（计算机应用技术专业论文）无线宽带网络mac性能研究与资源管理.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈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威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 本人签名 巍盘盘 本人承担一切相关责任。 日期： 2 q q ：5 ：! q 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： j 塑益盘 日期： 2 q 娅：5 ：! q 导师签名：j 扭堕丑鱼绵 日期： 2 q 竖：5 ：! q 北京邮电大学博士论文中文摘要 中文摘要 近年来，无线网络以其方便、快捷的优点，受到产业界和学术界的关注。但是 同有线网络相比，它们所提供的服务质量还有很大的差距。所有的无线网络都是 共享媒介的，物理层提供了信息的通道，姒c 层则定义了信息的传输方式，对网络 的性能起非常重要的作用。随着网络上业务种类的日益丰富，物理层数据传输速 率越来越高，无线网络m a c 层的作用更显突出，对无线网络m a c 层协议的性能分 析和改善具有非常重要的意义。本文主要做了如下工作： ( 1 ) 通过分析i e e e8 0 2 1 1 e 基于竞争的接入机制e d c a 提供区分服务的本 质，提出了一个四维离散m a r k o v 链模型。本文的研究基于退避的和基于帧间隔的 优先级区分机制，包含了实际冲突与虚冲突。仿真结果表明四维 l a r k o v 模型可以 更精确地表达e d c a 的性能。论文研究了初始竞争窗口大小与a i f s 在i e 髓8 0 2 1 1 e e d c a 服务区分机制中的作用。通过对结果进行分析，指出i e e e8 0 2 1 1 ee d c a 存 在的问题。 ( 2 ) 针对i e 髓8 0 2 1 1 ee d c a 存在的问题，为1 e e e8 0 2 1 1 ee d c a 提出了一 个q o s 增强机制，包括三个部分：( 1 ) 通过q a p 的虚拟排队实现不同优先级a c 之间的隔离。( 2 ) 对具有q o s 要求的a c 实行接纳控制。( 3 ) 对尽力而为的a c o ， 通过调整初始竞争窗口使饱和吞吐量稳定在最大值附近，使各个业务源具有相同 的发送机会，即保证了效率与公平。并通过建模分析以及仿真试验验证了算法的 有效性。 ( 3 ) 在分析影响a dh o c 网络性能因素的基础上，提出了一个a d h o c 的聚簇算 法以解决a d h o c 的可扩展问题。算法以达到簇结构的稳定性为聚簇的目标，考虑 节点的移动特性以及节点在网络的位置。通过熵来度量节点与周围邻居节点的相 对移动性，用节点度衡量节点在网络中的重要程度，利用遗传算法寻找最优的簇 首集合，使得所得到的聚簇结构尽可能地稳定。 ( 4 ) 为i e e e8 0 2 】6 提出了一个新的上行调度算法，b s 中的上行调度器负责 收集来自各个连接的带宽请求信息，根据各个连接的q o s 特性制定相应的调度决 策，将计算得到的各个s s 应得的d a t a 胁n t s 分配给s s ，具体的调度算法在s s 北京邮电大学博士论文 中文摘要 中实现。该算法具有以下特点：( 1 ) 严格按照e e8 0 2 1 6 所定义的四种q o s 业 务的特性，能够满足u g s 、r 心s 、n r t p s 、b e 四种业务的服务质量；( 2 ) 算法简单 有效，易于实现。仿真结果表明算法可以有效保证各类业务的延迟与带宽，同时 公平性也得到改善。 【关键词】无线局域网，a dh o c 网络，无线城域网，m a c ，资源管理与分配，服务 质量 i i 北京邮电大学博士论文 a b s 枉a c t a b s t r a c t r e c e ma d v a n c e si np o n 曲l ec o n l p l n i n ga i l dw i r e l e s st e c h i l o l o g i e sa r eo p e l l m gu p e x c i t 崦p o s s i b i l m e sf o rt h e 缸u r eo f 诵r e l e s sn e t w o r k s t h e r ea r eg r e a td i 航r e n c e s b e t w e e nw i r e l i l l en e t w o r ka n dw i r e l e s sn e t w o r k t h ec h 锄e li ss h a r e db ya 1 1n o d e s 曲 t 1 1 ew i r e i e s sn e t w o r k s p h y1 a y e rp r o v i d e st h e 耐r c i e s sc h a 衄e la 1 1 dm a ck l y c r m a n a 空e s 血e 协m s m i s s i o no fi n f b m l a t i o no v e r 也ec h 锄e 1 w i 血山er i c h n e s so f 廿a 题c t y p e sa n dt l l ei n c r e a s eo f b a n d 衍岫，m a cw i l lp l a ya m o r ea l l dm o r ei i n p o n 卸tr 0 1 ei n t h ep e r f 0 彻a l l c eo fw i r e l e s sn e 咐o r k m o r en o 组b l y w i r e l e 8 sl o c a la n dm e 廿o p o l i t 髓 a r c an e t w o r k s ( w l a n 删dw m a n ) t e c h n 0 1 0 9 i e sa r ee x p e c t e dt or e v o l u t i o n i z em e w a yw el i v e g i v e nt h e i ru n p r e c e d e n t e di m p o n a n c e ，i nt h ed i s s e r t a t i o nw ei n v e s t i g a t e t h ep e r f b 衄a n c eo fm a c1 a y c ra i l ds u g g e s ts o m en e ws 0 1 u t i o n si nn l ec o n t e x to f w l a na 1 1 dw m a n ，i n c l u d i l l ga dh o cn e 柳o r k t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) b y 也ea n a l y s i so f 血ee n h a i l c e dd i s 曲u t e dc h a n n e la c c e s s ( e d c a ) o f i e e e 8 0 2 ，1 1 ew i r e l e s sl a n s ，af 孤r d i m e l l s i o nm a r k o vc h 血m o d e li sp r o p o s e di nm i sp a p 比 b a s e do nm em a r k o vr n o d e l ，w eh a v es t u d i e dt 1 1 ep r i o r i t yd i 圩b r e n t i a t i o nb a s e do n b a c k o f fa n db a s e do ni n t e 卜f 伽es p a c e ( i f s ) t h cr c s e a r c ht a k e s 也er e a lc 0 1 1 i s i o n 锄d v i r t u a lc 0 1 l i s i o ni n t oa c c o u n t t h ec o n s i s t e n c yo fa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nv a l i d a t e s 也e m a r k o vc h a i nm o d e l b ya 1 1 a l y z i n g 也es 证m l a t i o nr e s u l t s ，w ef i n ds o m ep e r f o n n a n c e d e f i c i e n c i e so f i e e e8 0 2 1 1 ee d c a ， ( 2 ) w bi n 订o d u c ea ne n h a l l c e dq o sm e c h a n i s mf o r i e e e8 0 2 1 1 ee d c ab a s e do n 廿1 ep r e v i o u sc o n c l u s i o n t h e r ea r e 衄e ep a n si nm i sq o sa r c h i t e c t u r e ：f i r s t l y 血c c 0 1 l i s i o ns e p 啪t i o na m o n gm a n ya c e si si i n p l e m e n t e dt h r o u g ht 1 1 ev i r t u a lq u e u i n gi n q a p s e c o n d ly ，t og u a r a i l t e e 血ep r e v i o u s 仃a m c ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n 廿0 1t h ea c c e s so f t h e s ea c e sw i 恤m es 锄ep r i 嘶t y f i n a l l y ，m es a t u m t e dt h r o u g h p u to f 血ea c 0 】 a c h i e v e st h es t a b l em a x i m u mb ya 由u s t i n gt h ei n i t i a lc o n t e 嘶o nw i n d o w b e c a u s eo f m e e q u a l 仃a n s m i m n go p p o m m i 吼i “sf a i ra m o n gb et r a 伍c s t h ea i l a l y s i sa n ds i m u l a t i o n v a l i d a t e 也ee 硒c i e n c yo fo l l ra l g 嘶t h i n ( 3 ) b a s e do nt h ea i l a l y s i so f s o m ep e m m a i l c e f a c t o r so f m o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) ，ac l u s t e r i n ga l g o r i m mi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h es c a l a b i l i 母o fa dh o c n 咖o r k b yc o n s i d e r i n gt h en o d em o b i l i 妙a i l dn o d e1 0 c a l 时i nt h en e m o r k ，m i s c l u s t e r i n ga l g 耐t h mi sa i m e da t am o r e 啦l b l ec l u s t c r i n gs 虹u c t l i r e w em o d e lt h e r e l a t i v em o b i l i t yb e t w e e nan o d ea n di t sn e i 酿b o rn o d e sb y l ec o n c e p to fe n 仃o p yi n i n f o n n a t i o nt h e o r y - a n dw ee s t i m a t e 也ec o n 仃i b u t i o no fan o d et o 也ew h o l en e 铆o r kb y t h ec o n c 印to f t h en o d ed e 舒e ei n 伊a p ht h e o 彤b a s c do nt h ee n 仃( ) p ya n dn o d ed e g r e e ： 1 1 1 北京邮电大学博士论文 。a b s 奸a c t g e n e t i ca l g 硎恤mi su t i i i z e dt og e tt h em o s ts t a b l es e to f c l u s t e rh e a d ( 4 ) an e wu p l h l ks c h e d m 证ga l g o 删ni sp r o p o s e d 矗) ri e e e8 0 2 1 6 i nt h i s a l g o r i t h l n ，m eu p l i l l ks c h e d u l 访gm o d u l ei nb sc o l l e c t sa l lb a n d w i d t h r c q u e 8 tm e s s a g e s c o m i n g 丘o ms s e s t h e nb a s e d0 1 1t h eb w - r e q u e s tm e s s a g e sa l l di t sc o n 弓s p o n d i n g q o sp r o f i l e ，t h es c h e d u l i n gm o d u l ei nb sc o m p m e s 恤d a t a t s t h a tac o n n e c t i o n s h o u l d 壁e ti nt h en e x t 靠a m e n ed i s 州| b u t i o nm o d l l l ew i l l 由s 埘b u t et h e s ed a t ag r a n t s t os s e s t h i sp m p o s e du p l i i l l ( s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ei sd e s i 髓e da c c o r d i n gt oi e e e 8 0 2 1 6a n ds a t i s 母t i l eq o so f u g s ，r 伊s ，n r c p sa n db es e n ，i c e t h ea i g 嘶t h mi se a s y t oi 唧l e m e ma i l d 恤es i m u l a t i o n sv a i i d a 托i t se f f b c t i v i 何 k e yw o r d s ：w i r c l e s s l a n ， a dh o cn e 柳。如w i r e l e s s m a n ，m a c ，r e s o u r c e m a n a g e m c i l ta n dd i s 仃i b u t i o n 北京邮电大学博士论文 图表目录 图表目录 图1 1 ：i e e e8 0 2 1 1 结构化网络示意图 图1 2 ：d c f 成功传送数据包示意图 图1 3 ：d c f 利用r t s c t s 握手传送数据包示意图 图1 4 ：p c f 数据帧的传送 图1 5 ：i e e e8 0 2 1 1 ee d c a 信道接入示意图一 表1 一l ： i e e e8 0 2 1 6 的主要技术特征 图2 1 ：i e e e8 0 2 1 l e e d c a 信道接入示意图 表2 1 ：e e8 0 21 1 ee d c a 的优先级以及与a c 相关的o o s 参数设置 图2 2 ： i e e e8 0 2 1 l ee d c a 中的4 个a c 以及虚冲突 图2 3 ：i e e e8 0 2 1 1 ee d c a 不同工作阶段之间的转移图 图2 4 ：m a r l 【o v 链模型中发送阶段的各状态之间的转移图 图2 5 ：m a r k o v 链模型中冲突阶段的各状态之间的转移图 图2 6 ：m a r k o v 链模型中退避阶段的各状态之间的转移图 图2 7 ：m a r k o v 链模型中冻结阶段的各状态之间的转移图 图2 8 ：m a r k o v 链模型中的各状态之间关系 表2 2 ：分析中所用到的参数值 图2 9 ：分析结果与仿真结果比较：归一化饱和吞吐量 图2 1 0 ：分析结果与仿真结果比较：平均接入延迟 图2 1 l ：初始竞争窗口的服务区分能力：归一化饱和吞吐量 图2 1 2 ：初始竞争窗口的服务区分能力：平均接入延迟 图2 1 3 ：m f s 的服务区分能力：归一化饱和吞吐量 图2 1 4 ：a j f s 的服务区分能力：平均接入延迟 图2 1 5 ：a c l 数目固定时的吞吐量 图2 1 6 ：a c 3 数目固定时的吞吐量 图3 1 ：一个b e a c o n 内a c 的非饱和分析模型 图3 2 ：一个b e a c o n 内a c 0 内部竞争时的m a r k o v 模型 表3 1 ：仿真模型参数设置 图3 3 ：e d c a 与改进算法的归一化吞吐量对比：5 个a c o 业务时的情况 图3 4 ：e d c a 与改进算法的归一化吞吐量对比：2 5 个a c 0 业务时的情况 图3 5 ：e d c a 与改进算法的归一化吞吐量对比：5 个a c 3 业务时的情况 图3 6 ：e d c a 与改进算法的归一化吞吐量对比：2 0 个a c 3 业务时的情况 图4 i ：a d h o c 网络最大理论吞吐量与跳数的关系 图4 2 ：a dh o c 网络平均吞吐量的测量结果 x 搭坫鸺坞毖”弛”弘们铊鹌卯韶船曲为踮s!舛舛鲻鸺 北京邮电大学博士论文 图表目录 图4 3 ：a d h o c 网络平均延迟的测量结果 图4 - 4 ：a d h o c 网络平均吞吐量随关闭节点数的变化 图4 5 ：a d h o c 网络及其对应的染色体编码表示 图4 6 ：生成的一个初始个体及其对应的编码 图4 7 ：参与交叉运算的两个染色体对应的a d h o c 聚簇结构 图4 8 ：两个染色体交叉运算的过程 图4 9 ：交叉运算后新生成的两个染色体对应的a dh o c 聚簇结构 图4 1 0 ：参加变异运算的染色体对应的a d h o c 聚簇结构 图4 1 l ：染色体变异运算的过程 图4 1 2 ：变异运算后新生成的染色体对应的a dh o c 聚簇结构 表4 1 ：仿真模型参数设置 图4 1 3 ：未聚簇的a dh o c 网络拓扑结构 图4 一1 4 ：经过聚簇后的a d h o c 网络拓扑结构 图4 1 5 ：簇首变换频率 图4 1 6 ：每个簇首的平均服务时间 图5 1 ：i e e e8 0 2 1 6 协议参考模型 图5 2 ：通用m a c 头格式 图5 3 ：带宽请求头格式 图5 4 ：) d 帧结构 图5 5 ：t d d 上行和下行子帧结构 图5 6 ：i e e e8 0 2 1 6 协议的0 0 s 体系结构 图5 7 ：本文提出的o o s 体系结构 表5 1 ：为u g s 维护的q o s 参数一 表5 2 ：为r t p s 维护的0 0 s 参数 表5 3 ：为激活的r t p s 维护的q o s 参数 表5 4 ：为n n p s 维护的q o s 参数 表5 5 ：为激活n r t p s 维护的o o s 参数 图5 8 ：s s 端的o o s 调度结构 图5 9 ：仿真拓扑 表5 6 ：仿真模型参数设置 图5 1 0 ：b e 业务的延迟特性 图5 1 1 ：n n p s 业务的延迟特性 图5 1 2 ：n p s 业务的延迟特性 x 1 1 0 1 1 1 1 1 4 1 1 6 1 1 8 1 1 9 1 1 9 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 1 。1 2 1 1 2 2 1 2 3 。1 2 3 1 2 9 。1 2 9 1 3 0 。1 3 1 1 3 2 1 3 6 。1 3 7 1 4 0 1 4 0 1 4 l 1 4 2 一1 4 2 一1 4 6 一1 4 9 一1 4 9 1 5 0 1 5 0 1 5 l 北京邮电大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先主要对本论文选题的原因和背景进行了总结和归纳。之 后我们简单介绍了i e e e8 0 2 1 1 以及i e e e8 0 2 1 l e 无线局域网协议， a dh o c 网络，以及i e e e8 0 2 1 6 无线城域网协议的基本工作机制。然 后介绍了本论文的主要贡献。最后介绍了本论文的研究内容和结构安 排。 1 1引言 1 1 1 关于选题 通信技术的发展和用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和 业务上呈现融合的趋势：一方面传统宽带固定接入用户不再满足于在办公室等固 定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方面传统移动用户也 不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高速率的业务。宽带 移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势。在移动宽带化方面， 3 g p p 3 g p p 2 已经制定了l x e v - d v 、h s d p a h s u p a 等技术标准3 】，在移动环境下实 现宽带数据传输；在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 委员会先后制定了w l a n 【1 】( i e e e 8 0 2 1 1 系列) 和w m a n l 2 1 】【2 2 1 ( i e e e8 0 2 1 6 系列) 等技术规范，沿着固定、游牧 便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化【4 】- 【6 1 。 i e e e8 0 2 1 1 协议由于其实现方便等原因逐渐成为无线局域网的主流协议，相 关的研究也成为近年来的研究热点。i e e e8 0 2 1 1 协议是i e e e 于1 9 9 7 年形成最初 的无线局域网协议，之后于1 9 9 9 年发布了新版本。按照功能集以及空中接口的不 同，i e 既8 0 2 1 1 包括a ，b ，i ，g 等不同的子版本。8 0 2 1 1 b 是工作在2 4 g 的频段 的d s s s 以及f h s s 的物理层规范，可提供支持1 ，2 ，5 5 和1 1 m b p s 四种速率。8 0 2 1 1 a 则是工作在5 g 频段的0 f d m 的物理层规范，提供支持6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，5 4 m b p s 多种 1 1 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 速率。8 0 2 1 1 a ，b ，g 等版本主要是在空中接口以及物理层存在较大差别，在媒体接 入层( m c ) 上均采用的是基于分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 和在此基础上的点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。因 为p c f 存在复杂性和效率问题，大多数的商用w l a n 网卡都是基于d c f 。 删阻8 0 2 1 1 标准还处于不断改进和完善中。为了增加对q o s 的支持，m e e 最 近又颁布了e e8 0 2 1 1 e 标准。它的目标是通过在m a c 层实现有区分的服务来提 供对q o s 的支持，并完善物理层的功能以传送实时性高的多媒体业务。e e 8 0 2 1 1 c 的核心是改进的基于竞争的接入机制一一e d c a ( e h a i l c e dd i s t 曲u t e d c h 柚n e l a c c e s s ) 。目前对衄e8 0 2 1 1 和e e8 0 2 1 1 e 的研究中还存在以下问题。 1 在此前大量对】巳e8 0 2 1 1d c f 研究的基础上，人们开始针对e e8 0 2 1 1 e e d c a 进行研究，目前对e d c a 性能的研究基于仿真的居多，最近也出现了基于 数学模型的性能分析。然而这些分析仅考虑了e d c a 的部分特性，如有的考虑了 重传次数限制，有的考虑了基于退避的机制而忽略了s ，多数没有分析过虑冲突。 2 尽管e d c a 的服务区分机制是有效的，但是： ( 1 ) 由于a c ( a c c e s sc a t e g o r y ) 之间没有隔离机制，不同优先级的a c i 之间是相互影响的：当高优先级a c i 的业务流数目增多时，低优先级a c 得到的 服务逐渐减少甚至几乎得不到服务；当高优先级业务流数目较少，而低优先级业 务流数目非常大时，高优先级业务流的服务质量也在恶化。 ( 2 ) 对于具有q o s 要求的a c ，随着同类型业务流数目的增大，原有业务流的 服务也会随之降低。 尽管人们对i e e e8 0 2 1 1 不断的进行完善，但是由于本身机制的制约，i e e e 8 0 2 儿具有先天的不足：( 1 ) 传输距离有限，对非视距传输支持较差；( 2 ) 传输 速率有限。尽管i e e e8 0 2 1 1 的速率已经由最初的2 m b p s 发展到目前的5 4 m b p s ， 但基于竞争的接入本质，使得重负载时i e e e8 0 2 1 1 的性能严重下降；( 3 ) 移动 性支持不足，大规模部署困难川12 1 。 为了克服i e e e8 0 2 1 1 的不足，1 9 9 9 年i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组专门研究 宽带无线城域网接入技术规范。目前i e e e8 0 2 1 6 主要提及两个标准：8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 即8 0 2 1 6 d ) 1 2 1 l 和8 0 2 1 6 e 【矧。i e e e8 0 2 1 6 d 规范了固定接入下用户站同基站 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 系统之间空中接口的物理层和m a c 层。i e e e8 0 2 1 6 e 标准的最大特点在于对移动 性的支持，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。 w i h i a x 论坛定义了i e e e8 0 2 1 6 的5 种应用场景，即固定、游牧、便携、简单 移动和全移动。 ( 1 ) 固定应用场景：固定接入业务是8 0 2 1 6 最基本的业务模型，包括用户因特 网接入、传输承载业务及w l a n 接入等。 ( 2 ) 游牧应用场景：终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中。在 每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中， 先前传输的数据将不被保留。 ( 3 ) 便携应用场景：用户可步行连接到网络，除进行小区切换外，连接不会发 生中断。与游牧式业务相比，从便携阶段开始，终端在不同基站之间进行切换时， 用户将经历短时间( 最长为2 s ) 的业务中断。切换后，t c p i p 应用对当前i p 地 址进行刷新。 ( 4 ) 简单移动应用场景：用户能够以车速移动使用宽带无线接入业务，但终端 速度达到6 0 1 2 0 k m h 时，数据速率将有所下降。切换时，数据包的丢失将控制 在一定范围，t c p 连接不中断，但应用层可能有一定的中断。切换后，q o s 将重建 到初始级别。 ( 5 ) 全移动应用场景：用户可以在移动速度为1 2 0 k m h 甚至更高的情况下无中 断地使用宽带无线接入业务。 相对于上面几种典型应用场景，i e e e8 0 2 1 6 d 用于固定和游牧应用场景。i e e e 8 0 2 1 6 e 用于便携和移动场景，同时支持固定场景。 i e e e8 0 2 1 6 d e 的m a c 层支持四种q o s 等级以适应v o i p 、流媒体、在线游戏、 高速下载、浏览等多种业务类型，包括主动授予服务( u g s ) 、实时轮询( r t p s ) 、非 实时轮询( n r t p s ) 和尽力而为( b e ) 【2 1 1 【2 9 1 。 尽管髓e8 0 2 1 6 标准定义了四类0 0 s 业务，但并未给出对四类业务的调度方 法。在皿e8 0 2 1 6 网络中，上行调度算法负责有效且公平地分配上行资源( 时隙) ， 对于保证四类业务的q o s 具有决定性的作用。近两年已经有有关m e e8 0 2 1 6 上 行调度算法的研究【2 5 h 3 0 1 ，这些算法都是假设b s 的上行调度器可以得到分组的到 北京邮电大学博士论文 第章绪论 达时间，但事实上，由于分组在上行无线链路上传输之前位于s s 的缓冲区，位于 s s 中的连接( c c 岫e c t i o n ) 向b s 发送自己当前队列的长度以申请带宽。因此b s 是无法获得s s 中的分组到达的信息。因此在b s 中使用传统的w f q ，e i ) f 及其 各种变体的调度算法实际上是很难实现的。 前面的e e8 0 2 1 1 和m e e8 0 2 1 6 具有一个共同点就是在通信时都需要个 集中的设备，如接入点a p 或基站b s 。实际上还有一种无需任何基础设施，节点 之间就可以实现直接通信的网络，即a dh o c 网络。 a dh o c l l 3 】1 1 习网络可以追溯到上世纪美国国防部现谩p a 的高移动a dh o c 网络 ( m a n e t ) ，它是一些无线移动节点的集合，这些节点不需要任何关于网络架构 的先验知识及中央控制，能组成动态网络。在许多情况下，a dh o c 网络中的移动 节点在地理位置上是分散的，并且互相之间需要多跳才能达到，因此a dh o c 网络 中的移动节点既是信息源又是转发包的路由器。 a dh o c 网络适用于临时组网，如会议场所或者战场。在m a n e t 中，网络拓 扑会随着节点移动、失效或者重启而快速改变，这对网络管理和路由选择提出了 较大的挑战。因此，很多人研究如何把a d h o c 网络分成多个更小的子网或称为簇 1 1 3 】以此解决管理和路由问题。 i e e e8 0 2 1 1 、砸：e e8 0 2 1 6 标准包含物理层和m a c 层，a d h o c 网络除物理层 和m a c 层外，还涉及网络层的路由协议。相对于物理层来讲，m a c 层在无线网 络的资源分配、网络结构管理等方面更为重要。所以无线网络m a c 层协议的性能 分析、评价和改进始终是无线网络领域的研究热点。故本文专注于无线网络( 髓e 8 0 2 1 1 ，皿 阻8 0 2 1 6 和a dh o c 网络) m a c 层的资源分配与管理。 1 1 2i e e e8 0 2 1 1 协议概述 以下从无线局域网总体框架以及媒体接入层规程来概述i e e e8 0 2 1 l 协议。 1 1 2 1l e e e 2 ”无线局域网总体框架 i e e e8 0 2 1 l 网络通常是由所谓基本服务集( b s s ，b 觞i cs e i c es e t ) 所构成。一 个基本服务集所覆盖的区域被称为基本服务区域( b s a ，b a s i cs e r v i c e m e a ) 。从概念 上来说，在一个基本服务区域内的所有站点都是可以同本区域内的其他站点互通 1 4 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 的。由这样的独立的基本服务区域可以构成自组织型的a dh o c 网络结构。独立的 基本服务集是i e e e8 0 2 11 无线网络最基本的形态。不同的独立的基本服务集之 间可以互相覆盖。一个站点属于哪个基本服务集是由站点自身状况动态决定的。 最小的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网至少包括两个站点。 如果我们在每个独立的b s s 中设立接入控制点( a p ，a c c e s sp o i n t ) ，通过这 样一些类似于基站的a p 设备，以及这些a p 之间的媒体连接，可以把这些独立的 b s s 连接成为一个结构化的网络，这就是第二种网络结构。接入控制点之间可以通 过各种其他不同通信媒体相连，这些媒体逻辑上统称为分布式系统( d s ， d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 。接入控制点和分布式系统共同形成了扩展服务集( e s s ， e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。可以在扩展服务集中设景通向其他i e e e8 0 2 x 网络的 网关入口( p o r t a l ) ，从而获得与其他类型i e e e8 0 2 x 局域网络的互通。图卜1 是 i e e e8 0 2 儿结构化网络示意图【l 】。 图卜1 ：i 髓e8 0 2 1 1 结构化网络示意图 1 1 2 2 媒体接入规程 分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc 0 0 r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 分布式协调功能( d c f ) 是i e 雎8 0 2 1 l 的基本接入功能，所有站点都缺省支持 这种方式。它本质上是基于传统的p 中e 船捃t 蹦fc s m a ( c a r r i c rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w j l hc o l l j s i o n a v o i d a n c e ) 1 1 】协议，所有站点以尽力而为( b e s te 鼬) 的方式随机接入 信道。具体的实现机制是在一定时间窗口内随机选择退避时长从而避免与其他站 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 点的碰撞。具体机制如下所述。 d c f 的载波监听是通过空中接口的物理载波监听和m a c 层的虚拟载波监听完成 的。物理载波监听主要是通过监测链路信号强弱来感知其他站点用户。m a c 层的虚 拟载波监听是发送站点通过在数据包中携带信道预留信息n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 的方式来告知其他站点进行带宽预留。其他站点一旦接到预 留数据包，会根据其中预留持续时间信息重置自己的网络分配向量n a v ，用来表明 当前信道忙。以上两种监听只要其中的一种显示忙，当前信道就标为忙。 在d c f 方式中通过不同帧间距( i f s ，i n t e r _ f r 鲫es p a c e ) 的使用来设置帧接 入的优先级。在i e e e8 0 2 1 1 中设置了四种i f s ，它们是：s i f s ( s h o r ti n t e r f r 锄e s p 8 c e ) ，p i f s ( p c fi n t e r f ra i i i es p a c e ) ， d i f s ( d c fi n t e r f r a m es p a c e ) 和 e i f s ( e x t e n d e di n t e r f r 锄es p a c e ) ，时长依次递增。在直扩系统d s s s ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 中s i f s = 1 0 u s ，p i f s = 3 0 u s ，d i f s = 5 0 u s ，e i f s ：_ a c k + 6 0 u s 。 图卜2 是成功交换数据包示意图。首先由源主机竞争信道并发送数据包，当数据 包成功地被目的主机接收到之后目的主机等待s i f s 时长，再由目的主机返回响应 ( a c k ，a c k n o w l e d g e ) 表示数据包已经被正确接收。源主机在收到a c k 之后确认数 据包成功发送，等待d i f s 之后从队列里取下一个数据包继续竞争信道发送之。如 果a c k 没有被成功接收到则判断为发生碰撞，窗口退避后用新的窗口值接入信道。 源主机 d a t 目的主机| 广磊订 _ 一d i f sl 其他主机接入信道推迟启动b c l 【o f f 图卜2 ：d c f 成功传送数据包示意图 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 ，一_ 1 一 源恚塾【! ! ! i l j竺翌 眦机1 b伯 l 苎竺主垫苎垒! 苎垄里 l 塑塑坠竺! ! 图卜3 ：d c f 利用r t s c t s 握手传送数据包示意图 为了减少数据碰撞带来的带宽浪费，当数据包较大时，可以采用r t s ( r e q u e s t t o s 皿d ) c 璐( a e 盯t o s 雠d ) 来预留信道带宽。r t s c t s 是i e e e8 0 2 1 l d c f 中的一个 可选项，用以减小碰撞所带来的损失从而提高吞吐量。r t s 和c t s 相对数据帧而言 通常要小得多( r t s 为2 0 字节，c t s 为1 4 字节，最大帧长为2 3 4 6 字节长) ，因而 如果一旦发生碰撞，浪费的带宽也会大大减小。利用r t s c t s 传送数据包流程图 如图卜3 所示。 在i e e e8 0 2 1 1 中可以通过设定门限值来决定是否采用r t s c t s 接入信道。 具体实现方法是通过调节r t s 门限值( r 鸭m e s h o l d ) 。当包长长于r t st h r e s h 0 1 d 时使用r t s c t s 接入信道。如果从上层传下来的数据包过长，还需要根据分片门 限值r a g m c n t a t i o n 髓北s h 0 1 d ) 的大小对数据包分段。 在i e e e8 0 2 1 1 d c f 中采用c s 姒c a 策略进行共享信道的竞争接入。其实质是 通过窗口的指数退避来达到当前链路状态的自适应和主机接入概率的调整。 由于d c f 是基于c s m a c a 的共享信道接入方式，是以尽力而为的方式传送数 据包，因此难以对实时业务提供任何时延、丢包率等q o s 保证。由于应用的需要， 在d c f 的基础上形成了类似于基站控制的p c f 接入方式。 点协调功能( p c f ) 点协调功能p c f ( p o i n tc 0 0 r d i