（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211edca的服务质量保障机制研究.pdf

摘要摘要w l a n ( 无线局域网) 是2 0 世纪9 0 年代计算机网络技术与移动通信技术相结合的产物，它满足了人们对于宽带无线接入网络的迫切要求。伴随着话音、视频等多媒体业务的不断增多，用户对于q o s ( 服务质量) 的需求与日俱增，业务的多样化需要网络为各种不同的用户业务提供不同的服务质量保证。目前无线局域网产品普遍采用传统的i e e e 8 0 2 1 1 标准，其m a c ( 媒质接入控制) 层的协调功能d c f ( 分布式协调功能) 和p c f ( 点协调功能) 却不能提供q o s 支持。为了应对q o s 的迫切需要，i e e e 8 0 2 1 1 工作组在2 0 0 5 年1 1 月发布了i e e e 8 0 2 1 l e 协议的草案，2 0 0 7 年6 月发布了i e e e 8 0 2 1 1 2 0 0 7 ，将i e e e 8 0 2 1 1 e 的内容包含在其中。在i e e e 8 0 2 1 1 e 中，提出了h c f ( 混合式协调功能) ，h c f 包括e d c a ( 增强分布信道访问) 和h c c a ( 混合控制信道访问) ：e d c a 是d c f 的增强版，提供基于优先级的q o s ；h c c a 类似于p c f ，提供参数化的q o s 。但是众多的研究已经表明，h c f 所能提供的q o s 支持是存在不足的。本文在分析当前w l a n 对q o s 的支持情况以及i e e e 8 0 2 1 1 标准的m a c 协议的基础上，将提升i e e e 8 0 2 1 1 在m a c 层的q o s 支持作为研究目标，并将研究重点放在了基于竞争的e d c a 机制上，希望设计出基于e d c a 的服务质量保障机制，为实时业务提供更进一步的q o s 支持。本文选取e d c a 作为研究对象的原因在于，e d c a 基于竞争，应用范围较h c c a 更广，且实现较简单，为市场所青睐。虽然e d c a 为不同的业务类别设定了不同的e d c a 参数集，以此提供针对不同优先级别的区分服务功能。但在实际运用中，要通过固定的e d c a 参数来使网络达到一个接近理想的状态是非常困难的。网络的负载总是时刻变化着，只有动态地跟随网络状态变化的e d c a 参数值，才能更好地适应网络，从而达到提供良好q o s 支持的目的。同时，接纳控制策略也是必要的，它可以避免网络中已有的业务流受到新接入业务流的影响。因此，一种综合考虑了动态参数调节和接纳控制的全面服务质量保障机制被认为是有效解决当前w l a n 中q o s 支持不足的良好途径。在分析比较了现有的众多服务质量保障方案的基础上，本文提出了一种面向业务q o s 需求的自适应的服务质量保障机制。此机制主要内容包括：动态自适应摘要调节e d c a 参数，分为两个阶段：第一阶段的d i f f e r e n t i a t i o na d a p t a t i o n 以降低实时业务延时为目标；第二阶段的b a s e d _ a d a p t a t i o n 在维护第一阶段较低延时的成果前提下，提高系统吞吐量。接纳控制策略，对请求接入网络的实时业务进行接纳控制，降低其可能给网络中已有业务通信带来的影响。本方案涉及了业务流的吞吐量、端到端延时、丢包率，对q o s 参数的考虑较全面，参数调节和接纳控制的策略简单有效，容易实现。本文最后利用o p n e t 网络仿真工具对本文所提出的机制进行了仿真，对仿真结果的分析表明，本文所提出的机制能够有效弥补i e e e 8 0 2 1 1e d c a 对q o s 支持能力不足的缺点，达到了预期目标。关键词：e d c a 、q o s 、动态参数调节、接纳控制a b s t r a c ta bs t r a c ts i n c ei tp r e s e n t e da st h er e s u l to fc o m b i n a t i o nb e t w e e nc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n19 9 0 s ，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) h a ss a t i s f yp e o p l e sp r e s sf o rq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，s u c ha s ，v o i c e ，a u d i o ，v i d e o ，d i f f e r e n tr e q u i r e m e n to fq o sf o rd i f f e r e n tu s e r si sn e e d e d i e e e8 0 2 1l ，w h i c hi st h em a i ns t a n d a r df o rw l a np r o d u c t s ，c a nn o tp r o v i d eq o ss u p p o r tb yi t sm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n - d c f ( 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 ) a n dp 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 ) t os o l v ei t ，i e e e8 0 2 1 lw g p u b l i s h e di e e e8 0 2 1 1es t a n d a r di nn o v e m b e r2 0 0 5 ，w h i c hi sc o n t a i n e di ni e e e8 0 2 11 - 2 0 0 7s t dt h a ti sp u b l i s h e di nj u n e2 0 0 7 i e e e8 0 2 1l eb r o u g h tf o r w a r dt h eh c f ( h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) h c fc o n t a i n se d c a ( 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 ) a n dh c c a ( h c fc o n t r o lc h a n n e la c c e s s ) e d c ai st h ee n h a n c e de d i t i o no fd c f , p r o v i d i n gp r i o r i t i z e dq o s h c c ai ss i m i l a rt op c f , p r o v i d i n gp a r a m e t e r i z e dq o s l o t so fr e s e a r c h e sh a si n d i c a t e dt h el a c k i n go fg o o dq o se n s u r a n c eb yh c f a f t e ra n a l y z i n gi n f o r m a t i o na b o u tt h es t a t u so fq o ss u p p o r ti nw l a na n dt h em a cp r o t o c o lo fi e e e8 0 2 11s t d ，t h i st h e s i sa i m sa tu p g r a d i n gt h eq o ss u p p o r ti ni e e e8 0 2 11m a cl a y e ra n dp a yg r e a ta t t e n t i o nt oe d c ab a s e do nc o m p e t i t i v em e c h a n i s m t 1 1 i st h e s i st r yt os c h e m eo u tt h ec o m p l e t es c h e m ef o rq o sg u a r a n t e eb a s e do ne d c a t 1 1 er e a s o no fc h o o s i n ge d c ab u tn o th c c aa st h er e s e a r c ho b j e c ti si t sw i d e ra p p l i c a t i o nb o u n da n ds i m p l i c i t yo fr e a l i z a t i o n d i f f e r e n te d c ap a r a m e t e rs e t sa r es e tf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nc l a s s e si nm a cl a y e ro fe d c a ，t or e a l i z ed i f f e r e n t i a t i o ns e r v i c e i np r a c t i c e ，f i x e de d c ap a r a m e t e r sc a nn o tl e a dt oa ni d e a ls t a t ee a s i l y d y n a m i ct u n i n go fe d c ap a r a m e t e r sf o l l o w i n gt h el o a ds t a t u so fw l a nc a no n l yf i tt h en e t w o r k ，a n dp r o v i d eg o o dq o ss u p p o r t a d m i s s i o nc o n t r o li sn e c e s s a r ya sw e l l ，b e c a u s ei tc a np r o t e c tf l o w st h a th a se x i s t e di nn e t w o r kf r o mi n f l u e n c eb r o u g h tb yn e wf l o w s a sar e s u l t ，as c h e m ec o n t a i n sb o t hd y n a m i ct u n i n ga n da d m i s s i o nc o n t r o li sg o o da p p r o a c ht os o l v et h ep r o b l e mo fq o si孟st h e s i sg i v e sac o m p l e t eq o sg u a r a n t e es c h e m et h a t 诘甜幻a p p l i c a t i o n锄da u t 0 a d a p t i v e i tc 。溉n sd y n a m i ct u n i n ga 1 1 da d m i s s i o nc 。蝴1 d y m m l c 似n ? gi se x e c u t e di n 咖p e r i o d s ：d i f f e r e n t i a t i o n a d a p t a t i o na 1 1 db 邪e da d a p t a t i o n t h ef o m e ri sf o rd e c r e a s i n ge n d - t o e n dd e l a y ，w h i l et h el a t e ri sf o ru p g r a d i n gt o t a l蝴咖：u n d e r l 。w 蝴a d m i s s i o nc c o 诎n t r o l g r e i s 舳o n l y e 批e x e c u t 觚e do n 眦r e a s l - h e m e t i m ea p p l i c a t i o nt or e d u c et h el i k e l yi n f l u e n c eb yc 0 肌n g a 1 。k 叩p m m w “一：i j 。1 v e sq 。sp 骶a m l e t e r se n t i r e l y , i n c l u d i n gt h r o u g h p u t ，e n d 怕一e 耐d ：1 彤1 ：觚竺? 豁r a t e t h ep o l i c i e so fp a r 锄e t e rt u n i n ga 1 1 d 删s s i o nc 0 蝴1a r e 蓟m p l e ? 扎骶：? i nm e1 二p 硪0 ft l l i sm e s i s ，s i m u l a t i o nb yo p n e tm o d e l e ri sc a 仃诧do u ta n d 妣r e s u l to fi ti sa n a l y z e d k 州。r d s = e d c a ，q 。s ，d y n a m i cp a r a m e t e rt u n i n 舀a d m i s s i 。nc 。n t r 。li v图目录图2 1图2 2图2 3图2 - 4图2 5图2 - 6图2 7图2 - 8图2 - 9图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图5 1图5 2图5 3图5 4图5 5图5 - 6图5 7图5 8图5 - 9图5 1图5 1图目录各i f s 之间的关系l o数据的f r a g m e n t a t i o n 11m a c 协议架构”1 2d c f 访问方式l3c w 的指数增长序列l3多站点的退避过程1 4包含多个f r a g m e n t 的m s d u 的传送1 4p c f 的访问过程”15e d c a 的竞争调度队列1 8本方案的功能结构图3 0e d c ap a r a m e t e rs e t 3 5a cb e ，a cb k ，a cv i ，a cv o 域参数3 5a c i a i f s 域格式3 6参数调节之阶段一的流程3 7参数调节之阶段二的流程4 2接纳控制算法思想4 4仿真网络场景图4 8节点模型的设计示例5 lq a p 的进程模型5 2q s t a 的进程模型“5 2v o i c e 的端到端延时5 3v i d e o 的端到端延时5 4平均延时抖动5 5v o i c e 的吞吐量5 6v i d e o 的吞吐量5 60b e 数据的总吞吐量”5 71系统总的有效吞吐量”5 8v i i i表目录表目录表2 1技术面之q o s 衡量参数o 5表2 2e d c a 的业务类别与a c 的映射1 7表2 3不同a c 的e d c a 参数集的预设值1 8表2 4e d c a 和h c c a 的比较2 0表4 1a c i 到a c 的映射3 5表5 1仿真参数设置4 9表5 2相关参数设置5 0i x缩略语w l a nm a cq o sd c fp c fh c fe d c ah c c ac wi f st x o pb s s谩s t aq b s sq a pq s t ac pc f pt s p e cm s d ua ca c ib eb kv iv o缩略语w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r km e d i u ma c c e s sc o n t r o lq u a l i t yo fs e r v i c 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 np o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o nh y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o ne 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 sh c fc o n t r o lc h a n n e la c c e s sc o n t e n t i o nw i n d o wi n t e rf r a m es p a c et r a n s i m i s s i o no p p o m m i t yb a s i cs e r v i c es e ta c c e s sp o i n ts t a t i o nq u a l i t yb a s i cs e r v i c es e tq u a j i t ya c c e s sp o i n tq u m i t ys t a t i o nc o n t e n t i o np e r i o dc o n t e n t i o nf r e ep e r i o dt r a 伍cs p e c i f i c a t i o nm a cs e r v i c ed a t au n i ta c c e s sc a t e g o r ya c c e s sc a t e g o r yi n d e xb e s te f r o r tb a c kg r o u n dv i d e ov o i c ex无线局域网媒质访问控制服务质量分布式协调功能点协调功能混合式协调功能增强分布信道访问混合控制信道访问竞争窗口帧间间隔传输机会基本服务集合接入点基站支持q o s 的b s s支持q o s 的接入点支持q o s 的基站竞争期非竞争期业务描述m a c 服务数据单元接入级别接入级别索引号尽力而为数据背景数据视频语音独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技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谢意。关于论文使用授权的说明日本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：j 酉踌导师签名：乏胁们日期：2 , o c 矽年多月3 - 日第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论近年来，以因特网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系，其迅猛发展的速度是人类历史上所有工业中最快的。一方面i n t e r n e t 为人们提供了大量的信息资源，另一方面移动通信解决了对通信的移动支持。无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) 是2 0 世纪9 0 年代计算机网络技术与移动通信技术相结合的产物，它满足了人们对于宽带无线接入网络的迫切要求。同时，通信网络所承载的业务也在不断地丰富。随着i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的快速发展，用户对于服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的需求与日俱增，业务的多样化对于网络提出了不同的要求，这就需要网络为各种不同的用户业务提供不同的q o s 保证。所谓q o s 指的是数据在网络中传输时所要满足的一系列的服务要求。有线网络里衡量q o s 的因素有：可用带宽( a v a i l a b l eb a n d w i d t h ) ，数据包丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ) ，延时( d e l a y ) ，抖动( p a c k e tj i t t e r ) ，跳数( h o pc o u n t ) 和路径可靠性( p a t hr e l i a b i l i t y ) 。然而这些因素并不完全适用于无线网络中。这是因为，现在的有线q o s 的算法要求精确的连接状态和网络拓扑信息，而无线连接的实时变化，有限的带宽资源和节点的移动性使得维持上述指标异常困难。因此对无线网络来说，其q o s 保证不可能做到与有线网络中的一样。在实际中广泛应用的i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层机制缺乏对业务的q o s 保证。为了满足无线网络中q o s的需求，为不同业务划分不同的服务等级，i e e e s 0 2 1 1 工作组于2 0 0 5 年1 1 月提出了i e e e 8 0 2 1 i e 的草案。其物理层采用的仍然是8 0 2 1 1 a b g 的协议方案，其主要目标是提高其在m a c 层的表现业务区分和服务质量保证。2 0 0 7 年发布的i e e e 8 0 2 1 1 - 2 0 0 7 将i e e e 8 0 2 1 l e 的内容整合在其中，但本质上并没有改动。为避免混淆，后文在需要加以区分的地方，仍然使用i e e e 8 0 2 1 l e 的提法。1 2 研究意义目前广泛使用的传统无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 标准在m a c 层定义了两种电子科技大学硕士学位论文机制：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 nf u n c t i o n ，p c f ) 。d c f 有着分布式、易于实现、应用广泛和市场需求大的优点，然而它不提供q o s 支持，所有站点都使用相同的接入参数，所有业务流的优先级都相同。p c f 提供了无竞争的服务，冲突率小；但是它较复杂，需要中央控制，而且也不包括任何接入控制算法，在网络负载大的情况下，无法满足端到端的q o s 需求。后来的i e e e 8 0 2 1 1 e 标准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 nf u n c t i o n ，h c f ) ，扩展了d c f 和p c f 的功能，提高了通信吞吐量减少了高优先级别通信的延时。h c f 通过两种信道访问机制提供了两种不同级别的服务质量保障：基于优先级的q o s ( p r i o r i t i z e dq o s ) 和参数化的q o s ( p a r a m e t e r i z e dq o s ) 。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 la c c e s s ，e d c a ) 是d c f 的增强版，提供了基于不同优先级的q o s 保障。混合控制信道访问( h c fc o n t r o lc h a n n e la c c e s s ，h c c a ) 则扩展了p c f ，提供了参数化的q o s 。h c c a 实现了无竞争的保证服务，但是实现太过复杂，而且牺牲了无线网络分布式的优点，不适合在a dh o c 网络中使用。而e d c a 实现了优先级的区分服务，且适合分布式网络，为市场所青睐。e d c a 也有它的缺点，当网络负载较重时，站点对信道的竞争会非常激烈，由于缺乏更进一步的服务质量保障机制，网络的冲突难以避免，支持q o s的效率将会大打折扣。实际上，无论是分布式还是集中式的无线局域网，要提供服务质量保障，都必须有一套完善的服务质量保障方案，它必须兼顾到尽可能全面的网络各方面性能，它需要将动态参数调节、接纳控制等众多方面考虑其中。其目标就是在有限资源的无线局域网中，尽可能优化网络并最大程度地利用网络资源，同时还要对业务不断的请求接入信道的行为进行有效的管理和控制。如何设计出有效而简单的服务质量保障方案成为一项越来越被关注的研究课题。接入参数调节、接纳控制、退避算法等，由于本身的多样性和复杂性，在i e e e 8 0 2 1 1 工作组颁布的协议标准i e e e 8 0 2 1 1 中，并没有定义具体的方案。要发挥出后来的i e e e 8 0 2 1 l ee d c a的优势，提供服务保障，并让网络维持更优的状态，就必须设计出有效的服务质量保障方案。i e e e 8 0 2 1 1w l a n 的q o s 研究课题在当前既是研究的热点，也是一个开放的课题。现有的针对i e e e 8 0 2 1 lw l a n 设计的m a c 层q o s 改进的一些方案，仍然存在很多不足：如没有与应用层业务的q o s 需求建立直接的联系；很多方案中设计的参数需要大量的计算，不能直接从网络中获取；没有自适应的调节机制，2第一章绪论造成了调节机制本身导致网络状况变得更糟的情形。因此，如何解决目前存在的这些问题，设计更加有效的q o s 保障方案显得更具有现实意义。1 3 研究内容和论文结构本文的研究工作主要是基于h c f 模式下的e d c a 机制，研究一种能够调节网络状态、控制网络流量的服务质量保障方案，且具体考虑业务的q o s 需求：包括吞吐量、端到端延时、丢包率等指标在内，根据这些指标进行e d c a 参数集的动态调整，其中有基于区分优先级的参数调整，以达到降低高优先级的实时业务延时的目的；还有基于全局的调整，目标是在提升系统总的吞吐量。除此之外，本文还设计了一个简单的接纳控制策略，使网络中已有的业务不受新接入业务流的影响。后文的组织如下：第二章介绍了无线网络中q o s 的背景基础知识和从i e e e 8 0 2 1 1 协议的角度分析w l a n 对q o s 的支持；第三章介绍了现有的一些i e e e 8 0 2 1 1q o s 改进技术方案并进行了分析，比较得到各自的优势和劣势；第四章是本文的重点，提出了一种面向业务q o s 需求的自适应的服务质量保障机制，包括：e d c a 动态参数调节算法、接纳控制策略，实现了较全面的q o s 保障；第五章介绍了利用o p n e t 仿真工具对本文机制进行仿真的设计思路和仿真结果；第六章总结全文并对下一步的研究工作做出展望。电子科技大学硕士学位论文第二章q o s 背景与i e e e 8 0 2 1 1 对q o s 的支持2 1q o s 背景知识2 1 1q o s 简介所谓q o s ，简而言之就是在不同的网络环境中，例如e t h e m e t 、a t m 、8 0 2 1 l w l a n 、s o n e t 和i pn e t w o r k s 等，利用不同的技术提供可靠有效的网络传输服务。其主要目的在于控制网络的延时来提供即时性的服务，减小数据包的丢失率或保留一定网络带宽以达到不同业务对服务质量的要求。q o s 是对通信网络承载通信业务时的业务性能的集中体现。对用户而言，它表现为用户对业务质量的要求。对网络而言，它表现为网络的性能。而对运营商而言，它表现在为用户提供的通信服务的品质。这些业务性能决定了用户对业务的满意程度【。由于新的传输调制解调技术的不断研发，使得网络的带宽也一直在增加。因此有人认为：当带宽到达一定的程度，此时q o s 的机制便大大地失去其意义，所以并不看好q o s 研究的前途。不过，支持q o s 研究的学者却认为：虽然带宽持续增加，但多媒体业务量的大小也随之成长，况且网络一旦发生拥塞时，此时q o s就占有十分重要的地位了。本论文当然也是采取后者的观点。2 1 2q o s 的衡量准则从严格意义上说，q o s 被定义为：保证在维护特定的连接质量、延时、抖动参数的情况下，提供能够满足业务传输所需带宽的能力。一般来说，q o s 需求是人们对话音、视频、其他多媒体流等实时业务的感性认识，通常是一种端到端概念，网络中的任何瓶颈都会影响服务质量。文献 2 1 5 b 定义了一系列技术层面的q o s 衡量参数，参见表2 1 ，其将q o s 衡量参数分类为时间、带宽以及稳定性三个方面的表现，非常全面地反映了网络的q o s 。本文为了便于分析，因此选取具有代表性的q o s 参数进行介绍，主要包括吞吐量、延时、抖动、差错率等，它们同时也是多媒体传输网络中最重要的几个参数。4第二章q o s 背景与i e e e 8 0 2 11 对q o s 的支持表2 - 1技术面之q o s 衡量参数c a t e g o r yp a r a m e t e rd e s c r i p t i o n e x a m p l ed e l a yt i m et a k e nf o ram e s s a g et ob et r a n s m i t t e dr o u n dt r i pt i m ef r o mr e q u e s tt r a n s m i s s i o nt ot i m e l i n e s sr e s p o n s et i m er e p l yr e c e i p tj i t t e rv a r i a t i o ni nd e l a yo rr e s p o n s et i m es y s t e ml e v e lb a n d w i d t hr e q u i r e do ra v a i l a b l e ，i nb i t so rb y t e sd a t ar a t ep e rs e c o n d ( t h r o u g h p u t )a p p l i c a t i o nb a n d w i d t hr e q u i r e do ra v a i l a b l e ，i na p p l i c a t i o nb a n d w i d t hl e v e ld a t ar a t es p e c i f i cu n i t sp e rs e c o n d ，e g v i d e of r a m er a t eo p e r m i o n sr e q u e s t e do rc a p a b l eo fb e i n gt r a n s a c t i o nr a t ep r o c e s s e dp e rs e c o n dm e a nt i m et of a i l u r e ( m t t f )n o r m a lo p e r m i o nt i m eb e t w e e nf a i l u r e sm e a nt i m et od o w nt i m ef r o mf a i l u r et or e s t a r t i n gn o r m a lr e p a i r ( m t t r )o p e r m i o nm e a nt i m er e l i a b i l i t yb e t w e e nm t b f = m t t f + m t t rf a i l u r e s ( m t b f )p e r c e n t a g eo ft i m ea v a i l a b l em t t f ( m t t f + m t t r )l o s so rp r o p o r t i o no ft o t a ld a t aw h i c hd o e sn o ta r r i v ea sc o r r u p t i o nr a t es e n t ，e g n e t w o r ke r r o rr a t e ，p a c k e t sl o s sr a t e2 1 2 1 吞吐量吞吐量( a 3 a r o u 曲【p u t ) 是指网络传送二进制的速率，也称比特率，或带宽，通常指比特率。有的多媒体业务所产生数据速率是恒定的，称为固定比特率( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 业务，而有的业务则是可变比特率( v a r i a b l eb i tr a t e ，v b r ) 的。持续的、大数据量的传输是多媒体实时业务传输的一个特点。2 1 2 2 延时网络的传输延时( d e l a y ) 定义为信源发送出第一个比特到信宿接收到第一个电子科技大学硕士学位论文比特之间的时间差，它包括电( 光) 信号在物理介质中的传播延时和数据在网络中的处理延时( 如在节点中的排队时间等) 。另一个常用到的参数是端到端延时( e n dt oe n dd e l a y ) 。它通常指一组数据在信源终端上准备好数据发送的时刻，到信宿终端收到这组数据的时刻之间的时间差。端到端的延时，包括在发端数据准备好而等待网络接受这组数据的时间，传送这组数据从第一个比特到最后一个比特的时间和网络的传输延时共三个部分。在考虑到人的视觉、听觉主观效果时，端到端的延时还往往包括数据在收、发两个终端设备中的处理时间，例如，发、收终端的缓存器延时、话音和视频信号的压缩解码时间、打包和拆包延时等。在本文中，主要考虑前者定义的端到端延时。2 1 2 3 延时抖动网络传输延时的变化称为延时抖动( d e l a yj i t t e r ) 。度量延时抖动的方法有很多种，其中一种是用在一段时间内最长和最短的传输延时之差来表示。延时抖动将破坏多媒体的同步，从而影响话音和视频信号的播放质量。在接收端增加缓冲区大小，可以减小延时抖动，但是这样会增加端到端的延时，因此需要两个指标综合考虑。2 1 2 4 差错率在传输系统中产生的错误由以下几种方式度量：误比特率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，指在接收端收到的错误比特数目同发送端发出的总的比特数目之比。b e r 通常用来衡量传输介质的质量。包错误率( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) ，是指由于同一个包被重复接收、包丢失或包的次序颠倒而引起的包的错误。包丢失的原因可能是由于包头信息的错误而未被接收，但更主要的原因往往是由于网络拥塞造成包的传输延时过长、超过了应该到达的时限而被接收端丢弃，或网络节点来不及处理而被节点丢弃。包丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ，p l r ) ，它与p e r 类似，但只关心包的丢失情况，简称丢包率。2 1 3 在无线网络实现q o s 的困难前面几节讨论了q o s 的相关背景知识，本文的研究环境是无线网络，因此结合w l a n 不同于有线网络等其他网络类型的固有特点，了解在无线网络中实现q o s 的困难是非常必要的。6第二章q o s 背景与i e e e 8 0 2 11 对q o s 的支持网络资源受限无线网络的一个特点就是信道带宽较窄，并且无线信道质量不稳定，容易受到干扰，信道质量的问题可以通过使用更强的编码方法、提高信号发射功率、或选择其他路径等方法解决。然而，信道质量问题的解决通常会造成网络中的进一步拥塞，更强的编码会导致带宽减少，选择其他路径会增加其他节点的负载，增大功率会增加分组碰撞的概率，这些情况都会造成网络进一步拥塞。信道访问存在竞争因为无线信道是广播共享形式，多数无线信道访问机制又都是随机访问方式，而且在网络中无法避免存在隐藏终端、暴露终端等问题。因此，通过引入大量控制分组的解决方案是不能被该网络所接受的，因为这样会带来碰撞的增加，获得信道访问机会的概率变小，结果会导致系统整体效率的降低。同时网络拓扑结构的动态变化也给q o s 支持带来了很大困难，要消除或减轻网络拓扑结构变化对服务质量的影响需要m a c 层的相应支持，以及路由协议能够快速生成新的路径。2 2i e e e 8 0 2 1 1 的q o s 支持机制在无线局域网中传输文本以及其它相对简单类型的数据并不需要复杂的q o s机制。传统的无线局域网并不特别关注q o s ，因为需要传输的大多是简单的数据而不是多媒体实时业务。但是，当无线局域网如今已经具有越来越高的传输速率时，随着用户的迅速增多，它所承载的业务种类越来越广泛，包括视频会议、v o l p等等，因此对q o s 也提出了新的要求，用户开始追求能够提供低误码、良好实时性的话音、视频流的无线局域网服务。在目前众多关于无线局域网的q o s 支持技术的研究当中，支持q o s 的m a c协议是非常重要的一个组成部分。m a c 协议是上层各种协议和机制所提供的q o s能否得到保障的一个关键因素，它处在网络协议栈的底部，是所有数据报文和控制消息在无线信道上发送接收的直接控制者，它能否高效地使用无线信道是上层各种协议和机制所提供的q o s 能否得到最终保障的一个关键因素。接下来，我们就从m a c 协议的层面，来研究i e e e 8 0 2 1 1w l a n 对q o s 支持的演进历程。2 2 1i e e e 8 0 2 1 1 基础2 2 1 1 相关术语解释7电子科技大学硕士学位论文 b s s 、a p 和s t a ：b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 是网络中的基本服务集合；a p ( a c c e s sp o i n t ) 称为接入点；s t a ( s t a t i o n ) 代表基本服务集合内的站点。n o n a ps t a表示非a p 的s t a 。 q b s s 、q a p 和q s t a ：分别代表支持q o s 的b s s 、a p 、s t a 。 b e a c o n ：一种管理帧，a p 通过定期广播b e a c o n 帧来表示网络的存在，并传送相关的一些网络参数。 m s d u ：m a cs e r v i c ed a t au n i t ，在m a c 层传送的服务数据单元。 m m p d u ：m a cm a n a g e m e n tp r o t o c o ld a t au n i t ，在m a c 层传送的管理数据单元。 m p d u ：m a cp r o t o c o ld a t au n i t ，针对物理层的传输而言，为m s d u 加上一个m a ch e a d e r 即成为m p d u 。 s u p e r f r a m e ：超帧，在8 0 2 11w l a nc f p c p 模式下，相邻两个b e a c o n s 的时间间隔称为s u p e r f r a m e 。超帧包括竞争期c p ( c o m e m i o np e r i o d ) 和非竞争期c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 。 c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ：协调功能，决定b s s 内的s t a s 什么时候通过无线信道发送或者接收数据的逻辑功能，包括分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 、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 ) 、混合协调功能h c f ( h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。 p c ：p o i mc o n t r o l l e r ，点控制器，在p c f 模式下工作。 e d c a ：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 ，增强的分布式信道访问，指q b s s内的q s t a 利用基于优先级的c s m a c a 方式竞争信道以提供基于优先级的q o s 。 h c c a ：h c fc o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s ，混合式协调功能控制信道访问，h c以轮询的方式协调q s t a 之间下行、上行分组传送的信道访问。 h c ：h y b r i dc o o r d i n a t o r ，混合协调器，是h c f 为支持参数集的q o s 而定义的一种协调点，h c 通过分配t x o p s 来执行对信道的分配和管理，h c 可以工作在c p 和c f p 期间，h c 一般由q a p 担任。 i f s ：i n t e rf r a m es p a c e ，相邻两帧之间的特定的时间间隔，称为帧间间隔。 n a v ：n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，称为网络配置向量，记录当前获取信道使用权的实体预计占用信道的时间。 t x o p ( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ) ：发送机会，q s t a 允许在无线链路上发送分组的一段时间，由起始时间和最大持续时间决定。包括e d c at x o p 和第二章o o s 背景与i e e e 8 0 2 11 对q o s 的支持h c c at x o p o q o s ( + ) c f p o l l ：代表q o sc f p o l l 、q o sc f - a c k + c f p o l l 、q o sd a t a + c f p o l l和q