（电磁场与微波技术专业论文）csmaca随机多址接入无线通信系统qos增强算法及理论研究.pdf

c s m 眦随机多址接入无线通信系统o o s 增聋算法及理论研究摘要 c s m c a 随机多址接入无线通信系统q o s 增强算法及理论研究 摘要 无线通信技术已经为人们带来了越来越便捷的通讯服务，但随着 技术的发展，人们对它的期望也越来越高，系统的性能与人们的期待 总是存在矛盾。众所周知，无线信道是一个有限的资源，如何公平、 有效、可靠地进行信道的共享和分配，这是m a c 层媒体接入控制 协议需要解决的问题。载波监听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 作为 随机接入信道的一种方式，能够灵活适应站点数目及其通信量的变 化，因而被无线局域网所采用。目前，基于c s m a c a 的无线局域网已 经得到广泛使用，但由于c s 姒c a 竞争接入信道的特性，缺乏内在、 高效的服务质量( q o s ) 机制使其难以支持对时延性能要求较高的业 务。 本文研究了基于c s 姒c a 信道接入方式的无线通信系统q o s 性能 改善的理论和算法，对使用c s m a c a 方式的典型应用i e e e8 0 2 1 1d c f ( 分布式协调功能) 模式开展了深入的理论分析和研究，所得到的研 究成果和结论能够同样应用于类似的其它无线通信系统。 论文在深入研究c s 姒c a 机制的基础上，着重分析了系统的时延 特性，针对提高系统q o s 性能提出了若干改进方案，主要研究工作和 c s m a ，c a 随机多址接入无线通信系统o o s 增强算法及理论研究摘要 创新如下： 1 针对c s m a c a 模式的时延问题，本文提出并建立了一个三维 m a r k o v 链模型，不同于其他基于m a r k o v 链对系统吞吐量的研究， 本文利用所建模型及其状态转移图对站点的信道接入状态进行了 分解，从理论上深入分析了系统的时延统计特性，得到了站点统 计的平均发送时延表达式，站点时延抖动的统计平均表达式，站 点时延的分布区间，以及碰撞概率与冻结概率的表达式； 2 通过对无线局域网中d c f 模式的细致研究，本文提出了一种增强 方案t s d c f ( t h r e s h 0 1 n s l o wd e c r e a s ec o n t r o lf u n c t i o n ) ：它 解决了传统d c f 退避模式当站点数量增多时在c w m i n 内易产生大 量冲突的问题，并改善了其公平性，仿真结果验证了t s d c f 具有 更好的灵活性和效率； 3 围绕i e e e8 0 2 1 1 e 分级服务的思想，提出了e a d c f 增强方案 ( e n h a n c e da d a p t i v ed 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 ) ： 它弥补了传统d c f 退避模式没有服务优先级的缺陷，按照业务分 级的思想，e a d c f 通过不同的最大竞争窗口和重传次数来区分不 同的优先级，仿真结果证明e a d c f 所采用的分级策略具有很好的 效果，高优先级业务在时延和吞吐量方面的性能表现都优于低优 先级业务； 4 借鉴混沌理论的加权局域法，提出了一个系统站点数的预测方法， 该方法通过采集足量的历史数据，计算关联维数并重构相空间， 最后得出站点数的预测结果。通过该方法，我们进一步分析了历 岱m 眦随机多址接入无线通信系统o 。s 增强算法及理论研究 摘要 史数据采集量的大小对于预测可靠性的影响，对以后更深入的研 究有重要意义。 关键词：无线通信系统，服务质量，载波监听多路访问冲突避免， 时延，退避方案，站点预测 q o sp e r f o r m a n c e a n a i y s i sa n di m p r o v e m e n t s c h e m e so fc s m a ，c aw i r e l e s ss y s t e m s a b s t r a c t r e c e my e a r s ，g 陀a ti n t e r c s ti sf o c l l s e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb e c a u s ei t sc o n v e n i e n ta n df a s ta c c e s s i n gw a y a n dc s m c a i s w i d e l ya c c e p t e d 勰t h eb a s i cm a cm e c h a n i s mo fw i r c l e s s c h a n n e l a c c e s s i n g ，跚c h 弱正e e8 0 2 1 1p r o t o c o l si n a n h o w e v e r ，a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r c l 髓sc o m m u n i c a t o n 伯c t l n o l o 西e s ，p e o p l ea 坞 e x p e d i l l gb e n e r ( o sp e 面珊a n c e 弱w e l l 1 1 l em a i np u r p o s co ft h i s p a p e r i s t o a n a l y z ec s m a c aq o sp e 墒珊卸 a n d 鲫g g e s t i m p f o v e m e n ts c h e m e s ，e s p e c i a l l yu n d e ri e e e8 0 2 1 ld c fm o d e ，w h e r e c s m a c ai su s e d 1 t sr e s u l t sa n d n d u s i o 鹏a r c 叩p l i c a b l et oo t h e r s i m i l a fw i r e l e s ss y s t c m s p 咒s e n t l y w i r e l e s ss y s t e m sb a s e do nc s m a c a a f cw i d e l yu s e d ，s u c h 鹪i e 髓8 0 2 1 1 ，b u td u et oa b n tc o n s i d e r a t i o n q o sc o n t e n ta tm eb e g i n n i n go fi t sd e s i g i lp h a s e ，i e e e 8 0 2 1 1p r o t o c a i l a c k se 虢c t i v eq o sm e c h a n i s mt os u p p o r t r v i c c sw h i c hn e e dh i 曲e r r e q u e s t0 nd e l a yp e r f b 瑚a n c c b a s c do nt h l ：岫d e r s t 柚d i n go ft h ec l 鹬s i la n a l y s i l l gm e t h o d st ot h e c s m a c a p e 渤加a n c e ， t h c p 印e r 缸：l l 螂 t h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i 岱柚a l y z i i l go fd e l a yi l lc s m a ，c a ，p m v i d c l er e f e r e n c c s f o rb e 仕e rq o s l u t i o ni 1 1w i r c l e 鼹m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d 伽 c s m a c 九t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sa r t i c l ci i l c l u d e s ： f i f s t ，i i lt h i sa n i d e ，w em a l 【ead e e p i yt h 咒t i c a la n a l y s i st 0d e l a y o fi 髓e8 0 2 1 1d c fb yc 0 i 坞t m c t i n ga 衄e e - d i m e n s i a lm a r k o vd l 豳 m o d e i s o m ei m p o r t 锄ts t a t i s “c a lc h a r a d e r i s t i c so fd e l a yi n 、7 l ，ia nh a v e b e e na c h i e v e d ：t h ee x p r e s s i o no fs t a t i s t i c a la v e m g es e n d i n gd e l a y ，t h e e x p r e s s i o no fs t a t i s t i c a la v e r a g ej i t t e r ，t h ee x p r c s s i o no fd i s t r i b u t i o nr a n g e o fd e l a y ；t h ee x p r e s s i o no fp r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n sa n df 把e z i n gs t a t e s s e c o n d ，t h r o u g ha b u n d a n tr e s e a r c ho ni e e ed c fm o d e ，w ew o r ko u t a n i m p r o v e d s c h e m e ： t s d c 即陆r e s h o l d _ s l o w d e c r e a s ec o n t r o l f u n c t i o n ) i ni h i sa l g o f i t h m ，as i m p l e 眦i h o di su s e dt oj u d g et h es t a t eo f c h 觚n e l 柚ds t a t i o n sw i u b a c k - o 行a c c o r d i l l gt ot h ec o n g e s t i o ns t a t e t h e s i m u l a t i o n s u n ss h a wt h a tt h ec o l l i s i o 吣i nc w m i nc a u s e d b y i i l c 勰i n gn u m l ) c ro f d 鼯a i n i n i i n i z e de 晚c t i v e i y ，a n di h f o u g l l p u t a n d d e l a yo fs y s t c m a r ce n h 柚c e d ，t l l ef a i n l e s so f a c c 岱s i n gt 0t h ec h a 舳e l i sa l s oa d v a n c e d 皿i r d ，w i t ht h c 吼d e 璐t a n d i n go fd a 鼹i 触t i o nm e t h o di ni e e e 8 0 2 1 1 e ，锄a 眦n d a l o r ) ，b k - 0 任a l g o r i t i l mn a 眦de a d 口i sb u g l l t f o r w a r d 1 1 1 e a d c f 妲n h 柚da d a p t i v ed c f ) ，n ，i p r i o r i t y i s e m p h 勰i z c d 锄dd i s t i l l g u i s h e db yt h cc w m 觚姐dc o 眦t c ro f 陀n d i n g ， d 证e 啪t i a t es e r v i i sa c h i e v e di nb 蛐c fb yd 虢r c n t i a t ep m r i t y0 f a b s n u i c r a c c e 鹃i n gt ot h cc h a 衄e 1 n e 螂u l t so fs i m u l a t i p m v et h a th i g h p 咖r i t y i sh a v eb c t t e rd e l a y 柚dt i l 】r o u g i l p u tp e r f b m 哪t h 锄l o w f i n a l l y an o v a lm e t h o do ff o r e c 勰t i l l gs t a t i o nn u m b e 娼i sp u tf o r w a r d ， i t 僻髂w b i g h t e df i r s t o r d e f i d c a la r e am e o 巧i nc h a t h c o 啦 f o 蜊淞t i n gr c 鲫l t s 啪b c 孔h i c v e di h r o u g t ic o l l e c t i n gc n o u g l lf b r e g o i n g d a t a s ，c a l c u l a t i n gp a r a l l e ld i m e n s i o nn u m b e r sa n dt h e nr c c o n s t n l c t i l r i n g s t a t es p a c e w t ht h i s 桃t h o d ，w ca n a l y s et h ei n f l u e n c eo fh i s t o r yd a t ao n r e l i a b i l i t y0 ff o r e c a s t i n gr e s u l t s i ti sm e a n i n g f u lf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，q o s ，c s m a c 气 d e l a y ，b a c l f fp o l i s t a t i o nn u i n b e rf o r c c 弱t i n g 符号及缩略语说明 符号及缩略语说明 w i 此i e s sl a la 站an c h ”叫k m a 出a c 鼹c o n 缸d q l l a i i t y0 f s e n ，i a 0 0 c 鼹p 0 i n t s t a t i c o n t c n t i w i n d o w b a d 由f fc o u n t 口 b a c k 0 f ! fs t a g c f r c 忆访gc o u n t e r d i s t r m u t e do r d i n a t i o nf l i n c t i o n b o i n tc r d i n a t i o nf u n c t i o n s l o wc w 掰c a d c f a d a 曲v cd c f e 】l l l l 脚l c c dd c f s h o l d - s l o wd c c r c a s ec o n t r o if u n d i e n h a 毗c da d a p t i v ed c f c a l r f i 口s c n 辩m u l t i p l ca c c c s s c o i i i s i o nd e t c c t c d c a r r i 盯s e n m u l l i p l ea c c e s s c o l l i s i a v o i d c d 站点在第j 个事件发生时刻退避计数器所处的退避阶数 某退避阶数时站点在第j 个事件发生时刻的退避计数器 某退避阶数时站点在第，个事件发生时刻的冻结次数 站点发送数据时产生冲突的概率 站点的退避计数器由递减状态进入冻结状态的概率 信道中有帧发送，且成功的概率 信道中有帧发送，且产生冲突的概率 x 一一螂肿鼢侧耽窖陀嘟眦一一一一一 哟 蚴 朋 p 所 只 见 符号及缩略语说明 站点在某个时间片发送帧的概率 站点在非冻结状态下退避计数器递减1 所耗时间 站点在冻结状态下退避计数器递减l 所耗的时间 信道中站点发送帧成功时，发送本身所花费的平均时间 信道中发生冲突时，站点处理冲突所需要的平均时间 第i 个退避阶的竞争窗口大小 a d c f 中站点在第k 阶退避过程中冻结的次数 a d c f 中站点在第k 阶平均被冻结的次数 a d c f 中站点在第k 阶成功发送的总次数 a d c f 中站点在第k 阶的冲突计数值 f 仃弓 王 c 研 一 畦 虻 北京邮电大学博士论文c s m 虻 随机多址接入无线通信系统。略增强算法及理论研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所星交的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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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作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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 黼一- 日期：2 堕2 ：玺照 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存，汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 2 垡 垒：望 日期：立趔：缱山 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 现代通信是一个若干终端设备共同参与的过程，大量终端需要接入到有限的 传输通道中，如何公平、有效、可靠地分配信道资源，这是m a c 层媒体接入 控制协议需要解决的问题。通常来说，多个终端共享同一信道资源的方法称为信 道接入方式，或称多址方式。根据对信道资源的不同分配方法，多址接入协议主 要分为随机接入、固定( 静态) 分配，和动态( 按需) 分配三种类型川【2 】【3 】【4 】 l 、随机竞争类，如a l o h a ，s a l o 1 a 。c s l i a 等。随机竞争类的协议一般使用公 共信道，连接在该信道上的终端均可以向信道发送广播信息。如果终端需要发送 信息，它需要以某种方式竞争信道的使用权，一旦得到使用权便立即发送，而一 般来说，所有的终端都能接收到来自本区域内任一终端的信息，若检测到是发给 自己的就接受，否则丢弃。 2 、按需分配类( 或称预约类、无竞争类) 。如t o k e nr i n g 等。此方式的原则 是网络按某种循环顺序询问每个终端是否有数据需要发送，如果有则立即发送， 否则网络将立即转向下一个终端轮询。轮询的特点是各分站可以公平地获取信道 访问控制权，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况。这 种多址方式操作简单易于实现，在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛应 用。 3 、固定分配类，如f d 姒，t d m a ，c d 姒等。它们的原则是把共享的一条信道分 割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配给一个或多个用户专用。 本文研究了基于c s m a c a 接入方式的无线通信系统q o s 性能改善的理论和算 法，c s m a c a ( 载波监听多路访问冲突避免) 属于随机竞争类信道复用方式，例 如，在i e e e8 0 2 1 l 标准的无线局域网中所采用的基本访问媒质功能d c f ，就是 一种基于c s 姒c a 的随机访问机制，它规定冲突后的报文( p a c k e t ) 重传由二进制 指数退避算法来实现。而正是由于c s m a c a 对信道的随机共享接入，其竞争信道 的特性给无线局域网的q o s 保障带来了一系列挑战，本文通过对i e e e8 0 2 1 l d c f l 第一章绪论 模式的研究和分析，考察无线通信系统中c s m a c a 机制的q o s 性能，并提出了对 应的增强方案。 1 2 无线局域网q o s 的研究背景与目标 l a n 的出现最早可以追溯到1 9 7 1 年，当时夏威夷大学( u n i v e r s i t yo f h 趼a i i ) 的研究人员设计了一个基于分组的无线通信网络a l o e t l 5 】。但w l a n 得到大规模的推广和应用是在1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 工作组发布了工作于2 4 g h z i 鲫频段，支持速率可达2 m b p s 的i e e e8 0 2 1 1 标准1 6 j 之后，1 9 9 9 年i e e e8 0 2 1 l 工作组又发布了支持速率可达1 1 帕p s 的i e e e8 0 2 1 l b 标准【7 】1 8 】及5 4 m b p s 的 髓e8 0 2 1 1 a 标准1 9 】，并在2 0 0 5 年迸行了8 0 2 1 1 e 标准1 1 0 l 的修订，进一步推动 了w l n 的发展。根据美国i n s t a t 岫r 的一份统计数据表明，2 0 0 2 年w l a n 的 全球市场价值就已达2 2 亿美元f l l l 。然而，经过近十年时间的快速发展，基于i e e e 8 0 2 1 1 的w l a n 在最初标准中所存在的许多问题和不足也逐步显露出来，如：如 何支持更高速率，如何提供服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q 0 s ) 需求，如何保 障安全性，如何实现移动管理等旧。对于w l a n 中的大多数问题来说，如公平性、 t c p 性能、q 0 s 问题、隐藏和暴露终端等问题，其根本原因在于无线局域网m a c 层c s 姒c a 方式对信道的共享和竞争使用。尤其在q o s 方面，w u 蝌应用主要 集中于电磁环境恶劣的建筑物群落和工作问中，处于业务接入的重要地位，服务 质量的问题更加突出l n 】众所周知，m e e8 0 2 1 l 最初主要是针对数据业务进行 的设计，对于诸如视频、音频等实时业务的应用并没有做充分的考虑，随着 w l a n 应用的日益广泛，各种多媒体业务，如v 0 口、视频会议对w l a n 的q o s 支持要求也越来越高。由于w u 、n 的节点具有移动性，拓扑结构动态变化，信 道资源有限，链路不稳定，功率受限，传统有线网络中的一些协议或机制不能很 好地适用于w i a n ，m e e8 0 2 1 1 c 小组虽然针对w ia n 本身的特点就实时多媒 体业务的q o s 保证做出了补充方案，然而实际上，8 0 2 1 1 c 并没有完全解决因信 道共享所引起的实时业务性能下降的问题，而在时延性能方面也普遍没有清晰的 研究成果，因此，近年来，无线局域网m a c 层协议的性能分析和性能改进就一直 是研究的热点1 1 4 l i l 5 1 【1 6 j 1 1 刀。 2 第一章绪论 q o s _ 服务质量，是对通信网络承载业务时的业务性能优劣的集中体现： 对用户而言。它表现为用户对业务质量的体验要求；对网络而言，它表现为系统 对通信网络的性能要求；而对运营商而言，它表现在为用户提供的通信服务的总 体品质；从技术角度而言，q o s 是指为保证所提供的业务的服务质量到达相应标 准丽采取的一系列措施的技术总称。 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 i 堋1 1 9 l 例。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 ) 、约束路由( c 职) 等等， 但有线网络中的q o s 机制通常并不能直接应用于无线网络中，无线通信系统与有 线不同，无线信道状况经常会发生剧烈变化，直接导致不可预测的信道衰落和较 高的误码率，而更为糟糕的是，无线网络中对邻近碰撞冲突判决能力的缺乏会导 致误码率进一步增加。大量研究工作都致力于在物理层弥补无线环境引入的缺陷 【2 1 h 冽，但误码和碰撞冲突仍然导致了开销( o v e r h e a d ) 高昂的数据重传。在这种 情况下，m a c 层的q o s 机制对整个无线通信网络的容量和性能表现有相当关键的 作用。 无论是有线还是无线，从技术的角度来说，我们关注的q o s 的性能指标主要 有如下四项f 1 3 l ： 吞吐量或带宽 时延 时延抖动 丢包率或误码率 而在基于c 辄i a c 接入方式的w l a n 的q o s 指标中，时延、丢包率的性 能则尤为重要。我们知道，每一种应用业务对延时，带宽和数据包错误率都有不 同的需求，需要低时延的应用业务( 比如话音业务) 必须要给予分配较高级的信 道使用优先级，而那些需要带宽更宽的业务必须分配更优先的传送时问( 如视频 业务) ，其它的通信业务需要较高的数据可靠性( 如电子邮件和数据) ，以最小 的误码率发送。而实际上，传统的无线局域网i e e e8 0 2 1 l 标准没有根据通信 业务类型的不同设置不同的优先级，系统的吞吐量和时延性能也难以得到保障， 因此，目前w l a n 很难提供较好的q o s 给语音和视频业务。 3 第一章绪论 1 3 无线局域网q o s 的研究方法和研究现状 在对w l a n 吞吐量和时延的研究过程中，主要涉及了两个方面的内容： 对m a c 协议的c s m a ，c a 方式的吞吐量、时延等相关q o s 指标的理论 性能分析； 针对如何改善基于c s m a c a 的m a c 协议的q o s 性能而做的改进方案 的研究。 下面我们将就此两方面内容的研究方法和研究现状做一简介，本文的研究内 容也将围绕这两个方向展开。需要说明的是，在通讯网络的各层都有相应的q o s 机制，在本文中，如不特别指出，我们主要讨论的是基于m e e 踟2 1 1 的无线局 域网中，在媒体接入控制层( m a c ) 所作的相关工作。 1 3 1 理论分析方法 由于i e e e8 0 2 1 l 中使用的d c f 协议比较复杂，在早前的一些研究中。人们 最初主要通过仿真的方法研究其性能，评估i e e e8 0 2 1 1 协议在不同网络配置下 的最大吞吐量等性能。目前，对8 0 2 1 l 的性能研究主要采用仿真和理论计算两 种方法，在建立数学模型和仿真工具的帮助下，对w l a n 的q 0 s 重要指标如吞吐 量、时延、时延抖动做科学的分析，依据这些理论分析的结论来指导对协议性能 改进机制的研究啪删。 虽然人们也提出过一些无线局域网中c s m a c a 的理论分析模型，但是，要么 过于复杂刚【3 1 1 1 3 2 】，不宜使用，要么过于简化1 3 3 堋3 5 l ，不能真实准确地反映 c s 姒c a 的性能；直到b i 肌c h i 引入饱和吞吐量( s a t l l i 缸i 嘶1 1 l f g l l p u o 的概念， 首次采用m a r k o v 链分析了d c f 的性鲥3 6 1 ，文中所使用的二维m 盯l 链用来描 述强的退避记数，比较准确的分析了系统吞吐量的性能朋，但该模型无法准 确地分析系统延时的情况； 此后，对系统吞吐量的系统性能分析有很多，由于基于c s m a c a 的m e e 8 0 2 1 l 的m a c 层d c f 是一个基于竞争的信道接入协议，这使得对系统延时的 分析变得很困难；目前，与舳2 1 1 时延相关的研究多以b i 锄c h i 的模型为基础对 4 第一章绪论 信道进行分析，也有以捧队论为理论依据进行分析的： 文献 3 2 使用掉队论的数学方法对每个站点建立了离散的g g 1 队列模型， 考虑并简化了包冲突、退避算法等影响因素，通过分析模型来评估队列的延迟， 从而得到8 0 2 1 l 无线局域网中站点的延迟特性； 文献 3 8 将站点的运行时间分为三类：探测到信道空闲、信道因其它站点成 功发送而忙、信道因发生碰撞而忙，以分析站点的延时情况； 文献 3 9 引入了一个饱和状况下的数学模型，分析了8 0 2 1 1 e 中e d c a 的吞 吐量和时延情况； 文献 4 0 也提供了一个饱和状态下的系统模型以分析系统的时延情况； 文献 4 1 修正了b i a n c h i 模型中未考虑信道引入的误码而导致的丢包和重 传次数等问题，并且将探测信道的时间分为了七个事件以分析站点的时延： 文献 4 2 同样通过对b i a n c h i 模型的修正，分析站点在数据发送时所需的时 间； 在以上文献中b i a 眦h i 的理论模型得到了大多数研究者的认同，但是在文 献【3 6 】1 3 7 】中所描述的m a r k o y 链是用以推导系统的吞吐量性能的数学模型，而目 前其他数学模型对时延的描述又不够完备脚l 嗍，或假设条件过于苛刻而令模型 不够准确l 档1 【4 9 】例，因此，有必要建立一个对时延进行描述的数学模型进行更深 入的研究，在本文中将提出一个数学模型，该模型以b i 柚c h i 的理论为启发，重 新建立一个三维m a r k o v 链，并通过引进信道冻结的特殊状态，对基于c s m a ，c a 的d c f 模式q o s 中最为复杂的时延参数做出理论分析，并进而得出时延抖动的 数学描述。 1 3 2 性能改进方案 通过对踟2 1 1 性能的理论研究，很多研究者提出了改进w l nq o s 性能的 方法p 1 【黼l ： 文献 5 1 中，作者提出了一种叫做“s l o 幔d e c r e a s ed c f ( s d c f ) ”的方 法。这种方法的思想是减轻信道接入的竞争。作者是基于这样一种想法：竞争就 是网络中发生了拥塞；一旦发生了拥塞，就不大可能会迅速地缓解。s d c f 采取 的就是一种保守的信道接入策略，当数据成功发送后，它并不是按照8 0 2 1 l 标 5 第一章绪论 准中将竞争窗口c w 的值设为c w m i n ，而是用( k - g ) 这级的c f r 值作为其发送下一 数据包的c w 值。这里的g 是一个正的常数。当数据没有成功发送时，它则按照 8 0 2 1 l 标准中将c w 值增加一倍。s d c f 方案无法根据信道的忙闶做出自适应的调 整，因而是一种相对比较简单的方案，它实际上就是把网络的繁忙或者说拥塞程 度作了一个折中，这样在网络相对空闲的时候它牺牲了一些性能，而在比较拥塞 的时候则会获得一些好处； 文献【5 5 】的研究显示出适当调整m e e8 0 2 1 1 的二进制指数回退算法，可显著 提高系统的性能； 文献 5 6 中，作者提出了一种叫做自适应d c f ( a d a p t i v ed c f d c f ) 的方 法。它的基本思想就是：一个站点应该选择具有最高成功率那一阶作为其优先选 择的下一阶。其方法是网络中的每个站点通过对本地访问介质的情况信息作为衡 量网络拥塞程度的参考。a d c f 试图通过观察信道变化来获得对网络拥塞情况的 判断，通过这些判断来决定优先选择的退避阶数，从而获得可能较好的吞吐性能， 但是a d c f 仅仅给出当在某一阶成功发送时如何选择下一优先退避阶，而当传送 失败。即发生了冲突的时候，它仍然是按照8 0 2 ud c f 下的方式选择其高一阶 作为其退避阶，直到到达最大传送限；而且在对本地访问介质情况的判断算法上 过于复杂，很难实时反映信道的变化情况，因此其算法效果将大打折扣； 在文献 5 7 中，通过假定接受信号强度r s s 是与信噪比s n r 呈线性关系，据 此分配不同r s s 门限以及相对应的传输速率接，使得s t a 能够动态的跳转到最适 宜的发送速率上去； 在文献 5 8 中作者结合了s n r 参数、均净荷长度以及重传计数器来推测物理 信道的情况，借以作为实施算法的依据；而连续成功传送成功的次数，或者连续 失败传送的次数，也可以作为判断物理信道质量的依据，一般来说，物理信道差 的情况下要降低s t a 的传送速率； 文献1 5 9 】中作者也是通过s n r 对物理信道质量的判断，a p 中设有s p s 监视 器和s p s 传递器，各s t a t i 周期性的通过s n r 帧将各自的s n r 信息传给a p ， 由a p 根据这些信息更新自己维持的一个s n r 表，该表维护一个s 切嚏i o n 的m 和 s n r 值对，统筹安排各s 切t i o n 的带宽分配，从而达到优化w u m 的目的； 文献 6 3 中，作者提出通过虚拟m a c 帧被动地监测信道，通过虚拟帧来预 6 第一章绪论 计现有服务水平，通过利用虚拟m a c ，虚拟源心q r t l l a is o u f 算法允许根据 信道动态变化来调整应用参数。 文献 6 4 儿6 5 评估认为e d c f 对于高优先级流提供了重要的性能改进，但是 i e e e8 0 2 1 l e 也还存在不足：首先，该协议是以降低低优先级流性能为代价的， e d c f 并没有比d c f 提高通道利用率；其次，对于可按受的q 0 s 供应，应该存在 接纳控制，实际上8 0 2 1 l e 定义了一个分布式的接纳控制算法，而该接纳控制机 制的性能则需要进一步评估；最后，由于e d c f 参数不能自适应网络条件的变化， 因此，i e e e8 0 2 1 1 e 虽然提高了实时流量的服务质量，但获得的性能并不是最 优的。 归纳起来以上文献可以分为以下几个方向： 1 基于i e e e8 0 2 1 l 自身回退算法的改进方案【5 1 h 5 4 l 。对无线局域网所有 q o s 性能改良机制都是以i e e e8 0 2 1 l 所规定的d c f 及其二进制指数回 退算法为基础进行的，如调整d c f 模式的竞争窗口，或r t s 门限等；，； 2 根据网络状况的自适应调整1 5 5 j 书如果能够得到目前传输环境的优劣 状况报告，则站点可以据此对姒c 层进行相应的参数调节以使得吞吐量 得到最大化和时延最小化，也即是说，在动态的信道环境下需要一个正 确的反馈算法来达到自适应优化q o s 的目的； 3 区分服务方案1 6 2 l 一旧。对时延敏感的实时业务分配以较高的优先级，数 据业务等非实时业务分配以较低优先级，采用各自有针对性的不同服务 方式，以提高整体效率，m e e8 0 2 1 1 e 所采用的e d c f 机制就是这样的 区分服务例子； 围绕这三个主题，本文相应地提出了三个对i e e e8 0 2 1 1 的q o s 性能改进方 案，其各自的思想都不同程度地借鉴和参考了相应文献的研究成果，相关方案的 讨论将在后续章节中详细展开。 此外，文献【3 1 1 提交了一个根据活动站的数目自适应修改回退窗的算法，活 动站数目可通过观察通道状态而得到。依据文献【3 1 】的结论，如果得知系统站点 数，可以合理地设置阳吲c r s 门限值以优化系统性能，同时文献f 3 3 】的研究也表 明，当所有站点的退避间隔的获得都服从几何分布时，那么存在优化的竞争窗口 c w 大小可以使得信道利用率最大。例如，有5 0 个站点的网络运行在饱和情况 7 第一章绪论 下，那么它的最优c w 应该是9 0 3 ，小于d c f 下的最大c w 值1 0 2 4 。这就是说， 如果能够准确地预测站点数，系统将能够接近最优化情况下的理论值。因此，在 本文中，我们将以混沌理论为基础，提出一个预测系统站点数的新方法。 1 4 论文的主要贡献及内容安排 无线局域网的性能和服务质量研究的内容可能涉及控制理论、随机过程理 论、捧队论、非线性系统理论、优化理论和数理统计等多方面的内容，本文在前 人研究基础上，主要做了如下工作： 1 针对c s 姒c a 模式的时延问题，本文提出并建立了一个三维r k o v 链模型， 不同于其他基于 l a r k o v 链对系统吞吐量的研究理论，本文利用所建模型及 其状态转移图对站点的信道接入状态进行了分解，从理论上深入分析了系统 的时延统计特性，得到了站点统计的平均发送时延表达式，站点时延抖动的 统计平均表达式，站点时延的分布区间，以及碰撞概率与冻结概率的表达式； 2 通过对无线局域网中d c f 模式的细致研究，本文提出了一种增强方案t s d c f ( t h r e s h o l d _ s l o wd e c r e a s ec o n t r o lf u n c t i o n ) ：它解决了传统d c f 退避 模式当站点数量增多时在c w m i n 内易产生大量冲突的问题，并改善了其公平 性，仿真结果验证了t s d c f 具有更好的灵活性和效率； 3 围绕i e e e8 0 2 1 1 e 分级服务的思想，提出了队d c f 增强方案( e n h a n c e d a d a p t i v ed i s t r i b u t e dc 0 0 r d i 舱t i o nf u n c t i o n ) ：它弥补了传统d c f 退避 模式没有服务优先级的缺陷，按照业务分级的思想，e a d c f 通过不同的最大 竞争窗口和重传次数来区分不同的优先级，仿真结果证明e a d c f 所采用的分 级策略具有很好的效果，高优先级业务在时延和吞吐量方面的性能表现都优 于低优先级业务： 4 借鉴混沌理论的加权局域法，提出了个系统站点数的预测方法，该方法通 过采集足量的历史数据，计算关联维数并重构相空间，最后得出站点数的预 测结果。通过该方法，我们进一步分析了历史数据采集量的大小对于预测可 靠性的影响，对以后更深入的研究有重要意义。 8 第二章m 旺眦1 ld c f 的时延数学建模和统计特性理论分析 第二章i e e e8 0 2 1 1d c f 的时延数学建模 和统计特性理论分析 正如第一章中所述，根据对信道资源的不同分配方式，多址接入协议主要分 为随机接入、固定( 静态) 分配，和动态( 按需) 分配三种方式。这三类多址接入技 术分别适用于不同的通信业务：对于以话音业务为主，通信量稳定的网络，固定 分配类可以提供可靠的服务，同时又保持了较高的信道利用率；而动态分配类不 存在信息的碰撞，但通常需要一个专用信道，所有的用户在该信道上以固定分配 或随机接入的方式提出呼叫申请，它适用于通信业务量随机变化且难以预测的情 况；固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务，而随机竞争类则适用于 间歇性工作的用户，对延迟不敏感的业务，当信道负载较小时，冲突( 碰撞) 机会“ 少，信道利用率提高。基于c s 姒c a 信道接入方式的无线局域网i e e e8 0 2 1 1 协议d c f 就是这种随机竞争类的多址接入技术的代表。 在本章中，我们先回顾无线局域网和i e e e8 0 2 1 1 协议族的发展历史，并对 i e e e8 0 2 1 1 协议相关背景作一简介，由此引出对髓e 踯2 1 1 协议的d c f 机制 原理的分析，并进一步介绍b i a 眦h i 在文献【3 7 】中描述的w ia n 饱和状态下的 d c f 数学模型，在此基础上，本文提出了一个新的三维m 缸k o v 链数学模型，用 以分析m e e8 0 2 1 1 的时延性能，并得到了相关表达式。 2 1 l e e e8 0 2 1 1 协议简介 2 1 1 i e e e8 0 2 1 1 的位置 i e e e 中局域网只涉及o s i 模型的数据链路层和物理层两层协议，i e e e 8 0 2 课 题组又将数据链路层进一步划分为逻辑链路控制层( l l c ) 和媒体访问控制层 ( m a c ) 。8 0 2 2 标准定义了l l c 层的协议标准，8 0 2 3 ，8 0 2 4 ，8 0 2 5 和8 0 2 1 1 标准的定义了七层协议的媒体接入控制层( 姒c ) 和物理层( p h y ) ，如图2 一l 所 9 第二章i e 既毗1 ld c f 的时延数学建模和统计特性理论分析 刁写： 应用层 表示层 会话层 传输层 i 上层协议 网络层 。 逻辑链路层( l 【c ) 数据链路层 媒质接入控制层( m a c ) 物理层物理层( p h y ) 系列标准 系列标准 图2 1 e e 2 儿标准在七层协议中的位王 髓e 8 0 2 1 1 工作组目前正在努力使w l a n 技术朝着数据速率更高、功能更 多、应用更加安全的方向发展，在8 0 2 1 l 标准中定义了w u 蝌的相关网络拓扑 结构、协议的逻辑层次结构以及物理层参数定义、m a c 层的接入机制