無線自組織應急通信網絡的多信道介質訪問控制

隨著無線技術和網絡技術的發展，應用無線自組織網絡技術構造應急通信網絡將成為今后發展的趨勢。既有研究表明多信道介質訪問控制可以有效地提高網絡的通信能力，因此，需要研究適合無線自組織應急通信網絡的多信道介質訪問控制機制。在IEEE 80.11[1]標準中已經定義了多信道的通信模式。在有關IEEE 802.11的介質訪問控制的研究中，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分復用。使用多信道改善通信性能已經成為無線通信領域的共識，但是如何配置、控制和使用多信道，仍然是一個值得研究的問題。

1 多信道控制模式

在無線數據通信中，信道復用技術用于控制如何分配或使用信道。典型的復用技術包括：載波感知多址接入(CSMA)、競爭方式和時分復用訪問(TDMA)、碼分復用(CDMA)。在已知的網絡中，衛星通信的ALOHA系統和無線以太網的CSMA/CA為競爭方式的代表；GSM、TD-SCDMA和WiMAX為時分復用方式的代表。基于Wi-Fi的多信道研究有兩種方式：其一是兩個或多個同樣的競爭信道；其二是指定一個信道為控制信道，其他信道為數據通信信道。既有的關于多信道的研究表明：對于存在多信道的通信系統，當信道數到達某個臨界值時，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，使網絡和應用呈現更好的可擴展性成為重要的課題。

在過去的20多年中，人們多從系統的角度設計無線通信系統。為提高無線通信系統傳輸能力，多信道技術，特別是多個無線載波方式，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[4-6]。

在一般的商用通信系統中，一般包括一個公共控制信道和一群業務信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。無論在核心網絡中，還是在無線環路中都有相同的控制模式。為了提高通信系統的效能，一個重要的研究課題就是：在無線數據通信系統中，公共控制信道和業務信道的關系和控制模型如何確定才能夠滿足特定的組網要求。

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4路接收的多信道并行傳輸的機制中，一個節點在一個時隙內既能夠占用一個信道發送數據，又能夠同時接收來自其他4個節點在不同信道上的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、融合的無線數據通信有很明顯的幫助。

2 多信道資源分配算法

自組織應急通信網絡媒體訪問控制(MAC)技術重點在于動態分配資源和區分優先級的服務質量。動態分配資源主要包括：動態地分配時隙，使得空閑的時隙能夠被發送請求數較多的節點充分利用；動態地分配信道，使得節點能夠靈活使用多信道機制，實現快速信息融合所需要的多路接收一路發送的通信能力。區分優先級的服務質量主要包括：對分組區分優先級，始終保障最高優先級的服務質量；其他優先級按比例分配帶寬，該分配比例能夠靈活調整；高負載時性能下降相對平緩。

本文的多信道資源分配算法參考IEEE 802.16中Mesh網絡的MAC層機制。該控制機制采用TDMA的組網方式，節點通過請求/響應的方式來接入媒體，其中集中控制方式同樣支持Ad hoc網絡的集中式MAC資源調度和管理。IEEE 802.16協議支持不同的服務水平，從企業級的高質量服務到家用型的盡力而為服務都有定義。協議通過集中調度來支持時延敏感業務，如話音和視像等。由于確保了無碰撞數據接入，IEEE 802.16的MAC層改善了系統總吞吐量和帶寬效率，并確保數據時延受到控制。TDMA接入技術還使支持多播和廣播業務變得更容易。IEEE 802.16系統的QoS機制可以根據業務的實際需要來動態分配帶寬，具有較大的靈活性。Mesh模式的QoS機制還需要進一步研究和完善，可以借鑒其他模式下較成熟的QoS機制對Mesh模式進行補充和改進。
本文提出的資源分配算法處理流程包括了5個重要過程：

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

5個過程的順序處理關系如圖1所示。

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

2.1 獲取節點請求列表過程

獲取節點請求列表過程可以劃分為幾個時隙(數量通常等于節點數量)，每個節點查看自己的MAC優先級隊列中各個優先級是否有分組要發送，有的話就生成一定數量的請求狀態信息(每一個請求狀態信息對應于MAC優先級隊列中的一個分組，包含了該對應分組的一些特征信息摘要，網控中心進行資源分配時需要用到這些信息)。節點生成的所有請求狀態信息會在某個小時隙中發送給網控中心節點，作為資源分配算法的輸入。請求狀態信息所包含的內容如表1所示。

MAC優先級隊列是由各個節點獨立維護的一個區分優先級的分組緩沖區，可以認為是一個按優先級索引的多鏈表結構，用于緩沖上層協議實體傳輸下來的分組。該隊列能夠在每幀開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信息返回給MAC；然后在數據時隙階段，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并發送。

獲取節點請求列表：每個節點的MAC協議實體查看優先級隊列里的緩沖分組。MAC指定一個數值作為優先級隊列能夠生成的請求狀態信息個數的上限，隊列據此數值控制發給網控中心的請求信息的總大小。另外，由于每個請求對應一個待發送分組，提交多個請求就意味著節點可能根據網絡忙閑狀況在一個時幀里獲得多次發送機會，從而具備實現動態時隙使用的基礎。優先級隊列將這些請求狀態信息返回給MAC，MAC獲得此信息后，在請求前導階段某個時間將它們封裝成為一個請求分組，發送給網控中心節點。

2.2 請求分類緩沖過程

請求分類緩沖過程用于對獲取節點請求列表過程中接收到的所有節點的請求狀態信息進行區分優先級的緩沖，并統計各個優先級的請求數以及總的請求數。此過程的關鍵內容是網控中心具有一個總請求狀態信息緩沖區，其為每個優先級準備一個獨立的請求狀態信息隊列，包含不同優先級信息的請求將緩存到對應優先級的隊列中。請求分類緩沖過程如圖3所示。

圖上的n表示節點總數，優先級數目示例為3個，NULL表示該節點的請求已經分類完或者該節點沒有任何請求。從該圖可以看出請求分類緩沖過程是將各節點的請求狀態信息列表依次拆解為數個請求狀態信息，并按照它們的優先級分別緩存到對應的優先級隊列中。

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

2.3 請求隊列截取過程

請求隊列截取過程使用請求分類緩沖過程生成的總請求狀態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隙能夠提供的最大發送機會時執行。

發送機會是指能夠滿足節點進行一次完整發送過程的時機，在多信道環境下為某一信道上的某一數據時隙，可用二元組時隙，信道>表示。最大發送機會是指多信道環境下所有數據時隙能夠提供的發送機會的總和，即最大發送機會=數據時隙數×信道數，它代表了當前時幀結構下全網絡一幀能夠提供給節點的最大發送次數。當總請求數超過最大發送機會時，當前的請求中將會有一部分得不到滿足。請求隊列截取過程即是用來決定哪些請求能夠被滿足，哪些需要被丟棄。采取優先級比例預留進行請求隊列的截取。算法事先配置并存儲好優先級預留比例數據，用于計算預留給對應優先級的發送機會數。

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

請求隊列截取過程：請求分類緩沖過程執行完畢后，所有節點請求已經緩存到對應優先級隊列中。判斷請求總數是否大于最大發送機會數，如果是則使用優先級預留比例，計算出各個優先級超出預留發送機會的個數。依次截取(丟棄)各個優先級中超出預留發送機會數的那一部分請求。當各個優先級的實際請求數的超額部分已經全部截取完畢，但此時如果總數仍然大于發送機會數，則需要進一步截取。當各個優先級能夠滿足的請求個數之和已經等于或小于最大發送機會數，無需再截取。記錄截取結束，結果供資源分配過程使用，過程結束。

2.4 資源分配過程

資源分配過程使用請求隊列截取過程截取后的各個優先級的實際發送機會數，從最高優先級開始依次為每個優先級分配數量等于該優先級的剩余請求個數的二元組時隙，信道>資源，并在分配過程中進行收發控制。

資源分配策略是指為各個優先級的剩余請求分配MAC資源時所采取的策略。從區分優先級的服務角度來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先級的請求間隔發送，可以在一定程度上減少突發信道干擾對某一優先級數據的影響，因此我們采用間隔分配策略。間隔分配策略即將各個優先級的請求以間隔的方式依次分配到各個時隙中。分配后各個優先級的請求比較“均勻”地分布在時幀中，高優先級和低優先級請求的發送順序沒有明顯地被區別對待。

節點收發控制用于限制節點在同一個時隙中接收和發送的數據流數。多信道環境下，節點可以在一個時隙內使用不同的信道同時進行數個收發過程。假設網絡具有5個不同子頻率所對應的信道，則理論上一個節點可以在同一時隙接收或發送5路數據流。這違背了節點的物理設備的“四收一發”限制，即一個節點在同一時隙內最多只能接收4路同時發送1路數據。所以需要在資源分配的時候在每個時隙上控制節點的收發次數。為此，資源分配過程通過網控中心維護一個記錄節點收發狀態信息的數據結構，稱為“節點收發狀態表”。網控中心在進行資源分配的時候便可以根據其中內容判斷是否將當前請求分配到某個時隙上。

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

2.5 節點使用分配結果過程

節點在響應前導階段接收到網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自己是否能夠實際發送分組，能夠發送哪個/哪些分組，以及用什么時隙/信道發送分組。

節點使用分配結果過程：響應前導階段節點接收到網控中心的資源分配結果，數據時隙階段開始，之后，節點使用分配結果進行分組發送和接收。每個時隙來臨時，MAC根據分配結果中的時隙標識(ID)和源節點ID判斷該時隙是否分配給了自己，是的話就向優先級隊列確認分組。優先級隊列使用分配結果中的目的節點ID和優先級ID，判斷該發送機會具體分配給哪一個分組，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送出去。接收節點使用分配結果中的時隙ID和目的節點ID，判斷自己是否需要在該時隙接收分組，然后在信道ID標識的信道上接收分組。目的節點成功接收分組后，源節點將分組從優先級隊列的緩沖區中刪除，過程結束。

3 算法分析

優先級的動態TDMA算法融合SPMA接入方式，通過推遲低優先級數據的發送，為高優先級數據預留部分資源來實現流量控制。要求通信節點數量小于時隙數量的條件成為MAC算法的制約。從多信道和優先級機制共同存在帶來的開銷和效率問題需來考慮，將對集中式和分布式的時隙分配和調度建立節點規模較大的網絡的控制模型和算法，并且建立時隙，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，但是沒有涉及認知無線網絡技術。我們將認知無線網絡技術引入到應用模式中，研究了MAC層多信道控制、多信道和時隙分配與調度算法。建立了具備認知功能的移動節點體系結構和組成模型，定義多信道環境下的時隙分配與調度算法。

4 結束語

本文研究了一種用于無線自組織應急通信網絡的多信道介質訪問控制機制，實現了資源動態分配(動態分配時隙和動態分配信道)、區分優先級服務、按優先級比例分配帶寬。但是，仍然存在一些尚未解決的問題，需要進一步改進。

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

算法目前還沒有解決優先級機制帶來的預留比例靈活調整的問題。今后可以考慮加入自適應的優先級預留比例調整機制。另外，多信道和優先級機制共同帶來的開銷和效率問題在目前的算法中仍然存在，時隙，信道>二維資源如何更高效的分配仍然值得進一步的研究和完善[7-9]。

IEEE 802.16工作組在建立無線自組網絡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協議的Mesh網絡MAC為基礎地。如何將IEEE 802.16協議更有效的運行在多信道環境下，以及如何與相關算法更好地結合值得進一步深入研究。