基于父/子微微網的接入控制策略及性能分析*

趙 越,蘇 宏,劉尚麟

(保密通信重點實驗室,四川成都610041)

基于父/子微微網的接入控制策略及性能分析*

趙 越,蘇 宏,劉尚麟

(保密通信重點實驗室,四川成都610041)

父/子微微網由于其特有的技術優勢和廣闊的應用前景而廣受關注。文中介紹IEEE 802. 15.3標準MAC協議的超幀結構和父/子微微網網絡結構,提出三種新型的接入控制策略,有效解決超幀長度利用不充分、設備接入不公平、多業務QoS性能不理想等不足之處。仿真和分析結果表明,文中所提的接入控制策略可以充分利用超幀長度,有效提升網絡的平均QoS滿意度,保證微微網協調器、實時業務流比普通設備、非實時業務流具有更高的滿意度。

無線個域網 微微網 超幀 信道時間分配 服務質量

0 引 言

基于IEEE 802.15.3標準的高速率無線個域網(WPAN,Wireless Personal Area Network)適用于連接各種個人便攜式通信設備(DEV,Device),運行在非專用的2.4 GHz頻段,以55Mb/s的速率在100 m范圍內傳輸[1]。各類DEV之間通過無線鏈路進行信息訪問和數據交換,其中一個DEV作為微微網協調器(PNC,Piconet Coordinator)需要周期性地提供定時和管理信息,負責協調DEV間的建鏈和微微網的接入控制方式[2]。PNC以及與PNC關聯的DEV組成微微網(Piconet),高速率WPAN可以建立多個微微網之間的分層結構,多層結構的基部為父微微網(Parent Piconet),從屬于父微微網的微微網定義為子微微網(Child Piconet),這種組網方式的無線數據速率遠高于20Mb/s,在保證帶寬的條件下,可以滿足DEV的服務質量要求(QoS)[3]。父微微網和子微微網的DEV可以同時操作微微網(SOP,Simultaneously Operating Piconet),子微微網

通過子微微網PNC(簡稱子PNC)自主完成信道的管理使用,并在其父微微網PNC(簡稱父PNC)發送的超幀(Superframe)獲得私有信道時間分配(CTA, Channel Time Allocation)。

值得關注的是,SOP會導致包括相鄰微微網間干擾、信標碰撞、吞吐率受限和信道資源預留沖突等各種問題[4]。文獻[5]針對父/子微微網提出一種高效的信道時間分配方法,盡管此方法能解決多跳通信重疊區域中存在的碰撞問題,但隨著子微微網數量增加,時隙轉換與管理開銷增大,將導致其網絡吞吐率嚴重下降。文獻[6]提出通過自適應CTA策略解決信道時間分配階段(CTAP,Channel Time Allocation Period)產生的微微網間干擾,但由于受超幀長度恒定的限制,帶寬利用效率與QoS性能依然無法得到顯著提高。事實上,超幀如何進行CTA分配對于DEV通信的公平性和QoS存在重要影響,在父/子微微網中設計高效的接入控制策略,充分利用信道資源及協調各個DEV之間的通信,在每個超幀中為各業務流預置合適的CTA長度,是提升網絡性能的關鍵問題,而這點并沒有被先前的研究所關注。接入控制是IEEE 802.15.3標準MAC協議的基本功能,為設備關聯網絡、業務接入信道、數據分組調度、控制信令交互等制定基本規則。本文提出三種新型的接入控制策略,有效解決超幀長度利用不充分、設備接入不公平、多業務QoS性能不理想等不足之處,期望可以對未來無線網絡的網絡規劃與資源分配的研究提供支持與借鑒。

1 系統模型

本節介紹基于IEEE 802.15.3標準MAC協議的超幀結構、父/子微微網網絡結構。

圖1為WPAN MAC協議的超幀結構,包括信標階段(Beacon Period)、競爭接入段(CAP,Contention Access Period)、信道時間分配階段。Beacon主要載有WPAN的控制參數和時隙分配等信息,目的DEV通過解析信標識別PNC和源端DEV。CAP采用載波偵聽多址接入/碰撞避免機制(CSMA/CA)執行接入控制機制,主要用于DEV向PNC發送關聯和脫離請求。CTAP采用時分多址接入方式,用于微微網內各DEV的同步(實時)和異步(非實時)數據交換,每個CTA由多個基本信道時間單元(TU,Time Unit)組成。微微網DEV在CAP中計算傳輸數據所需要的CTA長度,并產生信道時間請求(CTRq, Channel Time Request)命令發送至PNC。CTRq包括CTRq時間單元(CTRq TU)、期望TU數量(des_ TU)、最小TU數量(min_TU)等參數。des_TU為傳輸數據請求的TU數量,min_TU為保證業務流傳輸的最小TU數量。PNC收集DEV的CTRq,根據帶寬資源情況為該DEV分配CTA,CTA長度(獲得TU數量)要求大于或等于min_TU,小于或等于des_ TU,并通過隨后超幀的Beacon向微微網所有DEV通告CTA分配信息。

圖1 WPAN MAC協議的超幀結構Fig.1 Superframe structure based on WPAN MAC protocols

圖2為父/子/鄰微微網的網絡結構,為了擴展微微網的覆蓋范圍,在父微微網基礎上建立子微微網。具有成為子PNC能力的DEV向父PNC發送私有CTRq,父PNC給請求DEV分配私有CTA創建子微微網,這個DEV成為子PNC。子PNC即是父微微網的成員,也是子微微網的成員。鄰微微網與父微微網不存在從屬關系,鄰微微網PNC(簡稱鄰PNC)既不是父微微網的成員,也不會與任何父微微網的DEV交換數據。PNC會檢查每個新請求加入DEV的性能,如果新DEV的能力強于PNC,且現有的安全策略允許,那么PNC就可以將微微網的控制權移交給新DEV。PNC應確保最大數量的DEV能在超幀分配得到CTA,以滿足它們的QoS需求。此外,子PNC應當被分配給比普通DEV更多的CTA,以便獲得足夠的資源為子微微網的DEV服務。

圖2 父/子/鄰微微網的網絡結構Fig.2 Network structures of parent/child/neighbor piconets

2 MAC協議主要技術

2.1 動態超幀長度

文獻[7]提出利用動態超幀長度取代原有的靜態超幀長度。由于DEV產生業務流到達的分組大小不同,PNC會利用當前各業務流的狀況分配相應的CTA,超幀持續時間(SD,Superframe Duration)在保證不超過最大超幀長度(sizemax)的條件下動態調整。SD初始值設為最小超幀長度(sizemin),PNC根據各DEV CTRq的CTA需求增加超幀長度,PNC接收到CTRq之后,計算需要分配的信道時間大小與當前SD,如果SD沒有達到sizemax,則接受該CTRq。動態超幀長度與靜態超幀長度相比,可以更好滿足同步(實時)業務的QoS需求,尤其針對可變比特率(VBR,Variable Bit Rate)業務流的情況下,可以有效防止CTA低效分配造成的浪費或者不足。

2.2 超幀利用率閾值

由于微微網的信道資源有限,如果為了保證已接入DEV的QoS,而拒絕新DEV接入微微網顯然是不公平的。通過引入超幀利用率閾值(TL)可以有效地分配網絡資源,實現DEV的QoS保障和接入更多DEV的折中。如果超幀長度低于TL,PNC就可以為請求DEV設置較長的CTA,為其提供更優的QoS;如果超幀長度超過TL,父微微網PNC則減小該DEV的CTA長度,以便更多的DEV獲得信道時間。超幀利用率閾值TL定義為

式中,TU為時間單元的長度,N為全部DEV的數目,α為調整TL取值變化的系數,滿足α≥1。當α= 1時,2×TU×N表示父微微網PNC至少需要為每個DEV分配2個時間單元用于與PNC的通信,其中一個用于業務流的上行鏈路,另一個用于下行鏈路。

2.3 差異化服務

在實際應用中,接入控制策略應該能夠充分利用信道資源為盡可能多的業務流提供有QoS保證的服務。值得注意的是,對于實時(RT,Real-time Traffic)業務與非實時(NRT,Non-real-time Traffic)業務,它們各自的性能要求不同,占用的帶寬也不同,每個DEV通過CTRq命令向PNC告知滿足業務流傳輸的QoS要求,接入控制策略應該具備一定的靈活性,后文引入最小QoS滿意度(Minimum QoS Satisfaction Factor)作為是否允許RT或NRT業務流接入微微網的判決條件。

3 接入控制機制

本節提出基于父/子微微網的三種接入控制策略:①動態超幀長度策略(命名為策略1);②聯合動態超幀長度和超幀利用率閾值策略(命名為策略2);③聯合動態超幀長度、超幀利用率閾值和差異化服務策略(命名為策略3)。父/子微微網的資源調度策略可以分為三個步驟,其中,步驟1“超幀長度計算與接收信道時間請求”和步驟3“接入控制決策與滿意度計算”對于上述三種策略相同,僅在步驟2“資源分配條件與計算”存在差異。三種接入控制策略的算法流程如圖3所示。

圖3 接入控制策略的算法流程Fig.3 Algorithm processes of admission control schemes

步驟1:超幀長度計算與接收信道時間請求

業務流傳輸從最小超幀長度開始啟動,父微微網PNC計算當前超幀m的SD(sizem)

式中,gi為分配給DEVi的CTA長度,表示超幀m分配給所有DEV累計分配的CTA長度。父微微網PNC分別接收來自DEV的CTRq和子PNC的私有CTRq,并根據步驟2“資源分配條件”決定是否接受還是拒絕其請求。

步驟2:資源分配條件與計算

父微微網PNC對信道時間分配的決策基于公平的準則,使得大多數DEV都能分配得到CTA。父微微網PNC還要保證子微微網PNC的優先級高于普通DEV。因為子微微網PNC需要獲得更多的信道時間,以便有足夠的資源給子微微網的DEV提供服務。三種策略的資源分配條件存在差異,后文將對此進行具體介紹。

策略1:對于父微微網PNC而言,如果接收到子微微網PNC的私有CTRq,則向其分配CTA,直到CTA長度達到子微微網PNC的TU期望數量與TU最小數量的平均值avg(min_TU,des_TU);如果接收到普通DEV的CTRq,則向其分配CTA,直到CTA長度達到DEV的TU最小數量min_TU。

策略2:如果當前超幀的SD低于TL,父PNC就根據CTRq計算分配給DEVi的信道時間,如果DEVi為子PNC,則分配的CTA長度為des_TU,如果DEV i為普通DEV,則分配的CTA長度為avg(min_ TU,des_TU);如果超幀的SD高于TL,父PNC則開始啟用新的策略計算CTA長度,分配較少的信道時間給請求DEV,允許更多的DEV能從超幀分得CTA,父PNC為子PNC設置的CTA長度變為avg( min_TU,des_TU),而為普通DEV設置的CTA長度為min_TU。

策略3:此策略是策略2的擴展,除了與TL進行對比外,還根據業務流是RT或NRT保障其不同的QoS需求。出于差異化服務的目的,最小QoS滿意度(Smin)可以從RT或NRT的CTRq里獲得。因此,依據策略2計算DEV i的CTA長度之后,如果業務流為RT則Smin設定為0.7,如果為NRT則Smin設定為0.5。最小滿意度在步驟3將作為新的判決條件決定是否接受或拒絕DEVi的CTRq。

步驟3:接入控制決策與滿意度計算

策略3分析對于RT或NRT不同類型的業務流,DEV i分得的CTA長度能否滿足其QoS要求,保證DEV i獲得TU數量(gi)與des_TU的比值大于等于Smin。通過信標的承載能力信元,父PNC向其關聯的子PNC和普通DEV通告其能處理的CTRq數量,如果上述判決條件均得到滿足,父PNC發出成功應答,并為其業務流分配相應的CTA長度。否則,父PNC發出失敗應答,拒絕為其分配CTA。父PNC處理所有子PNC和普通DEV的接入請求后,定義平均QoS滿意度為

式中,des_TUi為DEV i的期望TU數量。

4 性能評估

用NS2(Network Simulator Version 2)軟件實現算法仿真。不失一般性,在10 m覆蓋范圍內隨機部署1個父PNC、2個子PNC和17個普通DEV,DEV發送信道時間分配請求服從泊松分布,每秒到達率為λ[8]。α取值設為2,sizemax、sizemin、TU長度分別為65 535μs、1 000μs、10μs[9]。

圖4表示到達率λ為不同取值的歸一化超幀長度變化。對于靜態超幀長度策略而言,歸一化超幀長度恒值為1,表示無論CTA請求數量多少,超幀長度均為sizemax,當λ值較低時,超幀無法得以充分利用;對于本文提出的三種接入控制策略而言,隨著接受的CTA請求數量增加,歸一化超幀長度動態增加,當達到1時,表示當前網絡接納負載已至飽和,無法再接受新的CTA請求。策略2、3與策略1相比,在λ值較低時為接入的DEV分配較長的CTA,歸一化超幀長度相對較高;在λ值增加時,考慮公平性為接入的DEV分配較短的CTA,歸一化超幀長度提升幅度相對緩慢。

圖4 不同策略的歸一化超幀長度比較Fig.4 Performance comparison of normalized superframe size among several schemes

圖5表示到達率λ為不同取值時平均QoS滿意度的變化。策略2、3與策略1相比有效提升網絡的滿意度。其中,策略2、3為子PNC分配的CTA長度要大于普通DEV的CTA長度,PNC與DEV相比獲得更高的滿意度;對于策略2的PNC和策略3的RT業務流而言,在到達率低于1 700時滿意度均達到1,當到達率為3 000時,二者的滿意度分別下降了

20.8%和14.6%;策略3區分RT業務流與NRT業務流,更好地為滿足WPAN傳輸音頻和視頻這樣實時數據所需的QoS,在到達率為2 000時,滿意度分別為0.986和0.883。綜合分析歸一化超幀長度與平均QoS滿意度,本文所提的接入控制策略充分利用了超幀長度,并可以為DEV提供更高的QoS滿意度。

圖5 不同策略的平均QoS滿意度比較Fig.5 Performance comparison of average QoS satisfaction factor among several schemes

5 結 語

本文從理論分析和性能仿真兩個方面對父/子微微網的接入控制策略進行深入地分析研究。首先提出一種可以提升超幀利用效率的動態超幀長度策略,在此基礎上又提出基于聯合動態超幀長度和超幀利用率閾值策略有效地分配網絡資源,在網絡接納負載較低時,考慮QoS滿意度為接入的DEV分配較長的CTA,在網絡接納負載較高時,考慮公平性為接入的DEV分配較短的CTA,以便能讓更多DEV接入網絡。聯合動態超幀長度、超幀利用率閾值和差異化服務策略區分實時業務和非實時業務不同的QoS需求,優先保證實時業務的QoS滿意度。本文提出的接入控制策略易于實現,為未來無線網絡網絡規劃與資源分配研究提供借鑒。在后續研究中將采用通信安全一體化設計思路,將設備接入認證融合接入控制過程,在保證安全性的同時,減少延遲和開銷,進一步改善網絡性能。

[1] 柴爭義,徐紅,朱思峰.無線個域網實現技術研究[J].通信技術,2009,42(04):55-57.

CHAIZheng-yi,XU Hong,ZHU Si-feng.Implementation ofWireless Personal Area Network[J].Communications Technology,2009,42(04):55-57.

[2] D.GANG,R.FARLEY.A MAC protocol for wireless personal area networks[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Computing,Networking and Communications(ICNC 2013).San Diego:IEEE Press, 2013:900-904.

[3] I.JAMIL,S.SINDIAN,A.KHALIL,etal.A New Distributed Decision Making Scheme for the IEEE 802.15.3 Parent/Child Model[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications and Information Technology(ICCIT 2013).Beirut:IEEE Press,2013: 256-261.

[4] K.JEYHAN,J.ERIC,H.EDWARD.Synchronized UWB Piconets for SOP(Simultaneously Operating Piconet)Performance:USA,US20090016318 A1[P]. 2009-1-15.

[5] S.JUNG,H.KIM,S.YIM,T.LEE.Channel Time Allocation and Routing Algorithm for Multi-hop Communications in IEEE 802.15.3 High-Rate WPAN Mesh Networks[C]//Proceedings of Springer International Conference on Computational Science(ICCS2007).Beijing:Springer Press,2007:57-465.

[6] P.XUE,P.GONG,D.KIM.Enhanced IEEE 802.15.3 MAC Protocol for Efficient Support of Multip le Simultaneously Operating Piconets[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(04):2548-2559.

[7] S.SINDIAN,A.SAMHAT,A.KHALIL,et al.Resource Allocation in High Data Rate Mesh WPAN:A Survey Paper[J].Wireless Personal Communications, 2014,74(02):909-932.

[8] Y.ZHAO,X.FANG,R.HUANG,Y.FANG,Joint Interference Coordination and Load Balancing for OFDMA Multi-hop cellular networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2014,13(01):89-101.

[9] G.Boggia,P.Camarda,L.Grieco.SchedulingChannel Time Allocations in 802.15.3 WPANs for Supporting Multimedia Applications[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2010,10(05):596-608.

趙 越(1983—),男,博士,工程師,主要研究方向為移動通信與信息安全;

ZHAO Yue(1983-),male,Ph.D.,engineer,mainly engaged inmobile communication and information security.

蘇 宏(1966—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為信息系統與安全傳輸;

SU Hong(1966-),male,M.Sci.,senior engineer,principally working at information system and secure transmission.

劉尚麟(1969—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為安全防御系統設計。

LIU Shang-lin(1969-),male,M.Sci.,senior engineer, principally working at the design of security defense system.

Access Control Strategy and Performance Analysis based on Parent/Child Piconets

ZHAO Yue,SU Hong,LIU Shang-lin
(Science and Technology on Communication Security Laboratory,Chengdu Sichuan 610041,China)

Parent/child piconets,owing to its peculiar technicalsuperiority and application prospects,attract much attention.This paper describes the superframe structure based on MAC protocol of IEEE 802.15.3 standards and the network structuresofparent/child piconets,then proposes three novel access control strategies,thus effectively solving the deficiencies such as inefficientuse of superframe length,unfair admission to devices,and inadequate QoS guarantee ofmultiple traffics.Simulations and analysis results indicate that the proposed access control strategy could take full advantage of superframe size,effectively improve the average QoS satisfaction factor,and guarantee that the piconet coordinators and real-time business flow could enjoy higher satisfaction factor than general devices and non-real-time business flow.

wireless personal area network;piconet;superframe;channel time allocation;QoS(quality of service)

TP309

A

1002-0802(2014)12-1400-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.011

2014-09-10;

2014-10-21 Received date：2014-09-10;Revised date：2014-10-21

國家自然科學基金資助項目(No.61202043)

FoundationItem:Supported by the National Science Foundation of China(No.61202043)