（计算机应用技术专业论文）无线局域网edca信道访问机制研究和改进.pdfVIP

摘要 摘要 近年来，无线局域网( w l a n ) 以其安装便捷、使用灵活等优势，得到了大规模的部署。w l a n 上承载的业务也覆盖了从标准互联网业务到实时业务的范围。实时业务对服务质量( q o s ) 有较高 的要求，传统的i e e e 8 0 2 1 1 不能提供q o s 保障。为此，i e e e 工作组推出了8 0 2 1 l e 协议来增强w l a n 的q o s 保障，其中增强分布式信道访问( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e l a c c e s s ，e d c a ) 机制由于其 分布控制、健壮性好等优点成为应用的主流。 e d c a 只能为不同优先级业务提供简单的区分，退避模式固定，不能根据网络负载状况作出白 适应的调整；e d c a 的竞争机制使得在i n f r a s t r u c t u r e 结构的w l a n 中，接入点( a p ) 和站点处于平 等竞争的地位，这势必会造成上下行业务资源分配的不公平，下行业务得不到足够的带宽，a p 成为 系统性能的瓶颈。e d c a 机制存在的这些问题使w l a n 的q o s 不能得到很好的保障，本文针对这两 方面问题提出了相应的改进算法。 本文首先详细阐述了i e e e 8 0 2 1 l 和8 0 2 1 1 e 的m a c 层机制，分析了e d c a 相对于8 0 2 1 l 中的 d c f 机制在保证网络的q o s 方面的改进。然后，针对e d c a 不能很好地区分不同优先级业务且退避 模式固定的缺陷，提出了区分业务的自适应退避算法s d - a e d c a ( s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o ns u p p o r t e d a d a p t i v ee d c a ) ，对e d c a 信道访问机制的各个环节加以改进，根据实时业务和非实时业务的不同 特点分别设计退避算法，并能根据网络负载状况自适应地调整相关q o s 参数，从而避免因为负载增 大而导致网络性能急剧下降的情况。进而，针对e d c a 的竞争机制导致的a p 性能瓶颈问题，提出 了公平陛算法f e d c a ( f a i re d c a ) ，改变a p 和站点平等竞争的状况，当a p 端有较多数据堆积时， 允许a p 在信道空闲一定时间后不进行退避便直接占用信道发送数据，从而为下行业务分配足够的 带宽，改善下行业务的吞吐量和时延，提高网络的整体q o s 。最后通过n s 2 仿真验证这两个改进算 法的有效性，结果表明s d a e d c a 和f e d c a 算法确实能够提高w l a n 的网络性能，改善实时业 务的服务质量。 关键词：无线局域网，8 0 2 1 l e ，e d c a ，信道访问，服务质量 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k si sl a r g es c a l ed e p l o y e db e c a u s eo fi t se a s yd e p l o y m e n t ， f l e x i b i l i t ya n ds 0o n t h ea p p l i c a t i o n so nw l a nr a n g ef r o ms t a n d a r di n t e m e ts e r v i c e st or e a l - t i m es e r v i c e s r e a l - t i m ea p p sh a v eh i i g hq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) r e q u i r m e n t s ，s u c ha sh i 【曲t h r o u g h p u t , l o wt r a n s m i s s i o n d e l a y , a n ds oo n i no r d e rt os u p p o r td i v e r s ea p p l i c a t i o nr e q u i r m e n t s ，an e ws t a n d a r dc a l l e di e e e8 0 2 1lei s p r o p o s e dt oi m p r o v eq o si nw l a n ，i nw h i c he 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 ) i st h e m a i n s t r e a mb e c a u s eo fi t sd i s t r i b u t i o na n dr o b u s t n e s s e d c ag a no n l yp r o v i d es i m p l ed i f f e r e n t i a t i o nf o rs e r v i c e so fd i f f e r e n tp r i ，a n dt h eb a c k o f fs c h e m e c a l l ta d j u s ti t s e l ft ot h el o a do ft h en e t w o r ka d a p t i v e l y a sal o n g - t e r mf a i rc o m p e t i t i o ns c h e m e ，e d c a m a k e st h ea c c e s sp o i n t ( a p ) a n ds t a t i o n sc o m p e t ef a i r l yi nw l a no fi n f r a s t r u c t u r em o d e ，w h i c hw i l l i n d u c eu n f a i m e s si nt h ea l l o c a t i o no fc h a n n e lr e s o u r c eb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n ks e r v i c e s i n s u f f i c i e n c y o fd o w n l i n kb a n d w i d t hlm a k e sa pt h eb o t t l e n e c ko ft h es y s t e m s u c hl i m i t a t i o ni ne d c ap r e v e n t st h e q o so fw l a nt ob eg u a r a n t e e d i nt h i sp a p e r , t w oi m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e dt os o l v et h e s e p r o b l e m s f i r s t ，t h em a cm e c h a n i s m0 fi e e e8 0 2 1 la n d8 0 2 1lei si n t r o d u c e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so fe d c ai n e n s u r i n gt h es y s t e mq o sc o m p a r e dw i t h8 0 2 1 ld c fa r ea n a l y s e d t h e n , s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o ns u p p o r t e d a d a p t i v ee d c a ( s d - a e d c a ) i sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fs i m p l ed i f f e r e n t i a t i o nf o rs e r v i c e so f d i f f e r e n tp r ia n dt h em o n o t o n yo fb a c k o f fm o d e s d - a e d c ad e s i g n sb a c k o f fa l g o r i t h m sr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fr e a l - t i m ea n dn o n - r e a l - t i m es e r v i c e s ，a n di tc a na d j u s tq o s p a r a m e t e r st ot h en e t w o r kl o a da d a p t i v e l y af a i r n e s sa l g o r i t h m ，f a i re d c a ( f e d c a ) i sp r o p o s e dt o s o l v et h ea pb o t t l e n e c kp r o b l e mi n d u c e db yt h ec o m p e t i t i o ns c h e m eo fe d c a i ta l t e r st h es t a t u so ff a i r c o m p e t i t i o nb e t w e e ns t a t i o n sa n da p , a n da l l o w sa pt oa c c e s sm e d i aw i t h o u tb a c k o f fw h e nt h e r ea r eal o t o fd a t ai ni t sq u e u e ，s ot h a ti ta l l o c a t e ss u f f i c i e n tb a n d w i d t hf o rd o w n l i n ks e r v i c e s ，a n dc o n s e q u e n t l y i m p r o v et h et h r o u g h p u ta n dd e l a yo fd o w n l i n ks e r v i c e s a tl a s t , w ep r o v et h ev a l i d i t yo fs d - a e d c aa n d f - e d c aa l g o r i t h m sb yn s 一2 t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h e s et w oa l g o r i t h m sc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a c ea n dq o so ft h ew l a n k e y w o r d s ：w l a n ，8 0 2 1le ，e d c a ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ， q u a l i t yo fs e r v i c e i i 插图索弓 论文插图索引 图1 1i n f r a s t r u c t u r e 模式的w l a n图1 2a dh o c 模式的w l a n 2 图2 1 局域网的系统体系图6 图2 28 0 2 1 1c s m m c a 信道访问机制7 图2 3r t s c t s 信道访问机制一8 图2 4 点协调功能和分布式协调功能8 图2 5e d c a 信道访问机制1 1 图3 1e d c a 机制发送数据的流程1 6 图3 2p 。随f r 的变化曲线2 0 图4 1 双向传输时的业务分布2 2 图4 2f e d c a 信道访问机制2 5 图4 3p u s h 链表2 7 图5 1n s 2 进行仿真的基本流程3 0 图5 2s d - a e d c a 算法仿真场景。3 4 图5 3e d c a 下两种优先级业务的吞吐量 图5 4e d c a 下两种优先级业务的时延。3 5 图5 5s d - a e d c a 下两种优先级业务的吞吐量图5 6s d a e d c a 下两种优先级业务的时延3 6 图5 7a e d c f 下两种优先级业务的吞吐量图5 8a e d c f 下两种优先级业务的时延3 7 图5 9f e d c a 算法仿真场景3 8 图5 1 0e d c a 下两种业务上下行吞吐量对比图5 1 le d c a 下两种业务上下行时延对比3 9 图5 1 2f e d c a 下两种业务上下行吞吐量对比图5 1 3f e d c a 下两种业务上下行时延对比4 0 图5 1 4 所有活动节点吞吐量之间的f i图5 1 5 上下行吞吐量之间的f i 4 1 图5 1 6f e d c a 下引入外来流量后的上下行吞吐量4 1 图5 1 7 综合使用两种改进算法时的吞吐量图5 1 8 综合使用两种改进算法时的时延4 2 表2 1a c 与优先级的对应关系1 0 表3 1 根据f r 和、胛的值调整c w 18 表5 1 仿真相关参数设置表。3 5 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 至芸 日 期：2 盟一乒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 至茎 导师签名：逗：墅选j 习期：a 吣尹n ， 第一章绪论 第一章绪论 本章对无线局域网的相关背景作简要介绍，概述了1 e e e8 0 2 1i e 的q o s 保障机制，指出e d c a 机制在q o s 保障方面存在的一些缺陷，介绍本文的主要研究内容、所做工作以及全文的组织结构。 1 1 研究背景 目前，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w i ，a n ) 作为有线以太网的延伸，以接入方便、 高效快捷、组网灵活、费用低廉的优势获得了巨大的发展。w l a n 相关标准有很多，比如i e e e8 0 2 1 l 系列、蓝牙、h o m e r f 以及h i p e r l a n 等，其中尤以i e e e 8 0 2 1 1 系列制定得最为详尽，而且版本丰 富，性能突出，应用最为广泛。本文所研究的w l a n 即为基于i e e e 8 0 2 1 1 的w l a n 。 1 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网概述 在1 9 9 7 年，i e e e 发布了8 0 2 1 1 【1 1 协议，这是在无线局域网领域内的第一个国际上认可的协议。 随着无线网络的进一步发展，工作组又陆续对传输速率、服务性能和安全性等方面进行了改进，逐 渐发展出一支庞大的i e e e8 0 2 1 l 协议族。i e e e 8 0 2 1 1 是8 0 2 系列局域网的一个分支，它与8 0 2 3 以 太网等其它局域网只是逻辑链路控制( l o g i c a ll i i l l 【c o n t r o l ，l l c ) 层以下的媒体访问控制( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层和物理( p h y s i c a l ，p h y ) 层不同，w l a n 的特色充分体现在这西层上。 下面简要介绍8 0 2 1 1 协议族的部分协议。 i e e e8 0 2 1 1 b 1 2 j 扩充了8 0 2 1 1 标准的物理层，运行于2 4g h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段。调制方法采用补码键控( c c k ) ，数据传输速率为5 5m b p s 与1 lm b p s ，并向下兼容原来的8 0 2 1 1 标准。 i e e e8 0 2 1 1 a 【3 】是8 0 2 1 1 标准的另一个扩充，规定物理层使用5 g h z 的频带，从而避开了拥挤的 2 4 g h z 频段。该标准采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术，传输速率范围为6 m b p s 5 4 m b p s 。 i e e e8 0 2 1 l g 【4 l 也是一个物理层标准，运行于2 4 g h z ，使用了与8 0 2 1 1 a 标准相同的调制方式 o f d m ，使网络达到了5 4 m b p s 的高传输速率。8 0 2 1 1 9 和8 0 2 1 l b 有良好的兼容性，对既有w l a n 的改造升级也较为方便，因此是目前最具竞争力的w l a n 接入协议。 i e e e8 0 2 1l e 【5 】为8 0 2 1 1 无线网络提供q o s 保障，定义了混合协调功能( h y b r i dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，h c f ) ，h c f 由增强分布式信道访问( 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 ) 和混 合协调功能控制信道访问( 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 ) 组成，分别取代了i e e e 8 0 2 1 l 中的分布式协调功能( d 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 ，d c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，p c f ) ，提出区分优先级的概念，增加了一些新的q o s 参数和帧结构，优先处理高优先级 业务，更好地保障其q o s 。 i e e e8 0 2 1 1 i 【6 j 是对8 0 2 1 1 m a c 层在安全性方面的增强，它结合8 0 2 i x 中的用户端1 ：3 身份验证 和设备验证，采用临时密钥完整性协议( t e m p o r a r yk e yi n t e g r i t yp r o t o c l o ，t k i p ) 和计数器模式密 码块链信息认证码协议( c o u n t e r - m o d e c b cm a cp r o t o c o l ，c c m p ) 两种机制为数据传输定义了严 第一章绪论 格的加密格式和鉴权机制，以改善w l a n 的安全性。 i e e e8 0 2 1 1 7 】是b s s 间切换标准，充分考虑了b s s 切换过程的三个方面：安全性、q o s 支持 和快速切换。在b s s 切换执行之前，提前执行认证、q o s 参数的协商等过程，并规定了新的密钥层 次结构和相应的密钥生成算法，从而实现安全且有q o s 保障的快速切换。 上述协议中，i e e e8 0 2 1 1 b a g 都是对8 0 2 1 1 标准的物理层的扩充，定义了数据编码和扩频技术 等，提高了w l a n 的网络传输速率。i e e e8 0 2 1l e i r 则是对8 0 2 1 1 标准的m a c 层增强，对w l a n 的服务质量、安全性以及b s s 间的切换进行了改进，从而为用户提供更好的网络服务。 基于i e e e8 0 2 1 l 的w l a n 8 】有两种组网模式：基础设施模式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 和自组织模 式( a dh o em o d e ) 。i n f r a s t r u c t u r e 模式下，若干站点( s t a t i o n ) 和一个接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 关联，构成一个基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) ，各个b s s 之间通过分布式系统( d i s t r i b u t i o n s y s t e m ，d s ) 连接，如图1 1 所示。各站点之间的通信都要经过a p 来转发，并可以通过a p 来访问 更广域的网络。a dh o e 模式下，网络只由移动节点组成，每个移动节点都是平等的，节点之间可以 直接进行通信，如图1 2 所示。每个节点都可以充当路由器，具有转发数据的功能。由于a dh o e 模 式下的w l a n 不依赖于a p ，因此它比i n f r a s t r u c t u r e 模式的w l a n 更加灵活，不过这种模式只适用 于临时的小规模网络，一般不会涉及到和其它网络之间的通信。因此在现阶段，i e e e s 0 2 1 1 网络的 主要应用形式是i n f r a s t r u c t u r e 模式，即带a p 的无线局域网。 回 站点 站点 图1 1i n f r a s t r u c t u r e 模式的w l a n图1 2a dh o e 模式的w l a n 1 1 2w l a n 中0 0 s 机制的研究现状 站点 随着w l a n 技术的飞速发展，其承载的业务不仅仅局限于数据，还越来越多地加入了语音视频 等实时多媒体业务。实时业务要求w l a n 的m a c 层提供可靠的分组传输、小的传输时延和抖动等。 因此，人们越来越希望w l a n 能够提供某种程度的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 。 从网络提供的角度来说，可以通过控制一些具体的、可度量的、可量化的参数来提供q o s ，如 传输时延、时延抖动、丢包率、带宽等指标【9 l 。具体应用不同，对q o s 各项指标的要求也不一样【1 0 1 。 比如长文件传输，要求传输速率高且丢包率低，但对时延和时延抖动不太敏感；而语音通话，不仅 2 第一章绪论 要求传输速率高，而且对时延和时延抖动也很敏感，但是可以容忍一定的丢包率。因此，在实际应 用中，需要对不同的应用进行区分，提供不同的q o s 保障。 i e e e8 0 2 11 最初被设计为对于各种类型的业务无差别地传输，没有提供q o s 保障。在m a c 层方面， 8 0 2 1 1 主要采用分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 两种信道访问机制i l 儿1 1j ，分别为分布 式控制和集中式控制。这两种控制方式各有所长：d c f 的构造简单且稳定性好，是当前的主要应用 方式；p c f 则基于轮询原理，可以提供一定的实时保证。d c f 采用载波侦听多点访问冲突避免( c a r d e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 机制，无区分地竞争信道，没有提供带 宽、时延等q o s 保障，网络负载变大时，吞吐量急剧下降，不能很好地支持实时业务1 1 2 j ；p c f 采用简 单的轮询方式访问信道，存在效率不高、被轮询站点发送数据时间无法确赳1 3 】等问题，加上p c f 在实际 w l a n 部署中的低利用率，很难被用来改进w l a n 实时应用的q o s 。有鉴于此，i e e e 标准委员会成 立了8 0 2 1 l e 工作组，在原8 0 2 1 1 m a c 协议中增加q o s 功能。8 0 2 1 1 e 标准于2 0 0 5 年1 1 月正式确定， 提出了基于无线链路m a c 子层的许多q o s 控制和保障机制，比如网络业务的区分、优先级控制、资源分 配等【5 】，从而提供一定程度的q 0 s 保障。在2 0 0 7 年6 月发布的i e e e 8 0 2 1 1 系列的修订版【1 4 l 中，已经 将8 0 2 1 1 e 由最初的可选功能改为要求无线局域网设备必须支持的功能。 8 0 2 1 1 e 标准定义了混合协调功能( h c f ) 【卯，引入了业务等级的概念，增加了一些新的q o s 参 数和帧结构，增强了w l a n 的q o s 性能。h c f 由两种信道访问机制组成一增强型分布式信道访 问( e d c a ) 和混合协调功能控制信道访问( h c c a ) 。其中，e d c a 作为分布式的访问方式，向下 兼容d c f ；h c c a 作为集中式的访问方式，扩展了p c f 的功能。由于w l a n 中的集中控制需要更 多的管理开销1 1 5 】，同时网络健壮性要远低于分布式【1 6 】，不如分布式控制有效灵活，再加上分布式的 e d c a 机制既适合i n f r a s t r u c t u r e 模式，又适合a dh o e 模式，应用更为广泛，因此本文主要针对e d c a 机制进行研究和改进，以更好地提供w l a n 的q o s 保障。 1 1 3i e e e8 0 2 1 l ee d c a 机制存在的不足 尽管8 0 2 1 1 e 协议增强了w l a n 的媒体访问机制，在w l a n 的q o s 研究和保障方面，仍然存 在很多挑战【1 7 】，例如如何应对时变的网络状况、如何实现业务配置自适应、如何解决网络中带宽分 配的不公平性问题等等。 e d c a 对于d c f 的重要改进是引入了q o s 参数如c w m i n 、c w 。疆、a i f s n 和t x o p l i 。i t ，也称为 e d c a 参数，这些参数是用来区分不同优先级业务的重要依据。在这些参数的基础上，网络中的各 节点通过c s m a c a 机制访问信道，并在发生冲突时采用二进制指数退避( b i n a r ye x p o n e m i a l b a c k o f f , b e b ) 算法进行退避。e d c a 中规定的区分优先级的方式比较简单，退避模式比较单一： 对于不同优先级业务仅通过设置不同的q o s 参数予以区分；数据传输时若发生冲突，则竞争窗e l ( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) 按坚持因子( p e r s i s t e n c ef a c t o r ，p f ) 增大1 5 j 【1 引，成功传输后c w 恢复 为最小值c w m i n 。这在网络规模较大、拓扑变化频繁、网络负载变化剧烈等情况下，往往不足以很 好地区分不同优先级业务，不能根据不同业务的具体特点来提供相应的q o s 保障，c w 不能根据网 络的繁忙程度自适应地调整，有可能会使网络中冲突加剧、网络性能骤降。因此，如何根据业务自 身特点以及当前网络负载状况来合理设置退避算法，实现网络性能的最优化，更好地保障各种优先 级业务的q o s ，成为本文研究的重点。 e d c a 中的c s m a c a 是一种基于竞争的长期公平的媒体访问机制。尽管e d c a 对于不同业务 3 第一苹绪论 进行了区分，但是就长期而言，网络中包括a p 和站点在内的不同节点所具有的业务是均衡的，这 也意味着网络中每个节点的地位是均等的，各节点可以公平竞争到信道，即便对于一个a p 而言， 其竞争到信道的概率也和任意一个站点相同。但是，i n f r a s t r u c t u r e 结构的w l a n 中站点只能通过a p 和其它站点或网络进行互连，下行( a p 发往站点方向) 业务的带宽需求通常不小于b s s 中所有站 点的上行( 站点发往a p 方向) 带宽需求之和【1 9 1 ，在a p 和站点访问信道能力一致的情况下，下行业 务的性能势必不如上行。可见，网络中存在着信道资源分配的相对不公平性，a p 成为网络性能的瓶 颈。与上行业务相比，下行的吞吐量低且时延较大，这在很大程度上影响了w l a n 中业务的q o s 。 i e e e 8 0 2 1 l 网络在现阶段主要的应用形式是带有a p 的无线局域网，因此解决上下行业务间的资源 分配不公平性问题，改善a p 的性能瓶颈问题，具有非常重要的科学意义和应用前景。 当前学术界对于e d c a 机制的理论研究主要有两个发展方向1 2 0 j ：建立理论模型进行分析，推算 出相关q o s 性能指标的表达式；利用软件仿真的手段，分析e d c a 中的q o s 参数与网络性能的关 系。在理论模型方面，c t b i a n c h i 曾在2 0 0 0 年提出了著名的饱和状态下的二维马尔可夫链模型【2 l 】用 以分析d c f 的网络性能。这一模型被提出之后，迅速成为d c f 理论模型的代表，不少学者对它进 行改进和完善，用来作为对d c f 或e d c a 性能分析和改进的理论基础。在软件仿真方面，n s 2 、 o p n e t 等主流网络仿真软件中都添加了e d c a 模块，科研人员可以方便地在仿真平台上研究e d c a 的性能，并对其进行算法的改进和实现。本文主要从第二种方法入手，对e d c a 信道访问机制进行 研究和改进。 1 2 研究目标及内容 本文以网络实验室和中兴通讯公司合作项目区分多业务的a p 间快速切换为依托，以更好地保障 m ，a n 中实时业务的q o s 为目的，针对e d c a 机制中退避算法的缺陷以及采用e d c a 机制所导致的 i n f r a s t r u c t u r e 结构的w l a n 上下行业务资源分配不公平的问题进行研究。具体研究内容如下： 研究i e e e 8 0 2 1 1 e 尤其是e d c a 的q o s 保障机制，分析其相对于d c f 的改进以及尚存在的 问题。 针对e d c a 中退避模式单一，对不同优先级业务只能提供简单区分，且不能根据网络负载 变化作出自适应调整的缺陷，设计区分业务的自适应退避算法，从而在提高网络整体性能的 同时提供实时业务q o s 保障。 针对i n f r a s t r u c t u r e 结构的w l a n 中上下行业务资源分配不公平的问题，设计公平性改进算 法，改善a p 的性能瓶颈问题。 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作和成果如下： 夺 详细分析了i e e e 8 0 2 1 l e 的e d c a 机制的技术特点和核心机理。 分析了e d c a 机制在退避算法方面存在的缺陷，提出了区分业务的自适应退避算法 s d a e d c a 。对e d c a 机制中的各个环节加以改进，针对实时业务对于时延要求比较高的 4 第一章绪论 特点，提出将等待时间( w a i t i n gt i m e ，w t ) 作为实时业务退避时的参考因素；再结合退避 过程中的冻结率( f r o z e nr a t e ，f r ) 来对不同优先级业务设置不同的退避算法，从而可以 根据网络的负载状况来自适应地进行调整，并能实现对实时业务的q o s 保障。 对i n f r a s t r u c t u r e 结构的w l a n 中上下行业务资源分配不公平导致的a p 性能瓶颈问题进行 分析，并提出改进算法f e d c a ：通过设置a p 端相关e d c a 参数，提高a p 优先级，保证 a p 端在实时帧等待时间过长或等待队列中数据过多时可以不经过退避而直接访问信道发送 数据，为a p 提供更多的带宽，从而提高上下行业务资源分配的公平性，改善a p 性能瓶颈 问题，提高网络的带宽利用率，增大吞吐量，减小m a c 层时延。 在n s 2 仿真平台中，实现改进的算法s d a e d c a 和f e d c a ，设置相应的网络场景进行仿 真，并利用g a w k 、g n u p l o t 等工具对仿真得到的t r a c e 文件进行分析，得出吞吐量、时延等 性能曲线，和e d c a 以及现有的改进算法进行比较，从而验证改进算法的有效性。 1 4 论文的组织结构 根据以上内容，本论文的组织结构安排如下： 第一章简要介绍研究背景，针对现有的无线局域网e d c a 机制在q o s 保障方面的不足，引出了 本文的研究目标和研究内容，阐明了论文的主要工作，并给出了全文的组织结构。 第二章主要介绍i e e e8 0 2 1 1 协议和i e e e8 0 2 1 1 e 协议的m a c 层机制，重点分析了e d c a 在数 据传输过程中的业务区分和q o s 保障机制，指出其相对于d c f 机制的优势。 第三章讨论了e d c a 机制退避模式单一、对于不同优先级业务只作简单区分不能很好地保证实 时业务q o s 等缺陷，分析了现有的一些改进算法，提出了区分业务的自适应退避算法s d a e d c a ， 根据实时业务和非实时业务的不同特点对退避算法中的各个环节加以改进。 第四章分析了i n f r a s t r u c t u r e 模式下的w l a n 中上下行业务资源分配的不公平性，指出e d c a 的 竞争机制使得a p 成为w l a n 的性能瓶颈，影响了w l a n 的q o s 保障，提出了改进的提高a p 优 先级的公平性算法f e d c a 。 第五章在n s 2 仿真平台中，实现改进的退避算法s d - a e d c a 和公平性算法f e d c a ，设置相 应的网络场景进行仿真，得出吞吐量、时延等性能曲线，和e d c a 机制以及现有改进算法进行比较， 并作分析说明。 第六章对研究工作进行总结，并指出了论文研究的下一步工作。 5 第二章i e e e 8 0 2 1lee d c a 机理分析 第二章i e e e 8 0 2 1 l ee d c a 机理分析 本章首先介绍i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层的基本工作机制，分析其中的d c f 和p c f 功能；随后详细分 析8 0 2 1 1 e 的m a c 层机制，介绍了e d c a 和h c c a 信道访问机制，着重指出e d c a 机制相对于d c f 的优势。 2 1ie e e 8 0 2 11m a c 层工作机理 2 1 1m a c 层原理简介 i e e e 8 0 2 1 1w l a n 是8 0 2 系列局域网的一个分支，局域网的系统体系如图2 1 所示。 8 0 2 1 0 可互操作的局域网安全 8 0 2 1 体系结构网络互连 8 0 2 2 逻辑链路控$ 1 j l l c 子层 8 0 2 3 m a c 子层 物理层 p h y 8 0 2 4 m a c 子层 物理层 p h y ；0 2 1 1 m a c 子层 物理层 p h y 图2 1 局域网的系统体系图 m a c 层属于o s i 模型中的第二层，可为用户在不可靠的媒体上提供可靠的数据传输。m a c 层 最主要的功能是控制媒体访问，此外，还要支持漫游、认证和能量管型2 2 】等。在8 0 2 1 1m a c 层中 定义了m a c 层帧格式和m a c 子层功能，其中m a c 层帧格式中定义了帧头、帧体和校验位f c s 等， m a c 子层功能中则定义了d c f 的竞争机制和p c f 的轮询机制。d c f 是基于竞争的随机访问方式， 其核心是c s m a c a 技术，包括载波检测机制、帧间间隔和随机退避规程。d c f 在所有的站点上都 进行实现，可用于a dh o e 和i n f r a s t r u c t u r e 网络结构中，支持对时延不敏感的数据传输，是8 0 2 11 协议中规定的设备必选的功能。p c f 作为可选的功能，建立在d c f 基础之上，采用轮询的方式来分 配信道的使用，支持传输对时延敏感的业务如视频和语音业务。下面分别介绍d c f 和p c f 的原理。 2 1 2 分布式协调功能d c f d c f 包括基本访问方式( b a s i ca c c e s sm e c h a n i s m ) c s m a c a 和可选的r t s c t s 访问方式。 c s m a c a 机制可以形象地称为“先听后说”【1 1 】。如果无线网络中一个节点有数据需要发送， 它首先侦听信道，检测信道是否空闲，这一检测过程包括物理层的载波检测和m a c 层的虚拟载波 检测。物理层的载波检测通过物理层汇聚协议子层( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，p l c p ) 提 6 第二章i e e e 8 0 2 1 l ee d c a 机理分析 供的一种称为空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) 的载波侦听功能来判断当前无线媒体 的忙闲状态：m a c 层的虚拟载波检测通过每个节点所维持的网络分配向量( n e t w o r ka l l o c a t i o n v e c t o r ，n a v ) 来实现，当一个节点收到其它节点发送的数据帧、请求发送( r e q u e s tt os e n d ，r t s ) 和清除发送( c l e a rt os e n d ，c t s ) 帧时，从这些帧的头部提取出该发送的持续时间来更新自己的 n a v ，根据n a v 的值，该节点的m a c 层就能够知道当前的发送将在什么时候结束。 如果检测到信道空闲，并且空闲时间的长度达到d c f 帧间间隔( d c fi n t e r f r a m es p a c i n g ， d i f s ) ，那么发送端就发送数据帧；当接收端收到该数据帧时，在短帧间间隔( s h o r ti n t e r f r a m e s p a c i n g ，s i f s ) 时间后应答一个a c k 帧。如果发送端一定时间内没有收到a c k ，则认为这个数据 帧发生了冲突，必须重发。如果信道不空闲，或者空闲时间小于d i f s ，那么发送端不发送数据帧而 是继续侦听信道，直到信道再次空闲。当空闲时间达到d i f s 时，发送端进入退避阶段。8 0 2 1 1 标准 采取二进制指数退避算法：将时间分成离散的时隙( s l o t ) ，并将若干个时隙组成一个竞争窗口( c w ) ， c w 初始为c w i i l i n ，最大值为c w 一。第一次退避时站点在 0 ，c w 。i 。】中随机选择某个时隙作为退避 计数器( b a c k o f fc o u n t e r ，b c ) 的初值，一旦探测到信道空闲时间达到一个时隙，b c 就减1 ，当 b c 递减到零时站点就开始发送数据。若在b c 减小到零之前，又有其它站点访问信道，信道变为忙 状态，则b c 暂停递减，这个状态称为“冻结”。等到信道重新变为空闲状态并且空闲的时间间隔达 到d i f s ，b c 再继续递减。若是因为发送端没有收到a c k 而判断为发生了冲突，需要重传数据时， c w 将扩大一倍，站点又各自在自己的c w 范围内随机选择一个值作为b c 初始值，再次进行退避。 每次冲突都将使c w 值加倍直到c w 达到最大窗口c w 一后就不再增加，如此循环直到发送成功， 或者超过重传次数限制后放弃发送。站点成功发送后，c w 将重新恢复为最小值c w m i 。以等待下次 退避选择。c s m a c a 信道访问方式的具体实现如图2 2 所示。 d i f s 。乙d i f