（通信与信息系统专业论文）ieee80211e协议qos研究.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 l 工作组制订的i e e e8 0 2 1 1 e 协议己在2 0 0 5 年l o 月正式发布。i e e e8 0 2 1 l e 协议的目的在于在无线局域网中为多媒体业务提供q o s 支持。在这个新的协议中，它引入 了混合协调功能( h c f ) 。根据竞争介质的方式不同，混合协调功能包含了增强的分布式 协调控制接入机制( e d c a ) 和混合协调点控制接入机制( h c c a ) 。本文在简要分析传 统的i e e e8 0 2 11 协议支持q o s 的局限性基础上。较为深入地分析了混合协调功能的两种 接入机制支持多媒体业务的q o s 性能。 首先，对e d c a 的特点进行了分析，比较了传统的d c f ( 分布式协调功能) 和e d c a 竞争介质的区别，明确了e d c a 的优点：利用四维马尔可夫链模型分析了饱和状态下采用 e d c a 机制竞争介质所获得的平均延时，吞吐量和丢包率；通过对比理论计算与仿真结果 验证了理论推导的砸确性，为工程实践提供了一种理论分析网络性能的研究方法；同时考 察了e d c a 区分等级的q o s 支持能力。 其次，对h c c a 的轮询调度机制进行了分析，讨论了协议给出的简单调度算法对多媒 体业务的q o s 支持情况，并针对上述调度算法的不足，对简单调度算法进行改进，给出了 一种适用于可变比特速率业务的动态调度算法。 最后，在仿真软件n s 2 上实现了经过改进获得的新算法，利用n s 2 对简单调度算法 和适用于变比特速率业务的动态调度算法进行了仿真，对仿真结果进行了比较，分析。 关键词：无线局域网：服务质量：介质访问协议；混合协调功能；e d c a ；h c c a 第1 页 a b s t r a c t n 圮i e e e8 0 2 1l e ，e s t a b l i s h e db yt h et 嬲kg r o u peo fi e e e8 0 2 1 1 ，w a si s s u e di no c t o b e r 2 0 0 5 s u p p o r t i n gl o c a la r e an e t w o r ka p p l i c a t i o n sw i t hq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s ， i n c l u d i i l gt h et r a n s p o r to fv o i c e a u d i o 。a n dv i d e oo v e ri e e e8 0 2 “w i r e l e s s1 0 c a la r e an e t w o r k ( w l a n li st h ep u r p o s eo fi e e e8 0 2 11 e i ti n t m d u c e san e wc o o r d i n a t i o nf u n o t i o n ，c a l l e d h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( h c f ) h c fc o n t a i n st w oa c c e s sm e c h a n i s m s ：t h ee n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a u n e la c c e s sr e d c a ) a n dh y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o nc o n t r o l l e dc h a n n e l a c c e s sm c c a ) a f t e rd i s c u s s i n gt h el i m i t m i o no ft h et e e e8 0 2 1 lm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ，t h ea u t h o rg i v e sac o m p r e h e n s i v es t u d yo f t h et w o a c c e s sm e c h a n i s m so f t h eh c f f i r s t t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee d c a a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s sf u n c t i o n ( d c f ) a n dt h ee d c a t h ea u t h o rp r e s e n t s h i s d e v e l o p m e n to faf o u r - d i m e n s i o nd i s c r e t et i m em a r k o vc h a i n t h ea u t h o ra n a l y z e sm e a nd e l a y ， t h r o u g h p u ta n dd r o pp e r f o r m a n c eu n d e r s a t u r a t i o nc o n d i t i o no fe d c a b yc o m p a r i n gt h er e s u l t o ft h ec a l c u l a t i o nw i t ht h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n t h ea u t h o rv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so ft h e c a l c u l a t i o na n dt h eq o ss u p p o r ta b i l 畸o fe d c a t h i sa n a l y t i c a lm e t h o di sag o o dm e t h o df o r e n g i n e e r i n gt oa n a l y z et h ea b i l i t yo f w i r e l e s sn e t w o r k s e c o n d t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ef f a m e w o r kf o rq o st r a m cs c h e d u l i n go ft h eh c c a t h e f e a t u r e sa n df u n c t i o n a l i t vo ft h es i m p l es c h e d u l e r 。w h i c hi sp r e s e n t e di ni e e e8 0 2 1 l ei s s t u d i e di nd e t a i l s i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eh c c as c h e d u l e r t h ea u t h o r p r o p o s e san e ws c h e d u l e rw h i c hc a na c h i e v em o r ef l e x i b l ea n de m c i e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o n 1 1 1 i r d t h en e ws c h e d u l e ri sr e a l i z e du s i n gn e t w o r ks i m u l a t o r2 n l ea u t h o ra n a l y z e st h e s i m u l a t i o nr e s u l to f t h es i m p l es c h e d u l e ra n dt h en e ws c h e d u l e r k e yw 0 r d s ：w i r e l e s sk o c a ia t e an e t w o r k ；q u a i l t yo fs e r v i c e ；m e d i u ma c c e s sc o n t r o i p r o t o c o l ；h y b r i dc 0 0 r d i n a t i o nf u n c t i o n ；e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e ia c c e s s ；h y b r i d c 0 0 r c i i n a t i o nf u n c t i o nc o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s 第1 i 页 信息t 稃人学硕十学付论文 表目录 表le 1 ) c a 中优先级与接入类别的对应关系 表2q o s 控制域参数 表3e d c a 的默认参数 表4e d c a 和h c c a 两种m a c 机制比较 表5i e e e8 0 2 1 l b 的默认参数 表6v i c ( v b r ) 业务参数 表7v o i d ( c b r ) 业务参数 表8v o i p 的q o s 分级 表9 视频会议的q o s 要求 0 n m坫嬲盯卵船船 信息1 。稃大学硕十学付论文 图目录 图1 未来4 g 的多技术标准组织架构及8 0 2 1 1w l a n 在其中的位置2 图24 g 中i e e e8 0 2 1 l n 的极高速物理层能力2 图3 未来无线通信系统多终端、多业务汇聚网络3 图4d c f 的基本接入过程7 图5 在利用r t s c t s 时的数据帧发送过程及n a v 的设置7 图6p c f 下发送分组示意图8 图7t s p e c 结构示意图1 0 图8i e e e8 0 2 1 1 e 通用帧结构1 l 图9i e e e8 0 2 1 l e 几种帧间间隔的关系1 2 图l o 利用d c f 和e d c a 机制竞争信道示意图1 3 图1 li e e e8 0 2 1 1 e 超帧中c f p 、c p 和c a p 关系1 4 图1 2i e e e8 0 2 1 l eh c f 超帧的结构1 5 图1 3 退避实例的马尔可夫链模型1 9 图1 4 马尔可夫链子链示意图2 0 图1 5 网络模型( e d c a ) 2 5 图1 6e d c a 延时2 6 图1 7e d c a 吞吐量2 7 图1 8e d c a 丢包率2 7 图1 9 简单调度算法t x o p 分配示意图3 0 图2 0 动态调度算法t x o p 分配示意图3 3 图2 1 实现了动态调度算法的n s 2 2 7 的功能结构示意图3 4 图2 2 动态调度算法流程图3 5 图2 3o o s 帧的分类及对应关系3 6 图2 4 网络模型与业务配置( h c c a ) 3 7 图2 5 在两种算法下的时延3 8 图2 6 在两种算法下的吞吐量3 9 图2 7 在两种算法下的丢包率3 9 图2 8 涉及到的源文件4 9 图2 9 理想状态下c a p 内的相关事件5 l 第v i 页 独创性声明 所提交的学位论文是本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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 信息 r 稃火学硕十学位论文 第一章绪论 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网发展概况及趋势 从1 9 9 7 年6 月最初的i e e e8 0 2 1 l 标准被审定通过以来，经过1 0 几年的发展已经成 为世界上使用最为广泛的无线局域网标准。 传统意义上的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的主要应用场景为局部范围( 办公楼、园区、 车站、机场等) 的热点区域覆盖，通信距离一般为几百米，目前主流标准i e e e8 0 2 1 l b 的 峰值物理链路速率达到1l m b p s ，而i e e e8 0 2 1l a 、i e e e8 0 2 1l g 标准的峰值物理链路速率 为5 4 m b p s ；注意到i e e e8 0 2 1 1 协议丌发之初定位在固定环境下菲实时数据业务( 主要是 计算机数掘) 的应用，虽然全球通信业界一直不断努力探讨i e e e8 0 2 11 对话音、视频流 媒体等实时业务的支持能力，也进行了车速在5 0 k m 以下移动环境应用的若干尝试，但到 目前为止效果还不理想。这中f b j 主要原因在于i e e e8 0 2 1t 系列协议在设计之初考虑的应 用局限所致；为此。2 0 0 5 年i e e e 发和了支持多媒体业务q o s 的i e e e8 0 2 1 l e ，为i e e e 8 0 2 1 1 标准下的实时多媒体业务服务提供了基础性的协议支持，使得基于i e e e8 0 2 1 1 标 准的无线局域网从传统的非实时数掘无线局域应用向综合业务无线局域网的演进成为可 能。 考虑到i e e e8 0 2 11 系列无线局域网接入标准已经有1 0 几年的发展，其组网设备简单、 网络结构灵活、全球有数以百家的设备商支持，因此今后以i e e e8 0 2 1 1 协议为基础的无 线局域接入还存在相当大的发展空间，从2 0 0 2 年开始i n t e l 的迅驰系列处理器的出现和广 泛使用就是很好的例证。 2 0 0 5 年，最新的i e e e8 0 2 1i n 将w l a n 的传输速率从i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1l g 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为i e e e8 0 2 ，ll b 、i e e e8 0 2 1 1 a 、 i e e e8 0 2 1 l g 之后的另一场重头戏。和以往地i e e e8 0 2 1 1 标准不同，i e e e8 0 2 i i n 协议 为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) ，这样i e e e8 0 2 1 i n 保障了与以 往的i e e e8 0 2 1l a ，b ，g 标准兼容。 i e e e8 0 2 1 1 n 采用m i m o 与o f d m 相结合的技术，使传输速率成倍提高。另外，天 线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里( 并且能够保 障1 0 0 m b p s 的传输速率) 。i e e e 8 0 2 1l n 标准全面改进了i e e e8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物 理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能，优化数掘帧结构， 提高网络的吞吐量性能。 2 0 0 3 年后，国际上开始了未来第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究及协议制定，在未来 的4 g 系统中，i e e e8 0 2 1 l 协议标准的增强无线局域网技术仍然占有非常重要的位冒，以 下是韩国e t r i 的相关资料： 第1 页 信息r 捍人学硕十学付论文 ，|f 图1 未来4 g 的多技术标准组织架构及8 0 2 1 11 i l a n 在其中的位置 幽24 g 中i e e e8 0 2 1 i n 的极高速物理层能力 从未来i e e e8 0 2 11 的发展趋势看，有2 个最为重要的演进趋势：一个是基于i e e e 8 0 2 1 l n 的极高速物理层增强技术，另一个是源于i e e e8 0 2 1 l e 的综合业务服务质量保障 问题的解决。本文的研究内容集中于第2 个问题上。 1 2i e e e8 0 2 1 1 e0 0 s 性能的研究现状 多媒体应用近年来发展迅速，人们希望即使是在移动中还是能够顺利接收图像、声音 第2 页 信息f 拌人学硕_ i ：学何论文 及其它一般性的数据资料。而对于这些具有即时性的多媒体应用，我们必须根据具不同的 需求，提供例如带宽、延时及丢包率的保证，以适应这些业务的q o s 要求，确保多媒体播 放的流畅性。未束的无线通信，一定是强调支持多业务综合服务的、多终端会聚网络。 幽3 术来无线通信系统多终端、多业务汇聚网络 如何在i e e e8 0 2 1 lw l a n 上提供q o s 支持，使其在未来4 g 网络中发挥应有的作用， 是目前重要的研究方向之一，是一个相当值得研究的课题。i e e e8 0 2 1 1 e 工作小组的宗旨 是在i e e e8 0 2 1 lw l a n 上支持q o s 。i e e e8 0 2 1 l e l 3j 协议已经于2 0 0 5 年1 0 月正式公佰， 在这个新的协议中引入了h c f ( 混合协调功能) 来增强i e e e8 0 2 1 1w l a n 对多媒体业务 的q o s 支持。h c f 包括e d c a ( 增强的分前i 式接入控制) 和h c c a ( 混合协调接入控制) 两种媒体接入控制机制，此前对e d c a 支持q o s 性能的研究大多停留在应用一些模拟软 件进行模拟，与标准的i e e e8 0 2 11 协议进行性能比较上，而很少从严格的数学分析角度 全面给出e d c a 支持q o s 性能。对h c c a 支持q o s 性能的研究还不是很多，而协议中提 供的简单调度算法根本无法满足多媒体业务q o s 的要求，因此对于改进协议中给出的简单 调度算法，给出一个能适应多媒体业务需求的调度算法显得非常的必要。 1 3 课题研究的内容及论文结构 本文首先对i e e e8 0 2 1l e 协议作了研究和分析，较为全面地分析了i e e e8 0 2 1 1 e 协议 的e d c a 、h c c a 这两种接入机制；根据e d c a 的特点。应用四维的马尔可夫链模型分析 了理想情况下饱和状态的e d c a 的延时、吞吐量和丢包率，并对理论分析的结果与在n s2 上的模拟结果进行了比较、分析：对i e e e8 0 2 1 l e 协议中给出的简单调度算法进行了改进， 第3 页 信息i 稃人学硕十学何论文 给出了一个适用于v b r 业务的h c c a 动念调度算法，并在n s2 上实现了该动念调度算法， 应用n s2 对简单调度算法和适用于v b r 业务的h c c a 动态调度算法进行了仿真，对仿真 结果进行了分析。 本论文各个章节的具体研究内容如下： 第一章，介绍了本论文研究的背景，强调了i e e e8 0 2 1 1 协议在未来无线通信标准发 展中的2 个重要趋势，概述了i e e e8 0 2 1 l e 协议研究的现状及其本文的研究内容。 第二章，简要介绍了q o s 的基本概念，并分析了传统i e e e8 0 2 1 l 标准定义的d c f 、 p c f 机制的特点及其对q o s 支持的局限性，较为深入地对i e e e8 0 2 1 1 e 协议进行了分析， 分别就i e e e8 0 2 1l e 协议的e d c a 机制和h c c a 机制的q o s 技术进行了讨论，分析了上 述两种机制的新特点，最后叙述了i e e e8 0 2 1 l e 协议新增的增强q o s 方面的改进。 第三章，应用四维的马尔可夫链对饱和状态下的e d c a 性能进行了分析，通过四维的 马尔可夫链分析了e d c a 机制下一个退避实例的转移概率、系统概率，然后分析了饱和状 态下e d c a 的延时、吞吐量和丢包率，最后应用仿真软件n s2 对理论分析的结果进行了 评估。除了从数学分析的角度分析e d c a 的q o s 性能以外，在本章还考察了e d c a 区分 等级的q o s 支持能力。为工程实践提供了一种理论分析e d c a 网络性能的研究方法。 第四章，讨论了i e e e8 0 2 1 l e 协议附录中给出的简单调度算法( s i m p l es c h e d u l e r ) 及 其支持可变比特速率业务( v b r ) 时存在的缺陷；针对简单调度算法存在的问题，对简单 调度算法进行了改进，给出了一种适用于实时v b r 业务的h c c a 动态调度算法并在n s 2 2 7 上实现了适用于实时v b r 业务的h c c a 动态调度算法，本章最后给出了两种调度算 法的性能仿真结果并进行了比较分析，结果表明新算法对于v b r 业务的q o s 性能有明显 改进。 第五章，总结了本论文的工作情况，说明了后期进一步工作的主要内容。 第4 页 信息丁稃大学硕十学忙论文 第二章无线局域网的q o s 问题及i e e e8 0 2 1 1 e 概述 m a c 层q o s 的核心研究内容为：在有限链路资源的前提下尽可能地提高吞吐量并减 小时延；与此同时可以根掘业务流的优先级提供有区别q o s 支持。本章在介绍了q o s 基 础知识以后，分析了传统i e e e8 0 2 1 l 无线局域网支持q o s 的局限性和i e e e8 0 2 1 l e 的 h c f 机制支持多媒体业务q o s 的改进及特点。 2 1i e e e8 0 2 1 l 无线局域网的q o s 问题 2 1 1o o s 基础 服务质量q o s 是对通信网络承载通信业务时的业务性能的集中体现。对用户而言，它 表现为用户对业务质量的要求。对网络而占，它表现为网络的性能。而对运营商而言，它 表现在为用户提供的通信服务的品质。这些业务性能决定了用户对业务的满意程度。 从严格意义上说，q o s 被定义为：能够满足同步业务的传输所需提供的带宽，保证在 维护特定的连接质量、延时、抖动参数的情况下，能够达到的所需带宽的能力。一般来说， q o s 需求是人们对声音、音频、视频等实时业务的感性认识。q o s 通常是一种端到端概念， 网络中的任何瓶颈都会影响服务质量。q o s 参数包括传输速率、延时、抖动、错误率，他 们也是多媒体传输网络中最重要的几个参数。 吞吐量 吞吐量是指网络传送二进制的速率，也称比特率，或带宽，通常指比特率。有的多媒 体应用所产生数掘速率是恒定的，称为恒比特率c b r ( c o n s t a n t b i t r a t e ) 应用，而有的应 用则是可变比特率v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 的。用来衡量比特率变化的量称为突发度 ( b u r s t n e s s ) 。持续的、大数掘量的传输是多媒体信息传输的一个特点。 传输延时 网络的传输延时定义为信源发送出第一个比特到信宿接收到第一个比特之问的时间 差，它包括电( 或光) 信号在物理介质中的传播延时和数据在网中的处理延时( 如复用 解复用时间、在节点中的排队和切换时日j 等) 。 另一个常用到的参数是端到端延时。它通常指一组数据在信源终端上准备好数据发送 的时刻，到信宿终端收到这组数掘的时刻之日j 的时日j 差。端到端的延时，包括在发端数据 准备好而等待网络接受这组数掘的时间，传送这组数据( 从第一个比特到最后一个比特) 的时间和网络的传输延时3 个部分。在考虑到人的视觉、听觉主观效果时，端到端的延时 还往往包括数掘在收、发两个终端设备中的处理时间。例如，发、收终端的缓存器延时、 音频和视频信号的压缩解码时间、打包和拆包延时等。 延时抖动 网络传输延时的变化称为网络的延时抖动。度量延时抖动的方法有多种，其中一种是 第5 页 信息l + 稃人学硕十学付论文 用在一段时i t 日j 内最长和最短的传输延时之差来表示。延时抖动将破坏多媒体的同步，从而 影响音频和视频信号的播放质量。可以考虑在接收端增加缓冲区大小，以减小延时抖动。 但这样会增加端到端的延时，因此需要两个指标综合考虑。 错误率 在传输系统中产生的错误由以下几种方式度量： 4 误比特率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，指在接收端收到的错误比特数目同发送端发 出的总的比特数目之比。b e r 通常主要衡量传输介质的质量。 4 包错误率( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) ，是指由于同一个包两次接收、包丢失或 包的次序颠倒而引起的包的错误。包丢失的原因可能是由于包头信息的错误而未被接 收，但更主要的原因往往是由于网络捌塞造成包的传输延时过长、超过了应该到达的 时限而被接收端丢弃，或网络节点来不及处理而被节点丢弃。 濞 包丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ，p l r ) 或信元丢失率( c e l ll o s sr a t e ，c l r ) ，它 与p e r 类似，但只关一t l , 包的丢失情况。 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 协议支持0 0 s 方面的局限性 在无线局域网中传输文本以及其它相对简单类型的数据并不需要复杂的q o s 机制。传 统的无线网络并不特别关注q o s ，因为需要传输的只是简单的数据而不是多媒体业务，此 时终端用户使用传统的无线网络并不受影响。但是，由于无线局域网已经具有较高的传输 速率，使用无线局域网的企业和家庭用户迅速增多。它的应用也越来越广泛，因此对q o s 也提出了新的需求，用户丌始追求能够提供低误码，高实时性的语音、音频和视频流的无 线局域网服务。 在i e e e8 0 2 1 1 t 1 , 4 , 5 1 协议中定义了两种m a c 层接入机制：d c f ( 分布式协调功能) 和 p c f ( 点协调功能) 。其中d c f 为强制要求的，而p c f 为可选的。在选用了p c f 时，d c f 工作在超帧的c p ( 竞争周期) ，p c f 工作在超帧的c f p ( 无竞争周期) 。 2 1 2 1d g f d c f 使用c s m a c a ( 载波监听，多点接入冲突避免) 的信道共享机制，简而言之就 是在发送数据之前先监听信道。c s m a c a 采用二进制指数回退算法竞争信道以避免冲突。 在d c f 中采用以下两种方式相结合进行载波监听：( 1 ) 物理层的载波监听，这和有线网 络中的监听没有什么区别：( 2 ) 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 ) 机制，n a v 实际上是 一个倒计时计数器。在利用r t s c t s 机制时解决隐藏节点问题时，计数器的数值根据 r t s c t s 帧中提供的预留时间生成。为了解决隐藏节点问题，在数据传输之前发送方要发 送r t s 帧，接收方需要应答c t s ，r t s c t s 帧中带有数据传输需要的预留时问信息。从 而其他s t a 根掘r t s 帧中的信息可以设置自己的n a v 变量。如果在数掘传输中没用利用 r t s c t s 机制，则根掘数掘1 9 贞中的相关时间信息设置n a v 变量。 当一个s t a 监听到信道空闲时问达d i f s 时，按照二进制回退算法延迟一定随机时间 第6 页 信息i 。w 人学硕十学何论文 以后( 根掘叫退算法讨算窗口c w ，然后选取i o ，c w l l 之1 日j 的一个随机值) ，如果信道 仍然空闲就可以发送数掘了，如图4 所示，a c k 可以在最短的帧间间隔s i f s 后立即发送， 但是s t a 只有在信道空闲时j b j 大于d i f s 以后爿可以开始新的数据传输过程( 二进制回退， 竞争信道，发送) 。利用d c f 机制，竞争窗口最小的移动站获得信道的使用权，但是当两 个移动站的回退窗口同时到零，都发送数据时则会产生冲突。 cp i r s 。， 竞争窗口 j o i l 苫 陧鸟 1 f - i 吐忙i，v 飞一帐 ls 。tt ；m 延迟接入 如果信道空闲盯始递减竞争窗口的值 图4d c f 的基本接入过程 在图4 中，s i f s 、p i f s 和d i f s 分别为i e e e8 0 2 1 1 协议中定义的几个帧问间隔，它 们分别对应短帧帧日j 日j 隔、p c f 帧问日j 隔和d c f 帧问间隔。，z f s = 龇心+ 口s z d f f 加e ， d i f s = s i f s + 2 x a s l o t t i m e ，s i f s 和a s l o t t i m e 由物理层参数决定。 - 二= 叫! i 厂1 雨 发送站 一岬， 接收一 l 。b ，历面歹 冀仑站 ”“。撤鲥1 5 吐鬣 j ， 蜒世接入r琏退后豹h 坦 幽5 在利川r t s c t s 时的数据帧发送过稃及n a v 的设置 c s m a c a 机制对于尽力服务型数掘支持非常好，是公平、健壮的算法；但是对于时 间敏感型数掘却不能保证时延，带宽利用率也由于争用而损失。一方面数据率偏低，另一 方面传输物理层头标导致的头标开销过大；如果考虑到利用r t s c t s 来避免隐藏节点，效 率又会进一步的降低。 2 1 2 2p c f p c f 是i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的可选模式，通过使用更短的帧i 日j 间隔p i f s 和s i f s 来回收和分配信道的控制权。p c f 在设计上支持一些基本的q o s 并能够较好地利用带宽。 p c f 基于集中化的信道资源控制，点协调器p c 通常驻留在a p ( 接入点) 上，p c 维护一 个轮询列表。在c f p ，p c 轮询列表内的所有s t a 。c f p 可以从n t t ( 信标传输时间) 后 开始，维持到协议规定的允许最大时间；如果所有的s t a 都被轮询过，p c 也可以发送一 第7 页 信息- r 稃火学硕十学付论文 个c f _ e n d 帧i 巾提i j 结束c f p 。同时在p c f 模式下，为了提高效率，a c k 帧和轮洵帧口丁 以合并发送。 ： 竞争聊 、 i 高褊毓译 ， 竞争期 卜拶掣t 嗽掣l = 咖 h a v 鼷黼懋缀徽黝滋霖阐燃燃黼溺戳燃滋懋愿懋麟鬻漱黼 ：被轮咖的站发送的帧 幽6p c ff 发送分组不惫图 p c f 在使用上有很多限制。第一，c f p 周期的起始时间没有严格的周期性，只能在介 质空闲以后j 能丌始；第二，由于在p c 上维护的轮询列表对所有的s t a 都同等对待，不 区分服务等级；第三，c f p 周期的重复率是不可变的，存在低时延应用程序要求c f p 重复 率高和介质效率高要求c f p 重复低之间的平衡问题；第四，p c 无论s t a 是否有数据要发 送，都会进行轮询。最后，每个s t a 在一次轮询过程中只能发送一个分组。 2 2i e e e8 0 2 1 1 e 概述 i e e e8 0 2 1 l e 3 1 协议是为了增强i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的q o s ，以便在i e e e8 0 2 1 l 无线局域网中能支持话音、音频和视频等对q o s 有较高要求的多媒体业务而制定的。 2 2 1i e e e8 0 2 i l e 基础 2 2 1 1 相关名词介绍 c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ：协调功能，决定b s s ( 基本服务区) 内的移动站什么时候通 过无线信道发送或者接收分组的逻辑功能。一个b s s 内的协调功能有以下几种组合：d c f 、 h c f ( 混合协调功能) + d c f 、h c f + p c f + d c f 。一个q b s s ( 支持q o s 的基本服务区) 内 的协调功能为h c f + d c f 。 a c c e s sc a t e g o r y ( a c ) ：接入类别，在e d c a ( 增强的分布式接入控制) 方式下， q s t a 根据不同的a c 参数柬支持不同优先级业务的q o s 。i e e e8 0 2 1 1 e 定义了四种a c s ， 分别是：a c _ b k ，a c b e ，a c - y i 和a c v 0 ，在e d c a 中，八个用户优先级( u p ) 对 应四个a c 。具体如表1 。 第8 页 笪垦：! ：型盔竺堡堂竺丝茎 表le d c a 中优先级与接入类别的对应关系 ( s 5d e s i g n a t i o n p r i o r i t y c ( i n f o r m a t l v e ) p rl o r i t y ) l cb k b a c k g r o u n d 低 2 a cb k b a c k g r o u n d o cb e b e s te f f o r t 3 cb eb e s te f f o r t 4a cv i v i d e o 5 cv iv i d e o 高6 cv 0 v o i c e 7 cv ov o i c e c o n t r o l l e da c c e s sp h a s e ( c a p ) ：在h c c a 方式下，如果h c 准备发送分组，并 监听到信道有超过p i f s 目j 隔以上的空闲，则h c 可以得到信道的控制权，由h c 控制，分 配信道使用权的这段时间称为c a p ，它可以包含多个连续的h c c at x o p s 。c a p 期间采 用集中控制的方式使用信道，c a p 也可以分散在c p 之中，使得在竞争期间也可以有非竞 争式的分组发送，这一点与i e e e8 0 2 1 1 有很大的不同。 e 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 ) ：增强的分布式介质接入控制；指 q b s s 内的q s t a 利用基于优先级的c s m a c a ( 载波监听，冲突避免) 方式竞争信道以 支持基于优先级的q o s 。q a p 也可以应用这种机制来竞争信道，同时e d c a 还可以与 h c c a 一起使用。 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 ) ：h c 以非竞争方式协调q s t a 之间下行、 上行和直接分组传输的利用信道的介质接入控制方式。 h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( h c f ) ：混合协调功能，是i e e e8 0 2 11 e 协议制定的 m a c 层介质接入机制，它包括增强的基于竞争的和无竞争的两种介质接入控制方式( 即 e d c a 和h c c a ) ，以使q s t a s 支持基于优先级的q o s 服务和基于参数的q o s 服务，同 时h c f 还支持非q s t a 的尽力传送的分组传输方式。 h y b r i dc o o r d i n a t o r ( h c ) ：在h c f 中为支持q o s 功能而定义的一种协调点，h c 通过分配t x o p s 束执行带宽管理功能，h c 可以工作在c p 和c f p 期间，h c 由q a p 担任。 p a r a m e t e r i z e dq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) ：根据与m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t s ) 相关连的业务流的参数束确定分配给m p d u 的发送机会：主要应用于h c c a 机制。 p r i o r i t i z e dq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) ：优先级较高的m p d u 可以获得比优先级较低 的m p d u 更多的发送分组的机会，主要应用于e d c a 机制。 q a p 、q b s s 、q b s s 和q s t a - 分别代表支持q o s 的a p ( 接入点) 、b s s ( 基 本服务区) 、i b s s ( 独立结构服务区) 和s t a ( 移动站) 。 第9 页 信息1 释人学硕十学付论文 s e r v i c ep e r i o d ( s p ) ：可以发送一个或几个分组给某一个q s t a 或者是分配一个 或者是几个t x o p s 给同一q s t a 的一段连续的时问；也可以是既发送了分组，也分配了 t x o p s 给同一个q s t a 的一段连续时日j 。 s i ( s e r v i c ei n t e r v a l ，用于h c c a 方式) ：连续两个s p 起始时间的i 日j 隔。 t c ( t r a f f i cc a t e g o r y ，用于e d c a 下) ：根据上层业务的不同优先级来确定m s d u s 的标签值；用于支持p r i o r i t i z e dq o s 。e d c a 的用户优先级与i e e e8 0 2 1 1 d 的用户优先级 相同。 t m f f i ci d e n t i f i e r ( t i d ) ：上层用于区分支持q o s 功能的m a c 数据服务的标识符。 在i e e e8 0 2 1 1 e 中定义了1 6 个t i d 值，8 个用束分辨p r i o r i t i z e dt c s ，另外8 个用于分辨 p a r 狮e t e r i z e dt s s 。 t r a f f i cs p e c i f i c a t i o n ( t s p e c ) ：发给q s t a 或者是q s t a 发送的数掘流的q o s 参 数；是i e e e8 0 2 1 l e 协议要求的一种新增信息元素。t s p e c 的格式如图7 所示。 m 别。旧；“l t s l a f o | m s n o 吣r m l n 。a li m s m 搿a x 恐i 虢i 溉旧n a c 。t l v ? l tm s u s p e 。n s l o 。n 字节：1 13224444 is e r v l c em l n in r i n lm e a n d a t ap e a kd a t a b u r s ts i z e d e l a y m l a l m u m s u r p u s m e d i u m is t a r tt 1 m ed a t ar a t er a t er a t eb o u n dp h yr a t e b a n d w l d t h t 1 m e l a l l o w a n c e 字节：4 4 图7t s p e c 结构示意图 t r a f f i cs t r e a m ( t s ，用于h c c a ) ：用特定t s p e cq o s 参数所描述的一组m s d u s 称为一条t s ，用于支持p a r a m e t e r i z e dq o s 。 t x o p ( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ) ：发送机会，q s t a 允许在无线链路上发送分 组的一段时间，由起始时日j 和最大持续时间决定。包括e d c a t x o p 和h c c at x o p 。 u s e r p r i o r i t y ( u p ) ：用户优先级。 q o sd a t a 、q o sd a t a + c f a c k 、q o sd a t a