徐海洋， 李明偉， 徐舒宇

(大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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基于PCF的無線局域網(wǎng)接入時(shí)延可控系統(tǒng)研究*

徐海洋， 李明偉， 徐舒宇

(大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

摘要:目前無線局域網(wǎng)(WLAN)中使用最廣的是IEEE 802.11協(xié)議，該協(xié)議定義了兩種信道訪問機(jī)制：分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)。其中，DCF采用基于競爭的信道訪問機(jī)制，因此，多個(gè)連有傳感器的站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)在信道中傳輸就會出現(xiàn)碰撞和時(shí)延不可控的問題；而PCF采用輪詢的方式來提供一種非競爭的訪問機(jī)制，很好地解決時(shí)延不可控制的問題。針對這種情況，提出采用集中控制協(xié)議完成PCF訪問機(jī)制，協(xié)議中定義超幀結(jié)構(gòu)并將超幀劃分為多個(gè)時(shí)隙，以此實(shí)現(xiàn)無競爭的信道訪問機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器采集數(shù)據(jù)最大接入時(shí)延控制在90 ms以內(nèi)。

關(guān)鍵詞:無線局域網(wǎng)； 分布式協(xié)調(diào)功能； 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能； 集中控制

0引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的普及，無線局域網(wǎng)(WLAN)的使用場合越來越多。在WLAN的通信協(xié)議中，現(xiàn)階段使用最多的就是IEEE 802.11協(xié)議。針對該協(xié)議的主要研究還是放在了對分布式協(xié)調(diào)功能(distributed coordination function,DCF)機(jī)制的研究，大多數(shù)學(xué)者研究的是如何減少DCF機(jī)制下的碰撞問題，效果比較好的是采用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)和退避(backoff)等機(jī)制[1,2]。DCF本身采用的碰撞機(jī)制，對于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的傳輸還是無法滿足要求[3～5]。近年來關(guān)于點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(point coordination function,PCF)集中控制的理論研究逐漸熱起來，研究的結(jié)果多數(shù)是采用NS軟件的仿真。其中,西門子公司推出了采用IPCF機(jī)制的無線數(shù)據(jù)設(shè)備。

本設(shè)計(jì)提出了一種IEEE 802.11協(xié)議下基于超幀結(jié)構(gòu)的PCF輪詢機(jī)制，并在超幀上劃分多個(gè)時(shí)隙分配給接有溫度傳感器的站點(diǎn)做數(shù)據(jù)傳輸用[6]。以此避免DCF機(jī)制中多站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的信道碰撞問題。通過基于超幀時(shí)隙分配的PCF工作方式來實(shí)現(xiàn)信道的集中控制。采用雷凌RT5350F芯片設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于集中控制協(xié)議PCF完成數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器采集數(shù)據(jù)最大接入時(shí)延控制在90 ms以內(nèi)。

1系統(tǒng)模型

本文需要通過在一個(gè)WLAN中實(shí)現(xiàn)集中控制PCF機(jī)制，因此,構(gòu)造如圖1的WLAN模型，該WLAN模型由一個(gè)無線接入點(diǎn) (access point,AP)和若干個(gè)接有溫度傳感器的傳輸站(station,STA)點(diǎn)連接組成。

在圖1中，站點(diǎn)之間的物理通道通過基于RT5350芯片的無線路由器搭建并具有基本的通信協(xié)議，彼此之間可以完成基本的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

圖1　無線局域網(wǎng)模型Fig 1　WLAN model

在集中控制PCF模型中，AP起著集中控制的作用，占據(jù)著網(wǎng)絡(luò)通信的主導(dǎo)地位，各個(gè)站點(diǎn)與AP之間采用的被動(dòng)詢問的方式進(jìn)行通信，即站點(diǎn)如果不得到AP給出的發(fā)送允許命令就不可以主動(dòng)的占用信道資源發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過程都是在AP的集中控制下完成的[7,8]。第一階段由AP逐個(gè)詢問WLAN中的所有接有溫度傳感器的STA點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果某個(gè)STA點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，那么就把STA點(diǎn)加入到AP的傳輸列表(Polling)里面。這一階段被稱為輪詢階段，也就是傳輸列表的建立過程。

第二階段為數(shù)據(jù)傳輸過程，AP會按照Polling的指示，在超幀結(jié)構(gòu)中給每個(gè)STA點(diǎn)都要分配時(shí)隙，這個(gè)時(shí)隙間隔是給對應(yīng)STA點(diǎn)用來傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)用。超幀的具體長度根據(jù)系統(tǒng)的STA點(diǎn)數(shù)目而定，而在每個(gè)超幀中都會給各個(gè)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA點(diǎn)分配時(shí)隙，以此實(shí)現(xiàn)STA點(diǎn)接入時(shí)延可控的目的。

2整體設(shè)計(jì)與超幀維護(hù)

圖2是實(shí)現(xiàn)集中控制的PCF機(jī)制的整體流程圖。根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級，在圖2中的子傳輸列表1是高優(yōu)先級的STA點(diǎn)隊(duì)列，子傳輸列表2是低優(yōu)先級的STA點(diǎn)傳輸隊(duì)列，兩者共同構(gòu)成輪詢隊(duì)列。通過這種方式，來提高節(jié)點(diǎn)的傳輸效率，進(jìn)而降低了無線網(wǎng)絡(luò)的能耗[9]。

圖2　整體設(shè)計(jì)流程圖Fig 2　Flow chart of overall design

在PCF機(jī)制的超幀結(jié)構(gòu)中，高優(yōu)先級時(shí)隙數(shù)目m的分配方式是以2的指數(shù)形式增加。在本文中采取兩級優(yōu)先級策略，即高優(yōu)先級具有2個(gè)傳輸時(shí)隙，低優(yōu)先級具有1個(gè)傳輸時(shí)隙，如式(1)

m=2n-1,

(1)

式中m為優(yōu)先級時(shí)隙數(shù)目，n為對應(yīng)優(yōu)先級等級。

集中控制PCF機(jī)制是兼容必選信道訪問機(jī)制DCF的，二者的關(guān)系如圖3。由圖3可以看出，在PCF傳輸前，會給DCF預(yù)留一部分時(shí)隙間隔，用來兼容DCF傳輸。在這部分時(shí)隙間隔結(jié)束以后，就進(jìn)入到PCF的超幀傳輸過程。

圖3　DCF與集中控制PCF的關(guān)系Fig 3　Relationship between DCF and centralized control PCF

從圖3可以看出，在每個(gè)超幀傳輸結(jié)束都會有Polling的重新建立過程—列表維護(hù)。建立Polling的目的就是把當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA點(diǎn)排除列表，把有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)腟TA點(diǎn)及時(shí)加入到Polling當(dāng)中。因此,當(dāng)一個(gè)STA點(diǎn)從有數(shù)據(jù)傳輸，到其可以占用信道并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延是可控的,其計(jì)算方法詳見第4節(jié)。從而通過PCF的工作方式，實(shí)現(xiàn)STA點(diǎn)接入時(shí)延可控的目的。

本模型中有3個(gè)STA點(diǎn)和2級優(yōu)先級，因此,高優(yōu)先級具有兩個(gè)傳輸時(shí)隙，低優(yōu)先級具有一個(gè)傳輸時(shí)隙。為了保證所有STA點(diǎn)都為同一優(yōu)先級的傳輸，設(shè)定超幀時(shí)隙總數(shù)h為6個(gè)，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)STA點(diǎn)數(shù)目w進(jìn)行變更

h=2n-1w,

(2)

式中h為超幀時(shí)隙總數(shù)，w為STA點(diǎn)數(shù)目，n為優(yōu)先級等級。

每個(gè)時(shí)隙長度可以根據(jù)實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)量的大小進(jìn)行修改，暫設(shè)為10 ms。假設(shè)3個(gè)STA點(diǎn)中的STA1和STA3為高優(yōu)先級，STA2為低優(yōu)先級，且在第一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只有STA1和STA2有數(shù)據(jù)傳輸，則第一超幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖中STA2為低優(yōu)先級，所以,超幀內(nèi)每次分配STA2時(shí)隙為1個(gè)，而STA1為高優(yōu)先級，所以,分配時(shí)隙數(shù)目為2個(gè)。

圖4　第一超幀時(shí)隙分配圖Fig 4　Time slot association of the first superframe

在第一超幀傳輸完成之后，再次對每個(gè)STA點(diǎn)進(jìn)行有無數(shù)據(jù)的逐一詢問，更新輪詢列表Polling。當(dāng)某次更新Polling后，STA3有數(shù)據(jù)發(fā)送則這一超幀結(jié)構(gòu)如圖5。這一超幀有3個(gè)STA點(diǎn)需要數(shù)據(jù)傳輸，并且STA1和STA3為高優(yōu)先級，STA2為低優(yōu)先級。

圖5　STA3加入輪詢隊(duì)列后超幀時(shí)隙分配圖Fig 5　Time slot association of superframe after STA3 joined polling

輪詢隊(duì)列之后超幀中存在空余時(shí)隙，即表示集中控制PCF階段結(jié)束，最后一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)如圖6。從圖中可以看出，只有STA1占用了2個(gè)時(shí)隙，其他4個(gè)時(shí)隙屬于空閑狀態(tài)。說明STA1數(shù)據(jù)傳輸完畢，所以,這一集中控制PCF階段結(jié)束。

圖6　最后一個(gè)超幀時(shí)隙分配圖Fig 6　Time slot association of the last superframe

3硬件平臺搭建與方案實(shí)現(xiàn)

3.1硬件平臺搭建

在本設(shè)計(jì)中集中控制AP和STA點(diǎn)均采用基于RT5350F芯片設(shè)計(jì)的通信模塊板，采用雷凌的無線路由方案，使用的是3.6版本的SDK。添加rt2860v2的AP和STA點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。溫度傳感器采用的是LTM8901模塊，與STA點(diǎn)通過RS—232有線連接。主要配置的工作為：

1)編譯Uboot，使用SPI燒錄到通信模塊板；

2)配置編譯內(nèi)核；

3)利用超級終端與tftp燒寫內(nèi)核到通信模塊；

4)Web中修改開發(fā)板工作模式；

5)組建局域網(wǎng)絡(luò)并測試連通性。

3.2固定時(shí)隙集中控制PCF協(xié)議

在測試連通的網(wǎng)絡(luò)中，添加集中控制PCF固定時(shí)隙協(xié)議，下載到開發(fā)板運(yùn)行，在超級終端中可以看到每個(gè)STA點(diǎn)與AP之間的詢問、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳輸，兩個(gè)站點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就是設(shè)定的每個(gè)STA點(diǎn)的實(shí)際傳輸時(shí)間，說明集中控制PCF協(xié)議是可行的。

3.3可變時(shí)隙集中控制PCF協(xié)議

考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中存在很多STA點(diǎn)的數(shù)據(jù)量偏小，這樣采用固定時(shí)隙傳輸超幀結(jié)構(gòu)中很多時(shí)隙會出現(xiàn)大量空閑時(shí)間，浪費(fèi)信道資源，在這樣的情況下，采用可變時(shí)隙可以提高信道利用率，可變時(shí)隙的實(shí)施過程如圖7。

圖7　可變時(shí)隙的具體實(shí)現(xiàn)過程Fig 7　Specific implementation process of variable time slot

將集中控制PCF可變時(shí)隙協(xié)議添加開發(fā)板運(yùn)行，在超級終端中可以看到AP對各個(gè)STA點(diǎn)進(jìn)行逐一詢問，完成詢問命令之后，對有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA點(diǎn)發(fā)送允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶?，得到該STA點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完畢的應(yīng)答后，對下一個(gè)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA點(diǎn)發(fā)送運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶?，直到本次超幀結(jié)束為止。

4網(wǎng)絡(luò)性能驗(yàn)證

4.1接入時(shí)延分析與驗(yàn)證

由于采用了集中控制的機(jī)制，即任何時(shí)刻信道都是被某個(gè)STA點(diǎn)專用也就不會產(chǎn)生碰撞的問題。而接入時(shí)延指的是STA點(diǎn)從有數(shù)據(jù)需要發(fā)送開始到得到允許數(shù)據(jù)傳輸命令之間的時(shí)間間隔。理論上接入時(shí)延Td為

Td=Tc+Ts+Tw,

(3)

式中Tc為上一超幀的傳輸時(shí)延，Ts為輪詢隊(duì)列建立和維護(hù)的時(shí)延,Tw為等待同一超幀其他站點(diǎn)時(shí)延。鑒于開發(fā)板的主頻較高，理論上Ts是在μs級，即與傳輸時(shí)延的ms級相比可以忽略不計(jì)，即可得到

Td≈Tc+Tw.

(4)

測試STA3的接入時(shí)延，理論計(jì)算方法為:

1)如果STA3在建立輪詢列表時(shí)刻加入：時(shí)延由圖5可知為3個(gè)時(shí)隙間隔長度，且Tc=0,則

Tdmin=Tw=3×10 ms=30 ms.

(5)

2)如果STA3在建立輪詢列表之前加入：由單個(gè)超幀長度為60 ms可知，Tc=60 ms，則最大時(shí)延為

Tdmax=Tc+Tw=60 ms+30 ms=90 ms.

(6)

所以，接入時(shí)延理論值在30～90 ms之間，實(shí)際STA3接入時(shí)延測試結(jié)果通過Matlab仿真，如圖8所示。

圖8　接入時(shí)延測試結(jié)果Fig 8　Test results of access delay

從圖8可以看到接入時(shí)延的測試結(jié)果主要集中在50 ms，并且接入時(shí)延最大值和最小值都滿足在30～90 ms之間，即為實(shí)際測試符合理論分析。從而實(shí)現(xiàn)了傳輸延時(shí)可控的目的。

4.2丟包率驗(yàn)證

對于丟包率的測試，本方案采用的是ICMP協(xié)議中的Ping測試，測試了STA1與AP,STA2與AP以及STA3與AP之間的丟包率，測試距離為30 m，因3次測試丟包率均為0，所以,測試結(jié)果均可用同一圖9表示，圖中給出2 000次的Ping測試結(jié)果。

圖9　STA1，STA2，STA3分別和AP三點(diǎn)之間的丟包率測試Fig 9　Packet loss rate test between the STA1,STA2,STA3 and the AP

從圖9可以得出:AP與STA傳輸性能穩(wěn)定,并且排除了因丟包而產(chǎn)生對數(shù)據(jù)接入延遲的影響。再一次證明連有傳感器的STA點(diǎn)接入時(shí)延可控，進(jìn)而通過這種基于超幀時(shí)隙劃分的方式將IEEE 802.11協(xié)議下的PCF工作機(jī)制投入到實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中。

5結(jié)束語

由于PCF采用的是無競爭的信道訪問，通過輪詢的方式對STA點(diǎn)進(jìn)行集中控制協(xié)調(diào)，可以控制時(shí)延的大小，超幀結(jié)構(gòu)中加入優(yōu)先級的概念，很好地解決突發(fā)緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸[10]。由于固定時(shí)隙在多個(gè)STA點(diǎn)小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信道利用率低，所以，增加可變時(shí)隙的集中控制PCF協(xié)議，提高信道利用率。重點(diǎn)分析驗(yàn)證接入時(shí)延的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，并利用Ping來檢測網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋范圍為30 m的丟包率，結(jié)果顯示在30 m的范圍內(nèi)的丟包率是0。進(jìn)一步證明接入時(shí)延可控的問題。

參考文獻(xiàn):

[1]廖勇. IEEE 802.11 PCF中的自適應(yīng)輪詢機(jī)制[D].重慶：重慶大學(xué),2007.

[2]季境臣.WLAN PCF算法機(jī)制研究[D].重慶：重慶大學(xué),2009.

[3]劉世剛.無線局域網(wǎng)MAC子層的DCF和PCF[J].電信快報(bào),1998(7):21-22.

[4]IEEE Standards Board.802 part 11:Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY) specification-s[S].1999.

[5]Kim J,Moon Y,Kim T,et al. Efficient polling MAC scheduler for IEEE 802.11 WLAN[C]∥IEEE International Conference on Information Networking,ICOIN 2008,2008:1-5.

[6]梁博,趙成林. IEEE 802.11 b DCF 三維 Markov 非飽和鏈路模型[J]. 無線電工程,2015,45(1): 16-19.

[7]Lan Y W,Chen J C. Asymptotic weighted fair queuing (AWFQ) for IEEE 802.11 point coordination function (PCF)[C]∥Proc of IEEE Consumer Communications and Networking Conference，CCNC’05，Taiwan: IEEE,2006:823-827.

[8]Dong X J. Adaptive polling algorithm for PCF mode of IEEE 802.11 wireless LANs[J]. Electronics Letters,2004,40(8):482-483.

[9]何敏,趙東風(fēng),保利勇,等. 一種能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輪詢接入控制協(xié)議[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2012,7(3):265-270.

[10] Zhu R,Yang Y. Adaptive scheme to support real-time traffic in IEEE 802.11 wireless LANs[C]∥2006 The 8th International Conference on Signal Processing, IEEE,2006:3.

徐海洋(1988-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信。

Study of wireless local area network access delay controllable system based on PCF*

XU Hai-yang， LI Ming-wei， XU Shu-yu

(College of Information and Communication Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Abstract:For wireless local area network(WLAN),the most popular protocol is IEEE 802.11,which defines two different channel access mechanisms,i.e.distributed coordination function(DCF)and point coordination function (PCF).Specifically,DCF works based on the mechanism of competition,which may lead to collision and uncontrollable delay for the acquisition data by station connected with sensors while transmitting in channel.Nevertheless,PCF works as a non-competitive access mechanism using round enquiry way,which can control the delay efficiently.Aiming at this case,utilize centralized control protocol to achieve PCF access mechanism,structure of superframe is defined in the protocol and each superframe is divided into a plurality of time slots,so as to realize non-competitive channel access mechanism.Experimental results show that the maximum access delay is controlled within 90ms.

Key words:wireless local area network(WLAN); distributed coordination function(DCF); point coordination function(PCF); centralized control

作者簡介:

中圖分類號:TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1000—9787(2016)01—0032—04

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61403060)

收稿日期：2015—04—13

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0032—04