无线通信网络MAC层的接入技术及QoS保证

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了无线通信网络MAC层的接入技术及QoS保证范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要：本文对不同类型网络中现有的MAC层接入方式进行分类归纳，对技术优势与缺陷进行阐述分析，特别是QoS性能表现，并结合软件定义网络思想对无线网络的接入技术发展方向进行探究。

关键词：无线通信网络；mac层接入；QoS（服务质量）保证

0引言

无线通信技术给人们的生产生活带来了巨大的革新，人类生活越来越离不开无线通信技术的支持。我们日常使用的智能手机、ipad、笔记本电脑等，其灵活性、随遇接入和易于扩展的优势是其他通信方式无可比拟的，但是由于无线通信具有可利用频谱带宽有限，传输受到距离约束等固有特点，所以在一个无线网络当中，一般采用多个网络终端共享一个无线信道来发送和接收数据信息，MAC层（介质访问控制）的主要功能就是控制节点对传输介质的访问，通过定义一系列的协议规则来调度分配宝贵有限的频谱资源。

1无线通信网络结构与TCP/IP网络结构划分对比，可以将无线通信网络的结构抽象划分为5层

链路层连接着物理层和网络层，与TCP/IP网络结构划分对比，可以将无线通信网络的结构抽象划分为5层，如图1所示。链路层连接着物理层和网络层，传统的链路层一般划分为两个子层：逻辑链路控制层（LLC）和介质访问控制层（MAC）。MAC层的主要功能就是为网络当中的用户提供共享介质的访问方法，在多用户的网络中，保证每一个链路层帧都能够正确的寻址和传输，在不同应用网络中需要有专门设计的MAC层协议。

2MAC层接入协议分类

常见的MAC层接入协议大概分为两类：竞争型与非竞争型，而竞争型的接入方式又分为随机接入和动态预约的方式，比如CSMA、MACA等；在协议种类上分别有ALOHA、IEEE802.11、令牌环、轮询协议、FDDI等。

2.1基于静态分配的MAC层协议

在多个竞争用户之间划分整个频谱资源的传统做法是把频段拆分为互不重叠的带宽，比如FDM（频分多路复用），每个用户都有各自专用的频段，由于中间预留出保护频带，每个用户之间不会存在干扰，例如调频广播（FM），每个电台使用固定的中心频点，占用固定的频谱宽度，在绝大部分的时间段里广播自己的信号，相当于自己的专属信道。这种信道划分方式是一种简单而高效的分配机制，每个参与用户都有着稳定的信道负载，有着较好的服务质量保证，但是所占用的频带宽，系统的有效性差。挪威曾经宣布要在2017年陆续关闭FM无线电广播，瑞士也计划在2020年部署类似的行动。基于时分复用（TDM）的协议的优点是在全网负载很大的情况下依然能够良好运行，因为系统提前对信道进行了时隙的划分，在理论上，不存在数据冲突和信道抢占。但是，这也带来了不足之处，即在全网负载较小时，信道利用率明显下降。尤其对于突发业务和大数据量业务，固定的时隙划分给固定的业务传输类型或者是某个网络节点，使得传输业务往往得不到qos保证。另外，TDM机制需要全网络进行同步，网络规划需要专门的时间同步时隙和复杂度也较高，使得网络的灵活性变得很差，不适合网络参与节点快速变化的自组网络。

2.2基于竞争的MAC层协议

该类协议采用随机的接入策略，网络节点的功能对等，各节点以竞争的方式获取信道的接入。节点在有数据需要传输时，以竞争的方式获得信道，比如ALOHA协议是最简单的随机竞争协议。但是由于存在大量的冲突，ALOHA协议的信道利用率较低，一般在18.4%~36.8%。IEEE802.11协议是基于冲突避免的载波侦听多址接入协议（CSMA/CA），被广泛地应用于商业网络中，由于其本身是基于CSMA/CA机制的MAC协议，但是它所采用的RTS/CTS/DATA/ACK的多次握手机制，会带来多个传输空闲时间，使数据信息积累更多的等待时间，造成延迟，降低了传输服务质量。竞争类协议的机制一般比较简单，优点是在网络负载较低时信道利用率高、分组接入时延小，因此很适合突发业务。但是，随着网络负载的增大，分组数据在信道上碰撞次数增多，竞争协议的性能明显下降，并且无法为高优先级数据提供一个确定的信道最大接入时延。

2.3基于集中式轮询MAC协议

此类协议主要采用轮询协议和网络化的结构形式，在一个具有中心节点的网状拓扑网络中，其网络参与者之间就像是一个有序会议，这个参与者具有平等的网络功能。网络在一个中心控制器的监视下运行，由中心节点来控制接入，通过依次询问节点的方式来维持通信规则。整个网络按照轮询协议来运行，当网络控制中心轮询到网络参与节点时，网络节点发送它们所需要报告的所有数据，在发送完成后，则需要返回到接收模式。接入方式采用有中心的时分点名呼叫和轮询，每个节点在一个轮询周期内无竞争的发送一次数据。轮询式的MAC层接入协议特点是网络资源按需分配，中心节点集中控制，性能稳定。对时间同步的精度要求不高，但是此类协议的网络吞吐量低，如若考虑发送数据优先级，则会提高轮询协议的复杂度。此类协议难以提供较好的QoS保证。

3软件定义网络的思想与应用

软件定义网络（Software-DefinedNetworking，SDN）采用了控制与转发分离的架构，能够在控制平面上逻辑集中可编程控制器并掌握全局网络的各种状态信息，抽象后通过开放接口提供给应用层，它拥有灵活调整与业务部署能力，能够实现基于应用的开放式网络体系架构。从广义上来看，SDN表示向上层应用最大限度开放资源接口，帮助系统来实现应用的编程控制与基础的网络架构，随着可编程逻辑器件的发展，通过利用可编程物理层与MAC层来共同构建无线接入网络数据平面，该数据平面可以同时兼容多个技术制式的网络，近些年来，出现了很多跨层无线设计，像SAM，Jello，MegaMIMO，WhiteRate，SoftPHY等，除了将物理层看作是一个黑盒，这些系统综合地优化了网络协议和物理层信号处理，比如把WIFI、3/4G-LTE、GSM等。当这些数据技术平面被接入到SDN后，就可以通过向上接口来实现对业务应用的支撑，以业务应用实现为目的，对用户进行集中式业务逻辑控制和移动性管理，通过智能化数据转发设备来解耦网络路径，从而能够为网络提供更多的接入和切换方式，以此来提高整个网络的服务质量保证。

4结束语

本文根据不同的MAC层接入技术及其特点，并参照应用效果对其所能提供的QoS保证进行了分析，总结了每一技术体制的优势和存在的缺陷；随着技术的发展，网络智能化的进程不断向前推进，软件定义网络技术将会提供更多的网络接入选择。

参考文献

[1]黄敏.软件定义网络技术及未来发展趋势[J].电子技术与软件工程,2016.07.

[2]鲁伟.802.11标准中MAC层接入技术解析[J].计算机安全,2012.08.

[3]AndrewS.Tanenbaum.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2012.03.

作者:王永达 孙延坤 张海斌 张松 单位:中国电子科技集团公司电子科学研究院