（通信与信息系统专业论文）无线局域网基于信道容量和信道预留的接入控制算法.pdf

e 壶窒适厶堂亟堂位丝塞 生塞揸噩 中文摘要 摘要：无线局域网( w l a n ) 提供了传统有线局域网的功能，并具备有线网络无 法相比的移动、漫游等特性，能够使用户真币实现随时、随地、随意的宽带网络 接入，因而具备极大的应用前景。随着无线局域网的广泛应用，人们开始期望无 线局域网能够像有线网络一样，提供服务质量保障。然而，由于无线信道速率低、 出错率高并且冲突难以检测，无线局域网一直难以提供服务质量保证。为此，i e e e 8 0 2 1 1 协议组历经多年，终于在2 0 0 5 年1 1 月发布了i e e e8 0 2 1 1 e 协议，为无线 局域网提供了q o s 保障。 i e e e8 0 2 1 l e 提出了h c f i ”，集合了d c f 【2 】和p c f 2 】的功能，并能够支持q o s 。 h c f 包括e d c a 1 】和h c c a l l 】机制：e d c a 是d c f 的增强版，提供了不同优先级 的o o s ；h c c a 类似于p c f ，经过协商后能够提供了参数化的q o s 。h c c a 能够 基于每个站点的特定业务需求提供无竞争的保证服务，然而它是集中式的，计算 复杂，每次有新的业务流接入必须重新计算调节，而且市场需求不大。相较而言， 分布式的e d c a 更为市场青睐，它改进了d c f ，提供了不同优先级a c ，实现了 区分服务。它的优点在于易于实现，但是如果没有合适的接入控制方案，网络状 态根本无法调节控制，无法提供进一步的q o s 支持。现有的接入控制方案存在着 很多不足：接入时仅仅考虑带宽，没有和上层建立直接的联系，无法根据网络实 际情况动态的调节，网络带宽利用率不高，网络震荡大，在网络重负载时无法有 效的调节和保障现有业务流。 因此，本文主要基于i e e e8 0 2 1 i e 的接入控制算法，提出一个在e d c a 方式 下改进的服务质量保障方案，主要是通过改进i e e e8 0 2 1 l e 标准中的准入控制方 式来实施，这个方式考虑了当前的信道利用率，并预测将来的信道占用率，根据 实际情况进行准入控制。本方案考虑周密，实现简单，可以在全分布的环境中应 用。 关键词：服务质量：增强分布式协调访问方式：接入控制 分类号： j e 壅窑垣厶堂亟堂位论塞旦s ! 壁! a b s t r a c t a b s t r a c t ：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 ) b e c o m e sm o r ea n dm o r cp o p u l a r r e c e n t l y i nc o n t r a s tt ol a n ，w l a nh a sas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sm o b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y a sar e s u l t ，w l a nd e v e l o p sr a p i d l ya n dw i d e l y ，a n d p e o p l eb e g i nt oe x p e c tq o ss u p p o r tf o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t oa c h i e v et h eg o a l ， i e e es t d 8 0 2 1 l e t mi sp u b h s h e do rn o v 2 0 0 5 a n dp r o v i d e sg u i d a n c et oi m p l e m e n t q o sg u a r a n t e e s t h em a i nq o sf a c i l i t yo fi e e e8 0 2 1 l ei sh y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o nf h c f ) m e c h a n i s m t h eh c fu s e sb o t l lac o n t e n t i o n - b a s e dc h a n n e la c c e s sm e t h o d c a l l e dt h e 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 ) m e c h a n i s mf o rp r i o f i t i z e dq o ss e r v i c e s ， a n dac o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s sm e t h o d , r e f e r r e dt oa st h eh c fc h a n n e la c c e s s ( h c c a ) m e c h a n i s mf o rp a r a m e t e r i z e dq o ss e r v i c e s h c c ai sac e n t r a lc o n t r o l l e dm e t h o d ，h a r d t or e a l i z ea n dd o e sn o tf i tm a r k e tr e q u e s t e d c ai sm o r ep o p u l a r , b u ti tj u s tp r o v i d e s p r i o r i t i z e dq o s ，a n dc a n n o tp r o v i d eq o sg u a r a n t e e sb a s e do nt r a f f i cs t r e a m s s e v e r a l a c c e s sc o n t r o ls c h e m a sa l ep r o p o s e dt op r o v i d ef u r t h e tq o sc o n t r o l ，b u tt h ee x i s t i n g s c h e m a ss t i l lh a v em a n yp r o b l e m s ，s u c ha sh a v en ol i n kw i t hn p p e rl a y e r , c a n n o t 删u s t d y n a m i c a l l y t om a k ef u l lu s eo f b a n d w i d t h ，t h eb a n d w i d t hi sd i t h e r i n ga n ds oo n 1 1 1 ea r t i c l ep r o v i d e sao v e r a l lq o sm e c h a n i s mb a s e do ni e e e8 0 2 1l ec a l l ：c c s s c o n t r 0 1 an e wm e t h o db yi m p r o v i n go nc a l la c c e s sc o n t r o li ni e e e8 0 2 1l eg u a r a n t e e s q o s u n d e re d c am e t h o d t l l i sm e t h o dc o n s i d e r st h ec u r r e n tc h a n n e lu t i l i z a t i o na n dt h e f u t u r ec h a n n e l1 0 a d a n di tc a na d m i ti nt e r mo fr e a lc o n d i t i o n t h em e t h o di s c o n s i d e r a t e ，e a s yt or e a l i z e ，a n di tc a nb ei m p l e m e n t e di nd i s t r i b u t e de n v i r o n m e n ts u c h a sa d h o cn e t w o r k k e y w o r d s ：q o s ；e d c a ；a c c e s sc o n t r o l c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一签名：灰磅 签字日期：明年协月五1 日 一名廊t 席 签字日期：) 纠f z 月f 芦 e 躯銮望厶堂亟堂焦丝塞独剑蛙虚嘎 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 靴澈储鹳：删辩醐：堋引z 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师郭宇春教授的悉心指导下完成的郭字春副教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来郭宇春老师对我的关心和指导。 胡师舜老师，陈常嘉教授，赵永祥副教授，张立军副教授悉心指导我们完成 了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向 胡师舜老师，陈常嘉教授，赵永祥副教授，张立军副教授表示衷心的谢意。 陈常嘉教授，赵永祥副教授，张立军副教授对于我的科研工作和论文都提出 了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间感谢实验室同学对我的帮助，郑云平，刘斯伟， 戚建勋，赵森，韩运宝，郑毅等同学对我论文中的设计，测试工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业a e 塞窑适 厶 堂亟堂 位 诠塞 i i 宣 1 引言 计算机网络作为信息资源交流共享的主要平台，近年来飞速发展。其中有线 接入网络的发展迅猛，从最初电话线拨号的1 4 4 k b p s 发展到如今a d s l 接入的 8 m b p s ，接入速率提高了几百倍。但是人们并不会满足于足不出户的网络接入。随 着便携式计算机、p d a 、智能手机等移动智能终端设备的逐渐成熟，移动信息处 理己不再是梦想。随时随地自由接入i n t e r n e t 、享受安全并且高效的服务成为了网 络发展的新焦点。 移动通讯主要有两个研究方向：无线广域网( w u ，a n ) 和无线局域网( w l a n ) 。 w w a n 的代表是第三代移动通讯技术( 3 g ) ，它被广泛用于智能手机，但是3 g 对 于移动数据通信来说有着其先天性的不足。首先，建设3 g 网络需要巨大的资金投 入，而且网络建设周期很长，不能立即满足当前人们对移动数据通信服务的迫切 需求。其次，3 g 网络的速率不甚理想。按照目前3 g 的规划方案来看，其移动终 端在静止状态下也只能达到2 m b p s 的最高速率，这对于将来的移动多媒体数据通 信来说是远远不够的。基于这种现状，应用无线局域网作为移动数据通信接入网 的呼声便越来越大。无线局域网是在有线数据网络( l a n ) 的基础之上发展起来的， 因此它对于数据通信业务的支持有着先天性的优势，且组网简单灵活。其传输速 率更是可以和有线网络相媲美。无线局域网两大标准体系中的最新标准 h y p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 l g 都可以达到5 4 m b p s 的最高理论传输速率。因此，无 线局域网被当成下一代移动接入网设计方案中的考虑重点。 随着无线局域网应用越来越广泛，人们开始期望无线局域网能够像有线网络 一样，提供服务质量保障。然而，由于无线信道速率低、出错率高并且冲突难以 检测，无线局域网一直难以提供服务质量保证。为此，i e e e8 0 2 1 1 协议组历经多 年，终于在2 0 0 5 年1 1 月发布了i e e e8 0 2 1 l e 协议，为无线局域网提供了服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保障。 原来的i e e e8 0 2 1 l 协议定义了两种m a c 机制：分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能i l i ( 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 优势，然而它不提供q o s 支持，所有站点部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；然而它更复杂，需要中央 控制，而且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。 i e e e8 0 21 l e 标准定义了混合协调功能1 2 1 ( h c f ) ，扩展了d c f 和p c f 的功能， 改善了访i u 带宽并且减少了高优先绒等级通信延迟。- c f 提供了两种不同级别的 服务质量保障：p r i o r i t i z e dq o s 和p a r a m e t e r i z e dq o s 。混合控制信道访问【zj ( 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，但是使 用h c c a 太过复杂，而且牺牲了无线网络分布式的有点，又不能在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，但是如果没有适当的计入控制算法， 网络的冲突仍然无法避免，服务质量也无法得到保障。 无论是分布式还是集中式的无线局域网，要提供服务质量，都必须有一个接 入控制机制。接入控制的目标就是在有限资源的无线局域网中，保证接入新的业 务流不会降低已接入业务流的质量，同时还要尽可能优化网络并最大程度的利用 网络资源。如果没有好的接入控制策略，就无法保证已有数据的网络传输，也无 法满足0 0 s 参数请求。所以接入控制在支持q o s 的网络中有极其重要的作用。然 而，接入控制方案由于本身的多样性和复杂性，在最新出台的i e e e8 0 2 1 1 e 协议 标准中也没有为e d c a 定义具体的接入控制方案，所以要发挥出i e e e8 0 2 1 l e e 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 接入控制方案。 现在的提出的方案主要是基于测量和基于模型的，基于测量的接入控制方案 通常比较有效而且易于实现。然而，由于没有理论基础，这些方案很难达到全局 最优。基于模型的接入控制方案有明确的数学根据，更能够全局优化，然而这些 方案计算过于复杂，而且模型常常建立在一些与实际不符的假设上( 例如信道传 输无错，每个站点都是贪婪的) ，所以很难应用于实际的系统。 本文主要是基于新出台的i e e e8 0 2 1 1 e 协议，设计出一个完整的给予e d c a 的接入控制方案，本方案虽然是基于e d c a 的，但是同时考虑了带宽，抖动，延 时，吞吐量等q o s 指标：同时本方案易于实现。 后文组织如下：第二章介绍了无线局域网的基础知识和i e e e8 0 2 1 1 e 协议； 第三章介绍了无线局域网的接入控制方案并分析现有各种接入策略的优势和劣 势。第四章是本文的重点，分析了8 0 2 1 l e 协议提出的接入控制方案，提出了一种 基于8 0 2 1 l ee d c a 的接入控制方案，实现整体的q o s 保障，介绍了测试过程和结 果；最后总结全文并提出展望。 2 e 鏖蛮道厶堂亟堂位途塞玉线厦垣圆当8q2 ：! ! 垃邀 2 无线局域网与8 0 2 1 l e 协议 2 1 无线局域网概述 无线局域网是计算机网络和无线通信技术相结合的产物。它利用射频技术， 取代旧式双绞铜线构成局域网络，提供传统有限局域网的所有功能，网络所需的 基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。使得无线局域 网罗能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化，便利走天下”的 理想境界。w l a n 是2 0 世纪9 0 年代计算机与无线通信技术相结合的产物，它使 用无线信道来接入网络，为通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了潜在的手 段，并成为宽带接入的有效手段之一。 1 9 9 0 年i e e e8 0 2 标准化委员会成立i e e e8 0 2 1 1 无线局域网( w i r e l e s sl a n ， 、礼a n ) 标准工作组。i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组的任务l m b i t s 和2 m b i t s 数据速率，工作在2 4 g h z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月2 6 日公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。 i e e e8 0 2 1 1 标准定义了一种为用户提供无需有线电缆能够以2 m b p s 速率来对 数据进行访问的无线局域网，这些用户可以是移动用户也可以是固定用户。8 0 2 1 1 标准规定了无线局域网的特定特征，即对8 0 2 1 1 标准上层的完全透明性。也就是 说物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 已经能够完成所有无线局域网的功 能，使其不用在其他层进行相应的修改。然而，为了实现这些功能，需要将网络 中一些高层的功能在无线局域网的m a c 层来实现。该标准定义的物理层和媒体访 问控制( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。 i e e e 8 0 2 1 1 标准定义了单一的m a c 层和多样的物理层，其物理层标准主要有i e e e 8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 。 为了支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准了8 0 2 1 l b 标准。 1 e e e 8 0 2 1 1 b 对8 0 2 1 l 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 l 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b i t s 和1 1 m b i t s 。当射频情况变 差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b i t s ，2 m b i t s 和l m b i t s 。 i e e e 8 0 2 1 l b 的基本结构，特性和服务仍然由最初的i e e e8 0 2 i l 标准定义。 i e e e8 0 2 ，l l b 觇范只影响 e e e8 0 2 1 l 标准的物理层，它增加了数据传输速率并增 强了连接性。 i e e e8 0 2 1 l a 标准是已得到广泛应用的8 0 2 1 l b 无线联网标准的后续杯准， e 塞窑迪厶堂缝堂焦监毫无缮厦邀匿当8q2 ：! l 协达 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段，其物理层速率可达5 4 m b i v s ，传输层可达3 2 m b i t s ， 采用正交频分复用o 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 g ) 的扩频技 术，可提供2 5 m b i f f s 的无线a t m 接口和1 0 m b i t s 的以太网无线帧结构接口，以及 时分双工时分多路复用t d d 厂r d m a ( t i m e - d i v i s i o n - d u p l e x t i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e - a c c e s s ) 的接口；支持语音，数据， 图像业务。 由于i e e e8 0 2 1 l a 与目前的8 0 2 ，l l b 规格之间，频段与调变方式不同使得其互 相之间不能够相通，已经捌有8 0 2 1 1 b 产品的消费者可能不会在8 0 2 1 l a 设备问世 之后就立即购买：8 0 2 1 1 9 就是为这段过渡时间所发展的规格，它建构在既有的 8 0 2 1 l b 标准基础上，工作在2 4 g h z 频段、传输速率较1 1 m b i t s 高，让已拥有8 0 2 1 l b 产品的使用者能够以8 0 2 1 l g 的产品达到一个速度升级的需求。 8 0 2 1 1 n 将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 9 之后的另一场重 头戏。和以往地8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1 1 n 协议为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和 5 g h z 两个工作频段) 。这样l l n 保障了与以往8 0 2 1 l a ，b ，g 标准兼容。 2 28 0 2 1 i e 协议 目前，随着无线局域网应用越来越广泛，人们开始期望无线局域网能够像有 线网络一样，提供服务质量保障。然而，由于无线信道速率低、出错率高并且冲 突难以检测，无线局域网一直难以提供服务质量保证。为此，i e e e 8 0 2 1 1 协议组 历经多年，终于在2 0 0 5 年1 1 月发布了i e e e 8 0 2 1 1 e 协议，为无线局域网提供了 m a c 层的q o s 保障。i e e e 8 0 2 1 l e 的服务质量保障主要通过h c f 机制( 混合协调 功能) 实现。 要讨论h c f 机制，我们首先需要了解在i e e e 8 0 2 1 1 e 协议中，无线网络接入 时的访问方式。 2 2 1i e e e 8 0 2 11 协议中的d c f 和p c f 访问方式 i e e e 8 0 2 1 1 标准为无线网络接入确定了两种访问方式：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 ) 方式和点协调功能( 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 ) 方式。d c f 使用c s m a c a ( 载波侦听多点接入冲突避免) 协议。 一个站点等到榆测到无线媒介空闲的时候jj 1 ：始发送信号。与以太刚不同，站点 不能总是检测到冲突，因此这个| 办议规定接收站要发送一个收到通知。：与这个站 4 e 斑窑墟厶翌亟= ：；兰位监塞盘缮厦域匿当8q2 ：! ! 盐这 点检测到无线媒介空闲时，它将在竞争窗口i l i ( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) 参数规定 的范围内产生一个随机的数字。然后，这个站点厅始从这个随机数字向下计数。 当计数器达到零的时候，如果这个媒介仍然是空闲的，这个站点就丌始发送信号。 在d c f 模型中，每个站点都是相互独立的，没有主从关系。如图2 。l 图2 1i e e e8 0 2 1 1d c f 访问方式 f i g2 - 1i e e e8 0 2 ，1 1d c f p c f 定义一种轮询协议，避免竞争。站点的优先权由点协调器( p c ) 来协调。 p c f 发起数据传输的等待时间间隔成为p i f s i “，p i f s 介于s i f s | 1 i 和d i f s t 1 之间， 因而p c f 比d c f 的优先级高。p c f 的传输时间被划分为重复的周期，即交替出现 的竞争周期( c p ) 和非竞争周期( c f p ) 。c p 和随后的c f p 一起组成超帧。在 c f p 阶段采用p c f 机制接入无线信道，在c p 阶段则使用d c f 机制传输数据。超 帧有信标帧( b e a c o n ) 开始。信标帧是一种管理帧，它维持s t a 内本地定时器的 同步并负责传送协议相关参数。p c 周期性的产生信标帧，下一个信标帧到来的时 间被称为目标信标帧传输时间1 1 t ( t b t t ) ，每个信标帧中都携带该信息。每个s t a 被p c 轮询后发送数据，因而不会发生冲突。p c 通过发送c f p o l l 帧i i l 轮询有数据 要发送的s t a ，s t a 接收到轮询帧以后给出确认。若p c 在等待了一个p i f s 的时 问后没有收到s 1 a 的响应，可以继续轮询其他s t a ，一直到c f p 的结束。p c 通 过发送一个特殊的控制帧c f e n d oj 来指示c f p 的结束。如图2 2 e 夏至丝厶堂亟：兰位论童玉垡厦缝圆生q2 ：! ! 迹迭 1 b r r 觏弼捌 非麓堀朔 踊洒蕊洒 鹦 叫卜- 一 卜- _ 1 卜_ - 卜 竞孙聊j f c i +p 啪陌堋l腓 o 啪 信际 眦l+ p 0 l l + | p o l l i f b l l s t 射+s 胁s 脚 觚觚艇 j l，酵设哪 ll 蕊 一 s i f ss f s 5 、m _l 11 曩娟瞵争 i 图2 - 2i e e e8 0 2 1 lp c f 访问方式 f i g2 - 2i e e e8 0 2 1 1p 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势，然而它不提供 q o s 支持，所有站点都使用相同的结束参数，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；然而它更复杂，需要中央控制，而且不包括任 何接入控制算法，在网络复杂大的情况下，无法满足端到端的q o s 需求。 2 2 2i e e e 8 0 2 1 l e 协议中的h c f 机制 i e e e8 0 2 1 l e 提出了混合协调功能( h c f ) ，集合了d c f 和p c f 的功能，并 能够支持q o s 。其中，增强分布式协调访问【2 1 ( e d c a ) 的访问方式扩展了d c f 的功能，而混合控制信道访问( h c c a ) 的访问方式扩展了p c f 的功能；e d c a 和h c c a 分别实现了基于优先级的服务质量( p r i o r i t i z e dq o s ) 和基于参数请求的 服务质量( p a r a m e t e r i z e dq o s ) 。8 0 2 1 l e 的s u p e r f r a m e 仍然包括两个阶段：c p 和 c f p ；e d c a 仅仅在c p 阶段使用，h c c a 可以在两个阶段使用。i e e e 8 0 2 1 l e 的 m a c 架构参见下图2 3 6 e 丞窑煎厶堂亟堂僮淦塞玉线崖筮回当sq2 ：! ! 垃邀 图2 38 0 2 1 1 m a c 层架构 f i g2 - 38 0 2 1 1m a cl a y e ra r c h i t e c t u r e e d c a 是d c f 的增强版，e d c a 定义了8 中业务类型t c l 2 】( t r a f f i cc a t e g o r y ) ， 对应8 种优先级，而者8 个业务类别又映射到4 个a c l 2 1 队列中。使用e d c a ，每 个m a c 层提供了4 个独立的队列a c ，每个a c 通过不同的e d c a 参数来实现不 同的优先级。而每个a c 本身仍采用d c f 机制。同时e d c a 还提出了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 ) 来让某个站点在个t x o p 内可以连续发出多个数据 帧，增强网络的利用率。 e d c a 的业务分类如下表2 1 ； e 夏至道厶堂亟堂焦i 金塞五线旦筮囝皇gq2 ：! i 垃达 表2 - 18 0 2 ，1 l e 中业务流分类和a c 映射 t a b l e2 - 18 0 2 1l el i p t o a cm a p p i n g s u p 8 0 2 1 d d e s i g n a t i o n p r i o r i t y ( s a m ea s8 0 2 i d a c ( i n f o r m a t i v e ) u s e rp r i o r i t y ) d e s i g n a ti o r l 1 b k a cb k b a c k g r o u n d l o霄e st 2a cb k b a c k g r o u n d 0b ea cb eb e s te f f o r t 3 e e cb eb e s te f f o r t 4c l cv iv i d e o 5v i矗c ￥iy i d e o h ：卧6v 0 cv ov o i c e e s t 7n c cv ov o i c e 在e d c a 中，为每个a c 类别配置了不同的e d c a 参数集：最小竞争窗口 ( c w m i n a c 】) ，最大竞争窗口( c w m a x a c 】) ，发送机会限制1 2 】( t r a n s m i s s i o n o p p o r t u n i t y ，t x o p a c 】) 。仲裁帧间间隔【2 l ( a i f s a c 】) 为每类数据设置这些参 数能够更好的调整网络状态。 每个站点必须等到信道空闲一定的时间间隔( m s ) 后，才能进一步根据c w 值等待并发送数据。不同的i f s 确定了e d c a 内各类业务的优先级( a i f s i ) ，确 定了h c c a 的较高优先级( p s ) ，也保证了a c k 发送的优先级( s i f s ) 。各类等 待时间间隔( i f s ) 之间的关系如图2 - 4 所示： e 瘟窑垣厶堂亟：! j ! 僮论塞五缮国撼圆生8q2 ：! ! 迹返 图2 - 4 各类f s 之间的关系 f i g2 - 4s o m e i f s r e l a t i o n s h i p s 使用e d c a ，主要有以下优点：改进了d c f ，提供了不同优先级a c ，并且提 供了t x o p 来增加传输率；同时e d c a 是分布式的结构；易于实现；为市场青睐。 但是e d c a 也有其缺点：由于e d c a 是基于竞争机制的，要实现保证服务难 度比较大：实际实现时要选择合适的q o s 参数集非常困难：而且无线网络的负载 时刻变动，所以需要动态更新q o s 参数来维持网络的最佳负载状态；高优先级a c 的c w 范围很小，c w m i n 和c w m a x 很接近，如果网络中高优先级a c 比较多， 冲突将会非常频繁。 e d c a 中如果没有好的接入控制方案，根本无法调节网络状态，也就难以提 供服务质量保证。 h c c a 提供了参数化的o o s ，在站点( s t a ) 有新的业务流时，需要和混合协 调器( h c ，h y b r i dc o o r d i n a t o r ) 进行q o s 需求协商，由h c 决定是否接入。一旦 接入后，h c 就会通过轮询机制分配t x o p 来为站点提供保证服务。 h c c a 类似于p c f ，使用h c 来提供基于p o l l 的q o s 服务。h c 用p i f s 获得 信道，并对每个q s t a 分配t x o p ，这罩的t x o p 也称为h c c a t x o p 或者p o l l e d t x o p 。它p c f 的不同支出在于：h c c a 可以在c p 阶段p o l lq s t a ：并且h c c a 在调度时考虑每个业务流的特定需求。 h c f 分为c f p 和c p 阶段e d c a 在c p 阶段使用，而h c c a 可以在c f p 和 c p 阶段使用。在c f p 阶段，所有s t a 由于设置了n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r ( n a v ) ， 都无法竞争信道h c 就能够无阻碍的使用信道。此时，h c 能够把卜- 行数据 9 韭塞銮道厶堂亟堂鱼逾塞垂线垣撼鳗兰q2 ：! ! 垃主! 【 ( d o w n l i n kt r a f f i c ) 传输给s t a ，并把q o sc f p o l l 帧发送给需要传输u p l i n k 和 s i d e l i n k 的站点。如果p o l l e ds t a 有数据传送，就在收到c f p o l l 帧后传送大小不 超过t x o pl i m i t 的数据帧。在c p 阶段，h c 在网络空闲时，也可以传送下行数据 和c f p o l l 帧。主要通过设置a p 的e d c a 优先级来获得优先利用信道的权利：a s = p i f s ；c w m i n = c w m a x = 0 。这样，由于d i f s p i f s 。所以站点在监测到信道 空闲时，就能够获得信道使用权。 h c c a 的优点在于：能够基于每个站点的特定业务需求提供无竞争的保证服 务。然而，它也有其缺点：集中式的；复杂：市场前景不好；实现代价大；另外， 尽管q a p 对请求资源的决定是基于每个独立业务流的，但是h c c a t x o p 的分配 是基于每个q s t a 的，这样，每个q s t a 还必须提供把t x o p 分配给其独立业务 流的方法。 总体上来说，e d c a 改进了d c f ，提供了不同优先级a c ，并且提供了t x o p 来增加传输率，而且基于市场来说，由于e d c a 是分布式的结构，并且易于实现， 可能会成为市场主流。但是e d c a 难以基于业务流提供保障。h c c a 则能够基于 每个站点的特定业务需求提供无竞争的保证服务。但是h c c a 是集中式的，市场 前景不好，而且无法在a dh o c 网络申使用：另外，尽管q a p 对请求资源的决定是 基于每个独立业务流的，但是h c c at x o p 的分配是基于每个q s t a 的，这样， 每个q s t a 还必须提供把t x o p 分配给其独立业务流的方法。 e d c a 更有市场研究价值，但是e d c a 中如果没有好的接入控制方案，根本 无法调节网络状态，也就难以提供服务质量保证，所以本文的研究重点是基于 e d c a 的接入控制方案。 2 2 3i e e e s 0 2 1l e 协议中的其它的o o s 机制 为了提高效率，i e e e 8 0 2 1 l e 还提出了其他可选的q o s 机制，主要包括：d l p ， b l o c ka c k ，n o a c k ，p i g g y b a c k 和a p s d 技术。 d l p ( d i r e c tl i n kp r o t o c 0 1 ) 是指在同一q a p 联系的在基本服务集合b s s 中， 两个q s t a 站点能够直接传输数据，这样不借助q a p 的直接传输提高了信道利用 率。 b l o c k a c k ( b l o c k a c k n o w l e d g e m e n t ) 是指在获得信道使用权后q s t a 站点 能够无需竞争，连续发送多个数据帧( 帧问间隔一个s i f s 时隙) ，只接受一个a c k 。 该机制减少了a c k 以及等待时叫，大幅增加了信道利用率。 n o a c k ( n o a c k n o w l e d g e m e n t ) 是指对于某些应用，i e e e8 0 21 1 e 允许不收 发a c k 。该机制对于一些特殊的非常关注于延时但对丢包不很敏感的业务很有用。 e 立窑适厶堂亟堂位论塞玉缝垣堡圆皇gq2 ：! ! 迹这 p i g g y b a c k 是指在轮询帧或a c k 帧中捎带数据，以此来减少网络负载。 a p s d ( a u t o m a t i cp o w e rs a v ed e l i v e r y ) 是指缩短周期、重复执行低耗电模式 的节能方式。 上述可选技术能够在特定的网络环境中发挥出比较好的效果，减轻负载，增 加网络利用率。我们可以在具体的网络环境中考虑是否应该应用该技术。 2 3i e e e8 0 2 1l e 协议的q o s 小结 i e e e8 0 2 1 l e 协议应运而生，为无线局域网提供了服务质量实施方案。q o s 的涵盖范围非常广泛，i e e e8 0 2 1 1 e 主要关注于m a c 层方案，提出了h c f 访问 方式，主要考虑通过区分服务和轮询结合的方式提供服务质量保障。其中h c c a 能够通过轮询，基于每个站点的特定业务需求提供无竞争的保证服务；但是由于 它是集中式的服务，实现复杂且扩展性不强，一般应用于某些特定的网络。e d c a 则改进了d c f ，提供了基于不同优先级a c 的区分服务，分布性和扩展性很强， 应用前景广泛。 然而，e d c a 难以基于业务流提供保障，而且如果没有合适的接入控制策略， e d c a 无法调节控制网络状态，保障服务质量。由于e d c a 是基于竞争的接入， 接入控制算法有其复杂性和相关性，i e e e8 0 2 1 l e 协议中并没有为e d c a 指定接 入算法，而是让用户根据组网情况自定义算法。因此本文主要基于i e e e8 0 2 1 i e 机制，研究一种能够控制网络流量，调节网络状态，考虑具体业务流特性，对业 务流按需求流量整形的接入控制方案。 e 塞窑堑厶堂亟主毽途塞玉缝垣堡囝的缝厶毽劐左塞 无线局域网的接入控制方案 3 1 无线局域网接入控制方案概述 i e e e8 0 2 1 1 e 协议中，由于接入控制算法的复杂性，e d c a 仅仅提供了区分服 务，并没有确定具体的接入方案。然而，如果没有好的接入算法，根本无法控制 网络流量，也就无法提供q o s 保障。目前存在的接入控制方案主要有两种类型： 基于测量的方案和基于模型的方案。基于测量的接入控制方案通常比较有效而且 易于实现。然而：由于没有理论基础，这些方案很难达到全局最优。基于模型的 接入控制方案有明确的数学根据，更能够全局优化，然而这些方案计算过于复杂， 而且模型常常建立在一些与实际不符的假设上( 例如信道传输无错，每个站点都 是贪婪的) ，所以很难应用于实际的系统。 3 2 基于测量的接入控制方案 对于基于测量的方案来说。接入控制的决定取决于这段时间的网络测量状态， 如带宽、延时等。由于基于测量的方案实施简单，调节迅速，研究得较为广泛， 目前存在的方案主要有以下几种。 3 2 1t i m e w i n d o w m e a s u r e ds u mm b a cs c h e m e 论文【3 l 中陈述了该方案，它的主要思想是：按照已有的网络负载v ，网络容量 c 和用户定义的控制参数a 来决定是否接入一个新的带宽为v f 业务流。当v + v f ( 1 + j ) 门7 0 1 ) 时，认为网络负载过重，三个参数各增 加一个量；当，玎( t ) ( 1 + 3 ) * f t t ( t 1 ) 时，认为网络还有能力接受更多数据，三 个参数各减少一个量。这样，就能够避免由于b e 数据传输过多导致网络拥塞，影 响实时业务传输：同时在网络较空闲时，让跟多b e 数据获得传输机会，增加网络 利用率。但是这个方案还是d a c 的缺点。 文吲中提出了两层保护机制：第一层保证现有的实时业务流( 语音图像业务流) 不受新业务流的影响；二层保证实时业务流不受b e 数据的影响。第一层保护机制 在d a c 的基础上，提出了两种接入方法：t r i e d a n d k n o w n 方法和e a r l y p r o t e c t i o n 方法。t r i e d a n d k n o w n 接入法就是先临时接受新的实时业务流，并在随后的几个 b e a c o n 周期- p 测量网络的延时和带宽，如粜平均延t r , y 带宽不满足服务质量需求， ：! e 鏖窑道厶堂亟上堂僮途塞玉绫厦越圆的撞厶丝割左塞 咳业务流就自己拒绝自己，反之则同意接入新流。但是，当预留b u d g e t 低于某个 域值时，就不应该先随意接入，而是应该先检测，因此采用e a r l y p r o t e c t i o n 方法， 片通过t x o p b u d g e t i 来决定是否应该接入。第二层保护机制保证实时、务流不受 b e 数据流影响。由于b e 数据流过多会导致频繁的冲突，也会较大程度的影响实 时业务流，所以该