無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)MAC層的接入技術(shù)及QoS保證

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摘要：本文對(duì)不同類型網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的MAC層接入方式進(jìn)行分類歸納，對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與缺陷進(jìn)行闡述分析，特別是QoS性能表現(xiàn)，并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；mac層接入；QoS（服務(wù)質(zhì)量）保證

0引言

無(wú)線通信技術(shù)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的革新，人類生活越來(lái)越離不開無(wú)線通信技術(shù)的支持。我們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄苁謾C(jī)、ipad、筆記本電腦等，其靈活性、隨遇接入和易于擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)是其他通信方式無(wú)可比擬的，但是由于無(wú)線通信具有可利用頻譜帶寬有限，傳輸受到距離約束等固有特點(diǎn)，所以在一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，一般采用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端共享一個(gè)無(wú)線信道來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息，MAC層（介質(zhì)訪問控制）的主要功能就是控制節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸介質(zhì)的訪問，通過定義一系列的協(xié)議規(guī)則來(lái)調(diào)度分配寶貴有限的頻譜資源。

1無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分對(duì)比，可以將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)抽象劃分為5層

鏈路層連接著物理層和網(wǎng)絡(luò)層，與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分對(duì)比，可以將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)抽象劃分為5層，如圖1所示。鏈路層連接著物理層和網(wǎng)絡(luò)層，傳統(tǒng)的鏈路層一般劃分為兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制層（LLC）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）。MAC層的主要功能就是為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的用戶提供共享介質(zhì)的訪問方法，在多用戶的網(wǎng)絡(luò)中，保證每一個(gè)鏈路層幀都能夠正確的尋址和傳輸，在不同應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中需要有專門設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議。

2MAC層接入?yún)f(xié)議分類

常見的MAC層接入?yún)f(xié)議大概分為兩類：競(jìng)爭(zhēng)型與非競(jìng)爭(zhēng)型，而競(jìng)爭(zhēng)型的接入方式又分為隨機(jī)接入和動(dòng)態(tài)預(yù)約的方式，比如CSMA、MACA等；在協(xié)議種類上分別有ALOHA、IEEE802.11、令牌環(huán)、輪詢協(xié)議、FDDI等。

2.1基于靜態(tài)分配的MAC層協(xié)議

在多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)用戶之間劃分整個(gè)頻譜資源的傳統(tǒng)做法是把頻段拆分為互不重疊的帶寬，比如FDM（頻分多路復(fù)用），每個(gè)用戶都有各自專用的頻段，由于中間預(yù)留出保護(hù)頻帶，每個(gè)用戶之間不會(huì)存在干擾，例如調(diào)頻廣播（FM），每個(gè)電臺(tái)使用固定的中心頻點(diǎn)，占用固定的頻譜寬度，在絕大部分的時(shí)間段里廣播自己的信號(hào)，相當(dāng)于自己的專屬信道。這種信道劃分方式是一種簡(jiǎn)單而高效的分配機(jī)制，每個(gè)參與用戶都有著穩(wěn)定的信道負(fù)載，有著較好的服務(wù)質(zhì)量保證，但是所占用的頻帶寬，系統(tǒng)的有效性差。挪威曾經(jīng)宣布要在2017年陸續(xù)關(guān)閉FM無(wú)線電廣播，瑞士也計(jì)劃在2020年部署類似的行動(dòng)。基于時(shí)分復(fù)用（TDM）的協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是在全網(wǎng)負(fù)載很大的情況下依然能夠良好運(yùn)行，因?yàn)橄到y(tǒng)提前對(duì)信道進(jìn)行了時(shí)隙的劃分，在理論上，不存在數(shù)據(jù)沖突和信道搶占。但是，這也帶來(lái)了不足之處，即在全網(wǎng)負(fù)載較小時(shí)，信道利用率明顯下降。尤其對(duì)于突發(fā)業(yè)務(wù)和大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，固定的時(shí)隙劃分給固定的業(yè)務(wù)傳輸類型或者是某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使得傳輸業(yè)務(wù)往往得不到qos保證。另外，TDM機(jī)制需要全網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要專門的時(shí)間同步時(shí)隙和復(fù)雜度也較高，使得網(wǎng)絡(luò)的靈活性變得很差，不適合網(wǎng)絡(luò)參與節(jié)點(diǎn)快速變化的自組網(wǎng)絡(luò)。

2.2基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC層協(xié)議

該類協(xié)議采用隨機(jī)的接入策略，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能對(duì)等，各節(jié)點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)的方式獲取信道的接入。節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，以競(jìng)爭(zhēng)的方式獲得信道，比如ALOHA協(xié)議是最簡(jiǎn)單的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。但是由于存在大量的沖突，ALOHA協(xié)議的信道利用率較低，一般在18.4%~36.8%。IEEE802.11協(xié)議是基于沖突避免的載波偵聽多址接入?yún)f(xié)議（CSMA/CA），被廣泛地應(yīng)用于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，由于其本身是基于CSMA/CA機(jī)制的MAC協(xié)議，但是它所采用的RTS/CTS/DATA/ACK的多次握手機(jī)制，會(huì)帶來(lái)多個(gè)傳輸空閑時(shí)間，使數(shù)據(jù)信息積累更多的等待時(shí)間，造成延遲，降低了傳輸服務(wù)質(zhì)量。競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議的機(jī)制一般比較簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)信道利用率高、分組接入時(shí)延小，因此很適合突發(fā)業(yè)務(wù)。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，分組數(shù)據(jù)在信道上碰撞次數(shù)增多，競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的性能明顯下降，并且無(wú)法為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)提供一個(gè)確定的信道最大接入時(shí)延。

2.3基于集中式輪詢MAC協(xié)議

此類協(xié)議主要采用輪詢協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)形式，在一個(gè)具有中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，其網(wǎng)絡(luò)參與者之間就像是一個(gè)有序會(huì)議，這個(gè)參與者具有平等的網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)中心控制器的監(jiān)視下運(yùn)行，由中心節(jié)點(diǎn)來(lái)控制接入，通過依次詢問節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)維持通信規(guī)則。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按照輪詢協(xié)議來(lái)運(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制中心輪詢到網(wǎng)絡(luò)參與節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送它們所需要報(bào)告的所有數(shù)據(jù)，在發(fā)送完成后，則需要返回到接收模式。接入方式采用有中心的時(shí)分點(diǎn)名呼叫和輪詢，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)輪詢周期內(nèi)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)送一次數(shù)據(jù)。輪詢式的MAC層接入?yún)f(xié)議特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)資源按需分配，中心節(jié)點(diǎn)集中控制，性能穩(wěn)定。對(duì)時(shí)間同步的精度要求不高，但是此類協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量低，如若考慮發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，則會(huì)提高輪詢協(xié)議的復(fù)雜度。此類協(xié)議難以提供較好的QoS保證。

3軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想與應(yīng)用

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-DefinedNetworking，SDN）采用了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的架構(gòu)，能夠在控制平面上邏輯集中可編程控制器并掌握全局網(wǎng)絡(luò)的各種狀態(tài)信息，抽象后通過開放接口提供給應(yīng)用層，它擁有靈活調(diào)整與業(yè)務(wù)部署能力，能夠?qū)崿F(xiàn)基于應(yīng)用的開放式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。從廣義上來(lái)看，SDN表示向上層應(yīng)用最大限度開放資源接口，幫助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的編程控制與基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，通過利用可編程物理層與MAC層來(lái)共同構(gòu)建無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面，該數(shù)據(jù)平面可以同時(shí)兼容多個(gè)技術(shù)制式的網(wǎng)絡(luò)，近些年來(lái)，出現(xiàn)了很多跨層無(wú)線設(shè)計(jì)，像SAM，Jello，MegaMIMO，WhiteRate，SoftPHY等，除了將物理層看作是一個(gè)黑盒，這些系統(tǒng)綜合地優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和物理層信號(hào)處理，比如把WIFI、3/4G-LTE、GSM等。當(dāng)這些數(shù)據(jù)技術(shù)平面被接入到SDN后，就可以通過向上接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐，以業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)為目的，對(duì)用戶進(jìn)行集中式業(yè)務(wù)邏輯控制和移動(dòng)性管理，通過智能化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備來(lái)解耦網(wǎng)絡(luò)路徑，從而能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)提供更多的接入和切換方式，以此來(lái)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證。

4結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)不同的MAC層接入技術(shù)及其特點(diǎn)，并參照應(yīng)用效果對(duì)其所能提供的QoS保證進(jìn)行了分析，總結(jié)了每一技術(shù)體制的優(yōu)勢(shì)和存在的缺陷；隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)智能化的進(jìn)程不斷向前推進(jìn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)提供更多的網(wǎng)絡(luò)接入選擇。

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作者:王永達(dá) 孫延坤 張海斌 張松 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院