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無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )MAC層的接入技術(shù)及QoS保證論文
摘要：本文對不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )中現有的MAC層接入方式進(jìn)行分類(lèi)歸納，對技術(shù)優(yōu)勢與缺陷進(jìn)行闡述分析，特別是QoS性能表現，并結合軟件定義網(wǎng)絡(luò )思想對無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)生活越來(lái)越離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的支持。我們日常使用的智能手機、ipad、筆記本電腦等，其靈活性、隨遇接入和易于擴展的優(yōu)勢是其他通信方式無(wú)可比擬的，但是由于無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )當中，一般采用多個(gè)網(wǎng)絡(luò )終端共享一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道來(lái)發(fā)送和接收數據信息，MAC層（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）的主要功能就是控制節點(diǎn)對傳輸介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)定義一系列的協(xié)議規則來(lái)調度分配寶貴有限的頻譜資源。
1無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構與TCP/IP網(wǎng)絡(luò )結構劃分對比，可以將無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的結構抽象劃分為5層
鏈路層連接著(zhù)物理層和網(wǎng)絡(luò )層，與TCP/IP網(wǎng)絡(luò )結構劃分對比，可以將無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的結構抽象劃分為5層，如圖1所示。鏈路層連接著(zhù)物理層和網(wǎng)絡(luò )層，傳統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(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）。MAC層的主要功能就是為網(wǎng)絡(luò )當中的用戶(hù)提供共享介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)方法，在多用戶(hù)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，在不同應用網(wǎng)絡(luò )中需要有專(zhuān)門(mén)設計的MAC層協(xié)議。
2MAC層接入協(xié)議分類(lèi)
常見(jiàn)的MAC層接入協(xié)議大概分為兩類(lèi)：競爭型與非競爭型，而競爭型的接入方式又分為隨機接入和動(dòng)態(tài)預約的方式，比如CSMA、MACA等；在協(xié)議種類(lèi)上分別有ALOHA、IEEE802.11、令牌環(huán)、輪詢(xún)協(xié)議、FDDI等。
2.1基于靜態(tài)分配的MAC層協(xié)議
在多個(gè)競爭用戶(hù)之間劃分整個(gè)頻譜資源的傳統做法是把頻段拆分為互不重疊的帶寬，比如FDM（頻分多路復用），每個(gè)用戶(hù)都有各自專(zhuān)用的頻段，由于中間預留出保護頻帶，每個(gè)用戶(hù)之間不會(huì )存在干擾，例如調頻廣播（FM），每個(gè)電臺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，相當于自己的專(zhuān)屬信道。這種信道劃分方式是一種簡(jiǎn)單而高效的分配機制，每個(gè)參與用戶(hù)都有著(zhù)穩定的信道負載，有著(zhù)較好的服務(wù)質(zhì)量保證，但是所占用的頻帶寬，系統的有效性差。挪威曾經(jīng)宣布要在2017年陸續關(guān)閉FM無(wú)線(xiàn)電廣播，瑞士也計劃在2020年部署類(lèi)似的行動(dòng)�；跁r(shí)分復用（TDM）的協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是在全網(wǎng)負載很大的情況下依然能夠良好運行，因為系統提前對信道進(jìn)行了時(shí)隙的劃分，在理論上，不存在數據沖突和信道搶占。但是，這也帶來(lái)了不足之處，即在全網(wǎng)負載較小時(shí)，信道利用率明顯下降。尤其對于突發(fā)業(yè)務(wù)和大數據量業(yè)務(wù)，固定的時(shí)隙劃分給固定的業(yè)務(wù)傳輸類(lèi)型或者是某個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，使得傳輸業(yè)務(wù)往往得不到QoS保證。另外，TDM機制需要全網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行同步，網(wǎng)絡(luò )規劃需要專(zhuān)門(mén)的時(shí)間同步時(shí)隙和復雜度也較高，使得網(wǎng)絡(luò )的靈活性變得很差，不適合網(wǎng)絡(luò )參與節點(diǎn)快速變化的自組網(wǎng)絡(luò )。
2.2基于競爭的MAC層協(xié)議
該類(lèi)協(xié)議采用隨機的接入策略，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的功能對等，各節點(diǎn)以競爭的方式獲取信道的接入。節點(diǎn)在有數據需要傳輸時(shí)，以競爭的方式獲得信道，比如ALOHA協(xié)議是最簡(jiǎn)單的隨機競爭協(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(tīng)多址接入協(xié)議（CSMA/CA），被廣泛地應用于商業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，由于其本身是基于CSMA/CA機制的MAC協(xié)議，但是它所采用的RTS/CTS/DATA/ACK的多次握手機制，會(huì )帶來(lái)多個(gè)傳輸空閑時(shí)間，使數據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。競爭類(lèi)協(xié)議的機制一般比較簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò )負載較低時(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(zhù)網(wǎng)絡(luò )負載的增大，分組數據在信道上碰撞次數增多，競爭協(xié)議的性能明顯下降，并且無(wú)法為高優(yōu)先級數據提供一個(gè)確定的信道最大接入時(shí)延。
2.3基于集中式輪詢(xún)MAC協(xié)議
此類(lèi)協(xié)議主要采用輪詢(xún)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )化的結構形式，在一個(gè)具有中心節點(diǎn)的網(wǎng)狀拓撲網(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)中心控制器的監視下運行，由中心節點(diǎn)來(lái)控制接入，通過(guò)依次詢(xún)問(wèn)節點(diǎn)的方式來(lái)維持通信規則。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )按照輪詢(xún)協(xié)議來(lái)運行，當網(wǎng)絡(luò )控制中心輪詢(xún)到網(wǎng)絡(luò )參與節點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)送它們所需要報告的所有數據，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(xún)，每個(gè)節點(diǎn)在一個(gè)輪詢(xún)周期內無(wú)競爭的發(fā)送一次數據。輪詢(xún)式的MAC層接入協(xié)議特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )資源按需分配，中心節點(diǎn)集中控制，性能穩定。對時(shí)間同步的精度要求不高，但是此類(lèi)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )吞吐量低，如若考慮發(fā)送數據優(yōu)先級，則會(huì )提高輪詢(xún)協(xié)議的復雜度。此類(lèi)協(xié)議難以提供較好的QoS保證。
3軟件定義網(wǎng)絡(luò )的思想與應用
軟件定義網(wǎng)絡(luò )（Software-DefinedNetworking，SDN）采用了控制與轉發(fā)分離的架構，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(guò)開(kāi)放接口提供給應用層，它擁有靈活調整與業(yè)務(wù)部署能力，能夠實(shí)現基于應用的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )體系架構。從廣義上來(lái)看，SDN表示向上層應用最大限度開(kāi)放資源接口，幫助系統來(lái)實(shí)現應用的編程控制與基礎的網(wǎng)絡(luò )架構，隨著(zhù)可編程邏輯器件的發(fā)展，通過(guò)利用可編程物理層與MAC層來(lái)共同構建無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )數據平面，該數據平面可以同時(shí)兼容多個(gè)技術(shù)制式的網(wǎng)絡(luò )，近些年來(lái)，出現了很多跨層無(wú)線(xiàn)設計，像SAM，Jello，MegaMIMO，WhiteRate，SoftPHY等，除了將物理層看作是一個(gè)黑盒，這些系統綜合地優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和物理層信號處理，比如把WIFI、3/4G-LTE、GSM等。當這些數據技術(shù)平面被接入到SDN后，就可以通過(guò)向上接口來(lái)實(shí)現對業(yè)務(wù)應用的支撐，以業(yè)務(wù)應用實(shí)現為目的，對用戶(hù)進(jìn)行集中式業(yè)務(wù)邏輯控制和移動(dòng)性管理，通過(guò)智能化數據轉發(fā)設備來(lái)解耦網(wǎng)絡(luò )路徑，從而能夠為網(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結束語(yǔ)
本文根據不同的MAC層接入技術(shù)及其特點(diǎn)，并參照應用效果對其所能提供的QoS保證進(jìn)行了分析，總結了每一技術(shù)體制的優(yōu)勢和存在的缺陷；隨著(zhù)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。
參考文獻
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