（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211的ad+hoc网络服务质量研究.pdf

捅要 在无线a dh o c 网络中，无线信道由多节点共享，协调节点访问信道的媒体接 入控制( m a c ) 机制是无线a dh o c 网络的关键技术之一，也是无线a dh o c 网络支持 服务质量( q o s ) 的关键。 本文在i e e e8 0 2 1 l em a c 协议的基础上，在n s 2 下仿真实现了一种对e d c a 的 改进算法一自适应e d c a ，并提出了一种基于网络冲突率来动态调节竞争窗口值的 新算法，从而改善了网络中负载较大时存在的高碰撞概率的情况。仿真结果证明 新算法的吞吐量和时延性能都优于e d c a ，并且对于语音和视频等高优先级实时性 业务的服务质量也有所改善。 由于e d c a 只能提供业务区别，而无法真正实现q o s 保障。因此，本文对目前 a d h o c 网络中的基于资源预约的m a c 协议进行了研究，并在n s 2 下仿真实现了一种 联合e d c a 的资源预约协议。该协议通过分布式的预约调度方法为基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o c 网络提供q o s 保证，通过接入控制来管理资源分配并且为高优先级的业 务提供预约信道而不是竞争信道的机会。仿真验证了联合e d c a 的资源预约机制很 好地保证了高优先级业务的服务质量。 关键字：a dh o ee d c a 服务质量媒体接入控制资源预约 a b s t r a c t n em e d i u ma c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sa d h o en e t w o r kd u et ot h ew i r e l e s sc h a n n e ls h a r e db ym u l t i - n o d e s ，a l s oi st h es t i c k i n g p o i n to fs u p p o r t i n gq u a l i t yo fs e r v i c ei nw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s b a s e do nt h er e s e a r c ho ni e e e8 0 2 1lem a cm e c h a n i s m ，a d a p t i v ee d c ai s f u r t h e rs t u d i e d , w h i c he n h a n c e st h ee d c aa n di ss i m u l a t e do nt h en s 2p l a t a nn e w a l g o r i t h mt h a tc a na d j u s tc o n t e n t i o nw i n d o w s 、访mt h en e t w o r kc o l l i s i o nr a t e i s p r o p o s e d ，i tr e d u c e st h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yw h e nt h en e t w o r kl o a di sh e a v y n l e s i m u l a t i o nt on e w a l g o r i t h mi l l u s t r a t e st h a tt h et h r o u g h p u ta n dd e l a ya r eb o t i lb e t t e rt h a n e d c ai n t h eh e a v yc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，i ta l s oi m p r o v e st h eq o so fv o i c ea n dv i d e o ， e t c a l t h o u g ht h ei e e e8 0 2 1lea i m sa tp r o v i d i n gq o s ，b u ti t sc o n t e n t i o n b a s e d m e d i u ma c c e s sm e c h a n i s me n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ( e d c a ) ，p r o v i d e so n l y s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n i no r d e rt op r o v i d eq o sg u r a n t e e ，b a s e do nt h er e s e a r c ho nm a c p r o t o c o l sp r o v i d i n gr e s o u r c er e s e r v a t i o ni na dh o en e t w o r k ，a ne x t e n s i o nt oe d c a c a l l e dc o m b i n e de d c aw i t hr e s o u r c er e s e r v a t i o n ( e d c a r r ) i si m p l e m e n t e do nn s 2 p l a t , w h i c hu t i l i z e sd i s t r i b u t e dr e s o u r c er e s e r v a t i o na n ds c h e d u l e rt op r o v i d eq o s g u r a n t e ea n du s e sa d m i s s i o nc o n t r o lt or e g u l a t et h eu s a g eo fr e s o u r c e sa n dg i v es t a t i o n s 埘mh i 曲- p r i o r i t yt r a f f i cs t r e a m sa no p p o r t u n i t yt or e s e r v et i m ef o rc o l l i s i o n - f r e ea c c e s s t ot h em e d i u m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o m b i n e de d c aw i t hr e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o lp r o v i d et h eq o sg u a r a n t e e sw e l li nt h ei e e e8 0 2 1 1a dh o en e t w o r k k e y w o r d s ：a dh o ee d c aq o sm a c r e s o u r c er e s e r v a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期丛! ! 二三：! ) 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盖生一_ 导师签名：微 日期堡! 里：三10 日期j 盟坠蔓，) 第一章绪论 第一章绪论 1 1a dh o c 网络概述 按照无线网络是否具有基础设施，可以把无线网络分成两类。第一种类型是 具有基础设施的网络，例如蜂窝无线系统、无线局域网。第二种类型是一种无基 础设施的移动网络，即无线自组织网络( a dh o cn e t w o r k ) 。无线自组织网由一组带 有无线通信收发装置的移动节点组成，是一个多跳的临时性无中心网络，可以在 任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，网络中的每个终端可以自由 移动且地位相等。由于组网快速、灵活、使用方便，目前a dh o c 网络已经得到了 国际学术界和工业界的广泛关注，并在未来的通信技术中占据重要地位。 i 2 研究背景 随着a dh o c 网络的迅速发展，a dh o c 网络上的多媒体应用层出不穷，a dh o c 网络已逐步从单一的数据传送网向包含了数据、语音、图像等多媒体信息的综合 传输网演化。这些不同的应用需要有不同的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 要求， q o s 通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需 求在迅速增长，同时用户对于有效、鲁棒的服务质量保障的需求也越来越突出。 q o s 的实现首先要精确区别每个网络应用的类型，其次要恰当地分配网络资源，如 带宽和相对优先级等。早期的q o s 研究主要针对有线网络，在网络层以上提供服务 质量保障，如综合服务资源预约( i n t s e r v r s v p ) 、区分服务( d i f f s e r v ) 、多协议 标签交换( m p l s ) 、流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 、约束路i 妇( c b r ) 、子网带宽管理 ( s b m ) 等。但是上述的q o s 机制并不能直接应用于无线a dh o c 网络中。 a dh o c 网络中由于无线链路动态拓扑变化频繁、带宽资源有限，传输的高误 码率等特性，使得无线信道的质量相对于有线信道来说要差得多，并且随着环境 的变化而变化。无线信道的特性，使得它很难提供q o s 保障，同时为a dh o c 网络的 通信带来了一定的问题，具体表现在：( 1 ) 网络带宽较窄。( 2 ) 信道传输质量较差。 高误码率的信道会引起数据的重传，进一步降低无线信道的利用率。( 3 ) 节点的通 信距离受限。网络中所有的节点共享传输信道，由于发射功率等原因，使得一个 节点发出的信号，网络中其它的节点并不一定都能收到，从而就会出现隐藏节点 暴露节点等问题。 当前对a dh o e 网络中q o s 支持的研究，主要集中在q o s 模型、q o s 媒体访问控 制m a c 、q o s 路由以及q o s 资源预留信令协议等几个方面。通过q o s 模型来确定q o s 目标，规定媒体访问控制、路由和信令协议的功能。再通过后三者各自的具体实 2基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o c 网络服务质量研究 现，互相协作，共同来完成q o s 支持的目标。与有线网络不同，媒体访问控制协议 在无线a dh o c 网络协议体系中占有极其重要的地位，所有的上层q o s 协议都依赖于 它的实现。由于i e e e 8 0 2 1 l 是目前应用最为广泛的无线网络标准，因此，i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层协议成为当前探讨a dh o c 网络q o s 机制的焦点之一。 1 3 研究意义 早期的a dh o c 网络支持的业务种类比较单一，所以关于多类业务的q o s 保证问 题并不突出。随着a dh o e 网络业务的多样化，q o s 保证问题也变得越来越重要。研 究a dh o e 网络支持q o s 的一个重要方向是针对i e e e8 0 2 1l ee d c a 的研究。 在i e e e8 0 2 1 1 e 标准中，增强型分布式协调功能( e n h a n c e dd i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o na c c e s s ，e d c a ) 对原有的m a c 协议中基本的d c f 功能进行了增强。 e d c a 通过将业务按照优先级分成不同的接入类( a c c e s sc a t e g o r y ，a c ) ，对不同接 入类的业务采用不同的竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) 以及仲裁帧间间隔 ( a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c e ，a i f s ) ，使得高优先级的业务可以优先竞争得到信道， 从而实现业务区分。但是e d c a 这种基于竞争的信道获得方式仍是不能对实时业务 提供足够的q o s 保障。当系统处于重负荷时，大量的竞争冲突和退避延迟使得实时 业务的时延、抖动、带宽等关键性能参数得不到保证。并且当实时业务过多时， 低优先级的非实时业务得到的带宽严重不足，丧失了共享资源的公平性。 对于i e e e8 0 2 1 1a dh o c 网络而言，要提供服务质量保障，就必须有一套接入 控制机制。接入控制的目标就是在有限资源的无线网络中，保证接入新的业务流 不会降低已接入业务流的服务质量，同时还要尽可能优化网络并最大程度的利用 网络资源。如果没有好的接入控制策略，就无法保护已有数据的网络传输，也无 法满足q o s 参数请求。所以接入控制在支持q o s 的网络中有极其重要的作用。然而， 接入控制方案由于本身的多样性和复杂性，在i e e e8 0 2 1 1 e 协议标准中也没有为 e d c a 定义具体的接入控制方案，所以要发挥出e d c a 的优势，提供服务保障，并 让网络维持更优的状态，就必须设计出有效的接入控制方案。 虽然i e e e8 0 2 1 1 e 【l 】标准也定义t h c c a 接入方式，通过集中式管理可以提供 确定的q o s ：但是协议不能用在a dh o c 网络中，而且该协议过于复杂。 在无线a dh o c 网络中，无线介质由多节点共享，控制节点对介质的访问是m a c 层需要解决的问题。而q o sm a c 协议是a dh o c 网络q o s 体系中最基本的部分，q o s 路由与q o s 信令都要依赖它，并与它协同工作，是无线a dh o e 网络支持q o s 的关键。 但是目前具有q o s 保障技术的m a c 协议，绝大多数都是基于t d m a ，不能应用在 i e e e8 0 2 1 la dh o c 网络中。 基于以上原因，如何在i e e e8 0 2 1 la dh o c 网络中提供q o s 保障还是一个有待 第一章绪论3 解决的问题。 1 4a dh o c 网络的服务质量研究现状 随着a dh o c 网络的迅速发展，对a dh o e 网络q o s 的研究总体可以分为： ( 1 ) m a c 层建模分析。 ( 2 ) e d c a 的服务接入控制。 由于e d c a 是基于竞争的接入方式，所以对e d c a 的接入控制研究的难度较 大；但是由于其接入方式的简单且不需要存在基站，e d c a 成为主要的接入方式。 ( 3 ) e d c a 参数的自适应调节。 e d c a 参数的自适应调节的研究主要有动态调节竞争参数【2 1 ，主要思想是通过 监测网络的运行状态( 如网络的吞吐量、丢包率和延时等) 动态调节竞争窗口，使网 络的吞吐量加大并使传输延时减小。一般来说，当网络中数据流量较小时，站点 会自动缩小竞争窗口，从而使延时达到最小。当网络趋近饱和时站点自动加大竞 争窗口，从而减小碰撞的概率，使网络吞吐量变大。 ( 4 ) 对已接入服务的保护。 保护已经存在的多媒体流是通过一种叫做尝试决定的方法来保护已经接入的 多媒体涮3 1 。其主要思想是首先尝试请求加入新的业务，然后通过监测加入新业务 后的网络状态决定是否正式接纳这个新业务。如果加入新业务之后，原先业务的 q o s 仍然可以得到满足则新业务被接纳；如果加入新业务之后网络状态恶化并影响 原先已经接入业务的q o s 贝j j 新业务被拒绝。 ( 5 ) 设计具有资源预约机制的m a c 协议 具有资源预约能力的m a c 机制是无线a dh o c 网络提供q o s 保证的一个主要研 究方向，其中的资源预约机制也可以应用在基于8 0 2 1 l 的a dh o c 网络中。支持资源 预约能力的m a c 机制分为两类：一类是同步机制的资源预约，例如e t d m a 4 i 协 议、h a m a 5 1 协议、s r m a p a 6 l 协议、a g e n t 协议1 7 1 ；另一类是异步机制的资源 预约，例如b r o a d e n 协议l 引。 1 5 研究内容和章节安排 本文对无线a dh o c 网络中支持q o s 的m a c 机制和算法作了较深入的研究，主 要内容包括支持q o s 的m a c 机制性能分析与改进和具有资源预约能力的m a c 协 议，同时也指出了所存在的一些问题及未来的研究方向。 第一章为绪论，说明了本课题的研究背景、意义以及该课题的目前国内外研 究现状。 第二章主要是对i e e e8 0 2 1 l e 的原理和机制的介绍。 4基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o c 网络服务质量研究 第三章主要是介绍目前a dh o c 网络中基于资源预约的m a c 协议。 第四章研究了i e e e8 0 2 1l ee d c a 的一个改进机制一自适应e d c a 机制，并提 出了一种e d c a 的改进算法，使得竞争窗的大小能够考虑到信道冲突率，动态的进 行调节，并在n s 2 下进行了仿真实现。 第五章针对i e e e8 0 2 1l e 并不能实施q o s 保障的情况，将分布式资源预约机制 引入多j i e e e8 0 2 1 1a dh o e 网络中，实现了一种联合e d c a 的资源预约协议。仿真 结果表明，该协议能够很好的进行预约调度，从而保证吞吐量和时延。最后给出 了在多跳网络下扩展该协议的方法。 第六章对全文进行总结和展望。 第二章i e e e8 0 2 1l e 原理和机制 5 第二章i e e e8 0 2 1 1 e 原理和机制 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议原理 i e e e8 0 2 1 1 主要有两种m a c 层接入机制，即基于竞争的分布协调功能 ( d c f ) t 9 l 机制和可选的基于集中管理的点协调功能( p c f ) 【1 0 l 机制。分布协调功能是 基本的接入机制，点协调功能基于分布协调功能机制，通过点协调器( h c ) 实现对 数据传输的集中式管理。由于分布协调功能机制形式简单、实现方便，因此应用 较为广泛。 d c f 接入机制为m a c 层基本接入方式又称为载波侦听多路访问协议( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ，如图2 1 所示。c s m a c a 协议的设计是为了减小网络中数据包碰撞的概率。当站点需要发送数据时，它首 先侦听信道是否空闲。如果信道状态为空闲，则传输过程继续进行，如果信道状 态繁忙，则传输推迟直至信道数据传输完毕。当信道空闲时，发送站点等待一段 确定的时间后( d i f s e i f s ) 进入随机退避延时阶段。这段等待时间由之前的网络状 态决定：如果在信道上传输的上帧成功发送完毕，则等待时间为d i f s ；如果在 信道上传输的上一帧没有被成功接收，则等待时间为e i f s 。随机退避的时间长度 由竞争窗口决定，其大小可由式( 2 1 ) 计算得出。 退避时间= 随机数时隙 ( 2 一1 ) 式中随机数从竞争窗口中随机选择。 i p a = si 习 l h i i $ 1 f s l i d i f s 卜 h i 慨l 删 信道忙 h 1 吨 一 退蠢过程 推迟接入 图2 1i e e e8 0 2 1 1d c f 机制 当退避时间结束，站点发送数据帧。接收站点在正确接收数据帧后经过s i f s 时间 后发送应答数据帧a c k 给源站点确认数据帧的正确接收。载波侦听机制分为物理 载波侦听机制和虚拟载波侦听机制。在d c f 机制中，为了减少较长数据帧碰撞引 起的带宽损失定义了r t s c t s 机制。发送站点在发送数据帧之前首先发送请求发 送帧r t s 给其它站点，r t s 帧中携带信道预留信息，用于给其它站点设置网络分 6基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o c 网络服务质量研究 配向量n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 。目的站点在收到r t s 帧后发送清理信道数 据帧c t s 给源站点来确认r t s 帧的成功接收。在n a v 时间内其它站点不再尝试 接触信道，把信道资源留给发送r t s 及c t s 帧的站点，这种机制又称为虚拟载波 侦听机制。由于在n a v 时间内其它站点不再尝试发送数据帧，因此源发送站点在 发送较长数据帧时不会受到其它站点的打扰，从而减少了因较长数据帧碰撞而导 致的带宽资源损失。 目i同i s i f s 1 s i f s i s i f s _ l c t s1 医 d i f o 竞争窗 n a v ( r t s ) 1 n a v ( ( - r s l二 廷迟后再退蠢 一推迟接入 一 图2 2r t s c t s 机制 图2 2 中s i f s 表示短帧间隔，d i f s 表示d c f 帧间隔。源站点在发送r t s 帧 后除源站点和目的站点外的其它站点都设置网络分配向量n a v 。经过s i f s 时间后， 目的站点发送c t s 帧给源站点，同时其它站点更新网络分配向量。源站点收到c t s 帧后经过s i f s 时间发送数据，目的站点在成功接收数据后经过s i f s 时间发送应 答给源站点表示数据的成功接收。在源站点成功发送一个m s d u 数据帧后，其它 站点重置网络分配向量，整个网络又恢复到自由竞争状态。 除了d c f 接入方式，8 0 2 1 1 协议还定义了可选的p c f 接入方式。p c f 接入机 制提供了一种无竞争的帧传输机制。整个传输过程由内置于a p 中的点协调器 p c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ) 协调。p c 协调下的传输过程可以分成两个阶段：无竞争的阶 段( c o n t e n t i o nf r e ep e d o d ，c f p ) 和竞争阶段( c o n t e n t i o np e d o d ，c p ) 。p c f 方式下 帧传输过程如图2 3 。 图2 3p c f 工作方式 第二章i e e e8 0 2 1l e 原理和机制 7 在无竞争阶段( c f p ) 的开始，p c 首先侦听信道，如果信道状态为空闲，则经过 p i f s 时间后p c 发送信标帧。信标帧内包含无竞争参数集( c fp a r a m e t e rs e t ) 和业务 传输指示消息( d e l i v e r yt r a f f i ci n d i c a t i o nm e s s a g e ，d t i m ) 。在发送初始信标帧后， p c 必须等待至少s i f s 时间才能传送其它帧，这些帧包括轮询帧( c f p o l l ) 、数据帧 加轮询帧( c f p o l l + d a t a ) 、或者无竞争结束帧( c f e n d ) 。在目标信标帧的传输时间 内，除p c 外的其它站点都设置网络分配向量n a v 为无竞争周期最大持续时间 ( c f p m a x d u r a t i o n ) 。这样做的目的是为了避免其它站点在无竞争周期内占有媒体的 控制权，从而使p c 在c f p 内掌握媒体控制。c f p 阶段帧交换的过程如图2 3 所示， p c 首先发送数据加轮询帧，经过s i f s 时间后轮询站点发送数据帧给a p p c 同时 捎带上一个收到的数据帧的应答。a p p c 收到数据加应答帧后经过s i f s 时间发送 数据加应答加轮询帧给移动站点，图中表示为d 2 + a c k + p o l l 。经过一系列的数据 交换，p c 发送无竞争周期结束帧c f e n d 标志无竞争阶段的结束；在此，其它站 点重置网络分配向量n a v 。在无竞争阶段结束后，网络进入竞争阶段，所有站点 通过竞争获得网络使用权。 2 2i e e e8 0 2 1l em a c 层结构 i e e e8 0 2 1 1 e 的m a c 层是原8 0 2 1 1 m a c 层的增强版本，它引入了混合协调 功能( h c f ) ，如图2 4 。 图2 4i e e e8 0 2 1 l em a c 层结构 h c f 混合了d c f 机制与p c f 机制，混合协调控制器一般被置于接入点( a p ) 内。i e e e8 0 2 1 l e 在一个超帧( s u p e r - f r a m e ) 中包含两个阶段：竞争阶段( c p ) 和非竞 争阶段( c f p ) 。e d c a 接入方式只能在竞争阶段使用，h c c a 接入方式既可以在竞 争阶段使用也可以在非竞争阶段使用。为了限制单个站点占用公共媒体的时间， i e e e8 0 2 1 1 e 的m a c 层引入了传输机会( t x o p ) 的概念。t x o p 被定义为单个站点 8基于i e e e8 0 2 11 的a dh o t ：网络服务质量研究 可以使用的传输数据帧的一段时间，它用起始时间和持续时间来表示。t x o p 可以 由站点通过竞争来获得，通过这种方式获得的t x o p 被称为e d c a - t x o p 。站点 也可以经由h c 轮询获得t x o p ，用这种方式获得的t x o p 被称为h c c a t x o p 或轮询t x o p 。定义t x o p 的一个重要优点是它限制了单个站点连续占用信道的 时间，从而数据帧的传输延时可以得到有效控制。 2 3 增强型分布式协调访问机制 无论是d c f 机制还是p c f 机制，都没有提供对q o s 的支持，所以8 0 2 1 1 e 的 m a c 层修改了这两种机制，提出了增强式分布协调功能( e n h a n c e dd i s t r i b u t i o n c o o r d i n a t ea c c e s s ，e d c a ) 和h c f 控制信道接入( h c c a ) 机制。本文主要讨论这两 种接入机制。 为了支持区分服务，e d c a 接入机制为无线站点的媒体接入提供了8 种不同 的用户优先级( u p s ) 和4 种不同的接入类另i j ( a c s ) 。不同优先级的服务被映射至不同 的接入类别中。 表2 1e d c a 中a c 的映射关系 优先级 u p8 0 2 1 da c描述 ( u s e rp r i o r i t y ) d e s i g n a t i o n( d e s i g n a t i o n ) ib ka cb k 阿京况 2b ka cb k背景流 低 0b ea cb e尽力而为 3 b ea cb e尽力而为 4c la cv i视频 高 视频5v ia cv i 6v oa cv o语音 7n c a cv o语音 e d c a 接入方式仍采用载波侦听多路访问( c s m a c a ) 协议，与d c f 不同的是 e d c a 拥有4 个竞争参数不同的退避实体( b a c k - o f fe n t i t i e s ) 与4 个不同的接入类别 相对应。根据不同的业务类型，链路层下传的数据包被标记并映射至不同的接入 类别。例如：语音业务数据包被映射至a cv o ，视频业务数据包被映射至a cv i ， 最大努力交付( b e s te f f o r t ) 数据包被映射至a cb e ，而背景( b a c k g r o u n d ) 数据包被映 射至a cb k 。体现不同接入类别的竞争参数主要有：a i f s a c ( a r b i t r a t i o n i n t e r - f r a m es p a c e ) 、最小竞争窗口c w r n i n a c 】、和最大竞争窗口c w m a x a c 】。 a i f s a c 定义了某个a c 在进行退避( b a c k - o f f ) 阶段以前必须等待的媒体空闲时间， 它由a i f s n a c ( a r b i t r a t i o ni n t e r - f r a m es p a c en u m b e r ) 来决定。 第二章i e e e8 0 2 1 l e 原理和机制9 彳z q 胛l = s i r s + a i f s n i 心l x a s l o t t i m e , a i f s n | 一f l 2 ( 2 1 ) 式中s i f s 为最小帧间隔，a s l o t t i m e 为一个时隙的持续时间。因为a i f s n a c t 2 ， 所以a i f s a c 的最小值 7 d c f 接入方式中的d i f s ，较小的a i f s 对应较高的优先 级。初始退避时间从竞争窗口c w 中随机选择，因此较小的竞争窗口值对应的平 均退避时间较小，从而对应较高的优先级。不同接入优先级的退避实体接入关系 示意图如图2 5 所示。 a 。1 f 姒lc k 1 7 i d i f s p l f s 1 竞争宙 7 叭 l i j 信道忙 | | l l 下一帧 ， d 退避过程 图2 5e d c a 帧间隔长度关系 上述的参数a i f s 、c w m i n 和c w m a x 应该结合在一起进行设置。这样，高优 先等级的数据在大多数情况下都可以获得访问无线信道的权限。为高优先级数据 设置的a i f s 值与c w m a x 值相加的和应该大于为低优先级数据设置的a i f s 值与 c w m i n 值相加的和，这样，低优先级的业务类型就不会完全被封锁而失去发送数 据的机会。 e d c a 的退避计数机制与d c f 也有不同，其主要区别是在e d c a 中退避计数 在a i f s 的最后一个时隙就开始，而数据帧的传输在退避计数变为0 后的一个时隙 之后才发生。e d c a 中不同接入类别拥有不同的接入参数集，且各自独立运行。在 竞争过程中，当两个竞争实体的退避计数在同一时间到达0 则产生虚拟碰撞( v i r t u a l c o l l i s i o n ) 。站点内的虚拟碰撞由虚拟碰撞器( v i r t u a lc o n t r o l l e r ) 进行处理，在发生虚 拟碰撞后高优先级的退避实体获得信道的使用权，低优先级的退避实体遭受与真 实碰撞类似的虚拟碰撞，保证了高优先级业务的优先权。 2 4 混合式协调控制信道访问机制 混合式协调控制信道访问机$ 1 j ( h c fc o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s ，h c c a ) 也是一 种基于轮询机制的，使用混合协器r ( h y b r i d c o o r d i n a t o r ，h c ) 来集中管理对无线媒 体访问的信道访问方式，是p c f 机制的延续与扩展。它提供了参数化i 均q o s 保障。 参数化的q o s 是指根据业务的类型与特点制定相应的q o s 参数，满足这些业务特殊 1 0基于i e e e8 0 2 11 的a dh o c 网络服务质量研究 的q o s 需求( 如数据速率，延时等) 。像在p c f 中一样，它也分为竞争期c p 和无竞争 期c f p 。在c p 阶段，使用e d c a 机制竞争信道，而在随后的c f p 阶段，混合协调器 h c 通过发送q o s ( + ) c f p o l l 帧给各个站点( q s t a ) 来查询是否有数据要发送。h c c a 与p c f 关键的不同点在于h c c a 能够在竞争期c p 阶段轮询各个站点( s t a ) ，并能基 于每个站点的具体通信业务流的需要，对数据包进行排序。每一次轮询给予了一 个站点( q s t a ) 发送数据的机会( t x o p ) ，并指明了其可以发送数据的起始时间与最 大持续时间。 t x o p 可由q s t a 在c p 或c f p 阶段通过接收q o s ( + ) c f p o l l 帧获得，整个t x o p 则通 过帧周期网络分配矢量n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r ) 的设置来获得。一个站点在 接收到发给它的q o s ( + ) c f p o l l 帧后，它将在延迟s i f s 后开始发送数据( 见图2 6 ) 。 否则，混合协调器h c 将在信道空闲p i f s 后收回信道的控制权，并将它分配给其他 的无线站点。 i u r 图2 6h c c a 协议的帧交换过程 当混合协调器h c 需要接入无线媒体以便开始c f p 时，如果无线媒体在一个 p i f s 周期内被确定为空闲时，h c 就发送允许的帧交互序列的第一帧。在c f p 阶段， h c 等待一个p i f s 周期，如果无线媒体空闲，则继续发送数据。在轮询t x o p 内， 所有非结束帧交互序列( 如传输单播q o s 数据或管理帧序y 0 ) 的最后一帧发送完成 后，h c 或当前t x o p 的拥有者在等待一个s i f s 周期后，就可以开始发送下一帧交 互序列的第一帧。q s t a ( 包括h c ) 需要在s i f s 后对任一帧交互序列做出响应。如果 在s i f s 后的第一个时隙中，没有收到期望中的响应帧，q s t a 可在最后传输结束后 的p i f s 开始发送恢复进程( p i f s 后的恢复进程只允许期待响应的q s t a 发送) 。该 q s t a 是q o s ( + ) c f p o l l 情况下的h c 或是c f p 周期内发送q o s 数据帧的t x o p 拥有 者。在h c c a 中，混合协调器h c 通过q o s ( + ) c f p o l l 只是给予某个站点( s 1 a ) 发送数 据的机会，并不决定哪个等级的业务发送数据。h c c a 是通过由s t a 决定发送哪个 等级的数据提供q o s 保证机制的。 在h c c a 接入方式下，q o s 站点( q s t a ) 必须先发送传输需求给混合协调器 h c 。如果q s t a 的传输需求被接纳，贝j j q o s 接入点( q a p ) 发送一个下行数据帧给 第二章i e e e8 0 2 1 1 e 原理和机制 q s t a 指示需求被接纳。在此之后，一个被称为传输流( t r a f f i cs t r e a m ，t s ) 的虚 拟连接被建立。q s t a 在每次收到轮询后获得一个t x o p 。 8 0 2 1 1 e 协议给出了一种简单的参考调度和接入算法来确定t s 是否被接纳以及 t x o p 如何被分配。在这个调度方式下，q s t a 首先发送q o s 请求数据包给q a p 。 这个请求数据包中包含了t s 平均数据率、m a c 服务数据单元( m s d u ) 的大小和 最大服务时间间隔( s e r v i c ei n t e r v a l ，s i ) 等服务质量信息。q a p 在收到这些信息 后首先确定所有s i 的最小值，然后确定小于这个最d x s i 的超帧时间为最大子部分划 分超帧。 在每个划分的开始q a p 用r o u n d r o b i n 轮询算法轮询q s t a 。无竞争阶段c f p 结 束后，进入竞争阶段，在竞争阶段中，e d c a 接入方式和控制接入阶段交替执行直 到下一个信标帧的发出。在q a p 决定s i 后，它再决定分配给所有执行h c c a 接入方 式的q s t a 的不同t s 的t x o p 。t x o p 时间决定了在一个s i 中t s 队列可以传输的数 据包的数量。 2 5 接入机制的比较 1 e d c a 机制和d c f 机制的不同： e d c a 机制引入了业务优先级的概念，对于不同业务类型设定不同的优先级， 高优先级的多媒体实时业务( 如视频，语音) 具有更多的机会接入信道，降低了这些 业务的时间延迟。 具有更加灵活的帧间间隔一仲裁帧间间隔a i f s 。不同的访问类型a c 有着不 同的a i f s 值，a i f s 值越小，优先级越高。较小的a i f s 值意味着视频、语音等多媒 体实时业务能够比不太敏感的一般数据通信更快地接入无线网络，从而实现实时 通信。 不同的访问类型a c 在等待信道空闲以后，进入退避时的竞争窗口c w 的大小 也不同，对于每个a c ，有不同的c w m i n a c 及c w m a x a c 。优先级越高的a c ， c w m i n a c 和c w m a x a c 值越小。 引入了发送机会( t x o p ) 的概念。t x o p 是q s t a 有权在无线信道上发送帧交 互序列的时隙时间，q s t a 应确保它的t x o p 的持续时间不会超出规则指定的t x o p 最大持续时间，如果要发送的数据太大而不能在一个t x o p 限制内发送完，则这个 站点就把该数据包分多次发送。 可以使无线接入点( a p ) 能够根据无线站点( s t a ) 的数据类型与丢包、时延及 抖动的敏感度分配无线资源，提高了无线带宽的利用率和数据包的管理能力。 2 h c c a 机制和p c f 机制的不同： 由于h c c a 机制的工作也分为竞争期c p 和无竞争期c f p ，在竞争期c p 阶段， 1 2基于i e e e8 0 2 1 l 的a dh o e 网络服务质量研究 使用e d c a 机制竞争信道，因此它具有上述的e d c a 优于d c f 的全部优点。 h c c a 能, 够在竞争期c p 阶段轮询站点，并能基于q s t a 具体通信业务流的需 要，对数据包进行排序，而不像p c f 那样，只能在无竞争期c f p 阶段轮询站点。 混合协调器h c 具有比其他站点( s t a ) 都高的优先权。由于帧间隔p i f s 比d i f s 和a i f s 都要短，因此h c 无需与其他站点竞争，就可以获得信道的控制权。 h c c a 中的轮询t x o p 具有q o s ( + ) c f p o l l 帧描述的周期，在一个t x o p 的时间 间隔内，一个q s t a n - i 通过发送多个序列交互帧实现h c 的虚拟载波检测，从而提 供改进的c f p 保护。 2 6 本章小结 本章对传统的i e e e s 0 2 1 l 标准m a c 层接入机制和发布的i e e e 8 0 2 1 1 e 标准所 推出的旨在提高多媒体实时业务q o s 的新技术做了较为详细的分析，从分析中可看 出，i e e e s 0 2 1 l e 标准提供了综合的q o s 解决方案，较原先8 0 2 1 1 标准已有了显著的 改进，基本能满足多媒体实时业务在网络中的q o s 要求。 第三章a dh o e 网络基于资源预约的m a c 协议 1 3 第三章a dh o e 网络基于资源预约的m a c 协议 3 1 引言 无线a dh o e 网络中支持业务区分的m a c 机制虽然能够为实时业务提供较高的 优先级，却无法满足实时业务严格的q o s 保障。尽管对协议参数的动态调整可以提 高系统性能，相关的自适应后退算法通过减少冲突来提高信道利用率，但是协议 的性能无法实现整体最优，尤其在网络拥塞时，这些算法很难保障实时业务的q o s 。 对此问题的一个解决方法就是采用基于资源预约的m a c 机制，为实时业务提供延 时和带宽保证。 现有的提供资源预约的m a c 机制主要可以分为两类。一类是要求网络中的节 点之间时间要同步，由于目前g p s 技术和跳频同步技术的广泛应用，这类m a c 机 制实现简单，适用于规模较大的网络。另一类不需要网络同步，即异步机制。异 步机制由于其实现简单、开销小的特点更适合资源匮乏的a dh o e 网络。 3 2 1f p i 冲协议 3 2 采用同步机制的资源预约协议 f p r p i 】它是基于t d m a 的一个5 阶段预约协议，具有资源预约能力。f p r p 要 求网络中所有节点同步，同时，在连续两次f p r p i 作间隙，网络拓扑相对稳定。 f p r p 的帧结构如图3 1 所示，由r f