無線通信網絡MAC層的接入技術及QoS保證
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摘要：本文對不同類型網絡中現有的MAC層接入方式進行分類歸納，對技術優勢與缺陷進行闡述分析，特別是QoS性能表現，并結合軟件定義網絡思想對無線網絡的接入技術發展方向進行探究。
0引言
無線通信技術給人們的生產生活帶來了巨大的革新，人類生活越來越離不開無線通信技術的支持。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勢是其他通信方式無可比擬的，但是由于無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，所以在一個無線網絡當中，一般采用多個網絡終端共享一個無線信道來發送和接收數據信息，MAC層（介質訪問控制）的主要功能就是控制節點對傳輸介質的訪問，通過定義一系列的協議規則來調度分配寶貴有限的頻譜資源。
1無線通信網絡結構與TCP/IP網絡結構劃分對比，可以將無線通信網絡的結構抽象劃分為5層
鏈路層連接著物理層和網絡層，與TCP/IP網絡結構劃分對比，可以將無線通信網絡的結構抽象劃分為5層，如圖1所示。鏈路層連接著物理層和網絡層，傳統的鏈路層一般劃分為兩個子層：邏輯鏈路控制層（LLC）和介質訪問控制層（MAC）。MAC層的主要功能就是為網絡當中的用戶提供共享介質的訪問方法，在多用戶的網絡中，保證每一個鏈路層幀都能夠正確的尋址和傳輸，在不同應用網絡中需要有專門設計的MAC層協議。
2MAC層接入協議分類
常見的MAC層接入協議大概分為兩類：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態預約的方式，比如CSMA、MACA等；在協議種類上分別有ALOHA、IEEE802.11、令牌環、輪詢協議、FDDI等。
2.1基于靜態分配的MAC層協議
在多個競爭用戶之間劃分整個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），每個用戶都有各自專用的頻段，由于中間預留出保護頻帶，每個用戶之間不會存在干擾，例如調頻廣播（FM），每個電臺使用固定的中心頻點，占用固定的頻譜寬度，在絕大部分的時間段里廣播自己的信號，相當于自己的專屬信道。這種信道劃分方式是一種簡單而高效的分配機制，每個參與用戶都有著穩定的信道負載，有著較好的服務質量保證，但是所占用的頻帶寬，系統的有效性差。挪威曾經宣布要在2017年陸續關閉FM無線電廣播，瑞士也計劃在2020年部署類似的行動?；跁r分復用（TDM）的協議的優點是在全網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行了時隙的劃分，在理論上，不存在數據沖突和信道搶占。但是，這也帶來了不足之處，即在全網負載較小時，信道利用率明顯下降。尤其對于突發業務和大數據量業務，固定的時隙劃分給固定的業務傳輸類型或者是某個網絡節點，使得傳輸業務往往得不到qos保證。另外，TDM機制需要全網絡進行同步，網絡規劃需要專門的時間同步時隙和復雜度也較高，使得網絡的靈活性變得很差，不適合網絡參與節點快速變化的自組網絡。
2.2基于競爭的MAC層協議
該類協議采用隨機的接入策略，網絡節點的功能對等，各節點以競爭的方式獲取信道的接入。節點在有數據需要傳輸時，以競爭的方式獲得信道，比如ALOHA協議是最簡單的隨機競爭協議。但是由于存在大量的沖突，ALOHA協議的信道利用率較低，一般在18.4%~36.8%。IEEE802.11協議是基于沖突避免的載波偵聽多址接入協議（CSMA/CA），被廣泛地應用于商業網絡中，由于其本身是基于CSMA/CA機制的MAC協議，但是它所采用的RTS/CTS/DATA/ACK的多次握手機制，會帶來多個傳輸空閑時間，使數據信息積累更多的等待時間，造成延遲，降低了傳輸服務質量。競爭類協議的機制一般比較簡單，優點是在網絡負載較低時信道利用率高、分組接入時延小，因此很適合突發業務。但是，隨著網絡負載的增大，分組數據在信道上碰撞次數增多，競爭協議的性能明顯下降，并且無法為高優先級數據提供一個確定的信道最大接入時延。
2.3基于集中式輪詢MAC協議
此類協議主要采用輪詢協議和網絡化的結構形式，在一個具有中心節點的網狀拓撲網絡中，其網絡參與者之間就像是一個有序會議，這個參與者具有平等的網絡功能。網絡在一個中心控制器的監視下運行，由中心節點來控制接入，通過依次詢問節點的方式來維持通信規則。整個網絡按照輪詢協議來運行，當網絡控制中心輪詢到網絡參與節點時，網絡節點發送它們所需要報告的所有數據，在發送完成后，則需要返回到接收模式。接入方式采用有中心的時分點名呼叫和輪詢，每個節點在一個輪詢周期內無競爭的發送一次數據。輪詢式的MAC層接入協議特點是網絡資源按需分配，中心節點集中控制，性能穩定。對時間同步的精度要求不高，但是此類協議的網絡吞吐量低，如若考慮發送數據優先級，則會提高輪詢協議的復雜度。此類協議難以提供較好的QoS保證。
3軟件定義網絡的思想與應用
軟件定義網絡（Software-DefinedNetworking，SDN）采用了控制與轉發分離的架構，能夠在控制平面上邏輯集中可編程控制器并掌握全局網絡的各種狀態信息，抽象后通過開放接口提供給應用層，它擁有靈活調整與業務部署能力，能夠實現基于應用的開放式網絡體系架構。從廣義上來看，SDN表示向上層應用最大限度開放資源接口，幫助系統來實現應用的編程控制與基礎的網絡架構，隨著可編程邏輯器件的發展，通過利用可編程物理層與MAC層來共同構建無線接入網絡數據平面，該數據平面可以同時兼容多個技術制式的網絡，近些年來，出現了很多跨層無線設計，像SAM，Jello，MegaMIMO，WhiteRate，SoftPHY等，除了將物理層看作是一個黑盒，這些系統綜合地優化了網絡協議和物理層信號處理，比如把WIFI、3/4G-LTE、GSM等。當這些數據技術平面被接入到SDN后，就可以通過向上接口來實現對業務應用的支撐，以業務應用實現為目的，對用戶進行集中式業務邏輯控制和移動性管理，通過智能化數據轉發設備來解耦網絡路徑，從而能夠為網絡提供更多的接入和切換方式，以此來提高整個網絡的服務質量保證。
4結束語
本文根據不同的MAC層接入技術及其特點，并參照應用效果對其所能提供的QoS保證進行了分析，總結了每一技術體制的優勢和存在的缺陷；隨著技術的發展，網絡智能化的進程不斷向前推進，軟件定義網絡技術將會提供更多的網絡接入選擇。
參考文獻
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作者:王永達 孫延坤 張海斌 張松 單位:中國電子科技集團公司電子科學研究院
