組，能夠發(fā)送哪個(gè)/哪些分組，以及用什么時(shí)隙/信道發(fā)送分組。

節點(diǎn)使用分配結果過(guò)程：響應前導階段節點(diǎn)接收到網(wǎng)控中心的資源分配結果，數據時(shí)隙階段開(kāi)始，之后，節點(diǎn)使用分配結果進(jìn)行分組發(fā)送和接收。每個(gè)時(shí)隙來(lái)臨時(shí)，MAC根據分配結果中的時(shí)隙標識(ID)和源節點(diǎn)ID判斷該時(shí)隙是否分配給了自己，是的話(huà)就向優(yōu)先級隊列確認分組。優(yōu)先級隊列使用分配結果中的目的節點(diǎn)ID和優(yōu)先級ID，判斷該發(fā)送機會(huì )具體分配給哪一個(gè)分組，然后將該分組返回給MAC。MAC確認分組后，使用分配結果中的信道ID，在該信道上將分組發(fā)送出去。接收節點(diǎn)使用分配結果中的時(shí)隙ID和目的節點(diǎn)ID，判斷自己是否需要在該時(shí)隙接收分組，然后在信道ID標識的信道上接收分組。目的節點(diǎn)成功接收分組后，源節點(diǎn)將分組從優(yōu)先級隊列的緩沖區中刪除，過(guò)程結束。

3 算法分析

優(yōu)先級的動(dòng)態(tài)TDMA算法融合SPMA接入方式，通過(guò)推遲低優(yōu)先級數據的發(fā)送，為高優(yōu)先級數據預留部分資源來(lái)實(shí)現流量控制。要求通信節點(diǎn)數量小于時(shí)隙數量的條件成為MAC算法的制約。從多信道和優(yōu)先級機制共同存在帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)和效率問(wèn)題需來(lái)考慮，將對集中式和分布式的時(shí)隙分配和調度建立節點(diǎn)規模較大的網(wǎng)絡(luò )的控制模型和算法，并且建立時(shí)隙，信道>二維資源高效的分配和調度算法。

MAC處理軟件應用了自適應的原理，但是沒(méi)有涉及認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。我們將認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)引入到應用模式中，研究了MAC層多信道控制、多信道和時(shí)隙分配與調度算法。建立了具備認知功能的移動(dòng)節點(diǎn)體系結構和組成模型，定義多信道環(huán)境下的時(shí)隙分配與調度算法。

4 結束語(yǔ)

本文研究了一種用于無(wú)線(xiàn)自組織應急通信網(wǎng)絡(luò )的多信道介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機制，實(shí)現了資源動(dòng)態(tài)分配(動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙和動(dòng)態(tài)分配信道)、區分優(yōu)先級服務(wù)、按優(yōu)先級比例分配帶寬。但是，仍然存在一些尚未解決的問(wèn)題，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

算法目前使用的請求狀態(tài)信息的結構比較簡(jiǎn)單，有關(guān)分組的信息量也較少，且主要根據優(yōu)先級來(lái)分組。今后可以考慮增加請求信息的內容以完善分配機制。

算法目前還沒(méi)有解決優(yōu)先級機制帶來(lái)的預留比例靈活調整的問(wèn)題。今后可以考慮加入自適應的優(yōu)先級預留比例調整機制。另外，多信道和優(yōu)先級機制共同帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)和效率問(wèn)題在目前的算法中仍然存在，時(shí)隙，信道>二維資源如何更高效的分配仍然值得進(jìn)一步的研究和完善[7-9]。

IEEE 802.16工作組在建立無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )的研究方面相當活躍。本文研究的資源分配算法是以IEEE 802.16協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò )MAC為基礎地。如何將IEEE 802.16協(xié)議更有效的運行在多信道環(huán)境下，以及如何與相關(guān)算法更好地結合值得進(jìn)一步深入研究。