（通信与信息系统专业论文）自适应帧长和优先级队列联合控制机制研究.pdf

自适应帧长和优先级队列联合控制机制研究 摘要 无线网络通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来尤 其是无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定 距离，因此如何提高和优化无线局域网的性能就显得十分重要。在文献 1 】中指出 的由于无线信道的不稳定性而导致的性能不均衡性问题，无论是对于要求高有效 吞吐量的数据业务还是对于实时性要求高的语音业务，都是非常的不利的。本论 文在文献 1 】性能不均衡分析和文献【2 】饱和m a r k o v 链性能分析的基础上，首先对 m a r k o v 链的理论前提条件进行了扩展，使其从饱和扩展到了非饱和，从而使 m a r k o v 链理论分析模型更加贴近现实无线流量模型。然后对m a r k o v 链分析理论 进行了扩展，使其能在分析系统吞吐量的前提下，也能分析系统的延时( d e l a y ) ， 延时抖动( j i t t e r ) 以及丢包率( p a c k e tl o s sr a t e ) 。上述理论扩展，为以后语音和 数据业务在无线局域网上的应用提供了理论上的准备工作。同时通过前面对 m a r k o v 链的理论分析，为如何解决文献 1 】中所提出的性能不均衡问题指明了方 向，在本文第三章中，作者提出了一种自适应帧长和基于包大小的优先级队列的 联合控制机制，通过对n s 2 模拟器的代码扩展，在n s 2 中实现了此联合控制机制， 并完成了一系列的模拟工作，通过对模拟结果t r a c e 文件的分析，得到了系统吞吐 量，延时，延时抖动，丢包率等有效分析结果。分析结果表明此联合控制机制能 在有效提高系统吞吐量的前提下，降低高速节点的延时和延时抖动，而对于系统 总的延时影响不是很大。由于此联合控制机制只是对逻辑链路控制层进行了一定 的改动，因此能很好的兼容目前所使用的全系列的i e e e8 0 2 1 l 协议。 关键字：w l a n ，自适应帧长，m a r k o v 链模型，优先级队列，t w o r a y 模型， n s 2 ，i e e e8 0 2 。1 1 t h er e s e a r c ho fu n i t e dc o n t r o l l i n gm e c h a n i s mo f a u t o a d a p t e df r a m el e n g t ha n dt h ep r i o r i t yq u e u e a b s t r a c t a sa l l e m e r g i n g c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h e w i r e l e s sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb e c o m e si n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n ti nt h ed a i l yl i f e i nr e c e n ty e a r st h e w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g y ，i np a r t i c u l a r ，i sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，h o w e v e r ， w h e nc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a 】e t h e m e t j t sp e r f o r m a n c ej ss t i l jn o tc o m p e t i t i v e e n o u g h t h a te x p l a i n st h er e a s o n sw h yt h ei m p r o v e m e n to f 也eo p t i m i z e dw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r kp e r f o r m a n c ei so fs u c hag r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h ed o c u m e n t1 ，t h e a u t h o rp o i n t so u tt h a ti ti sa d v e r s e l yn o to n l yt ot h ed a t as e r v i c eo fh i g he f f e c t i v e n e s s b u ta l s ot ot h ev o i c es e r v i c eo fq u a l i t y ，d u et ot h ea n o m a l yp r o b l e mr e s u l tf r o nt h e i n s t a b i l i t yo f t h ew i r e l e s sc h a n n e l t h i se s s a yi n t e n d st oe x p a n dt h ep r e r e q u i s i t eo f t h e m a r k o vc h a i nt h e o r y ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c ea n o m a l yi nt h e d o c u m e n tia n dt h ea n a l y s i so fs a t u r a t e dm a r k o vc h a i np e r f o r m a n c ei nd o c u m e n t2 ， t h u st or e n d e rt h em a r k o vc h a i nt h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e le v e nm o r es u i t a b l et ot h e r e a l i t yw i r e l e s sc u r r e n tc a p a c i t ym o d e l t h e ni tc a r r i e so n 也ee x p a n s i o no f 也e m a r k o vc h a i na n a l y s i st h e o r y ，t h u sm a k ei ta b l et oa n a l y z et h es y s t e mt h et i m ed e l a y ， t h ej i t t e ra sw e l la sp a c k e t1 0 s sr a t eu n d e rt h ep r e r e q u i s i t eo ft h ea n a l y s i ss y s t e mo f t h r o u g h p u t t h ea b o v et h e o r ye x p a n s i o np r o v i d e st h et h e o r e t i c a l l yp r e p a r a t o r yw o r k f o rl a t e ra p p l i c a t i o no ft h ev o i c ea n dd a t as e r v i c et ot h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k m e a n w h i l et h r o u g ht h et e n t a t i v ea n a l y s i so ft h em a r k o vc h a i nt h e o r y ；t h i sa s s a y i n d i c a t e st h ep r o p e rs o l u t i o no f t h ei m b a l a n c e dp e r f o r m a n c ep r o b l e mi nt h ed o c u m e n t 1 i n t h i r dc h a p t e r , t h ea u t h o rp r o p o s e dak i n do fa u t o a d a p t e df r a m el e n g t ha n d p r i o r i t yq u e u e su n i o nc o n t r o lm e c h a n i s mb a s e do nt h ep a c k a g eo fs i z e ，h a sr e a l i z e d t h i su n i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi nn s 2a n dc o m p l e t e das e r i e so fs i m u l a t i o n sw o r k t h r o u g ht ot h en s 2s i m u l a t o rc o d ee x p a n s i o n a tt h es a m et i m e ，i th e l p st oo b t a i nt l l e s y s t e mt h r o u g h p u th a n d l e d ，t h et i m ed e l a y ，t h ej i t t e r ，p a c k e tl o s sr a t ea n ds oo nt h e e f f e c t i v ea n a l y s i sr e s u l t ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea n a l o g u er e s u l tt r a c ed o c u m e n t t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i su n i o nc o n t r o lm e c h a n i s mc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e st h et i m ed e l a yo ft h eh i g hs p e e dp i t c hp o i n ta n dt h ej i t t e r ，u n d e rt h ep r e m i s e o ft h es y s t e mt h r o u g h p u th a n d l e de n h a n c e b u ti te x e r t sl i t t l ei n f l u e n c et ot h es y s t e m o ft o t a lt i m ed e l a y t h i su n i o ne o n t r o lm e c h a n i s mo n l yc a r r i e so nt h ec e r t a i n m o d i f i c a t i o no ft h el o g i c a ll i n kc o n t r o ll e v e l ! t h e r e f o r ei ti sc a p a b l et oc o o r d i n a t et h e p r e v a i l i n ge n t i r es e r i e si e e e8 0 2 11a g r e e m e n t s k e y w o r d s ：w l a n ，t h ea u t o a d a p t e df l a m el e n g t h ，m a r k o vc h a i nm o d e l ，p r i o r i t y q u e u e ，t w o - r a ym o d e l ，n s 2 ，i e e e8 0 2 ，11 i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 呜凫蒙 日期：枷婢z 月日 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。本人授权浙江工业大学可以将本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 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 、不保密叫 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：) 哕年1 月可日 日期：万年7 。月多日 雠科 1 绪论 1 1 引言 移动无线网络通常可以分为两类 3 】：第一种是有基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 移动无线网。网内包含固定的或有线的网关移动节点，通过空中接口与其通信范 围内最近的基站通信并享受有线网资源。在这样的网络里移动节点不具备路由功 能，只有移动交换机负责路由和交换功能。由于基站和移动终端仅有一跳距离， 所以基础设施移动无线网又被称为单跳( s i n g l e h o p ) 无线网。如常规的蜂窝无 线系统，g s m ，g p r s ，办公室无线局域网等。第二种是无基础设旌移动无线网， 称为移动自组网( m a n e t ) ，或无移动a d h o e 网络。它是一种自治的无线网， 整个网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的。在 这种网络环境中，移动节点间可通过空中接口直接通信。由于终端的无线覆盖范 围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可能需要借助其他多个中间节点 进行中继通信。因此，m a n e t 有时被称为多跳( m u l t i h o p ) 无线网 4 5 】。图l 一1 表示了单跳无线网和多跳无线网的概念以及网络拓扑。 图1 1 单跳无线网和多跳无线网及拓扑图 1 2w i f i 协议的发展及应用 无线局域网是9 0 年代计算机网络和无线通信技术相结合的产物，它主要涉 及o s i 参考模型的物理层和m a c 层规范。无线局域网是指以无线信道作传输媒 介的计算机局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) ，无线网络是有线连网方 式的重要补充和延伸，并逐渐成为计算机网络中一个至关重要的组成部分。它是 在有线网络的基础上发展起来的，使网上的计算机具有可移动性，快速方便解决 有线方式难以实现的网络信道的连通问题。因而广泛适用于需要可移动数据处理 或无法进行物理传输介质布线的领域。随着i e e e 8 0 2 1 1 无线网络标准的制定与 发展，使无线网络技术更加成熟与完善。 1 9 9 0 年，i e e e 执行委员会创建了8 0 2 1 l 工作组 4 ，其目标是创建无线局域 t i 网( w l a n ) 标准，并用于解决不同w l a n 设备之间的兼容性问题。参照i s o 七 层模型，i e e e8 0 2 1 1 系列规范主要从w l a n 的物理层( p i q v ) 和媒体访问控制层 ( m a c ) 两个层面制订系列规范，物理层0 h y ) 标准规定了无线传输信号等基础规 范，如8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l d 、8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 l h ，而媒体访问控制层( m a c ) 标准 是在物理层上的一些应用要求规范，如8 0 2 1 1 e ，8 0 2 1 i f , 8 0 2 1 l i 。最初标准规定 w l a n 的业务频率为2 4 g h z 波段。7 年后( 1 9 9 7 ) ，工作组批准了世界上第一个 w l a n 标准i e e e8 0 2 1 1 ，速率为i m b p s 和2 m b p s 。1 9 9 9 年，工作组又批准了 8 0 2 1l 的两个分支： ( 1 18 0 2 1 l a 5 g h z 波段，速率为5 4 m b p s ，访问距离仅限于1 2 1 5 米 5 ；( 2 ) 8 0 2 1 1 b 2 4 g h zi s m 波段，速率为l l m b p s ，访问距离为3 0 0 米 6 。 历经十几年的发展，8 0 2 1 1 家族已经从最初的8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 l a , 8 0 2 1 l b 发展 到了目前的8 0 2 11i 等八兄弟。其中有3 个标准如8 0 2 。l l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 1 d ， 8 0 2 1 l e ，8 0 2 1 1 2 已经完成，具体内容如下： 8 0 2 1 1 a ：制订5g h z 波段上的物理层规范标准已经完成。 8 0 2 1 1 b ：制定2 4g h z 波段上更高速率的物理层规范。标准己经完成。 8 0 2 1 l d ：当前8 0 2 1 1 标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，而制订 该标准的目的是为了扩充8 0 2 1 1 无线局域网在其他国家的应用。标准已经完成。 8 0 2 1 1 e ：该标准主要是为了改进和管理w l a n 的服务质量，保证能在8 0 2 1 1 无线网络上进行话音、音频、视频的传输、可视会议、媒体流的传送、增强的安 全应用及移动访问应用等。标准已经完成。 8 0 2 1 1 9 ：该标准是8 0 2 1 1 b 的扩充，目的是制定更高速率的物理层规范( 物 理层最大数据率至少是2 0 m b i t s ) ，通过提高数据率，来增强8 0 2 1l b 兼容网络 的性能和应用。标准己经完成。 另外3 项新标准如，8 0 2 1 i f , ，8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i 等正在制订中。具体研究内容及 目的如下： 8 0 2 1 1 f ：该标准是为了可以在多个厂商的无线局域网内实现访问互操作，保 证网络内访问点之间信息的互换。标准正在进行。 8 0 2 1 1 h ：该标准主要是为了增强5 g h z 波段的8 0 2 。l lm a c 规范及8 0 2 1 l a 高速物理层规范；增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管 理。标准正在进行。 8 0 2 1 l i ：增强w l a n 的安全和鉴别机制。标准正在进行。 在竞争达白热化的现代社会，及时处理各种信息尤其是电子商务信息( 包含 大量多媒体信息) 是至关重要的，而人们即使在机场、宾馆、餐厅里、甚至在交 通工具中也都可以利用无线局域网及时连通网络资源，而且，采用无线局域网可 以省去布线时间、迅速上网，所以，无线局域网最适合于移动电子办公、移动电 子商务、无线视频会议的需要。 采用无线局域网可以省去布线工序，没有线缆故障。因此，架设和拆除起来 非常方便且花费很小，非常适合现场办公的需要。另外，大量的不便进行有线网 络布线的场所也能够采用无线局域网来提供多媒体业务。 计算机和电信科技的进步使得各种形态的数字化信息的数量和规模以极快 的速度增长，人们所拥有的和需要处理的信息量增长了若干倍，可一天始终只有 2 4 小时。所以人们必须提高处理信息的效率，而利用无线局域网随时随地地处 理视频、声音、图像、文字等信息是提高信息处理效率的有效途径。比如，在病 房监护、库房管理时，医护人员和库房管理人员可借助p d a 和无线局域网随时 随地地与系统数据库保持在线联系，而不必来回走动查询各种资料，大大提高了 工作效率。 人们既想在家中任何地方随意享受高清晰的多媒体节目和游戏，又想免去复 杂连线的烦恼，更想避免进行网络布线时对家庭装修的破坏，这时，采用无线无 线局域网在方便、工作效率、娱乐性上面的突出优点。使用局域网来享受多媒体 服务就成了最有诱惑力的选择。 这么频繁，广泛的无线局域网络在现实世界中的应用，必然存在多样化的网 络环境，从而存在多样化的无线节点接入速率，我们从文献 7 的研究发现，性 能及稳定性是我们必须进行深入研究的课题，这也是本论文研究的起点。 1 3 课题研究意义 在现代的信息社会里，无线互联不仅仅是个热点，更多地是一个方向。人类 最根本的需求是渴望自由，希望生活品质不断提高，这就是无线网络技术的出发 点，无线互联充分体现了人类对自由的追求和向往。所以，从根本上讲，无线互 联网络，尤其是无线局域网，具有无穷无尽的生命力和发展空间。 无线局域网的发展趋势将重点体现在多媒体、无线通信和互联网的融合上， 这一融合将给人们的工作和生活带来前所未有的影响，娱乐、商务、通信等都会 融入无线互联的技术和产品。目前，无线局域网已经能够通过与广域网相结合的 形式提供移动互联网的多媒体业务，而这也是当前多媒体信息浪潮所引发的必然 趋势。 近年来，无线局域网成为国际上研究和应用的热点之- 8 】，特别地，对于 无线局域网的最终用户如何利用无线方式稳定地传输其最关心的视频、声音、图 像、文字等信息，正在成为研究的重点。因此。针对无线局域网的性能分析和服 务质量( q o s ) 保障措施的重要性开始显现出来，逐渐成为人们研究的热点课题。 我们通过对无线传播模型的研究发现，网络环境的多样性导致的节点接入速率的 多样性：+ 班及不同类型用户发送的不同大小的数据包对网络性能都会产生极大影 响，因此在这种网络环境下的性能及解决方案非常值得我们去研究。本课题的目 的就是为了在这样一种网络环境中，对不同接入速率下的无线局域网的性能进行 分析，并提出自己的解决方案，为最终有效利用无线局域网资源打下基础。 1 4w i f i 国内外研究现状 目前，无线网络的研究成为国外研究机构的热点，在无线网络性能分析和建 模方面，比较经典的一篇文章是文献9 。在这篇文章中，作者将无线网络上的 流量比拟为高速公路上汽车的流量，将行驶的车辆按照是否发出呼叫分为两 类：c a l l i n g n o n c a l i n g 。其中，发出呼叫的车辆模拟的是占用无线信道的无线设备。 基于泊松到达位置模型( p o i s s o n a r r i v a l 1 0 c a t i o n - m o d e l ) ，经过一系列推导后，作者 为无线网络引入了一个确定性的流量模型( 连续的) 和两个随机的通信量模型。 无线网络的流量建模方面另外一篇比较经典的文章是文献 1 0 。在这篇文章 中，作者第一次提出了饱和吞吐量的概念，并且基于指数分布和无后效性的传统 假设，运用传统的p o i s s o n ，m a r k o v 等短程相关过程和排队论建立了无线链路的 流量模型。这也就是说，传统理论认为无线网络的流量是随时间进化的无后效系 统，即已知现在的状态，过程的过去与将来无关( 独立) ，符合m a r k o v 过程的定 义，推导出符合试验结果的无线链路的有效带宽、丢包率及延时的公式。 对如何提高无线局域网系统整体性能，文献f “，1 2 l 主要时通过改变窗口调节 机制和各种d c f 参数来控制节点的接入以达到网络性能的优化。文献 1 1 】分析了 无线局域网中存在的公平性问题，并提出一些改进公平性的算法，例如为了避免 少数节点窗口过大而导致的不公平性而使用的交换窗口机制等。文献【1 2 通过针 对不同应用赋予不同d c f 参数以期达到提高吞吐量、保证q o s 的目的。 文献f 1 3 1 研究了无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 协议的d c f 接入方式，在建模基础 上进行算法改进，提出了一种新的节点自适应链路碰撞的退避算法n s a d 。 从文献9 1 3 主要是从各种数学模型上来分析w l a n 网络c s m a c a 接入算 法的吞吐量性能，但是对于一些目前最新的应用，比如v o w i f i ( 语音流在无线 局域网上接入) 关心的d e l a y ，i i t t e r ，p a c k e tl o s sr a t e 等性能参数，只是略有提及， 并没有从理论的高度进行过详细分析，本篇论文的一个贡献是，从理论上分析了 这些性能参数，并通过与模拟分析结果的比较，给实际无线网络的性能改进提供 了理论上的指导。 文献 1 4 ，1 5 1 中提出了信道误码率对节点接入速率的影响，其中文献 1 4 】中， 作者提出了一种混合的无线节点速率控制方式，它是使用s n r 信息以达到对节 点速率的快速回应。在文献【1 5 】中提出了不同无线网络环境中不同节点的不同无 线接入速率的信道模型，并且指出由于无线网络所特有的信道误码率随着网络距 离的不断增大而不断增大的特性，为达到网络中传输速率和误码率的平衡性，必 须为一定条件下的无线节点保持一定的网络接入速率。这就是无线网络的多接入 速率的原因。 由于无线信道的这种特性，法国l s r i m a g 实验中的m a r t i nh e u s s e ，f r a n c k r o u s s e a u 等人在文献1 第一次提出了对于同一b s s 下的所有无线接入节点，其 有效吞吐量相同的特点。并且指出当网络中存在无线节点时，每个无线接入点的 有效吞吐量都会降低到其标识带宽以下，网络整然性能发生急剧恶化。 但是作者在文献i 1 忡并没有提出解决方案，在文献【1 6 】中，作者提出了一种 可以在无线节点和a p 上都使用的改进算法。此算法淡化由于信道错误而导致的 接入速率降低的问题，因此避免了性能的不平衡性。并且把m a c 层和t c p 层 的短帧公平性结合起来，开阔了以后的研究方向。 与文献 1 6 不同，在文献【1 7 中，信道模型是一种自适应接入速率机锘0 1 1 8 ， 作者提出一种给高速节点多发几个数据包的机制，它根据不同的节点接入速率间 的比，给予不同节点发送不同的包的个数权利。在具体实现中采用了a c k 帧代替 r t s ，c t s 数据帧的机制，在节省r t s ，c t s 时间的同时，使信道可以根据a c k 中的指 示信息发送多个数据帧。在文献【1 9 】中，作者简单分析了不同接入速率和不同包 大小对网络有效吞吐量的影响，给出了这两者与网络吞吐量的影响公式。然后提 出了一种在m a c 层上加入一个时间令牌桶，使的无线网络中不同速率的节点相 同的传输时间的机制。文献 2 0 ，2 1 1 ，都是对多接入速率节点在a d h o c 网络中的性 能改进的研究。 文献 1 4 - 1 6 中提到的问题及解决方案是本文分析的重点，从在物理层发现网 络接入速率不同的根本原因到发现由于物理层的接入速率的自适应性所导致的 网络性能的急剧恶化，前面的论文作者在文献 1 6 】中提出了一个简单的分析模 型，但是在此模型中，作者并没有对系统有效吞吐量在通用的网络流量模型中进 行详细的分析，同时他们提出的几种不同的解决方案都是在低层进行改进。通过 o s i 七层模型的研究，我们可以知道物理层和m a c 层是以物理硬件的形式固定 在网卡中，一般情况下是非常不容易改动的，并且物理层和m a c 层属于通信子 网的概念，在很多情况下，通信子网是电信等公司所有的公共网络设施，更加不 容易改动。所以在本论文中，我将会另辟蹊径，考虑从o s i 模型的逻辑链路控 制层及其中的接口队列去解决这个多速率无线网络的传输性能问题，这是本文对 w i f i 研究和应用的另个方面的贡献。 1 5 模拟工具介绍 1 5 1 选用n s 2 作为模拟工具的原因 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 【4 0 4 1 - 4 2 】，o p n e tm o d e l e r 4 3 4 4 】，g l o m o s i m 4 5 是现在网络模拟的主要三类工具。其中n s 2 为源代码公开，u n i x 环境下的仿真工 具。n s 2 比较容易得到，可以由互联网从美国的一些大学的网站上下载，比如美 国的南加州大学( u s c ) 。o p n e tm o d e l e r 是一款商业性的软件，其发行公司起 源于麻省理工学院( m i t ) 。o p n e t 运行环境为w i n d o w s ，其技术性支持很好， 可以得到出售发行公司的相关支持程序包。但是其购买价格高昂，国内只有少数 单位拥有这套软件。比如，北京邮电大学，广州电信科学研究院等。而g l o m o s i m 是最近一款专门用于仿真无线网络的半商业化软件。美国一些大学间的教育网上 可以获得。但是从外部网络，比如i n t e 砒忸t 上暂时无法直接获得。根据相关文 献 4 6 1 ，这三款软件的仿真性能略有差异。“o nt h ea s s u r a n c eo fm a n e t s i m u l a t o r ” 4 7 】一文中指出不同仿真软件中的物理模型和m a c 层模型不同对于仿 真结果是有影响的，每一种仿真软件在一定程度上和真实的情况有所误差。这三 款仿真软件的帮助支持文档中，以o p n e t 最为良好。n s 2 由于不是商业软件，其 文档支持性较差，基本需要靠阅读源代码和参考n s 2 手册指导来理解。但是，n s 2 由于其免费性，在世界研究性的大学中广泛使用，有比较多的研究文献的基于 n s 2 仿真的。所以，综合各方面因素，本论文网络仿真软件选择使用n s 2 。 n s 是美国d a r p a 支持的v i n t 项目的核心部分，由u cb e r k e l e y ，u s c i s i ， l b l 和x e r o xp a r c 等大学和实验室联合开发。其目的是构造虚拟的网络乎台， 提供一系列仿真工具，实现新的网络协议的设计和开发。 作者提出一种给高速节点多发几个数据包的机制，它根据不同的节点接入速率间 的比给予不同节点发送不同的包的个数权利。在具体实现中采用了a c k 帧代替 巾，c t s 数据帧的机制，在节省n s ，c t s 时间的同时，使信道可以根据a c k 中的指 示信息发送多个数据帧。在文献 1 9 1 ，作者简单分析了不同接入速率和不同包 大小对网络有效吞吐量的影响，给出了这两者与网绍吞吐量的影响公式。然后提 出了种在m a c 层上加入一个时间令牌桶，使的无线网络中不同速率的节点相 同的传输时间的机制。文献 2 0 ，2 1 1 部是对多接入速率节点在a l lh o c 网络中的性 能改进的研究。 文献【1 4 1 6 中提到的问题及解决方案是本文分析的重点，从在物理层发现网 络接入速率不同的根本躁因到发现由于物理层的接入速率的自适应牲骶导致的 网络性能的急剧恶化，前面的论文作者在文献1 1 6 m 提出了r 一个简单的分析模 型，但是在此模型中，作者并没有对系统有效吞吐量在通用的网络流量模型中进 行详细的分析，同时他们提出的几种不葡的解决方案都是在低层进行改进。通过 o s i 七层模型的研究，我们可以知道物理层和m a c 层是匕【物理硬件的形式固定 在网卡中，一般情7 且下是非常不容易改动的，并且物理层和m a c 层属于通信子 网的概念，在很多情况下，通信子网是电信等公可所有的公共网络设施，更加不 容易改动。所以在本论文中，我将会另辟蹊径，考虑从o s i 模型的逻辑链路控 制层及其中的接口队列去解决这个多速率无线网络的佶输性能翘题，这是本文对 w 1 f i 研究和应用的另一个方丽的贡献。 1 5 模拟工具介绍 1 5 1 选用n s 2 作为模拟工具的原因 n s 2 ( n e v c c o r ks i m u ! a t o r ) f 4 0 4 1 4 ，o p n e l m o d e l e r 】【4 3 4 4 1 ，g i o m o s i r n 4 5 是现在阁络模拟的主要三类工具。其中n s 2 为源代码公开，u n i x 环境下的仿真工 具。n s 2 l e 较容易得到，可以由互联网从美国的一些大学酌网站上下载，比如美 国的南加州大学( u g c ) 。o p n e tm o d e l e r 是一款商业性的软件，其发行公司起 源于麻省理工学院( m i t ) 。o p n e t 运行环境为w i n d o w s ，其技术性支持很好， 可以得到出售发行公司的相关支持程序包。但是其购买价格赢昂，国内只有少数 单位拥有这套软件。比如，北京邮电大学，广州电信科学研究院等。而o l o m o s i m 是最近一款专门用于仿真无线网络的半商业化软件。美国些大学问的教育网上 可以获得。但是从外部网络，比如i n t e r n e t 上暂时无法直接获得。根据相关文 献4 6 1 ，这三款软件的仿真性能略有差异。“o nt h ea s s c eo fm a n e t s i m u l a t o r ”【4 7 1 一文中指出不同仿真软件中的物理模型和m a c 层模型不同对于仿 真结果是有影响的，每一种仿真软件在定程度上和真实的情况有所误差。这三 款仿真软件的帮助支持文档中，以o p n e t 最为良好。n s 2 由于不是商业软件，其 文档支持性较差，基本需要靠阕读源代码年珏参考n s 2 手册指导来理解。但是，n s 2 由于其免费性，在世界研究性的大学中广泛使用，有比较多的研究文献的基于 n s 2 仿真的。所以，综合各方面因素本论文网络仿真软件选择使用n s 2 。 n s 是美国d a r p a 支持的v 1 n t 项目的核心部分，由u c g e r k e 、_ e y 。u s c i g l ， l b l 和x e r o xp a r c 等大学和实验室联合了1 ：发。其目的是构造虚拟的网络平台， 提供一系列仿真工具，实现新的网络协议的设计和开发。 提供一系列仿真工具，实现新的网络协议的设计和开发。 n s 2 的核心机制是离散事件机制和分裂对象模型。简单的说，事件规定了系 统状态的改变，状态的修改仅在事件发生时进行。n s 中有一个“调度器” ( s c h e d u l e r ) 类，负责记录当前时间，调度网络事件队列中的事件，并提供函数 产生产生新事件，指定事件发生的时间。 n s 软件是一个软件包，包括t c l t k ，o t c l ，n s ，t c l c l 。其中t c l ( t o o lc o m m a n d l a n g u a g e ) 是一个开放脚本语言，用来对n s 进行编程；t k 是t e l 的图形界面开发 工具，可帮助用户在图形环境下开发图形界面；o t c l ( o b j e c tt o o lc o m m a n d l a n g u a g e ) 是基于t c l t k 的面向对象扩展，有自己的类层次结构；n s 为本软件包 的核心，是面向对象的仿真器，用c + + 编写，以o t c l 解释器作为前端；t c l c l i j 提 供n s 车d o t c l 的接口，使对象和变量出现在两种语言中，这就是n s 2 中的另一个 核心机制一一分裂对象模型。为了直观地观察和分析仿真结果，n s 提供了可选 件x g r a p h 、可选件n a m ( 动态观察仿真的进行过程) 。n s 一般使用u n i x 平台开 发，虽然w i n d o w s 平台下也可以编译n s 2 ，但是n s 2 的一些辅助工具在w i n d o w s 下的支持性比较差。 针对不同的仿真功能，n s 提供了两种编程语言模型，从而在不限制仿真性 能的前提下表现了充分的灵活性：对于低层处理或分组转发、不需频繁修改的任 务，n s 采用编译型语言c + + ，这样有利于提高仿真效率：对于协议对象和规范 的动态配置、通信量的反复重定义以及需要频繁修改的任务，n s 使用灵活、交 互式的脚本语言o t c l 。这种方法的好处在于：通过提供易用、重配置、可编程 的仿真环境，降低了仿真器设计、维护、扩展、调试的负担；而且，它鼓励将机 制和策略分离的编程风格，有利于代码重用。c + + 和o t c l 的结合可以构造出功 能更强大、更高层的“宏对象”。例如，仿真路由器一般由解复器、队列、分组 调度等组成。通过在c + + 中实现不同的细节和在o t c l 中的仿真组合，可以仿真一 系列路由器；可以将低层的解复器、队列、调度等结合，实现具有组播业务的i p 路由器 也可以实现具有新调度方案的高速交换机仿真。在o t c l 中，通过配置不 同的协议代理，可以方便地扩展交换机的功能。总之，对于细节的协议仿真，涉 及处理字节、分组以及大量数据集的算法，n s 使用c + + 实现；对于网络仿真中常 常需要的参数配置、场景构造，n s 使用o t c l 语言。仿真器支持c + + 中的类层次 ( 也叫编译层次) $ 1 1 0 t c l 解释器中对应的类层次( 也叫解释层次) ，这两个层次 彼此紧密相关。从用户的角度看，在编译层次和解释层次的类之间是一一对应的， 这些层次的基础是类t c l o b j e c t 。用户通过解释器建立新的仿真对象；这些对象在 解释器中实例化。 t e l 与t k 是安装在u n i x l i n u x 环境下的两个包，它们一起构成了一套开发 系统应用程序和图形用户界面接口( g u i ) 应用程序的环境。t k 是t c l 在x w i n d o w 环境下的扩展，它包含了t e l 的全部的c 库函数，以及支持xw i n d o w 的窗口、 控件等c 库函数，为用户开发图形用户界面提供了方便。t c l 是解释执行的脚本 语言。它的实现依赖于t e l 内部的c 函数库。添加新的c 函数就可以扩充t e l 的 命令和功能，是扩展性非常强的脚本程序设计语言。t c l 解释器把用户输入的命 令和程序语句进行初步分析，然后调用c 函数库里的相应函数来执行，输出结 果。t e l 是无强制类型的脚本语言，一切变量，不论整型，浮点型等，都以字符 串的形式存储。 o t c l 是t c l 的面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 的扩展，在o t c l 中加入了类的概 念。对象是类的实例，它有自己的属性( 成员变量，i n s t v a r ) 和自己的内部操作 ( 成员函数，i n s t p r o c ) 。对象具有继承、封装、多态性和动态绑定等性质。面向 对象机制的加入使得原始的t c l 变得更加强大，更加方便使用。虽然和c + + 中对 象和类以及其他面向对象程序设计语言中的概念相同，但是具体实现和语法却存 在很大的差别。 n s 中附带有一个s e t d e s t 工具。s e t d e s t 是卡内基梅陇大学( c m u ) 在n s 中提供无线网络模拟模块的一个工具，可以用来随机生成无线网络所需要 的节点运动场景( s c e n a r i o ) ，即以一定数量的节点在固定大小的矩形区域中随机 向某个方向运动，在到达该目的地后可以作一段时间的停留，也可以不停留，然 后随机选择另一个目的地，随机选一个速度继续运动。在n s 2 2 2 7 一a l l i n o n e 中有 这个工具，可以在l i n u x 下进行m a k e 后可以使用。 n s 是一个复杂的系统，使用n s 的一般过程如图4 1 所示。假设用户已经 完成对n s 的扩展，或者n s 所包含的构件已经满足要求，那么进行一次模拟的 步骤大致如下： ( 1 ) 开始编写o t c l 脚本。首先配置模拟网络拓扑结构，此时可以确定链路 的基本特性。如延迟、带宽和丢失策略。 ( 2 ) 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。 ( 3 ) 配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。 ( 4 ) 设置t r a c e 对象。t r a c e 对象能够把模拟过程中发生的特定类型的事件记 录在t r a c e 文件中。n s 通过t r a c e 文件来保存整个模拟过程。仿真完成后，用 户可以对t r a c e 文件进行分析研究。 ( 5 ) 编写其他辅助过程，设定模拟结束时间，直至o t c l 脚本编写完成。 ( 6 ) 用n s 解释执行编写的o t c l 脚本。 ( 7 ) 对t r a c e 文件进行分析，得出有用结论。也可以用n a m 等工具观察网络 模拟运行情况。 ( 8 ) 调整配置网络拓扑结构和业务量模型，重新进行上述模拟过程。 圉1 - 2n s 2 网络模拟过程 总之，n s 是一个复杂的网络仿真和模拟工具。同时，世界上不同n s 使用 者也不断在为n s 提供不同的辅助工具。如果能熟练的使用n s 将会对无线网络 研究工作带来极大的便利。 1 6 论文主要研究内容 本文在前人m a r k o v 链分析模型的基础上，进行了一些模型上的扩展工作； 同时，分析了由于节点接入速率的变化性而造成系统性能的不均衡性的原因，并 提出了融合逻辑链路控制层自适应帧长和接口队列q o s 的联合解决方案。 整个论文的主要工作内容包括以下几个方面： 在原有饱和m a r k o v 链模型分析基础上，提出了两种不同情况的非饱和 m a r k o v 链模型，并完成分析模型从饱和到非饱和的扩展。 在原有吞吐量分析的基础上，第一次从理论上分析了饱和和非饱和无线局域 网的延时，延时抖动，以及丢包率等性能参数，为w l a n 业务从数据到语音的 扩展提供了理论上的支持【与他人合作完成的】。 在前面分析的m a r k o v 链模型的基