CN101917772A

CN101917772A - 一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法

Info

Publication number: CN101917772A
Application number: CN2010102629397A
Authority: CN
Inventors: 张若南
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2010-12-15

Abstract

一种基于双缓存区混合型媒体访问控制协议的媒体访问控制方法，包括以下步骤：(1)将在一个预约周期内的信道时间划分为预留时段和竞争时段，预留时段和竞争时段交替出现；在一个预约周期内，为每个用户预留一个预留时段；在竞争时段，用户采用竞争方式访问信道；(2)在发射端使用预留缓存区和竞争缓存区，在一个预约周期中，数据包首先放入预留缓存区在预留时段内传输；如果预留缓存区已满，数据包进入竞争缓存区，在竞争时段内传输。

Description

一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法

技术领域

本发明涉及一种媒体访问控制方法，特别地，本发明涉及一种基于双缓存区混合型媒体访问控制协议的媒体访问控制方法，更特别地，本发明也涉及任何使用双缓存区混合型媒体访问控制协议的无线系统。

背景技术

宽带无线通信技术是指通信系统的带宽远大于信道的相关带宽，以提供远高于窄带系统的数据传输速率。宽带无线网络是指以高数据率的宽带通信为基础(即物理层)，利用先进的网络协议，为多用户提供数据、语音和视频的综合业务服务。宽带无线网络是未来综合业务数据网的重要组成部分，为终端用户提供随时、随地以及在移动环境下的网络接入，也是多网融合和物联网的关键技术。随着先进通信技术的发展和人们对多媒体业务的需求的增加，设计和完善宽带无线网络是一个重要而又有挑战性的任务。

传输多媒体业务已经成为当今无线网络最重要的应用之一，例如，通过无线网络接入因特网在线观看视频点播，在移动电话上拨打视频电话，或利用无线家庭网络将网络电视(IPTV)传输到各个房间的电视机或计算机终端等等。显然，不同于传统的数据业务，多媒体业务数据量大，速率高，而且要求实时性，即对数据包的时延要求严格。因此，对网络传输提出了更高的服务质量(QoS)的要求。而且，先进的视频压缩技术，如H.264，能够降低平均数据率，但是压缩后的数据流具有更大的波动性。那么，如何保证视频流(Video Streaming)的服务质量(即低的丢包率和时延)，又能够支持多个视频流同时传输(为多个用户同时提供服务)，即提高信道的利用率和网络容量，迫切需要创新的网络通信协议。

目前传统的无线网络往往采用基于竞争的媒体访问控制协议(Contention-based MAC)，如广泛使用的无线局域网(WLAN)。在这种媒体访问控制协议下，一个节点访问信道的时间及发送能否成功是随机的，取决于随机等待时间和其它节点的发送。而且，一旦发生冲突(多个节点同时发送)，冲突节点需要退让随机的等待时间，数据包的时延大大增长。由于无法保证多媒体数据包的时延，不能提供可靠的服务质量。即使在具有优先级的基于竞争的媒体访问控制协议中，给予多媒体数据包较高的竞争优先级，也不能保证所需要的服务质量。

近年来新的无线网络中，如无线个域网(WPAN)，采用了基于预留的媒体访问控制协议(Reservation-based MAC)。即，多媒体数据包在预留的时间内发送，不需要竞争，从而保证了多媒体数据的时延、丢包率和服务质量。申请号为200580004038.5的专利申请公开了一种用于超宽带媒体访问控制分布式预留协议的系统和方法，可以采用预留的方式进行数据传输。博士论文《工业无线局域网介质访问控制协议的研究》提出了一种基于竞争的、用在无线局域网上的实时访问介质协议，但侧重于研究对实时要求更高的工业现场的实时帧发生冲突时的解决方法。然而，如前面所提到的，视频流有很高的波动性，实时性的要求远低于工业应用现场，为了保证在最坏情况下的数据时延，往往为一个视频流预留大量的信道时间，远远超出其平均所需的信道时间。这样就导致了信道资源的浪费，大大减小了网络容量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，克服上述现有技术的不足，提出一种新颖的用于无线网络中多用户接入的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，“双缓存区-混合型媒体访问控制协议”能够有效提高无线网络的服务质量，即提高用户数据流的吞吐量并减小时延，并且能够提高网络容量，即支持更多用户同时接入，且具有实现简单的优点。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，包括以下步骤：

(1)将在一个预约周期内的信道时间划分为预留时段和竞争时段，预留时段和竞争时段交替出现；在一个预约周期内，为每个用户预留一个预留时段；在竞争时段，用户采用竞争方式访问信道；

(2)在发射端使用预留缓存区和竞争缓存区，在一个预约周期中，数据包首先放入预留缓存区在预留时段内传输；如果预留缓存区已满，数据包进入竞争缓存区，在竞争时段内传输。

步骤(1)所述的竞争方式使用IEEE 802.11的分布式协作功能方式。

步骤(1)所述的预留时段可以采用中央控制节点实现集中分配，也可以采用各节点分布式协作的方式进行分配。

在步骤(1)所述的预留时段传输采用组传输方式，连续传输若干数据帧，其后再由接收用户返回对所有数据帧进行确认的组确认帧；如果其中有一个或若干个数据帧出错，则在后续的竞争时段中重传。

预留缓存区的大小不小于在该用户的预留时段内组传输的最大数据包数。

预留缓存区的大小可以用下面的公式计算：

其中，K是预留缓存区大小(容纳数据包个数)，T_BACK是发送一个组确认的时间，T_DATA是发送一个数据包的时间，

为取小于括号内数值的最大整数。

在接收端放置一个排序缓存区，将数据包重新排序。

显然，本发明提出一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，新型双缓存区-混合媒体访问控制协议能够在无线网络中，既保证服务质量，又尽可能地提高信道利用率和网络容量，而且实现简单。

附图说明

图1为本发明的信道时间划分示意图；

图2为本发明的预留时段和竞争时段中的数据帧传输示意图；

图3为本发明的双缓存区示意图。

具体实施方式

本发明以建立基于宽带通信技术(例如正交频分复用OFDM，超宽带UWB)的高速多媒体无线网络为目标，提出新型的媒体访问控制(MAC)协议来提高网络对多媒体业务(如高清数字电视，IPTV等)的性能，包括吞吐量、时延、时延抖动等，为实现高质量的无线多媒体业务网提供可行性方案。

本发明提出一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，双缓存区-混合媒体访问控制协议将信道时间划分为预留时段和竞争时段，并且两者交替出现，如图1所示。

当网络同时支持多个用户(如多个媒体流)时，在一个预约周期内，为每个用户预留一个时间段。在预留时段内，只有该时段的拥有者能够访问信道，其它用户必须退让，避免与拥有者竞争信道。预留时段的长度往往等于或略大于平均数据率所需要的时间，远小于在基于预留的媒体访问控制协议中的预留时段，从而解决了过度预留的问题。实现预留可以通过中央控制节点进行集中分配的方式，也可以采用各节点分布式协作的方式。实现预留不是本发明的重点，因此不作详细论述。

在竞争时段，所有用户采用竞争方式访问信道。例如，可以使用IEEE 802.11的分布式协作功能(Distributed Coordination Function)来实现。对于突发性的数据量(即在某一段时间内，数据率大于平均值)，则在竞争时段内通过基于竞争的方式发送。这样，就解决了多媒体业务中数据率波动大的问题，同时充分利用的竞争信道访问模式的复用增益(Multiplexing Gain)，提高了信道利用率和网络容量。

这样，每一个用户通过预留和竞争两种模式访问信道，对于波动性的数据流，例如多媒体业务，具有明显的优势。其基本数据量比较稳定，可通过预留时段传输，避免了竞争访问中的冲突和随机退让造成的重传和过度时延，节省信道资源和能量。而突发随机的数据量，则可通过竞争时段传输，避免了过度预留造成的信道时间浪费，而竞争访问模式引入复用增益，提高信道利用率和网络容量。

在预留时段和竞争时段中的数据帧传输，如图2所示。

在预留时段，由于拥有者可以保持占有信道，可以采用组传输方式，即连续传输若干数据帧，其后再由接收用户返回对所有数据帧进行确认的组确认帧(Block-ACK)，如果其中有一个或若干个数据帧出错，则在后续的竞争时段中重传。组传输方式可以节省确认帧的传输，显著减少确认开销。同时，在连续传输多个数据帧时，发送用户始终处于发射状态，而接收用户始终处于接收状态，不需要进行传输模式的转变，可以减小数据帧之间的间隙。如图2所示，在组传输中，数据包帧隔为最小帧间距(MIFS)。在最后一个数据帧和组确认帧之间为短帧间距(SIFS)。SIFS＞MIFS，因为发送用户和接收用户需要进行传输模式的转变(即由发射机变为接收机，或反之)。之后，所有用户需要等待一个保护时间(GT)，直到预留时段结束，这样预留时段是完整的。预留时段结束后，信道进入竞争时段，有数据帧需要发送的用户需要等待任意帧间距(AIFS)，然后开始随机退让，服从竞争规则访问信道。

在竞争时段，信道竞争的胜出者获得信道访问权，可以发送单个数据帧，并及时得到确认。这是因为以下两个原因。首先，在竞争时段传输的数据帧相对较少，一般只有一个数据帧需要传输。其次，竞争的胜出者应当尽快释放信道，以便其它用户竞争使用信道，避免其它用户过长等待时间，增加数据的时延。如图2所示，数据帧和确认帧之间间隔为短帧间距(SIFS)，因为发送用户和接收用户需要进行传输模式的转变。其后，所有用户等待任意帧间距(AIFS)，再开始随机退让。

为了充分发挥混合媒体访问控制协议的优势，在发送端使用双缓存区方案，即预留缓存区和竞争缓存区，如图3所示。

到达的数据包首先放入预留缓存区，其将在下一次到来的预留时段内发送。当预留缓存区满后，新的数据包则放入竞争缓存区，其将在竞争时段内发送。预留缓存区的大小等于在该用户的预留时段内组传输的最大数据包数，可用以下公式计算：

其中，K是预留缓存区大小(容纳数据包个数)，T_BACK和T_DATA分别是发送一个组确认(Block-ACK)和数据包的时间，

为取小于括号内数值的最大整数。

在一个预约周期中，数据包首先放入预留缓存区，这样，可以将尽可能多的数据包放在预留时段传输，最大限度地利用预留时段。而如果预留缓存区已满时，说明下一个预留时段的组传输饱和，这时数据包进入竞争缓存区，将在竞争时段内传输。这样，参与竞争的数据包的数量被减小到最小，从而减小了信道竞争，将数据包碰撞(Collision)的概率减到最小，即将数据包重传次数和时延减到最小。

当然，由于业务数据流的速率，例如视频数据流，本身具有较大的波动性。有可能在一个预留周期内所到来的数据包的个数小于预留缓存区的大小，此时在下一个预留时段内的数据包的个数小于最大可传输个数，即预留时段有一部分时间是空闲的。这样，预留时段没有充分利用，造成信道时间的浪费。但是，采用双缓存区方案，可以尽可能地增加预留时段内传输的数据包的个数，充分利用预留时段。

可以看到，由于在发送端采用双缓存区，造成在接收端数据包顺序可能会倒置。例如，前面的数据包在预留缓存区中等待下一个预留时段的到来，而后面的数据包保存在竞争缓存区中可能在竞争时段就已经被传送并接收。因此，需要在接收端放置一个排序缓存区，将数据包重新排序。注意，数据包排序造成的时延抖动是有限的，因为以下两个方面的原因。首先，如果是存放在预留缓存区中的数据包滞后，即其后面的数据包已在竞争时段被接收，接收端最大等待时延为一个预约周期，这是已知的。另一方面，如果是存放在竞争缓存区中的数据包滞后，接收端等待时延则为竞争访问信道的时延。由于前面已经提到，采用双缓存区-混合媒体访问控制协议已经最大限度地降低了竞争信道的冲突概率和时延，因此，在这种情况下的时延抖动也是较小的。

双缓存区-混合媒体访问控制协议可以充分利用预留的信道资源，避免信道时间的浪费。同时，在竞争时间内，额外到达的数据包则可以传输。这样，又通过复用增益进一步提高了信道利用率。对于服务质量，在预留时间内传输的数据包的时延能够得到保证。另一方面，由于只有突发数据在竞争时间内发送，数据量大大减少，使得发生冲突的可能性大大减少，从而有效地控制传输时延，满足服务质量的要求。

显然上述说明不是对本发明的限制，上述的一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法还可以有其他许多变化。虽然已经结合上述例子详细讨论了本发明，但应该理解到：业内专业人士可以显而易见地想到的一些雷同，代替方案，均落入本发明权利要求所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的竞争方式使用IEEE 802.11的分布式协作功能方式。

3.根据权利要求2所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的预留时段可以采用中央控制节点实现集中分配，也可以采用各节点分布式协作的方式进行分配。

4.根据权利要求3所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，在步骤(1)所述的预留时段传输采用组传输方式，连续传输若干数据帧，其后再由接收用户返回对所有数据帧进行确认的组确认帧；如果其中有一个或若干个数据帧出错，则在后续的竞争时段中重传。

5.根据权利要求4所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，预留缓存区的大小不小于在该用户的预留时段内组传输的最大数据包数。

6.根据权利要求5所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，预留缓存区的大小

为取小于括号内数值的最大整数。

7.根据权利要求5所述的基于双缓存区混合型协议的媒体访问控制方法，其特征在于，在接收端放置一个排序缓存区，将数据包重新排序。