（信号与信息处理专业论文）基于区分服务的ieee80211+mac层协议研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，以及掌上p d a 、便携式电脑、智能手机这 些无线通信设备的普及，移动a dh o c 网络技术的应用将会越来越广泛，必将会 成为无线通信技术中的重要组成部分。这种网络实现简单、灵活、成本低，并且 不依赖于现有的网络基础设施，可广泛应用于军事行动、紧急搜索、灾难救助等 多种场合。 但是移动a dh o c 网络的信道带宽有限、误码率较高、信道质量不稳定、节 点移动所造成的网络拓朴结构的动态变化、多个用户对共享信道的竞争、无线信 号传输的衰减、失真和干扰、以及障碍物的阻挡等都会严重影响无线通信的质量 和效率。移动a dh o c 网络的这些特性对实时多媒体业务传输的服务质量保障造 成了极大的困难。另外在移动a d h o c 网络中，由于多个节点需要共享同一信道， 协调节点访问信道的介质访问控制( m a c ) 机制就显得极为重要，因此设计能 够高效利用无线信道资源并且满足实时多媒体业务传输要求的m a c 协议成为近 年来的研究热点，吸引了科技界和工业界众多研究人员的注意力。 本文基于区分服务的思想，对i e e e8 0 2 1lm a c 层信道竞争机制进行相关 改进，提出一系列新的方法以提高实时业务在无线移动a dh o c 网络中的传输质 量，主要研究工作和成果包括： 论文首先综述无线a dh o c 网络的特点，实时多媒体业务应用在无线移动耐 h o c 网络所面临的问题以及目前主要的研究方法。 第二，深入探讨i e e e8 0 2 1 1d c f 信道接入机制，并使用二维马尔可夫链模 型对该机制进行了数学建模。 第三，提出一种具有区分服务功能的i e e e8 0 2 1 1d c f 退避机制，该机制通 过减少高优先级数据流的m a c 层重传次数，使发送高优先级数据流的节点更容 易连接信道。并利用相关数学模型对修改后的退避算法进行分析和评价，分析结 果表明，该策略不仅能使高优先级数据流占用相对较多的带宽，而且减小其传输 时延，然而分组丢弃概率并没有显著的降低。 第四，为了进一步提高实时多媒体业务的传输质量，本文又提出一种新的机 制，该机制通过引入新的控制分组，使目的节点可以根据信道的竞争状态来决定 摘要 是否拒绝接收来自低优先级节点的数据，从而确保高优先级数据业务的服务质 量。我们还利用相关数学模型对修改后的信道接入机制进行分析和评价。分析结 果表明，该策略不仅能使高优先级数据流占用相对较多的带宽，而且能降低其传 输时延和分组丢弃概率。 论文最后总结现阶段的工作，并对下一步的研究做出设想和展望。 关键词：无线移动自组织网；实时多媒体；区分服务；媒体接入控制；马尔可夫链；服 务质量 本课题得到下列科研项目的资助： 国家自然科学基金资助项目( 项目编号：6 0 6 7 3 1 8 5 ) ； 教育部留学回国人员科研启动基金( 教外司 2 0 0 7 1 1 0 8 号) ； 2 0 0 6 年度江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人培养对象资助项目( 苏教师 2 0 0 7 1 2 号) i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h e p r o l i f e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t i n gd e v i c e sl i k ec e l lp h o n e s ，p d a s o rl a p t o p s ，m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) h a se m e 玛e da sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ee n v i s i o n e df u t u r e u b i q u i t o u s c o m m u n i c a t i o nb e c a u s et h e yd on o tr e q u i r e i n f r a s t r u c t u r es u p p o r ta n dc a nb eq u i c e yd e p l o y e dw i t hl o wc o s t m a n e t sa r e f i n d i n gav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n ss u c ha sd i s a s t e rr e s c u e ，b a t t l e f i e l dc o m m u n i c a t i o n s ， i m m i c a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，a n dc o l l a b o r a t i v ec o m p u t i n g h o w e v e r , m a n e ti sad y n a m i ce n v i r o n m e n t c o m m u n i c a t i o no v e rw i r e l e s s l i n k si sc h a r a c t e r i z e db yl i m i t e db a n d w i d t h ，h i g he r r o rr a t e s ，u n s t a b l ea n dd y n a m i c c h a n g e s o fw i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n u s e rm o b i l i t y , c h a n n e lc o m p e t i t i o n ， i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ru s e r so nt h es h a r e dc h a n n e l ，e t c t h e s ec h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f y s i g n i f i c a n tc h a l l e n g e s f o r p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e s f o rr e a l - t i m em u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n si naw i r e l e s se n v i r o n m e n t s i n c ea l lt h em o b i l en o d e si nm a n e t s u s e t h es a m ef r e q u e n c ys p e c t r u m ( o rp h y s i c a lc h a n n e l ) ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nc o o r d i n a t i n gc h a n n e la c c e s sa m o n gt h en o d e ss ot h a t i n f o r m a t i o ng e t st h r o u g hf r o mo n en o d et oa n o t h e r t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to f m a c p r o t o c o l sh a sd r a w n t r e m e n d o u sa t t e n t i o nf r o mb o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r y t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si s ，i na n a l y t i c a la p p r o a c h ，t os t u d yd i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sb a s e di e e e8 0 2 11m a cp r o t o c 0 1 w ep r o p o s es o m en e wm e c h a n i s m st o i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fr e a l t i m em u l t i m e d i ai nn a n e t s ，b yi m p r o v i n g t h ei e e e8 0 2 11d c fc h a n n e lc o m p e t i t i o nm e c h a n i s m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sw o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h i sw o r kb e g i n sw i t ha ni n t r o d u c t i o nt ow i r e l e s sa dh o cn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s ， r e a l t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dt h es t a t e - o f - t h e a r ti nt h i sa r e a s e c o n d ，w em a k et h o r o u g hi n v e s t i g a t i o n so fi e e e8 0 2 11 d c fc h a n n e la c c e s s m e c h a n i s m o nt h i sb a s i s ，at w o d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i ni sp r e s e n t e dt om o d e l i e e e8 0 2 11d c fc h a n n e la c c e s sm e c h a n i s m t h i r d ，w ep r o p o s ean e ws c h e m eb a s e do nt h eb a c k o f fa l g o r i t h mo ft h e8 0 2 11 d c fm e c h a n i s m ，w h i c h ，b yr e d u c i n gt h er e t r a n s m i s s i o nn u m b e ro fh i g h p r i o r i t yd a t a f l o w sa tt h ed a t al i n kl a y e r , c a l lm a k eh i 曲一p r i o r i t yd a t af l o w ( s u c ha sr e a l - t i m ed a t a i l l a b s t r a c t f l o w 、a c c e s sc h a n n e lm o r ee a s i l y o u rm a t h e m a t i c a la n a l y s e sd e m o n s t r a t et h a tt h e n e wa l g o r i t h mc a nm a k et h em 曲p r i o r i t yd a t af l o wo b t a i nm o r eb a n d w i d t h ，a n d r e d u c ee n d - t o e n dd e l a ya sw e l l ，b u tt h ep r o b a b i l i t yo fp a c k e td r o p p i n gi s n o t d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y f o u r t h an e ws c h e m ei sp r o p o s e dt of u r t h e ri m p r o v eq u a l i t yo fs e r v i c e s f o r r e a l t i m em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nw i t hh i g h - p r i o r i t y t h e m a i ni d e ai st h a t ，b y i n t r o d u c i n gn e wt y p e so f c o n t r o lf r a m e s ，r e c e i v i n gn o d e sm a yr e f u s et oa c c e p td a t ao f l o w p r i o r i t vn o d e s a sar e s u l t ，t h eq o so fh i g h p r i o r i t y d a t af l o wi se f f e c t i v e l y i m p r o v e d o u rm a t h e m a t i c a la n a l y s e sd e m o n s t r a t e t h a tt h en e wm e c h a n i s mc a nm a k e t h eh i g h - p r i o r i t yd a t af l o wo b t a i nm o r eb a n d w i d t h ，a n da l s or e d u c ee n d - t o e n dd e l a y a n dp a c k e td r o p p i n gp r o b a b i l i t y f i n a l l y , o u rw o r kw i l lb es u m m a r i z e d ，a n ds o m ep e r s p e c t i v e sf o rt h ef u t u r ew o r k 、而1 1b eo u t l i n e d k e yw o r d s ：m a n e t s ；r e a l t i m em u l t i m e d i a ；s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ；m a c ；m a r k o v c h a i nm o d e l ；q u a l i t yo fs e r v i c e t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yt h ef o l l o w i n gp r o j e e t s ： n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 6 0 6 7 3 18 5 ； m es c i e n t i f i cr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rt h er e t u r n e do v e r s e a sc h i n e s es c h o l a r s b yt h es t a t ee d u c a t i o nm i n i s t r yc h i n a ； q i n g l a np r o j e c tf o u n d a t i o no ft h ej i a n g s up r o v i n c e ，c h i n a 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 1 1 移动a d h o c 网络概述一1 1 1 2 移动a d h o c 网络体系结构2 1 1 3移动a d h o c 网络存在的主要问题3 1 1 4实时多媒体应用概述4 1 1 5实时多媒体应用于a d h o c 网络面临的问题4 1 1 6m a c 层信道访问机制的研究现状5 1 2 论文主要工作一6 1 3论文的组织结构7 第2 章i e e e8 0 2 1 1m a c 层信道接入机制及其数学模型8 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议8 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准8 2 1 2i e e e8 0 2 11d c f 信道接入机制9 2 2i e e e8 0 2 1 1d c f 机制的数学模型1 1 2 2 1马尔可夫链分析模型1 2 2 2 2 饱和吞吐量分析1 4 2 2 3分组丢弃概率分析15 2 2 4饱和时延分析1 5 2 3 本章小结1 7 第3 章具有区分服务功能的8 0 2 11 d c f 退避机制一1 8 3 1 区分服务的优先级定义1 8 3 2 基于区分服务的退避机制的数学建模18 3 2 1 马尔可夫分析模型1 9 v 目录 3 2 2饱和吞吐量分析2 l 3 2 3分组丢弃概率分析2 2 3 2 4 饱和时延分析2 3 3 3区分服务模型的性能分析与评价2 3 3 4 本章小结2 7 第4 章基于区分服务的8 0 2 11 m a c 层信道接入机制2 8 4 1一种支持区分服务的m a c 层控制机制2 8 4 2区分服务控制机制的数学建模3 0 4 2 1 马尔可夫链分析模型3 0 4 2 2饱和吞吐量分析3 3 4 2 3分组丢弃概率分析3 5 4 2 4 饱和时延分析3 5 4 3区分服务模型的性能分析与评价3 6 4 4 本章小结3 9 第5 章总结与展望一一4 0 5 1 本文主要贡献4 0 5 2进一步研究方向4 0 参考文献 4 2 攻读学位期间成果一- 4 6 致 射4 8 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 移动a d h o c 网络概述 无线网络可以分为基于基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r k ) 和没有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e 1 e s sn e t w o r k ) 两大类【lj ，如图1 1 和 图1 2 所示。在基于基础设施的无线网络中，网络的整个服务范围被划分为 多个被称为蜂窝或者基本服务区b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) 的小服务区域。 在每个小服务区内，至少有一个基站或者接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 为小区 中的移动节点提供网络服务。移动节点是通过建立一条到基站的无线连接 来与网络中的其它节点进行通信的；在基站与基站之间则是通过高速的有 线骨干网来连接的。由于骨干网是有线的，因此在基于基础设施的无线网 络中，无线通信仅存在于移动节点和相应的基站之间，而端到端的数据业 务大部分还是依赖于有线骨干网进行传输的。这种网络的典型例子为蜂窝 网和无线局域网( w l a n ) 。基于基础设施的无线网络的缺点就是需要一个 预先建立的通信骨干网络，这在有些情况下是不现实的，例如战场、灾难 ( 水灾、火灾、地震等) 现场、或者在边远地区的搜索和救援行动等。 i | 锄站叁锄站 髫 固 够 巍 叠 移动站 - 移动站 图1 1 基于基础设施的网络 f i g u r e1 - 1i n f r a s t r u c t u r e - b a s e dn e t w o r k 无线移动a dh o c 网络是由一组静止或移动的节点组成的，不依赖于现 有的网络基础设施并采用分布式管理。网络中的所有节点都具有路由器的 功能，负责发现和维护到其他节点的路由，并向邻居节点发射或转发分组， 第1 章绪论 因此a dh o c 网络通常是一种多跳的网络。此外，节点可以自由地移动，自 主地进入和退出网络，使网络的拓扑结构常常发生迅速和不可预测的改变。 这种网络既可以作为独立的网络运行，又可以接入到有线骨干网络( 如 i n t e r n e t ) ，实现简单、灵活、不需要昂贵的基础设施、成本低，特别适合于在 某些特殊环境或紧急情况下实现快速的自由组网，并且能够灵活配置【2 j 。这 无疑是对固定的有线网络，以及上述需要固定基础设施的无线网络的补充 和发展。因此无线a dh o c 网络在教育、会议、野外科学考察、军事领域、 灾后救援和重建、公共社区网状网( m e s hn e t w o r k s ) 、公共安全领域的快速 反应、环境监测的无线传感器网络等方面具有广泛的应用前景。 移动站 图1 - 2 没有基础设施的网络( a d h o c 网络) f i g u r e1 - 2a dh o cn e t w o r k 1 1 2 移动a d h o c 网络体系结构 与有线的i n t e m e t 网络体系结构类似，移动a dh o c 网络的体系结构也是一种 基于t c p i p 协议的分层网络，图1 3 为移动a d h o c 网络的体系结构的示意图。 物理层处于最底层，主要负责在物理链路上传输二进制比特流。物理层提供 为建立、维护和释放物理连接所需要的机械的和电气的功能与规程。移动a d h o c 物理层定义了三种无线通信介质：红外线i r ( i n f r a r e d ) 、直接序列扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 和跳频扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n g s p e c t r u m ) 。为了使无线设备能够互相通信，它们必须采用相同的物理层传输技 术。 数据链路层的功能是为网络层提供服务。由于移动a d h o c 的无线传输特性， 硕士学位论文 无法直接利用有线网络的相关协议，需要研究专门用于无线a dh o c 的协议。其 中m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议是移动a dh o c 研究的关键技术之一，网 络的性能如吞吐量、容量、时延及功耗等主要依赖于所采用的m a c 协议。 在分层体系结构中，网络层定义了网络操作系统的通信协议，也确定从源节 点到目的节点的路由选择，并处理业务流问题，如对数据分组拥塞的控制。设置 网络层的主要目的就是要为数据分组，以最佳路径通过通信子网到达目的节点提 供服务。而网络用户不必关心网络的拓扑结构和所用的通信媒体。良好的路由算 法是建立无线a dh o c 的关键。 上层应用协议 多目标 网间q o s路由 路由仂 互联 支持 安全 议 单目标路由协议 p v 6 p v 4 其它网络层协勘 m a c ，l l c i r , d s s s ，f h s s 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 - 3a d h o c 网络体系结构 f i g u r e1 - 3a dh o c n e t w o r ka r c h i t e c t u r e 1 1 3 移动a d h o c 网络存在的主要问题 无线移动a d h o c 网络的应用除了它的灵活性和方便性外，还面临一些问题， 主要有以下几点： 1 ) 移动节点能量受限。移动的节点常常需要依靠电池来提供能量，能量有 限，使节点的处理能力有限，进而使它们只能提供有限的服务和应用。 在移动a dh o c 网络中，所有的节点都具有路由器功能( 需要消耗能量 来为其它节点转发路由) ，如何高效的使用节点的能量，延长工作时间是 一个突出的问题。 2 ) 传输带宽有限。无线通信具有带宽有限，传输误码率高，并且网络通信 容易受到周围环境，天气状况，以及来自其他用户的干扰。 3 ) 安全性有限。由于采用无线信道、分布式控制等技术，它更容易受到被 动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。 第1 章绪论 4 ) 容易产生隐藏节点和暴露节点问题。由于无线通信所使用的信号传播范 围有限，因此移动网络a dh o c 网络要求支持多跳通信。这种多跳通信由 此也带来了隐藏终端、暴露终端等问题。 5 ) 节点的自由移动，动态多跳路由造成的网络拓扑结构的动态变化严重影 响了上层通信。使得传统i n t e m e t 中采用的拥塞控制、流量控制等机制的 性能大大降低。 1 1 4 实时多媒体应用概述 目前通过网络传输音频、视频等多媒体信息的方式主要有两种。一种是传统 的“下载一播放”方式。由于多媒体文件较大，同时还要受到了网络带宽的限制， 若采用这种方式，通常需要花数分钟甚至数小时的下载时间。只有当多媒体数据 文件完全下载，用户才能播放；另一种方式是流式传输。采用这种传输方式，用 户在播放前并不需要下载整个多媒体文件，而只需传输和暂存一个很小的片段后 即开始播放，同时服务器继续传输后续部分，这样大大缩短了系统的响应时间， 节约了用户的存储资源。 这种采用流式传输方式传输的多媒体信息就被称为实时多媒体或者流媒体。 由于实时多媒体可以即时看到下载的文件内容，允许用户进行快进、快慢、暂停 和拖动等交互操作，所以具有很强的互动性。正是因为有这些特点，实时多媒体 有着十分广泛的应用，如多媒体实时会议、视频点播、远程教育、数字图书馆、 远程医疗和虚拟现实环境等。 1 1 5 实时多媒体应用于a d h o c 网络面临的问题 无线移动a dh o c 网络是一个动态的网络环境，除了带宽有限外，无线节点 的移动也会导致网络拓扑结构的动态变化，误码率很高，信道质量很不稳定。而 且多个移动用户对共享信道会产生竞争，无线信号传输过程中衰减和失真情况比 较严重，甚至随机干扰以及障碍物的阻挡等因素都会影响无线通信的质量【3 】。显 然在这种无线通信环境下，实时多媒体业务的传输面临着极大的挑战。 实时多媒体业务传输相对于传统的数据传输有其特殊的q o s 要求【4 】，具体如 下： 实时多媒体传输对时延有极高的要求。考虑到多媒体分组之间的同步 性，若传输时延过大时，则必然会对多媒体视频流播放造成一定的影响。 4 硕士学位论文 如对于视频会议系统，国际电信联盟i t u t 提出单向延时不大于1 5 0 m s 。 实时多媒体的传输对带宽有较高的要求，并且需要尽量平滑的吞吐量。 当无线网络的可用带宽小于多媒体正常播放所需占用的带宽时，就会造 成网络的拥塞崩溃和过长的延时，必然影响多媒体文件的播放质量。 实时多媒体传输可以允许一定程度上的丢包率，但当丢包率过大时，就 会影响流媒体的播放质量。国际电信联盟i t u t 制定的h 3 2 3 标准规定， 视频数据的丢包率要少于1 ，而音频的丢包率要少于3 。在无线环境 下不仅网络拥塞会导致丢包，而且无线信道高误码率和无线信号的衰减 和失真也会导致的丢包。 综上所述，实时多媒体传输需要克服传输时延、网络的带宽波动和丢包率等 因素。而目前的a dh o c 网络只能提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务，不能为实 时多媒体传输提供可靠的服务质量保证。 1 1 6m a c 层信道访问机制的研究现状 8 0 2 1 1m a c 协议【5 j 处于a dh o c 网络协议栈的底部，是所有数据报文和控制 消息在无线信道上发送和接收的直接控制者。设计能够高效利用无线信道的带宽 资源以及如何满足实时业务对q o s 要求是目前m a c 层的研究热点【6 。2 4 】。 为解决实时多媒体业务应用于无线移动a dh o c 网络所面临的诸多问题，广 大研究工作者提出了许多种基于数据业务区分服务的m a c 协议。具体的分析和 改进方法可以归纳如下： 通过调整m a c 协议的参数来实现不同的传输优先级【8 - 1 4 1 。主要思想是调 整最小和最大竞争窗口、帧d i f s 长度、最大数据帧长度等参数。如文 献 8 1 0 提出了一种基于修改初始竞争窗1 2 1 的区分服务方法，其中文献 8 】 的结果表明单独通过修改初始竞争窗口就可以实现业务的区分服务，并 且节点的饱和吞吐量与其初始竞争窗口的大小近似成反比的关系；文献 1 1 1 2 n 是通过定义不同的帧间间隔( d i f s ) 来实现对业务的区分服务； 文献 1 3 通过综合修改竞争窗e l 的大小和i f s 帧长度，定义多种优先级。 文献 1 4 通过取消高优先级业务在m a c 层的重传，使高优先级数据流更 容易占用信道，从而使其能够占用更多的带宽资源，并且减小了传输时 延。 第1 章绪论 通过修改退避算法来支持数据业务的优先级传输1 5 。1 9 1 。其基本思想主要 是通过不同的退避参数，如退避增长因子，最大退避级别，退避窗口增 长比例来实现不同的优先级。 通过定义不同的信道竞争方式来实现传输的优先级【2 0 。2 3 】。文献 2 0 2 1 】提 出了一种基于优先级的信道竞争控制方案，它首先对节点连接信道进行 优先级定义，当有两个以上的节点同时竞争信道时，优先级高的节点享 有信道的使用权。文献 2 2 贝j j 提出根据据中间节点缓冲区的状态来决定 是否拒绝接收低优先级业务，确保高优先级的数据业务优先占用信道资 源。文献【2 3 提出一种基于分组到达率的区分服务方法，该方法的思想 是在控制系统的总负载情况下直接基于分组到达率实现区分服务，即允 许高优先级的节点承载较大的负载。 e d c f 是8 0 2 1 l e 对8 0 2 1 1 扩展的一部分，是一种能提供区分服务的分 布式访问机制【2 4 1 ，但目前还没有广泛应用。e d c f 结合了两种方法来提 供区分服务：竞争窗口方法和帧间距方法，共能提供8 种优先级。在 8 0 2 1 1 e 中，每个无线节点实现4 种访问类( a c ，a c c e s sc a t e g o r i e s ) 。到达 m a c 层的数据帧的优先级将被映射为访问类，再按照该访问类的访问机 制来进行传输。然而，e d c f 很难对高优先级业务进行准入控制【2 5 2 7 】， 因此，在c w m i n 和c w m a x 较小并且高优先级业务较多的情况下将导致 性能恶化，另外e d c f 对窗1 ：3 的设置是静态的，不能根据外部环境的变 化动态地调整竞争窗口。 然而上述区分服务实现机制的共同特点是改变m a c 协议的相关参数来实现 数据业务的服务区分，但在实际系统中节点的接收缓冲区的容量是有限的，在饱 和状态下必然会导致大量的分组丢弃，因此上述方法只能实现吞吐量的相对区 分，而不能提供服务质量的区分。 1 2 论文主要工作 本文主要分析和探讨如何在移动a dh o c 网络中提高实时多媒体业务的传输 质量。在重点分析i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议的基础上，我们首先提出了一种具 有区分服务功能的8 0 2 1 1d c f 退避机制的改进机制，该机制通过减少高优先级 6 硕士学位论文 数据流的m a c 层重传次数，使发送高优先级数据流( 如实时数据流) 的节点更 容易连接信道，从而使高优先级数据流占用更多带宽资源，同时也减少了其传输 时延，但高优先级数据分组的丢弃概率较大，需要前向纠错技术或者接收方的差 错隐藏技术来减小由于分组丢失对接收方造成的影响。 在此基础上，本文又提出了一种基于区分服务的8 0 2 1 1m a c 层信道接入机 制，该机制通过引入新的控制分组，使目的节点可以以一定的概率拒绝接收来自 低优先级节点的数据，从而能够提高高优先级节点发送分组的成功率。该机制不 仅能使高优先级数据流占用相对较多的带宽，而且降低了其传输时延和分组丢弃 概率。 1 3 论文的组织结构 本文的章节结构安排如下： 第一章，综述无线a dh o c 网络的特点，实时多媒体业务应用于无线a dh o c 网络所面临的问题、以及目前的主要研究方法。 第二章，深入探讨i e e e 8 0 2 1 1d c f 信道接入机制，并使用二维马尔可夫模 型对该机制进行了数学建模。 第三章，提出一种具有区分服务功能的8 0 2 1 1d c f 退避机制，本章首先讲 解了该机制的基本思想，然后对其进行数学建模，并使用该模型对该机制来分析 与评价该机制的有效性和可行性。 第四章，提出一种基于接收节点参与的无线a dh o c 网络信道接入机制，本 章首先对这种机制进行了详细的讲解，然后利用二维马尔可夫链模型对修改后的 信道接入机制进行分析和评价。通过分析的结果论证了该机制的有效性。 论文最后总结现阶段的工作，并对下一步的研究做出设想和展望。 第2 章i e e e8 0 2 1 1m a c 层信道接入机制及其数学模型 第2 章i e e e8 0 2 11m a c 层信道接入机制及其数学模型 在无线a dh o c 网络中，媒质( 无线信道) 是一种共享和稀缺的资源，有效 并且公平地控制无线节点的信道接入成为一个相当复杂的任务。为此，广大研究 者付出了大量的努力，提当工迕玺登坐g 层迹议。目前，i e e e8 0 2 1 1 些边 、一 _ _ ，一 避墨无线屋塑圆迎笪业雕剑型逖，也几乎用于所有研究垂竺型竺! 旦 络性能的测试床和仿真试验中。因此本章将详细探讨8 0 2 1 1m a c 协议中的信道 接入机制，并使用一个三笙呈玺旦查壁垡型型盗垫型鲎堑錾堂建蕉l 堡出工且于 - _ _ _ _ _ - ，- _ _ 。，1 _ _ _ - _ 一一 坌堑堑垫丝垒丝塑终竺鳇盟笪塑蚕壁量，端到端平均时延，分组平均丢弃概率 的计算方法。 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准 i e e e8 0 2 1 1 工作组在1 9 9 7 年制定了8 0 2 1 1 标准，这是第一个在国际上被广 泛认可的无线局域网标准。该工作组在1 9 9 9 年进一步扩充了9 7 版的标准，并制 定了两个新的标准8 0 2 1l b 和8 0 2 1 1 a 。现在8 0 2 11 系列标准由很多子集构成， 如表2 1 所示【2 | 。 i e e e8 0 2 1 1 标准详细定义了w l a n 的物理层和m a c 屋( 媒质接入控制) _ _ _ ，- - - - - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - - _ _ - i _ 一 规范。物理层定义了三种无线通信介质，分别为红外线i r 、直接序列扩频d s s s 和跳频扩频f h s s 。为了使无线设备能够互相通信，它们必须采用相同的物理层 技术。m a c 层提供两种不同类型的服务：点协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 和坌查式监迥塾簦望g f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。p c f 使用 a p 控制b s s 内部各个节点的信道接入，而各个节点只能够通过轮询的方式从 a p 获得信道接入许可，这样每个站具有一个确定的发射顺序，保证了它们无竞 争地接入信道。p c f 适用于对传输时延敏感的业务，如实时语音和视频业务。它 的主要缺点是扩展性较差，因此只是一种可选的接入方式，通常与d c f 一起使 用。d c f 是8 0 2 1 1 系列标准中量重要的信道接厶方式，它使普通的节点和a p 、_ 、_ _ - _ ，_ 。_ 。，- _ _ 一一 都相互竞争来接入无线信道，因此它适用于对时延不敏感的数据业务，如e m a i l 和f t p 等。p c f 必须依赖于固定的基础设施( 如a p ) ；d c f 则不依赖于固定的 基础设施，是唯一能够用于a dh o c 网络的信道接入方式。与目前绝大部分研究 硕士学位论文 a dh o c 网络的论文一样，如果不特殊说明的话，本文所提到的i e e e8 0 2 1 1m a c 协议都是指d c f 机制。 表2 1i e e e8 0 2 1 1 系列标准 t a b l e2 1i e e e8 0 2 11s t a n d a r d 标准名称概述 在2 4 g h z 的频段上，提供1 m b p s 和2 m b p s 的数据速率。物理层采用取、 8 0 2 1 1 d s s s 和f h s s 等三种技术，m a c 层的主要技术为c s m a c a 协议( d c f ) 。 与8 0 2 1 1 b 不兼容。在5 g h z 的频段上，采用o f d m 技术来传输数据，支持的 8 0 2 1 l a 数据传输速率高达5 4 m b p s ；m a c 层技术c s m a c a 。 也称为w i f i ，是当前应用比较广泛的w l a n 标准。它在8 0 2 1 1 的基础上， 8 0 2 1 1 b 增加了5 5 m b p s 和11 m b p s 两种数据速率，物理层技术为d s s s 的加强版本 c c k ，工作频段为2 4 g h z ；m a c 层技术为c s m a c a 。 8 0 2 1 1 c 关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网之间的互通协议，现已包含在大多数产品中。 定义了物理层需求( 信道化、跳频模式等) 和其它需求，以便8 0 2 1 1w l a n 8 0 2 1 1 d 能在当前标准不支持的新管理区域( 国家) 工作。 在m a c 层增加了服务质量( q o s ) 和对8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 无线标准提供多媒 8 0 2 1 l e 体支持，并完全与它们向后兼容。 专门针对接入点之间的漫游而制订协议，规定了接入点间必要的交换信息， 8 0 2 1 1 f 以支持8 0 2 1 1 分布式系统功能，并使不同厂商的接入点兼容。 一种混合标准，既能适应传统的8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频率下提供11 m b p s 8 0 2 1 l g的数据传输率；也符合8 0 2 1 1 a 标准，在5 g h z 频率下提供5 4 m b p s 的数据传输 率。是当前应用最为广泛的w l a n 标准。 由欧洲制订的、工作在5 g h z 频段的无线标准，目的是减少基于8 0 2 1 l a 的无 8 0 2 1 1 h 线系统对同频段的雷达的干扰。 8 0 2 1 1 i 是解决无线局域网安全认证问题而制定的新安全标准。 8 0 2 1 l j解决8 0 2 1l a 和h i p e r l a i l 2 的互通问题，为e t s i 和i e e e 的联合标准。 是无线资源管理( i 泳m ) 标准，将改进对无线接入点、客户端操作和环境 8 0 2 1 l k 数据的检测，从而提高无线局域网的运行和管理效能。 8 0 2 1 i n 下一代无线新标准，速率将达1 0 0m b p s 以_ l ，与8 0 2 1l a 、8 0 2 1l b 、8