（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80211s标准的公平拥塞控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 是一种新型的 宽带无线网络，它融合了w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 和 a dh o c 网络特点，且发挥了两者的优势。近年来随着w m n 研究的 深入及在商业应用的进展，对w m n 的网络性能提出了越来越高的 要求。网络的拥塞控制能力一直是网络研究的重点，i e e e8 0 2 1 l s 标准草案对w m n 拥塞控制策略作为一种重要机制作了详细的讨 论。 本文以8 0 2 1 l s 仂、议草案提出的拥塞控制策略为基础，在控制拥 塞的有效性和业务之间的公平性方面进行改进，提出了一种基于定 价理论的公平拥塞控制策略，以达到在有效拥塞控制的过程中兼顾 业务公平性的目标。 论文第1 章介绍了w m n 的结构、特点和标准制定情况，并对本 论文所关注的8 0 2 1 l s 协议和e d c a 机制作了简要介绍。第2 章首先 对当前w m n 中拥塞控制研究现状作了简单介绍，接着对论文所关注 的业务公平性问题进行了分析，为下文提出改进方案作理论铺垫； 在这一章中论文还介绍了定价理论及其在网络拥塞控制的应用，为 本论文提出拥塞控制策略提供了一种全新的思路。论文第3 章介绍 了8 0 2 1 l s 协议草案所提出的拥塞控制机制，8 0 2 1 1 s 协议草案是 i e e e 标准组织在2 0 0 6 年发布的，是针对无线m e s h 网络的一种权威 标准草案，本文的研究基于该草案所提出的拥塞控制机制。论文首 先在n s 2 网络仿真工具下对该草案提出的拥塞控制机制进行实现， 并通过n s 2 网络仿真工具对其网络性能进行了仿真与分析说明。论 文第4 章是本论文的核心，在这第3 章对草案所提出的基本拥塞控 制策略分析的基础上，本章中提出了基于定价理论的公平拥塞控制 策略，详细阐述了该策略的原理和流程，以及提出该策略所依据的 理论分析过程。论文第5 章运用n s 2 网络仿真工具，从多个角度对 论文所提出基于定价理论的公平拥塞控制策略进行了仿真与性能分 西南交通大学硕士研究生攀位论文第程员 析。 最后总结全文，并辩未来的工作进哲了展望。 关键词：无线m e s h 网络；w l a n 无线通信；拥塞控制；定价理论； 业务公平性 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 a bs tra c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i san e wt y p eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s n e t w o r k st h a tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fw l a na n da dh o cn e t w o r k w i t ht h e p r o f o u n dr e s e a r c ho nw m n a n dt h ed e v e l o p m e n to fi t sb u s i n e s sa p p l i c a t i o n s ，i t h a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mo nh o wt oi m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo f w m nt om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n d s e s p e c i a l l y ，t h ec o n g e s t i o nc o n t r o l p e r f o r m a n c eo fw m n i sa l w a y st h ef o c u so fn e t w o r kr e s e a r c h ，a n dt h ei e e e 8 0 2 1 1 ss t a n d a r dd r a f th a sd i s c u s s e dt h ew m nc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ei n d e t a i l b a s e do nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ep r o p o s e db yt h ei e e e8 0 2 1 l s s t a n d a r d ，t h i st h e s i sp r o p o s e san e w f a i rc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mb a s e do n p r i c et h e o r y ，w i t hg o o dp e r f o r m a n c e so ne f f e c t i v e n e s sa n df a i r n e s s b e t w e e n v a r i o u st r a f l i e s i nc h a p t e ro n e ，t h eo u t l i n eo ft h ea r c h i t e c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fw m n a r ep r o v i d e d ，a n dt h ei e e e8 0 2 1 l ss t a n d a r da n di t se d c am e c h a n i s ma r e d i s c u s s e d t h e n ，t h eb a s i cc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mp r o p o s e di nt h ei e e e 8 0 2 1 l si si n t r o d u c e di nc h a p t e rt w o a n dt h ef a i r n e s sp r o b l e ma n dt h ep r i c e t h e o r ya r ei n t r o d u c e da st h eb a s i ct h e o r ya n dp r o v i d eu sw i t han e w m e t h o do n c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g y i nc h a p t e rt h r e e ，t h e i e e e8 0 2 1l s c o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m ei si m p l e m e n t e da n ds i m u l a t e do nt h en s 2n e t w o r ks i m u l a t o r a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m ei sb r i e f l ya n a l y z e d c h a p t e rf o u ri st h e p r i m a r ys e c t i o n ，i nw h i c ho u rn e wf a i rc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e d ， w i t hi t sp r i n c i p l e sa n da n a l y t i cp r o c e s sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ep e r f o r m a n c eo f t h i sn e wc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ei sa n a l y z e do nn s 2n e t w o r ks i m u l a t o ri n c h a p t e rf i v e f i n a l l y ，t h et h e s i si sc o n c l u d e da n dt h ef u t u r ew o r ki sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w l a n ，w i r l e s sc o m m u n i c a t i o n ， c o n g e s t i o nc o n t r o l 西南交通大学四南父嬗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 鬻嚣薪粥傻日期：弦躔s 了i 指导老师盘名：之譬苎 日期：。2ab 汐r ，。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、分析了i e e e8 0 2 1 1 s 协议中拥塞控制相关机制及其网络性能， 在此基础上，针对无线m e s h 网络提出了一种关联业务公平性的拥塞 控制算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文背景 近年来，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 在 接入领域中得到了迅速发展，依据其数据传输速率的较大优势， w l a n 被认为是3 g 或后3 g 移动数据通信的一个主要竞争者 1 - 4 j 。 但w l a n 也有其不足之处，其中最主要的一个就是接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 的覆盖范围有限，若要在一个相对较大的区域提供无线覆 盖，就需要配置多个接入点，因而增加了网络建设成本。因此近年 来人们把目光转向一种新的网络结构一一无线m e s h 网络( w i r e l e s s m e s hn e t w o r k ，w m n ) 。 从拓扑结构上讲，w l a n 是典型的点对多点网络，而且采取单 跳方式，因而数据不可转发。w l a n 可在较小的范围内提供高速数 据服务( i e e e8 0 2 1 l b 可达1 1 m b i t s ，i e e e8 0 2 1 l a 可达5 4 m b i t s ) ， 但由于典型情况下w l a n 接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如 果想在大范围内应用w l a n 的这种高速率的服务模式，成本将非常 高【2 1 。而对于w m n ，则可以通过m e s h 节点( m e s hp o i n t ，m p ) 对数 据进行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖 服务延伸到几公里远。w m n 的显著特点就是可以在大范围内实现高 速通信【引。 1 1 1 无线m e s h 网络的发展和应用 w m n 与传统无线网络相比有许多优势【4 】： 可靠性大大增强：w m n 采用的网状拓扑结构避免了点对多点 星型结构，如8 0 2 1 1w l a n 和蜂窝网等由于集中控制方式而 出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰、单点故障，从而 带来额外可靠性保证成本投资。 _ 简化链路设计：w m n 通常需要较短的无线链路长度，这样降 低了天线的成本( 传输距离与性能) ，另一方面，降低了发射 功率，也将随之降低不同系统射频信号间的干扰和系统白干 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 扰，最终篱化了无线链路设计。 一网络的覆盖范围增大：由于m p 与m a p ( m e s ha c c e s sp o i n t ) 的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或与其他的节点 ，联系，与传统的网络相比接入点的范围大大的增强，而且频 谱的利用率提高，系统的容量增大。 组嬲灵活、维护方便：由予w m n 网络本身的缀耀特点，只 要在需要的地方加上m a p 等少量的无线设备，即可与已有的 设施组成无线的宽带接入网。w m n 嬲络的路由选择特性使链 路中断或局部扩容和升级不影响整个网络运行，因此提高了 网络的柔韧性和可行性。和传统网络相比功能更强大、更完 善。 投资成本低、。风险小：w m n 网络初建成本低，m a p 和m p 一爨投入搜用，其位置基本固定不变，医面节省了霹络资源。 w m n 具有可伸缩性、易扩容、自动配置和应用范围广等优势， 对于投资者来说在短期之蠹邸可获 ! 譬盈利。 鉴于以上优势，w m n 已经引起国内外的广泛关注。2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 正式专门成立了m e s h 研究组( m e s h s t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了m e s h 任务组( m e s ht a s kg r o u p ) 弱， 编号为8 0 2 1 1 s ，这标志着w m n 技术正式迈上了广泛标准化道路。 无线m e s h 网的研究开发是以实际应用需求做为驱动力的，其应 用场景和廒用范围相当广泛，并且有着不可替代的作用和优势。近 年来，m e s h 嬲络在薪加坡、孛圜台北、l 霹金盎、新奥尔良等国家和 地区已开始了大规模的商用部署。在中国内地的城市，m e s h 网络在 北京市公共安全覆盖、天津滨海开发区数字港翻的建设等方面都有 了相关应用f 6 】【朝。随着各地加大在“无线城市 方面的建设力度l 粥， 无线m e s h 网络必将得到长足的发展和广泛的应用。 1 1 2 无线m e s h 网的典型结构与特点 w m n 有两神典型的实现模式：基础设施m e s h 模式釉终端用户 m e s h 模式l 糟】。 基础设施网状模式( i n f r a s t r u c t u r em e s h i n g ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 该模式在接入点与终端用户之闻形戚无线的回路。移动终端通 过m a p 的路由选择和中继功能与m p p 形成无线链路，m p p 通过路 由选择及管理控铡等功能为移动终端选择与目的节点通信的最佳路 径，从而形成无线的回路。同时移动终端通过m p p 可与其他网络相 连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统成本，提高了 网络覆盖率和可靠性。 终端用户网状模式( c l i e n tm e s h i n g ) 终端用户自身配置无线收发装置透过无线德道的连接形成一个 点到点的网络，这是一种任意网状的拓扑结构，节点可以任意移动， 可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端 的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助 其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备在不需 要其健基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率 的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事实上就是一个a dh o c 网络，它可以在没有或不便利用现有的嬲络基础设施的情况下提供 一种通信支撑环境。 由于两种模式具有优势互於性，因此同时支持两种模式的潮络 将在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端即可以与其 他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其他用户直接通信，并 且可戳作为中闻的路由器转发其他节点的数据，送往爵的节点。w m n 不仅可以看作是w l a n 与a dh o c 融合的一种网络，又可看作是因特 网的一静无线版本。 其中得到广泛应用的是基础设施m e s h 模式的w m n 。如图1 1 所示，这是一种典型的基于i e e e8 0 2 1 1 s 标准的w m n 的拓扑结构。 分为三层，最低层是终端层，包括所有的移动电话、笔记本电脑已 及p d a 等。终端层上面是m e s h 层，由m a p 和a p 组成，较小移动 性的m a p 和a p 构成了w m n 的阙络骨干网。第三层是核心两层， 提供给用户各种各样的因特网服务。 w m n 的解决方案的主要网嚣为w m n 接入点m a p 和接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，各网元的主要功能如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接入点a p 是w l a n 中的主要网元，w m n 出于彝后兼容的躁的 保留这一传统接入点，它的主要功能是向终端提供无线接入，使装 有无线网卡的终端设备可以通过a p 共享核心网的资源。w m n 接入 点m a p 首先具有传统接入点a p 的功能，可以内终端提供直接的无 线接入。它与传统w l a n 接入点a p 的主要区别在于，m a p 拥有路 由机制，可以通过相应的路由算法来多次转发数据包，丽传统的a p 不具有这样的功能，它只能提供一跳范围的无线接入。正是由于m a p 的多跳转发功能健褥w m n 相比予传统单跳的w l a n 更具有优势。 图1 - 1 光线m e s h 题络典型结构 w m n 不仅可以看作是w l a n 与移动a dh o e 网络的融合，也可 看作是因特网的种无线版本。概括来讲，w m n 有以下主要特点 1 x - 1 3 】： 无线多跳网络。 一支持a dh o c 网络结构，具有自形成、自愈和宣缀织麓力。 一移动性取决于节点的类型。 - 多种网络接入方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 功耗限制取决于节点类型。 与现有无线网络具有兼容性及互操作性。 一 可靠性提高：在w m n 中，链路为网状结构，如果其中的某 一条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可接入的链 路，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高；但是在采用 星型结构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路出现故障， 可能造成大范围的服务中断。 一传输速率大大提高：在采用w m n 技术的网络中，可融合其 他网络或技术( 如w i f i 、u w b 等) ，速率可以达到5 4 m b i t s ， 甚至更高。而目前正在发展的3 g 技术，其传输速率在高速移 动环境中仅，支持1 4 4 k b i t s ，步行慢速移动环境中支持 3 8 4 k b i t s ，即使是在静止状态下才达到2 m b i t s 。 一 降低成本：在w m n 中，大大节省了骨干网络的建设成本， 而且a p 、i r 等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设 备便宜得多。 1 1 3 无线m e s h 网的相关协议与标准 i e e e8 0 2 1 1 标准是目前移动网络中应用最广泛的m a c 层协议之一1 1 4 j ， 由于w m n 是一种融合了w l a n 和a dh o c 的新型网络结构，因此现 有的8 0 2 1 1m a c 层协议可以提供对w m nm a c 层的支持。为推进 w m n 技术的商业化进程，i e e e 已成立多个工作组，对其开展标准 化工作，如i e e e8 0 2 1 i s 、i e e e8 0 2 1 5 5 、i e e e8 0 2 1 6 以及i e e e 8 0 2 2 0 等。就本文研究的内容而言，主要关注i e e e8 0 2 1 l s 。 i e e e8 0 2 1 l sm e s h 标准化工作组( p 8 0 2 1 1e s sm e s hn e t w o r k i n g w g ) 于2 0 0 4 年7 月成立，其目的是在提供高速接入速率( 1 0 0 m b i t s ) 、支持o o s 、快速切换等性能的基础上，促进基于i e e e8 0 2 1 1 的系列标准间的互操作性，从而可以扩大w l a n 的覆盖范围和系统 容量【9 1 。通过扩展现有i e e e8 0 2 1 1 的网络结构及协议结构，提供扩 展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) 的功能。例如，a p 之间可 以直接建立无线链路，实现自动拓扑发现、动态路径配置等功能， a p 不仅可以为用户提供本地业务，同时可以作为路由器，为其他 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 a p 转发业务。为实现这种i e e e8 0 2 1 1e s sm e s h 功能，8 0 2 。l l s 工 作组将在i e e e8 0 2 1 1m a c 层的基础上，定义一种新的结构和协议， 以创建一个在m a c 层可以同时支持广播多播和单播传送方式的 i e e e8 0 2 1 1 无线分布式系统，m a c 层的这种工作机制通过在自配置 多跳拓扑结构中利用无线感知技术来实现。 8 0 2 1 l s 工作组已在2 0 0 7 年7 月发表一个初步的规范草案，迄今 为止已经发布多个阶段性的草案，预计将在2 0 0 8 年7 月发表最终协 议标准。 1 2i e e e8 0 2 1 l s 协议m a c 层关键技术介绍 1 2 1e d c a 竞争接入机制 8 0 2 1 l sm a c 协议继承了8 0 2 1 l e 1 1 舢】【1 5 】的特征，而且本文对公 平性的讨论也是基于传统e d c a 机制进行的，因此有必要对其进行 研究讨论。 在无线网络鹃某些离层的应用中，如数据、视频和实时语音， 对带宽、延迟、抖动以及分组的丢包率有不同的要求，然而在i e e e 8 0 2 1 1d c f 中所有的站点和其中的业务流在接入信道的时候，都有 着同样的优先级，就是说它们都是平等的，所| 以在i e e e8 0 2 1 1d c f 中不支持业务区分的o o s 。 为了在i e e e8 0 2 1 1 孛支持q o s ，i e e e8 0 2 王作组颁布了一种称 为8 0 2 1 l e 的m a c 协议，对原来8 0 2 1 1 中的d c f 协议进行了增强， 称先e d c a 。8 0 2 1 l e 通过雩l 入业务类别( t c ) ，实现了对q o s 的支 持。e d c a 为站点提供了可区分的、分布式接入信道的4 个接入分类 ( a c ) ，分别对应不同的业务类别。e d c a 定义的接入分类机制，在 站点内部提供了对优先级的分类支持。每个站点中都可以有四种a c 来支持用户的优先级( u p ) ，其中一个a c 可以施加一个或者多个优 先级。一个站点需要根据待传数据帧的a c 来接入信道。表耋- 王中给 出了t c 的优先级到a c 的映射。 每一今a c 都是d c f 增强的变体，使用一组e d c a 信道接入参 数去竞争发送机会( t x o p ) 。t x o p 表示当一个站点被获准向信道发 起传输的一段时阅间隔。具有高优先级的a c 被指定给更小的竞争窗 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 爨( c w ) ，以保证高优先级毙低优先级的a c 能优先发送。可以通过 对a c 设置竞争窗口限界( 最小竞争窗阴：c w m i n a c 】，最大竞争 窟豳：c w m a x a c p 来得到这种接入优先。为了进一步进行服务的 区分，不同的a c 采用不同的帧间隔( i f s ) 。，在8 0 2 1 1 中如果一个 站点要开始一个数据帧的发送过程，必须在d i f s 时间里信道应该保 持空闲。在e d c a 中，d i f s 被a i f s a c 代替，一般a i f s a c 】d i f s 。 其中a i f s f a c 】计算公式如下： a i f s a c - s i f s + a i f s n a c 】a s l o t t i m e ( 熏1 ) 在式1 1 中a i f s n a c 是一个正整数，a s l o t t i m e 是和物理层相 关的时隙长度。 如果一个使用e d c a 的站点在准备发送的时候发现信道忙，则 开始推迟发送，直到信道空闲。推迟结束后，再等待a i f s a c 】时间， 然后启动一个退避过程。退避闻隔是【0 ，c w a c 】内的一个随机数。 c w a c 】的计算如下： c w a c = m i n ( ( 蒙c w a c + i ) 2 1 ，c w m a x a c 】) ( 1 - 2 ) 从上文可以看出，8 0 2 1 1 ee d c a 协议通过人为的赋予各种业务 不同的优先级，利用推迟和退避时闻的长短不同，从而提供了q o s 功能。 表1 1t c 的优先级到a c 的映射 优先级( 与接入 优先级目的 8 0 2 1 1 d 相同)类别 最低级 王o 尽力两为 2o 尽力而为 ol 尽力两共 32 视频 42 视频 1 52 视频 6 3 语音 最高级 73语音 西南交通大学硕士研究生学位论文笫8 页 l 。2 。28 0 2 1 l s 墨l 入的拥塞控制策略介绍 8 0 2 1 1m a c 及其增强版本( 1 l e ，l l i ，1 l k ) 都是基于单跳无线网 络静。w m n 与之关键区别是多跳数据繁发特性 1 1 - 1 3 】。8 0 2 。t ld c f 和8 0 2 1 l ee d c a 是基于非端到端的考虑或一跳范围之内的协调。 w m n 的m p 公平共享信道接入，它是基于点到点的，并且这些节点 间是相互独立的。它们独立的竞争信道，不需考虑其上游节点以及 下游节点的任何信息。于是发送者将大量的业务数据包迅速接入网 络，从而导致下游节点发生拥塞。本地拥塞定义为一个中间m p 接收 到的数据包比在该节点先前定义的时间窗口所能发送的数据包要多 时，就发生本地攘塞。本地拥塞的结果是本地缓冲区迅速被填满， 导致数据包从缓冲区丢失。 针对w m n 的特点，8 0 2 1 l s 协议草案中定义了? 种二层拥塞控 制机制：“h o p b y h o p 搁塞控制机制”。它包括三个基本过程l 聪j ：本 地拥塞监测，拥塞控制信号，以及本地速率控制。这个机制的基本 原理是：每个m p 都需监测本地信道情况，当监测到本地拥塞发生时， 该拥塞节点将向上游节点发送一种专门的行为帧：拥塞控制请求。 另外两种行为帧分别是摆塞控制应答和拥塞控制公告，它艉耀于实 现m p 之间拥塞控制信息交互。上游节点接收到来自一个下游m p 的 翔塞控制请求艨，这个上游节点将启动本地速率控制来减轻下游节 点所遭受的拥塞。 1 3 论文研究意义及研究目标 如1 2 2 中所述，8 0 2 1 l s 标准组提出了一种简单的“h o p ，b y h o p 拥塞控制机制”来解决本地拥塞问题。它包括三个过程：本地拥塞监 溅，发拥塞控制信号，以及本地速率控制。但是，根据i e e e8 0 2 1 l s 草案定义，i e e e8 0 2 1 l e 的e d c a 仍然作为w m n 的主要接口技术。 面对实时流媒体监务的需求，e d c a 枧铡已遇到了巨大的挑战。在网 络带宽接近饱和同时又存在多个优先级较高的流媒体业务流竞争接 入时；嬲络的竞争环境会急剥恶化，大量分组丢失，吞吐率下降， 分组延时增加f 1 4 】f 1 5 】。因此，在e d c a 的严格优先级机制基础上，对 各种业务在统一的机制下实施拥塞控制必然失去了业务之间传输的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 公平性，所以我们设计出一种新的基于 鑫格激励机制和业务分集 ( d i v e r s i t y ) 的拥塞控制机制，进而提高网络的吞吐性能和传输公平 性。而且在进行速率控制的时候，对不同的业务需要区别对待。上 游节点在接收到拥塞节点的拥塞控制请求帧或拥塞控制公告帧时， 该如何去对4 种不同的业务控制速率，这就需要一种准则可以使各 种业务的速率褥以有效控制。 综上所述，我们提出一种基于定价理论的拥塞控制策略，其中需 要解决的核心离题是： 1 ) 如何设计有效缓解本地拥塞的拥塞控制策略，避免转发节点 因本地拥塞造成的网络性能恶化的现象。 ， 2 ) 在有效控制本地拥塞、保证网络总体性能的同时，如何保证 各种业务之间的公平性。 3 ) 如何在q o s 保证与业务公平性之间找到合适的权衡方法。 这里我们提出的拥塞控制方案首次将定价理论引入到w m n 的拥 塞控制中，丽且也是首次在拥塞控制过程中考虑了韭务的公平性。这 楚是本项研究的创新之处。 1 4 论文的研究内容和组织结构 本文以8 0 2 1 l s 协议草案提出的拥塞控制策略为基础，在控制拥 塞的有效性和业务之闻的公平性方面进行改进，提出一种基于定价 理论的公平拥塞控制策略。具体来讲就是在网络监测拥塞和本地速 率控制过程中引入了定价模型和新的速率控制模型，以达到在有效 拥塞控帝的过程中兼顾业务公平的目标。 论文的第1 章介绍了w m n 的结构、特点和标准制定情况，并对 本论文新关注的8 0 2 1 l s 协议和e d c a 机制作了简要介绍。第2 章首 先对当前w m n 中拥塞控制研究现状作了简单介绍，接着对论文所关 注的业务公平性闯题进行了分桥，为下文提出改进方案作理论铺垫； 在这一章中论文还介绍了定价理论及其在网络拥塞控制的应用，定 价理论也为本论文提出拥塞控制策略提供了一种全新的思路。论文 的第3 章在n s 2 工具下实现了8 0 2 1 l s 协议草案所提出的拥塞控制机 制，并对其网络性能进行了分析说明。论文第4 章提出了基于定价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 理论的公平拥塞控制策略，详细阐述了该策略的原理和流程，以及 提出该策略所依据的理论分析过程。论文第5 章运用n s 2 网络仿真 工具，从多个角度对论文所提出基于定价理论的公平拥塞控制策略 进行了性能分析。 最后总结全文，并对未来的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章拥塞控制研究现状及相关理论 本节将分析当前w m n 主要的研究现状，并将对具有代表性的几 种拥塞控制方法进行简要分析。公平理论和定价机制是本文的理论 基础，在此也将对这些理论进行简要描述。 2 1 拥塞控制机制研究现状 2 1 。1 8 0 2 。l l s 协议基本的拥塞控制机制 有线和无线网络都存在本地拥塞，但是它对无线网络造成的性 能下降比有线阏络要严重褥多。因为无线媒介最大的特点是资源共 享。在有线网络中，备邻居链路传输业务流所占用的资源可以看作 是相互独立的。并且一条链路并不会严重影响另一链路可利用的资 源。但是多跳w m n 受l j 不同，最典型的是多个m p 使用相同的信道与 网络连接。当个节点正在传输时，它的邻居节点必须延迟发送。 如果一个上游发送者盲霉的使用它的信遭接入时隙分额将数据包注 入网络，同时下游中间m p 节点不能有效的将数据包转发至目的节 点，这样该发送者所使耀的时隙不仅被浪费，丽且减少了下游节点 的信道接入时隙，甚至严重影响端到端吞吐率。所以在w m n 中需要 解决的关键问题之一就是：邻居的一条链路消耗的带宽会严重影响 另外链路可利用的带宽资源。由于邻居节点根据各个节点的位置所 得到的竞争级别不同将会导致不公平性。所以无线网络即使在接入 等级上已经采取了允许接入控制，拥塞仍然可能发生。 综上所述，由于无线网络的本地拥塞，以及传统t c p 拥塞控制 策略已不能完全解决无线霹络鳇摁塞控翩，所以在二层实现拥塞控 制成为必然，特别是处理网络突发性错误超成的拥塞，憨果尤为明 显，并且能减轻t c p 层拥塞控制的压力。 如前所述，8 0 2 1 l s 提案组针对w m n 提出了一种简单的 “h o p b y h o p 拥塞控制机制”来解决本地拥塞问题。它包括三个基本过 程l 播l ：本地拥塞监测，发拥塞控制信号，以及本地速率控制。这个 机制的基本原理是：每个m p 都需监测本地信道情况，当拥塞发生时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 能够检测出来。为了实现上述机制，原先几个版本的8 0 2 1 l s 标准草 案( 1 0 1 1 0 5 版) 定义了三个新的m e s h 行为帧：拥塞控制请求，拥 塞控制应答，邻居拥塞公告。它们用于实现m p 之间拥塞控制信息交 互。上游节点接收到来自一个下游m p 的拥塞控制请求后，这个上游 节点将启动本地速率控制来减轻下游节点所遭受的拥塞。如果接收 到来自一个邻居m p 的邻居拥塞公告后，邻居节点将启动本地速率控 制来减轻邻居节点所遭受的拥塞。 现在的最新的8 0 2 1 l s 标准草案( 1 0 6 版) 也已经正式公布，针 对拥塞控制机制作了一些改动。但也只是对拥塞控制过程中的交互 的帧进行了重新定义( 不再采用上述的三个行为帧，而只保留了一 个拥塞通告帧) ，依然采用拥塞控制的三个基本过程：本地拥塞监测， 发拥塞控制信号，以及本地速率控制。而且拥塞监测和本地速率控 制过程没有明显改动。 2 1 2 基于模糊控制的拥塞控制策略 该拥塞控制策略1 1 7 】基于2 1 1 节中所述的8 0 2 1 l s 草案提出的 “h o p b y h o p 拥塞控制机制”，是对协议草案所提拥塞控制策略的详细 实现和改进。它同样包括3 个基本过程：本地拥塞监测，拥塞控制 信号，以及本地速率控制。改进之处在于：在本地拥塞监测阶段， 引入了模糊控制理论来对拥塞程度进行监测，这样的好处在于具有 较好的自动控制性能。在本地速率控制阶段，该策略采用了递归误 差估算法，使得速率控制更加精确。 该策略中，拥塞监测是采用模糊逻辑控制进行的。模糊控制机制 的输入是节点输入速率和输出速率的差值( a s t ra c ) 以及队列长 度la c 的度量值。该策略选用正态分布作为输入参数的隶属度函数。 经过隶属度函数模糊化输入量，再经过策略所定义的模糊推理和模糊 规则得到确定的模糊输出。输出表示为c = 发送拥塞控制请求帧，发 送邻居拥塞控制公告帧卜= o ，1 】。之后的拥塞控制过程就是基于这 样的模糊逻辑输出进行的。 该拥塞控制策略首次实现了8 0 2 1 l s 草案中提出的拥塞控制框 架，是一个运行在第二网络层的拥塞控制策略。策略存在的不足是在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 进行速率控制时，只是篱单的考虑业务优先级，丽没有考虑不同业务 剩用资源的公平性。 2 。1 。3 其他相关研究成果 在经典的计算机网络理论中，t c p 以窗口机制实现其传输控制， 发送窗翻酶大小取决于接收方的通告窗口( 即接收方处理缓冲区的 大小) ；f 瑟发送方的拥塞窗口，即：发送窗口- - - m i n ( 接收方通告窗嚣7 ， 发送方拥塞窗口) 。 显然在嬲络非摆塞情况下，如果接收方通告窗墨足够大，则发 送窗口和拥塞窗口是相等的。当网络发生拥塞时，必须减少拥塞窗 弱的大小，从丽限制向网络发送的数据量，减轻网络韵负担，使网 络能够从拥塞中恢复出来。目前使用的t c p 版本是r e n o 3 5 l ，它的拥 塞控制策略包括慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等。 有线网络中拥塞控制已经出现了很长的时间，一个行之有效的 方法是：在网络高层实行端到端的流量控制。上述t c p 滑动窗口协 议机制是这种端到端流量控制机期中的一个典型铡子。值是我们失 什么不依赖于像t c p 这样的上层流量控制来解决无线网络特别是 w m n 的本地拥塞问题昵? 首先，大部分多媒体应用( 语音和视频) 都使用u d p 传输，而u d p 传输机制不采用任何的拥塞控制。因为有 线网络中各跳之间是相互独立的，因此有线网络的u d p 拥塞控制不 像无线网络那么重要。其次，在有线网络中数据包的丢失是由网络 拥塞而引起的：而在无线网络中，由于传输信道的干扰，网络传输 的误码率较高，往往存在随机数据怠丢失的情况。因此直接将现有 的单纯依据数据包丢失作为拥塞指示的t c p 拥塞控制算法应用在无 线网络中，必然导致无线网络性能的下降。另外，有关的研究1 3 】【3 纠1 l 也表明t c p 拥塞控制机制在多跳无线网络中性能会恶化。所以简单 的依赖予t c p 来实现w m n 的拥塞控制是不可行的办法。 专利 3 9 】为减小和感知无线通信网络的拥塞，提趣了一套系统 和方法：一种改进的媒体接入控制( m a c ) 层协议。该协议在帧对 帧的基础上允许通过信道切换来实现无线网络的数据传输。该协议 中用于无线通信网络两个节点通信信道切换的时间被减少到电子速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 率j 所以，虽然占用了额外的带宽，但是有效的缓解了拥塞。另外， 系统的吞吐率被提升，并且通过减小“r t s 的能量级别到能够达到 接收节点的最小能量，使电池寿命增长。相应的“c t s 信息随后将 通过接收节点发送，通知网络中其他的节点接收是不可用的，以至 于网络中其他节点仍然可以自e l j 的相互通信。另外，一个节点发送 r t s 到每个节点的最小能量级别应该维持在该节点的本地路出表中 或者其他的数据存储域中。 该专剩是基于i e e e8 0 2 1 1m a c 的一神改进协议。它是通过基 于“帧对帧 的信道切换来实现拥塞控制，并且没有业务感知，只 有数据业务，没有区分业务的优先级。并且要保存节点发送r t s 到 各个节点的最小能量级别，必增大系统的开销。 跳对跳的拥塞控制算法得到了广泛的研究 1 8 - 2 2 】，参考文献中的 这些策略将节点的拥塞状况反馈给该节点的上游节点，该上游节点 根据这些反馈信息调整自身的传输速率，反馈信息主疆是基于拥塞 节点的队列长度。如果节点的队列长度超过了规定的门限，通过向 上游节点发送反馈消息，通知其发生拥塞，通过调整上游节点的传 输速率来减小拥塞。通过仿真发现，这些拥塞控制策略对拥塞的反 瘛快于端到端的拥塞控铡策略。在无线网络孛，每个节点的流数墨 比因特网中少得多。另外，数据包调度策略使得无线网络中业务流 是独立排队等待的，荠基不同的用户在不同的位置，这就要求使用 不同的物理层策略( 比如信道编码和功率调制策略) ，所以在无线网 络中使用跳对跳的拥塞控制策略是必要且可行的。 除了跳对跳的分布式拥塞控制策略，也有的文献中采用集中控 制点方式。如专利【2 3 提出的拥塞控制方法适用于无线多跳网络，其 拥塞控制思想是：当瓶颈节点发生拥塞对，拥塞信怠将透过造成拥 塞的数据流的路由反馈到网络入口( 比如，a p ) 和源节点，这样入 爨节点和源节点共同采取措施控制拥塞。但是由于该策略要依靠a p 的支持，所以比较适合于有中心控制的w l a n 网络，对于多跳网络 或者a dh o c 网络不大适用。 如上所述几种拥塞控制方法存在的明显不足在于，控制策略没 有关联业务，对多种业务的拥塞控制一视同仁，更没有考虑拥塞控 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 制过程中不同业务利用资源的公平性。 2 2w m n 中业务公平性研究 2 2 。l 公平性的理解 针对w m n ，当前也有一些文献作了业务公平性方面的研究，比 较典型的是采用加权公平的方法。 文献【2 4 1 提出一种加权公平( 或比例公平) 增强的e d c a 机制 ( w e i g h t e df a i re d c a ) ，引入了加权公平的概念，通过该机制可以 使得各个a c 业务流按照一定比例共享资源。 文献【2 5 1 提出一种新的加权公平的方法，并给出如下的加权公平 定义： 等等卺 协重) 一等一 f ，1 九恐 。 锄稠九分别表示离优先级业务权重值和低优先级业务权重；磁 和砖分别表示两种优先级业务的成功传输几率。 上式的物理含义为：高优先级业务与低优先级业务成功传输率 的比值等于预先定义的权重之比。这个条徉也被认为是具有加权公 平性的绝对公平条件。 实际嚣境中满足式( 2 1 ) 的绝对公平是缀难的。所以文献【l l 】 引入了公平系数来作为衡量算法满足加权公平的指标： 黟f 孚1 h ；卫一2 一 ( 2 2 ) 时皤) 上式中足表示第f 种业务流的平均吞吐量；噍表示第f 种业务流 的权重僮；t 和拶分别表示求均值和求方差运算。由上式公平系数的定 义可以得出这样的推论：值越接近1 ，表明算法的公平性越好。 2 2 。2 w m n 引发不公平的原因分析 8 0 2 1 1 中的d c f 的退避机制本身具有“捕获效应 ，即在个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 s t a 竞争获得信道后，它在接下来的信道竞争中也很可能获得信道。 这是因为d c f 的退避机制是采用“二进制指数退避算法”，根据该算 法，s t a 在竞争获得信道以后，它的竞争窗口取c w m i n ；而对其他 没有竞争到信道的s t a ，它们的竞争窗口则要加倍。这样对之后的 竞争造成了不公平。 这样的不公平问题在8 0 2 1 1 e 的e d c a 中表现为：高优先级业务 在获得信道后，将有较大的几率在下次竞争中获得信道，如果高优 先级业务量较大时，低优先级的业务将得不到或很少得到信道，这 就是所谓的“饿死”现象。而且，从表2 1 中i e e e 8 0 2 1 1 e 默认的 e d c a 参数中也可以看出，每个优先级之间具有严格的等级界线。这 种严格的优先级定义是为了保证高优先级业务的o o