（计算机系统结构专业论文）无线局域网的网络流量特性与建模研究.pdf

摘要 摘要 当前无线局域网的发展趋势表明，迅速增加的笔记本电脑和p d a 的用户迫切 要求为他们提供灵活的宽带无线服务。要想满足这一需求，研究无线局域网的流 量特性和流量模型就显得十分重要，这也是本文研究的目的。 受到有线网络流量具有自相似性的启发，本文针对s t a n d f o r d 大学无线局域网 的流量测试结果做了大量的分析，首次发现无线局域网的真实流量特性在不同的 时间尺度下都呈现出显著的自相似性。 为考察无线链路的流量是否也具有自相似性，本文进行了无线链路流量特性 若干项测试，首次验证了无线链路的流量具有自相似性。本文认为这是无线局域 网的流量具有自相似性的首要原因。 不仅无线链路的流量具有自相似性，我们还知道无线局域网的流量就是由各 条无线链路上的流量汇聚、叠加而形成的，而汇聚、叠加是产生自相似的重要原 因，本文认为这是无线局域网的流量呈现出典型自相似特征的另外一个原因。 h u r s t 系数、信息维数和盒维数是反映分形特性的重要指标，本文总结了h u r s t 系数、信息维数和盒维数在不同时间尺度下的变化规律，并结合无线局域网的用 户行为方式给出了部分解释。 本文计算并绘制出了无线局域网流量的多重分形谱，从而首次发现无线局域 网的真实流量具有多重分形的典型特征。 作为建立基于自相似理论的无线链路特性的数学模型的初步尝试，本文给出 并验证了丢包率p l r 的一个近似的计算公式。该公式的参数是h u r s t 系数、b u f i e r 容量大小和该无线链路服务率。 鉴于无线局域网流量自相似性的发现，本文使用了两种基于分形理论的预测 算法用于预测无线局域网流量，并与非分形的预测算法在预铡效果上进行了比对， 证实了基于分形理论的预测算法在预测无线局域网流量时的优越性。实际体现了 发现无线局域网流量自相似性的意义。本文还对分段变维分形插值预测法进行了 改进，提高了预测精度，克服了原方法的缺陷。 本文讨论了无线局域网可采用的提高性能可靠性的各种措施。并且，为在蓝 牙应用层提高可靠性，本文研究并部分实现了支持断点续传的高可靠的新型蓝牙 文件传输协议。 关键词：无线局域网、流量特性、流量模型、自相似、分形 a b s t r a c t t r a f f i cm o d e l i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o nf o rw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s w a n g n a n d i r e c t e db yp r o f h o u z i f o n g c u r r e n tt r e n d si nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) i n d i c a t ea l le x i g e n td e m a n dt o p r o v i d eb r o a d b a n dw i r e l e s ss e r v i c e st og r o w i n g u s e r so fm o b i l el a p t o pa n dp d a t om e e t t h i sn e e d ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d y t h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a f f i cm o d e lo f w l a n , w h i c hi st h e p u r p o s e o f t h i st h e s i s i l l u m i n e db yt h ef i n d i n g so f s e l f - s i m i l a r i t yi nw i r e dn e t w o r k s ，a n da f t e ra n a l y s i n gt h e r e a lw l a nt r a f f i ct e s tr e s u l t si ns t a n f o r du n i v e r s i t y , t h i st h e s i sd i s c o v e r s ，f o rt h ef i r s tt i m e ， t h a tt h er e a lt r a f f i ci nw l a na l s oe x h i b i t so b v i o u ss e l f - s i m i l a r i t y w h y d o e st h es e l f - s i m i l a r i t ye x i s ti nw l a n ? o n e c o n j e c t u r ei st h a tt h eb o t t o m l e v e l w i r e l e s sl i n k s m a y b eh a v es e l f - s i m i l a r i t y t ov e r i f y w h e t h e raw i r e l e s sl i n ka l s oh a s s e l f - s i m i l a r c h a r a c t e r i s t i c ，s o m e t r a f f i ct e s t sa r e p e r f o r m e d o v e rw i r e l e s sl i n k s i n c o n s e q u e n c e ，t h e t r a f f i cb e t w e e n p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s sd e v i c e sa l s oh a sd i s t i n c t s e l f - s i m i l a r i t y , a n di ti st h ef i r s tr e a s o no f t h es e l f - s i m i l a rt r a f f i ci nw l a n a sw e k n o w n ，t h et r a f f i c so v e ra l lo f t h ew i r e l e s sl i n k sa r ec o v e r g e da n ds u p e r p o s e d i n t ot h et r a f f i co fw l a n a n d c o v e r g e n c ea n ds u p e r p o s i t i o ni sa ni m p o r t a n tc o n d i t i o nt o f o r ms e l f - s i m i l a rt r a f f i c s o w et h i n ki ti sa n o t h e rr e a s o no ft h es e l f - s i m i l a rt r a 蚯ci n w l a n t h e n t h i s t h e s i so b t a i n st h eh u r s t c o e m c i e n t s ，i n f o r m a t i o n d i m e n s i o na n d b o x 。d i m e n s i o no ft h es t a n d f o r dw l a nt r a m ct r a c e sa td i f f e r e n tt i m es c a l e sa n da n a l y z e s t h et r e n d sa n dr e g u l a rr o l e so ft h ea b o v et o e m c i e n t sr e s u l t s a c c o d i n gt ot h eb e h a v i o u r so f t h ew l a nu s e r s t h i st h e s i se l e m e n t a r y l ye x p l a i n st h e s et r e n d sa n dr u l e s m o r e o v e r , t h i st h e s i sc a l c u l a t e sa n dp l o t st h em u l t i f i a e t a ls p e c t r u m so f t h es t a n d f o r d w l a nt r a f f i cd a t a t h em u l t i f r a e t a ls p e c t r u m ss h o w , f o rt h ef i r s tt i m e ，t h a tt h ew l a n t r a 厩ca l s oh a st y p i c a lm u l t i f r a c t a ls l ：l e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt o t h ea b o v er e s u l t s ，u s i n gs e l f - s i m i l a rt h e o r y , t h i st h e s i se s t a b l i s h e sa n d v e r i f i e sac l o s e f o r ma p p r o x i m a t ef o r m u l af o rp l r ( p a c k e tl o s sr a t c ) o v e raw i r e l e s sl i n k ， w h o s e j n p u tv a r i a b l e sa r eh u r s tp a r a m e t e r , b u f f e rs i z c ，a n ds e r v i c e r a t e a t1 a s t t h i st h e s i su s e s2f r a c t a l - b a s e dm e t h o d st op r e d i c tt h et r 撕ci nw l a n t h e a c c u r a c y o ft h em e t h o d si sv e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a ld a t a , a n dt h ec o m p a r i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ef r a c t a lp r e d i c t i o nm e t h o d sa r cb e t t e rt h a no t h e r s a d d i t i o n a l l y , b y o v e r c o m i n gt h eb l e m i s ho f o n eo ft h eo l dm e t h o d ，t h i st h e s i si m p r o v e st h eo l dp r e d i c t i o n m e t h o da n de n h a n c e st h ep r e c i s i o n a b s t r a c t a d d i t i o n a l l y , t h i st h e s i s a l s od e s c r i b e st h e r e l i a b i l i t ym e a s u r e so f8 0 2 11w l a n ， w i r e l e s sa t ma n db l u e t o o t hn e t w o r k s ，t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fb l u e t o o t hf i l et r a n s f e r i nt h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o nl a y e r , t h i st h e s i ss e t su par e l i a b l eb l u e t o o t hf i l et r a n s f e r p r o t o c o l ，n a m e dr b t f t , w h i c h c a na u t o m a t i c a l l yr e c o v e rt h ef i l et r a n s m i s s i o nw h e nt h e b r o k e nw i r e l e s sc h a n n e l i sr e c o n n e c t e d k e y w o r d s ：w l a n ，w i r e l e s sl i n k ，t r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t r a f f i cm o d e l ，s e l f - s i m i l a r i t y , f r a c t a l 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本 文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。 作者签名： 壬啼钓 日期： a 。增岁多， 关于论文使用授权的说明 撕构翩虢嗍吼堋川v 第一章引言 第一章引言 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一，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。然而，可以预见，无 线局域网的带宽在今后相当长一段时间之内仍然会大大低于有线网络的所能够提供的 带宽。这就追切要求我们引入无线局域网资源的量化管理机制，尤其是无线局域网的 流量的数学模型。大家知道，无线网络具有吞吐率不稳定、存在无线电干扰、误码率 高且不稳定、有时需要跨区转交( h a n d o f f ) 等特点，而且很难预测误码率和流量。本 课题的目的就是为了在这样一种网络环境中，对无线局域网的性能进行分析、建立相 应的数学模型并加以验证，进而对无线局域网的服务质量( q o s ) 保障措施进行深入 的研究，为最终建立有效的无线局域网资源量化管理机制打下基础。 本文的工作就选题于无线局域网性能分析与建模这个领域，着重研究无线网络的 流量特性分析和建模。本章首先讨论了对无线局域网性能分析与建模的需求以及无线 局域流量模型的发展，随后介绍了几种无线局域网及其发展现状，尤其与无线网络的 流量特性分析和建模直接相关的各项成就，最后叙述本文的组织形式与主要贡献。 1 1 无线局域网发展现状 1 1 1i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网发展现状 i e e e8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 是1 9 9 9 年8 月i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，美国电气和电子工程师学会) 颁布的无线局域网( w l a n ) 的 标准协议，该标准定义了w l a n 物理层0 h v ，p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体访问控制叫a c ， m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 的规范。允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立 互操作网络设备。 其中，8 0 2 1 l 是第一代w l a n 标准，规定了i s m ( 工业、科学、医学) 2 4 g h z 论文：无线局域网的网络流量特性与建模研究 通用频段w l a n 各层规范，由无线媒体可提供的含分组语音在内的l 2 m b i v s 无连 接p h y 和m a c 业务。8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 是8 0 2 1 1 的扩展，在8 0 2 1 l 协议基础上， 8 0 2 1 l b 定义了i s m 2 4 g h z 频段5 5 m b i t s 和1 1 m b i t s 通信业务规范，是目前应用最广 泛的无线局域网。8 0 2 1 l a 定义了i s m 5 g h z 频段更高通信速率的p h y 和m a c 规范1 ， 2 ，3 。 i e e e 8 0 2 1 1 e 是i e e e 8 0 2 1 1 系列协议中的一个新成员。目的在于实现w l a n 图像 和语音的实时传输，其基本传输技术直接沿用已经制订的i e e e 8 0 2 1 l 、l l a 以及1 l b 协议，也将使用i s m 2 4 g h z 频带或者5 g h z 频带。新协议的特点在于改进了w l a n 多址接入的方式，可根据数据的种类决定优先顺序以确保传输影视以及声音数据的带 宽，而不致于使数据在传输中途间断。现行w l a n 多址接入技术，是基于c s m c a 方式。在这一方式中没有优先权的概念，是一种竞争的方式来获得信道的使用权。与 此不同，i e e e 8 0 2 1 l e 则是采用美国风险公司s h a r e w a v e 开发的名为“w h i t e c a p ”的协议 来实现多址接入。在w h i t e c a p 中采用t d m a 技术，每隔一定时问按数据种类分配信 号发送权，从而确保优先数据的带宽。 此外，p 8 0 2 1 1 9 协议可将现有w l a n 的1 1 m b i t s ( i e e e 8 0 2 1 l b ) 的最高数据传输 速度提高到2 0 m b i t s 以上。 8 0 2 1 1 i 工作组希望开发出能够应用于各种i e e e8 0 2 1 l 产品中的数据安全协议， 其工作主要在于增强m a c 层的安全机制。针对原先w e p 方法的缺点提出了频繁密钥 旋转和初始矢量旋转的改进方法。8 0 2 1 l i 工作组还在考虑其它的安全措施，如w e p 2 用来兼容原有的w e p 方法，a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 可以提供比w e p 强 很多的加密方法，e a p ( e x t e n s i b l e a u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 在p p p 、i e e e8 0 2 1 x 都支持。 除此之外，i e e e 8 0 2 1 6 协议也是i e e e 2 0 0 0 年启动实施的新协议工程，它规定了 通信和信息交换协同工作的宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c c s s ) 系统的空间界 面规范。协议能够支持数据、语音和图像的宽带传输，物理层规范即支持需许可频段， 也支持公开频段；主要着眼于5 6 g h z 频段，以及2 1 1 g h z 内所有公开频段内不同种 类无线接入设备之间的信息传输和无线高速w a n 接入的规范，包括符合8 0 2 1 l 和 8 0 2 1 5 的无线设备。协议希望通过规范频段的分配，更加规范公开频谱的使用，增强 公开频段宽带无线频谱应用的商业吸引力，实现一个频繁无线实时通信、中小型企业 ( s m e ) 无线互连等无线接入应用互为补充的互通互连的无线接入市场 4 ，5 ，6 ，7 ，8 】。 1 1 2 蓝牙无线局域网发展现状 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种低成本、短距离的无线连接技术标准。它是由爱立信 ( e r i c s s o n ) ，国际商用机器( m m ) ，英特尔( i m e l ) ，诺基亚( n o k i a ) 和东芝( t o s h i b a ) 5 家公司共同倡导的一种全球无线技术标准。其目的就是将智能移动电话与笔记本电 脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来。 蓝牙又称i e e e8 0 2 1 5 ，是i e e e 正在实施的新协议工程，它规定无线个人信息网 ( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k s ) 的媒体访问控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范，即定义了固定、手持移动的设备之间或设备进入一个个人信息空间( p o s ， p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e ) 之中的无线接入规范。 蓝牙速度较慢，但移动性强、体积小，成本低、适合移动电话、个人数字助理( p d a ) 第一章引言 或个人电脑( p c ) 等设备的短距离互连，并发起了全新概念无线个人区域网( w p a n ) 。 也就是说，蓝牙被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，可用于更多的低端设备上。 目前，蓝牙的芯片价格持续下降，芯片越来越小巧并向单芯片方向发展，各个厂家的 蓝牙产品将会具有兼容性。 相对于8 0 2 1 1w l a n 来说，蓝牙的出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙只是 w l a n 中重要的技术，有其局限性，w l a n 网的实现需要几种技术的结合。为了支持 蓝牙与其他技术的共存：如推进1 0 m 近距离无线通信技术标准化的i e e e 8 0 2 1 5 委员 会日前采纳了可使蓝牙和i e e e 8 0 2 1 l b 共存的技术提案。i n t e r s i l 公司和s i l i c o nw a v e 公司宣布合作开发兼容蓝牙和i e e e 8 0 2 1 l b 标准的w l a n 解决方案。a s h v a t t h a 半导 体公司最近宣称已经开发出r f 单芯片系统，利用该系统可以同时接收和发送g s m 、 蓝牙和g p s 信号9 1 3 1 。 1 1 3 无线a t m 局域网发展现状 无线a t m ( 异步转移模式) 技术自1 9 9 2 年起日益受到通信技术界的关注。研究表 明，在目前采用无线a t m 技术可为微蜂窝个人通信网( p c n ) 、无线局域1 网( w i r e l e s s l ，a 进行业务的综合提供有效的、低成本的宽带解决手段。而从发展的总趋势来看， 在将来可通过无缝隙的有线一无线a t m 网络，为用户提供端到端的a t m 业务( 如 c b r 、v b r 和a b r 业务) ，提供端到端的连接管理，并可保证端到端的服务质量。 正因为如此，本文将无线a t m 网络作为无线局域网的一种扩展一并加以研究。 具体来看，无线a t m 局域网有如下优点： 1 4 ，1 5 】 1 1 支持话音、数据和图像等多种业务； 2 ) 灵活的频带分配； 3 1 多媒体信源的有效复用； 4 1 为有线用户与无线用户提供端到端的服务： 5 1 采用a t m 信元交换技术，速度快； 6 ) 能方便地与b i s d n a t m 网络互连，等等。 目前，虽然由于成本的关系，无线a t m 局域网的推广和大规模应用不甚理想。但 是由于无线a t m 局域网在服务质量( o o s ) 管理方面的独特优势，将来仍有可能得到 发展的机会。 1 2 开展本课题研究的意义 目前，利用无线局域网的重要性日益为人们所认同。人们越来越想随时上网、随 时在线，正是人们这种旺盛的需求，推动无线网络迅猛发展。各种无线局域网产品如 雨后春笋般地涌现，无线局域网正在快速走进我们的生活。正如美国著名网络专家 p e r r yb a l o w 宣称“无线网络将成为继钻燧取火之后人类最重大的发明，并将成为移动 嘲络宣言。”为了让无线局域网为人们提供更好的服务，人们迫切需要对无线局域网 论文：无线局域网的网络流量特性与建模研究 有更深入的研究与分析。具体来说，本文的研究工作具有以下三个方面的意义。 1 ) 适应了无线局域网迅速发展的要求 首先，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。 其次，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。 第三，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。 最后，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，采用无线局域 网来享受多媒体服务就成了最有诱惑力的选择。 无线局域网已经存在将近十年了，但以前一直没有推广开，直到最近才出现广泛 使用的趋势。问题在于原来把无线局域网定位于有线网络的延伸，其所能够支持的带 宽不高。而现在则把它用作高速无线因特网接入技术，应用于机场、市区和人口密集 的郊区等地区，而用户对于宽带移动数据连接的要求也日益迫切，还要求无线局域网 必须支持高速突发数据业务。 可是，与人们所熟悉的有线网络相比，无线局域网环境中还存在着一些固有的问 题：比如存在着无线电干扰、传输误码率高、电磁兼容性问题、吞吐率不稳定、频率 资源有限等等。而且，无线连接通常无法为特定的网络要求提供绝对的保证，其特性 和性能参数都是统计数据。这些问题阻碍着无线局域网向用户提供高速、稳定的多媒 体服务。因此，为了无线局域网本身发展的需要，我们必须对无线局域网环境下的各 项性能进行分析、建模，这也是人们提出有效的无线局域网q o s 保障措施的前提。 这一领域的研究正取得令人可喜的进展，但仍然存在着许多亟待解决的问题。而 对无线局域网的性能进行分析、建模，提供o o s 保障措旌对于利用无线局域网提供稳 定的多媒体业务是至关重要的。 2 ) 适应了无线局域网资源的量化管理的要求 目前，利用无线局域网处理大量多媒体信息的重要性日益为人们所认同，人们对 无线局域网带宽的需求急剧增长，然而，无线局域网的带宽大大低于有线网络的所能 够提供的带宽。这就迫切要求我们引入无线局域网资源的量化管理机制，从而便于我 们定位网络瓶颈、优化无线局域网的结构，最终实现充分利用无线局域网资源、有效 提高无线局域网q o s ( 服务质量) 的目的，对于无线局域网的发展规划也具有重要的 指导意义。 4 第一章引言 对无线局域网资源进行量化管理，我们所关心的内容主要有三个方面：无线局域 网的网络可用性、无线局域网的资源利用率、无线局域网的其它网络性能。网络可用 性反映无线局域网的可靠程度，无线局域网的各项网络性能表现直接影响服务质量， 这两方面再加上无线局域网的资源利用率就是进行无线局域网的资源优化配置及制订 无线局域网的发展规划的依据。 3 ) 当前对无线局域网性能分析与建模的研究不能令人满意 当前，对无线局域网的性能分析、建模的研究不能令人满意。国际上没有一个公 认的、比较准确的用来量化分析无线局域网性能的数学模型。对无线局域网的性能分 析、建模的研究不能令人满意。 1 3 无线局域网流量特性能分析与建模的国内外研究现状 目前，无线网络的研究成为国外科研机构的研究热点，比较有影响、成果及论文 发表较多的有：u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i a ，b e r k e l e y 、u n i v e r s i t yo f a r i z o n a 、u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n 、c o m e l lu n i v e r s i t y 、r u t g e r su n i v e r s i t y 、p u r d u eu n i v e r s i t y 、u n i v e r s i t yo f t o r o n t o 、u n i v e r s i t yo f c a m b r i 姑e 与本课题相似的研究项目也是目前国际上无线通信的重要研究热点和难点课题。 目前，国外关于无线网络性能、协议分析的文章不少，处于争鸣状态，但是有关于无 线网络流量特性分析的文章相对来说就少得多了，而且，目前还没有公认的、准确的 无线局域网流量模型。值得注意的是，几乎所有现有的关于无线网络流量建模的文献 都是借鉴传统的有线网络流量建模的方法，按照指数分布、马尔可夫过程等短相关过 程来进行推导、分析 1 6 - - - 2 5 1 。 与此同时，无线网络的研究也是国内科研机构的研究热点，但是包括清华、北大 和国内各大电信及电信设备公司的注意力几乎都集中在c d m a 、g s m 、3 g 等无线广 域网的标准化、实际应用与产品开发，清华、北邮、电子科技大学、东南大学等对无 线a t m 网络有所研究：北邮和上海交大进行过无线网桥、无线局域网接入单元、蓝 牙无线产品的研究和丌发。而对于本文所涉足的研究方向，国内虽也有一些无线网络 性能、协议分析的文章，但几乎没有有关无线网络流量建模的相关论文发表，只有浙 江大学的严德政等在通信学报2 0 0 2 年0 3 期发表了一篇多个蓝牙皮克网共存的 系统建模与性能仿真的论文 2 6 1 。 另外，据微软中国研究院首席科学家张亚勤博士介绍，围绕无线技术及网络这一 新的研究方向，微软中国研究院研究的重点在于最终用户如何利用无线方式传输其最 关心的视频、声音、图像、文字等信息，侧重于中间的链接层和面向用户的应用层的 研究，尚不涉及建模。 1 4 作者对本文的贡献 本文的研究目标是：对无线局域网的流量特性进行多层次地深入分析、建立相应 的数学模型并加以验证，为最终建立有效的无线局域嘲资源量化管理机制打下基础。 论文：无线局域嘲的嗍络流量特性与建模研究 本文所采用的技术路线：许多研究机构的分析 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 1 已经表明，有线网络 的网络特性如流量特性、突发业务的到达过程等更适于用自相似模型来表征。有鉴于 此，本文围绕无线局域网的流量是否具有自相似性开展了研究工作。 本文作者的贡献之一是针对s t a n d f o r d 大学无线局域网的流量特性测试结果做了大 量的分析工作，首次发现并验证了无线局域网的流量特性在不同的时间尺度下都表现 出分形特征，呈现出显著的自相似性。 无线链路是无线局域网的基础，也是研究各种无线局域网性能模型的共同的出发 点，本文进行了多项无线链路流量特性测试，首次验证了无线链路上的流量具有自相 似性。无线局域网的流量就是有各条无线链路上的流量汇聚、叠加而形成的，而汇聚、 叠加是产生自相似的重要原因。本文认为这就是无线局域网的流量呈现出典型自相似 特征的原因。 然后，本文对无线局域网测试数据的分形特征做了进一步的分析，绘制出不同时 间尺度下h u r s t 系数的变化趋势，总结了不同时间尺度下h u r s t 系数的变化规律。 另外，本文还计算并绘制出了无线局域网流量的多重分形谱，从而首次发现并验 证了无线局域网的流量具有多重分形的典型特征。 本文进而绘制出了不同时间尺度下信息维数和盒维数的变化趋势，总结了不同时 间尺度下信息维数和盒维数的变化规律。 鉴于无线局域网流量自相似性的发现，作为建立基于自相似理论的无线链路特性 的数学模型的初步尝试，本文给出并验证了丢包率p l r 与h u r s t 系数、b u f f e r 容量大 小和该无线链路服务率之间的一个近似的计算公式。后续研究工作将继续基于自相似 理论的技术路线，对无线链路的吞吐率、端到端延迟进行分析、推导和验证。 同样是鉴于无线局域网流量自相似性的发现，本文在第六章用基于自相似理论的 预测算法对无线局域网流量进行了预测。不仅进行了校验，还与非分形的预测算法在 预测效果上进行了比对，证实了基于分形理论的预测算法在预测无线局域网流量时的 优越性。具体体现了发现无线局域网流量自相似性的意义。本文还对分段变维分形插 值预测法进行了改进，提高了预测精度，还提出并验证了无需事先知道排序情况的分 段变维分形插值法，克服了原预测法的缺陷，增强了变维分形预测法的实用性。 另外，本文作者还讨论了无线局域网可采用的提高性能可靠性的各种措施。并且， 为在蓝牙应用层提高可靠性，本文研究并部分实现了支持断点续传的高可靠的新型蓝 牙文件传输协议。 本文作者计划在以上工作的基础上继续深入研究，为最终建立有效的无线局域网 资源量化管理机制奠定基础。 1 5 本文的组织形式 本文以下部分的文章组织形式如下： 本文第二章对几种主要的无线局域网的关键技术作了简要介绍，尤其是对无线局 域网流量特性测试结果进行了分析，总结了规律。讨论了无线局域网可采用的提高性 能可靠性的各种措施。介绍了本文研究的支持断点续传的高可靠的新型蓝牙文件传输 协议r b t f t 。 6 第一章引言 因为无线局域网刚刚兴起。目前国内外专门针对无线局域网的网络流量模型的学 术论文很少，而且都借鉴了有线网络的流量模型，本文也不例外。因此，在第三章中， 本文对建立无线局域网的网络流量模型相关的若干关键问题集中进行叙述、讨论，也 就是说第三章是为建立无线局域网的网络流量模型而进行的理论准备。 在第四章中，本文首先对s t a n d f o r d 大学计算机系公布的8 3 天无线局域网跟踪测 试的总流量、输入流量、输出流量、总包数、输入包数、输出包数的实测结果( 3 l 】分 别进行了统计分析，结果表明8 0 2 1 1 无线局域网的流量特性具有典型的自相似性。在 此结果的提示下，本文又继续做了无线链路的流量特性试验，结果表明，即便是无线 链路也存在明显的自相似性。然后，本文对无线局域网和无线链路这两个层次都存在 自相似性的原因进行了分析。在第四章中，本文计算并绘制出了s t a n d f o r d 大学无线局 域网流量的多重分形谱，还总结、分析了s t a n d f o r d 大学无线局域网流量的盒维数和信 息维数的变化规律。 第五章提出了基于自相似性的无线链路丢包率的数学模型。作为建立基于自相似 理论的无线链路特性的数学模型的初步尝试，给出并验证了无线链路上丢包率p l r 、 h u r s t 系数、b u f f e r 容量大小和该无线链路服务率之间的一个近似的计算公式。 建模的一个重要用途就是预测。鉴于无线局域网流量具有自相似性，本文在第六 章提出了基于自相似理论的无线局域网流量的预测算法。并且进行了校验。本文还对 分段变维分形插值预测法进行了改进，提高了预测精度，还提出并验证了无需事先知 道排序情况的分段变维分形插值法，克服了原预测法的缺陷，增强了变维分形预测法 的实用性； 最后，第七章总结汇报了本文相关的科研工作完成情况，并提出了进一步的研究 方向。 第二章无线局域网及其流量特性 第二章无线局域网及其流量特性 发展无线局域网目的在于满足局部范围各种便携的、移动或固定的设备进行无线 宽带通信的需求。无线局域网早期的应用是一些不便于敷设线缆的场合，如宾馆饭店 的大厅，生产车间或仓库等较大的开阔空间，或者是不能敷设线缆的历史性建筑物内。 后来，许多公司发现采用无线局域网能适应公司的快速发展变化，提高工作效率。在 美国和欧洲等地区，无线局域网产品在移动办公的人群中已经很流行，无线局域网产 品也进入到家庭中。随着成本不断降低，各种无线局域网产品会加速普及开来。本章 对几种主要的无线局域网技术作了简要介绍、并对无线局域网流量特性测试结果进行 了分析，总结了规律。 2 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网及流量特性分析 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域阚协议结构 国际标准化组织i s 0 0 n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 伟t j 定了开放系统 互连的参考模型o s i r m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 来分析计算机 网络协议体系结构。i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议和有线局域网协议在o s i r m 的相对 关系可以用图2 1 说明，对比图中左右两部分可以看出i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准中 所涉及的内容主要分为两层：即m a c 层和物理层，这两层的功能是分离的 4 】【8 。 图2 1 无线和有线局域网协议在o s i 参考模型中的关系 论文：无线局域网的网络流量特性与建模研究 i e e e8 0 2 1 1 标准实现无线用户终端s t a t i o n 间的以太网通信，虽然没有物理连 线，其物理层连接依靠无线电射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 信号收发器完成，也可以用红 外信号收发器。所用的r f 频段有i s m 2 4 g h z 和u n i i5 g h z ，采用的调制方式有跳频 扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) ，直序扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 年1 3o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n 9 1 。由于无线电波 的传播特性与双绞线、同轴电缆或光纤等介质的传播特性差别很大，所以无线网络与 有线网络相比在物理层实现上有很大的区别。 2 2 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网网络结构 i e e e8 0 2 1 1 是为了适应点对多点通信而设计的，也支持点对点的连接，其网络结 构有i n f r a s t r u c t u r e 和a dh o e 两种模式。i e e e8 0 2 1 l 标准主要涉及m a c 层和物理层 p h y 协议，m a c 层保证无线局域网对高层协议的支持和低层介质的接入控制，p h y 层与m a c 层的相对独立和分离，便于在网络实现中不断应用新技术，促进网络性能 的不断提高。 在i e e e8 0 2 1 l 无线局域网中，基本构成单元是基本业务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ， 简单的基本业务集可以由2 个或多个无线节点构成，如图2 2 所示，图中的无线节点 在协议中称为终端s t a t i o n ，各个s t a t i o n 之间可以互相通信。如果全部的业务在 b s s 内部的各s t a t i o n 之间，并且与b s s 之外的网络没有任何网络连接，这样的b s s 称为独立的b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ) 。在i b s s 内部，s t a t i o n 之间是对等的，s t a t i o n 可以任意加入或者离开i b s s ，这种网络往往在应用中临时构建，应用结束后，网络也 随之撤销。通常称这种结构的网络为a d h o c ( 自组织) 网络。 图2 2a d h o c 网络结构 常用的1 e e e8 0 2 1 1 网络结构是这样的，b s s 中包含一个接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) ， a p 是连接有线网络和无线网络的桥梁。当b s s 中存在a p 时，各个s t a t i o n 之间不 再是对等的关系，所有通信都必须经过a p ，a p 属于有线网络的一个组成部分，这种 连接方式的网络结构称为i n f r a s t r u c t u r e 模式。 两个或多个含有a p 的b s s 通过分布系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 构成扩展的业务 集e s s ( e x t e n d e ds e r v i