（计算机应用技术专业论文）基于ieee80211emac层edca机制的分析与改进.pdf

独创性声明 fyfllfl11ll18llllll9iifl14illlf4lilil2llllt5lll f y18 9 4 4 2 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名球艳匹 乃| l 马艮l 娟 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社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， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 靴敝储獬：球秽， 了l ，| 1 年b 其? o 日 指剥币签易、乞诲 沙1 1 年易月c 9 e l 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着无线局域网技术的广泛应用，用户对网络性能的要求也越来越高，其中 一个非常迫切的要求就是对多媒体业务提供服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i e ) 支持。i e e e8 0 2 1 l e 标准正是为无线局域网提供q o s 支持而提出的m a c 协议， m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层是提供服务质量保证的关键环节，其最主要的 功能是控制媒介访问。8 0 2 1 1 e 的媒介访问控制机制有两种方式， 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 ) 是其中应用最广泛也是最基本的访 问控制机制。虽然e d c a 机制在相关领域已取得了成功的应用，其作用也得到 了广泛的认可，但是随着多媒体业务需求的迅速增长，人们对该机制提出了更高 的q o s 要求，这意味着需要研究新的改进方法来满足人们的这些需求，因此， 本课题的研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。 论文的主要工作成果包括以下几个方面： l 、系统分析8 0 2 1 1 e 协议m a c 层的体系结构、接入方式及性能标准，重 点探究e d c a 机制的研究现状和工作原理。 2 、为了进一步提高网络的q o s 性能，从减小站点间碰撞概率的角度，提出 一种竞争窗1 2 自适应调整和退避时隙概率分布的改进方案i - e d c a ( i m p r o v e d e d c a ) 。首先采用时隙利用率量化负载程度，进而根据时隙利用率动态调整竞争 窗口，成功发送报文后，站点不再是将竞争窗口重置为最小值，而是通过一个时 隙利用率函数自适应调整竞争窗口。然后退避计数值的选择也不再是等概率随机 选择，而是服从一个退避时隙选择概率分布函数，可使处于后半区间的时隙被选 择的概率要高于前半区间，这样选取相同时隙的概率变小，从而碰撞的概率减小， 系统性能得到改善。 3 、采用三维马尔科夫链对i e d c a 建模，理论证明方法的正确性。基于e d c a 机制模型，考虑退避时隙选择方案，给出改进机s m j i e d c a 业务发送数据的概率 和发生冲突的概率，从而推导出吞吐量、时延和媒介利用率的表达式。并对饱和 状态下的i e d c a 与e d c a 进行性能比较，结果表明i e d c a 性能值相比于e d c a 得到明显改善。 。4 、仿真实现i e d c a 机制，验证改进方法的有效性。建立8 0 2 1 l e 仿真环境， 分析并修改8 0 2 1 1 e 协议相关模块，在不同负载下对e d c a 机制及改进机制 江苏大学硕士学位论文 i - e d c a 进行性能分析比较。仿真结果表明，随着网络负载的增加，i - e d c a 的改 进型服务区分机制相对于e d c a ，可以更好的满足业务对时延的要求，在稳定条 件下大大减少了碰撞概率，提高了吞吐量和媒介利用率，较好的保证了网络的 q o s 。 最后，总结全文并对今后的研究进行展望。 关键词：服务质量，8 0 2 1 1 e ，媒介访问控制，增强型分布式信道访问机制，优 先级 i i a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g y , t h en e t w o r k p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o ru s e r sa r ea l s oi n c r e a s i n g ，o n eo fw h i c hi sav e r yu r g e n t r e q u i r e m e n tt op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c ef o rm u l t i m e d i as e r v i c e ss u p p o r t t h ei e e e 8 0 2 1les t a n d a r df o r p r o v i d i n gq o ss u p p o r tf o rw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ki s p r o p o s e d ，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) l a y e ri st op r o v i d ea ni m p o r t a n tp a r to f e n s u r i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ，a n di t sm a i nf u n c t i o ni st oc o n t r o lm e d i aa c c e s s m e d i u m a c c e s sc o n t r o lf o r8 0 2 1lem e c h a n i s mi nt w ow a y s ，e d c a ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e d c h a n n e la c c e s s ) i so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e da n db a s i ca c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s m s a l t h o u g he d c am e c h a n i s mi nt h er e l e v a n tf i e l d so fa p p l i c a t i o nh a sb e e ns u c c e s s f u l ， i t sr o l eh a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e d ，w i t ht h er a p i dg r o w t hi nd e m a n d f o rm u l t i m e d i a s e r v i c e s ，h i g h e rq o sr e q u i r e m e n t so ft h em e c h a n i s ma r en e e d e d ，w h i c hi m p l i e st h e n e e dt os t u d yn e wi m p r o v e dm e t h o d st om e e tt h e s en e e d s ，t h e r e f o r e ，t h ei s s u eh a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea r c h i t e c t u r e ，a c c e s s i n gm e t h o da n dp e r f o r m a n c es t a n d a r do f8 0 2 1le p r o t o c o lb a s e do i lm a cl a y e ra r es y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e d ，f o c u s i n g o ne d c a m e c h a n i s ma b o u tt h es t a t u sa n dw o r k 2 i no r d e rt oi m p r o v ef u r t h e r l yt h eq o s p e r f o r m a n c eo fn e t w o r ka n dr e d u c et h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t yb e t w e e nt h es i t e s ，i - e d c a ( i m p r o v e de d c a ) i sp r o p o s e dt o a d j u s ta d a p t i v e l yc o n t e n t i o nw i n d o wa n di m p r o v et h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f b a c k o f fs l o t s f i r s t ，t h el o a di su s e dt oq u a n t i f yt h ed e g r e es l o tu t i l i z a t i o n , a n dt h e nt h e c o n t e n t i o nw i n d o wi s d y n a m i c a l l ya d j u s t e db a s e do ns l o tu t i l i z a t i o n a f t e r s u c c e s s f u l l ys e n d i n gt h em e s s a g e ，t h ec o n t e n t i o nw i n d o wo fs i t ew i l ln ol o n g e rb e r e s e tt ot h em i n i m u m ，b u ta d j u s tt h ec o n t e n t i o nw i n d o w b yas l o tu t i l i z a t i o nf u n c t i o n t h e nt h ec h o i c eo fb a c k o f fv a l u ei sn ol o n g e rar a n d o mc h o i c ew i t he q u a l p r o b a b i l i t y , b u ta c c o r d i n gt oab a c k o f fs e l e c t i o np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n t h ep r o b a b i l i t y o ft h et i m es l o to fb e i n gs e l e c t e di nt h el a t t e rr a n g ew i l lb eh i g h e rt h a nt h ef i r s tr a n g e ， i i i 江苏大学硕士学位论文 s ot h ep r o b a b i l i t yo ft h es a m es l o tb e i n gs e l e c t e di ss m a l l e r , w h i c hd e c r e a s e st h e p r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n ，i m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e 3 t h r e ed i m e n s i o nm a r k o vc h a i nm o d e li su s e do fi - e d c a ，t ot h e o r e t i c a l l y p r o v et h ec o r r e c t n e s so fi - e d c a t h ep r o b a b i l i t yo ft h et r a f f i cs e n d i n gd a t aa n dt h e p r o b a b i l i t yo fc o l l s i o ni sg i v e nt o i - e d c am e c h a n i s mb a s e do ne d c am o d e l ， c o n s i d e r i n go p t i o n sf o rb a c k o f ft i m es l o t ，a n dt h e nt h ee x p r e s s i o n so f t h et h r o u g h p u t ， d e l a ya n du t i l i z a t i o na r ed e r i v e d a n dt h ep e r f o r m a n c e i ns a t u r a t i o ns t a t ei sc o m p a r e d i - e d c at oe d c a ，t h er e s u l t si ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c ev a l u eo fi - e d c ai s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e d t oe d c a 4 i - e d c am e c h a n i s ms i m u l a t i o ni sm a d et ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e i m p r o v e dm e t h o d 8 0 2 1les i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t i s e s t a b l i s h e d ，a n d 8 0 2 1le m o d u l e sa l ea n a l y z e da n dm o d i f i e d ，t h e nt h ep e r f o r m a n c ei sc o m p a r e de d c at o i e d c au n d e rd i f f e r e n tl o a d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h en e t w o r kl o a d i n c r e a s i n g ，i - e d c as e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o nm e c h a n i s m sr e l a t i v e t ot h ee d c ac a n b e t t e rg e tt h eb u s i n e s sr e q u i r e m e n t so ft h ed e l a yi ns t a b l ec o n d i t i o n s ，g r e a t l yr e d u c e t h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ya n di m p r o v et h et h r o u g h p u ta n dm e d i au t i l i z a t i o n ，e n s u r et h e n e t w o r k sq o sb e t t e r f i n a l l y ，t h et h e s i sm a k e sa c o n c l u s i o na n dl o o k sf o r w a r dt of u t u r e r e s e a c hw o r k k e yw o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，8 0 2 1le ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ，p d o r i y i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状2 1 3 研究意义5 1 4 研究内容6 1 5 论文结构7 第二章8 0 2 1 i e 协议m a c 层分析：8 2 1 m a c 层体系结构8 2 2 m a c 层e d c a 原理10 2 2 1 二机制指数退避1o 2 2 2 服务区分机制11 2 2 3 虚拟时隙15 2 3m a c 层的几个重要性能指标l6 2 3 1 吞吐量( s ) 。16 2 3 2 帧的平均传输时延( d ) 1 6 2 3 3 信道利用率( u ) 。1 7 2 4 小结l7 第三章基于i e e e8 0 2 1 i ee d c a 机制的改进1 8 3 1 e d c a 机制存在的问题1 8 3 2 i - e d c a 机制改进策略- 18 3 2 1i - e d c a 改进思路19 3 2 2i - e d c a 算法的描述2 3 3 2 3i - e d c a 算法的实现2 4 3 3 i - e d c a 机制建模分析。2 6 3 3 1 模型建立前提2 6 3 3 2 模型建立2 7 3 4 i - e d c a 机制性能分析3 0 3 4 1 饱和吞吐量分析3 0 v 江苏大学硕士学位论文 3 4 2 饱和时延分析3 2 3 4 3 媒介利用率分析3 3 3 4 4i - e d c a 与e d c a 性能比较3 3 3 5d 、结3 4 第四章仿真实现与分析。3 5 4 1 仿真工具3 5 4 1 1 仿真软件简介3 5 4 1 2n s 2 使用语言及系统要求3 6 4 2 仿真方法。3 8 4 2 1 仿真环境设置3 8 4 2 2 仿真主要模块分析与修改3 8 4 2 3 仿真参数设置4 4 4 3 仿真结果与性能分析4 5 4 3 ：1 吞吐量性能比较4 6 4 3 2 平均延迟性能比较4 8 4 3 3 媒介利用率性能比较。4 9 4 4 _ 、结5 0 第五章总结与展望5 l 5 1 论文总结5l 5 2 研究展望5 2 参考文献5 3 致谢：5 9 攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目6 0 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代，是计算机局域网发展和普及的重要阶段，此类局域网以i e e e 8 0 2 3 以太网为代表，使用电缆和光纤将局部区域内的计算机互相连接起来，完 成计算机之间的数据传输和资源共享。然而，有线网络在某些场合要受到很多限 制：布线、改线工程量大，线路容易损坏，网中的各节点不可移动。特别是当要 把相离较远的节点连接起来时，铺设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、 耗时长，对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。 同时，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终 端的广泛使用，人们开始考虑是否能将计算机网络由有线向无线，由固定向移动， 由单一业务向多媒体发展。顺应这一需求的无线局域网技术得到了普遍的关注， 成为计算机网络发展过程中的一个必然发展阶段。 无线局域网是一种能在几十米到几公里范围内支持较高数据速率的无线网 络，它采用无线多址接入的有效方式支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、 个性化和多媒体应用提供了实现的手段。无线局域网利用无线传输媒介( 微波、 红外线、激光等) 取代了旧式的双绞线构成局域网络，提供传统有线局域网的所 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，成为宽带接入的有效手段之一。 在无线局域网n 1 中，存在如下的问题：网中结点应以怎样的规则共享媒介才 能保证满意的网络性能。这种共享媒介的规则一般被称为媒介访问控制协议 ( m e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 或简称m a c 协议馏1 。1 9 9 7 年6 月，第一个无线局 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 l a n ) 标准i e e e8 0 2 1 l 口1 正式颁布实施，为 w l a n 的物理层和媒介访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层制定了统一的 标准，有力地推动了该技术的快速发展。i e e e8 0 2 1 lm a c 层为用户在不可靠的 媒介上提供可靠的数据传输，对不同种类业务的数据分组提供一致的尽力而为 ( b e s te f f o r t ) 的服务，实现了对共享媒介的访问。 江苏大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 11 中的c s m a c a 是无线局域网主要的m a c 协议，为无线网络共享 媒介提供了两种信道接入机制：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 ，分布式 协调功能) 和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 ，点协调功能) ，有效解决了媒 介共享的问题。然而随着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 h l ) 的需求与同俱增，同时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i 胃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。由于8 0 2 1 l 中的d c f 和p c f 机制均不能为诸如话音、视频等多媒体实时性业务提供有效区分，为了给 不同类型的业务流提供区分服务，满足各类业务的服务质量要求，2 0 0 5 年，i e e e 8 0 2 1 1 e 随1 工作组在i e e e8 0 2 1 1 的d c f 机制基础上进行q o s 支持扩展，提出了 e d c a 机制。e d c a 提供了用于服务不同类型业务数据传输的多种a c ( a c c e s s c a t e g o r y ，接入类别) ，用以实现有区别的传输服务质量。 m a c 层q o s 增强的引入使得无线局域网不仅可以用于一般的数据传输，也可 以用于话音、视频等有q o s 需求的实时业务。但是，当网络中负载逐渐增多，数 据流量不断增大，信道竞争加剧时，e d c a 中的静态竞争参数设置会导致信道中 的碰撞概率加大，使高优先级、时延敏感业务数据的时延增大，不能很好的保证 高优先级业务的q o s ；而在网络中负载较少，信道较为空闲情况下，固定的竞争 参数设置又会导致空闲时隙的浪费，引起不必要的接入延迟。因此，本文主要研 究如何通过自适应调整协议参数和改进退避机制来提高e d c a 的性能。 1 2 研究现状 i e e e8 0 2 1l em a c 协议是无线局域网提供不同业务q o s 保证的重要协议， 对其性能研究的重要性也不言而喻。现在对m a c 协议的性能研究主要采用仿真 和理论计算两种方法。一些研究者睁n 1 采用仿真研究m a c 协议在不同网络配置下 的最大吞吐量，评估了协议的性能。而理论计算主要采用m a r k o v 链的数学分析 方法。尽管数学分析的结果具有普遍性和规律性的优势，然而由于在建模过程中 通常对问题进行简化或假设，因此需要采用网络模拟工具进行仿真，并对两种分 析方法得出的结论进行比对，以达到相互验证的目的。本文就是采用理论分析和 仿真验证的方法对下面提出的改进机制进行性能分析的。 2 江苏大学硕士学位论文 早期对无线网络m a c 协议的模型分析常对二进制指数退避过程进行某些简 化，例如采用固定大小的竞争窗或假定竞争窗大小服从几何分布。这些简化与二 进制指数退避过程存在较大差异，从而限制了其分析的准确性。事实上，二迸制 指数退避过程可以通过m a r k o v 链精确描述。b i a n c h i 最早采用m a r k o v 链方法对 8 0 2 1 l 协议进行性能分析口3 1 司。他将一个节点的稳定状态用退避阶数和退避计数 器余值的组合进行表示。不同状态之间的转移概率取决于信道的忙闲情况和有无 碰撞发生，而这些参数都可以与节点在任一时隙发送数据的概率建立明确的数学 关系。与其他分析方法相比，b i a n c h i 所提出的m a r k o v 链建模方法更简便、精确。 因此，在b i a n c h i 的开创性工作之后，m a r k o v 链方法得到了广泛应用和推广。这 包括对重传次数的考虑n 4 1 ，非饱和状态下的8 0 2 1 1 性能分析n 2 j 副，多跳网络下 8 0 2 1 1d c f 性能的分析n 7 j 引，非理想无线信道传输环境下的性能分析d 町等等。 e d c a 通过引入服务区分机制提供d c f 所不具备的优先级区分功能，因此 e d c a 的分析模型比8 0 2 1 1 更为复杂。2 0 0 3 年8 0 2 1 i ee d c a 的草案( e d c f ) 推 出以后，研究者们将m a r k o v 链分析方法拓展到对该协议的分析上陋捌。尤其是 e d c a 机制在业务饱和状态下的性能分析受到了广泛的关注和研究，其中绝大多 数的分析模型都建立在文献 1 3 ，1 6 的基础之上。文献 1 3 ，1 6 所提出的模型是针 对i e e e8 0 2 1 1 的d c f 方式提出的，这种模型在 3 6 和 3 7 中直接用于对e d c a 的 饱和性能分析。因此， 3 6 和 3 7 并没有充分考虑e d c a 不同于d c f 的特点。文 献 5 7 引入三维马尔可夫链的分析模型对e d c a 进行分析，给出了吞吐量的计算 公式；文献 3 5 对每个站点建立了离散的g g 1 队列模型，通过分析模型来评 估队列的延迟，从而得至t j 8 0 2 1 1 e 无线局域网中站点的延迟特性。文献 5 6 的数 学模型考虑到了内部调度算法，给出了吞吐量和时延的计算公式；文献 5 9 6 0 的模型较全面，但过于复杂；文献 6 1 的模型适应于网络中仅有下行业务的应用 场景。 e d c a 机制虽然做了诸多改进，但仍难以基于特定业务流提供q o s 保障，其 中一个重要原因是e d c a 的访问参数均是固定值，而网络状态总是时刻变化着， 如果无法动态地根据网络变化调节访问参数，服务质量会受到严峻的考验。 e d c a 机制提供参数竞争窗1 3c w 、a i f s 和t x o p 实现基于优先级的服务区分。 可以看出，可通过动态改变a i f s 值、t x o p 值和c w 值以适应网络变化。 江苏大学硕士学位论文 a i f s 是传输数据之前等待的帧间隔，动态调整a i f s 参数可以减少业务流接 入信道的时间。一些研究者瞳争2 钉通过a i f s n 因子来自适应地调整a i f s ，虽然从一 定程度上改善了网络的吞吐量、延迟等性能，但是并没有进行相关理论分析，其 结果的有效性是通过仿真实验来证明的。文献 2 5 2 9 针对i e e e8 0 2 1 i ee d c a 支 持q o s 的竞争信道接入特性，提出了基于a i f s 的e d c a 性能模型分析方法，可以 对系统中各优先级传输的吞吐量、信道接入延迟、数据丢失率等性能进行分析。 t x o p 机制可以减少单位数据传输引入的额外信道开销，有效提升系统的吞 吐量性能啪1 已有文献关于t x o p 的参数优化调整算法大多基于网络测量的方法 进行啪吨1 ，没有相应的理论模型分析基础尽管一些文献通过模型对t x o p 机制 进行了分析h 3 。4 7 1 ，但是这些分析都假设t x o p 机制工作在饱和情形下。文献 4 8 2 采用m g l 瓜排队模型对非饱和情形下的t x o p 机制进行了分析，其分析过程假设 t x o p 机制工作在c s m a c a 协议环境下，因此没有考虑e d c a 协议中的优先级区 分信道接入特性。 通过改进c w 的更新规则来提高性能是目前研究得较多的一类算法，也是本 文要采用的方法，下面我们详细地讨论一下目前经典的退避算法。 乘法增加线性减小算法m i l d h 钔( m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s el i n e a rd e c r e a s e ) 中， 节点发送失败后，c w 增加为原来的o t 倍；成功发送报文后，c w 递减一个固定值 1 3 。参数a 和1 3 可根据需要，预先设定( 如a = 1 5 ，p = 1 ) 。m i l d 有助于提高节点在 小时间尺度上对信道接入的公平性。当网络负载很重的情况下。m i l d 可使竞争 窗口变化得较平滑，其吞吐率性能略优于b e b 。而当网络负载轻时，则会由于 c w 线性递减而显得变化相对较慢，使节点的竞争窗口值经常大于合理值，吞吐 率性能又比b e b 差。 文献 5 0 提出了一种c w 慢速减小算法s d ( s l o w c wd e c r e a s e ) 。每当成功发 送一个报文，节点的c w 减小为原来的6 倍( 8 = 0 9 ) 。与m i l d 相比，这是一种c w 倍乘减小方法。节点数较多时，s d 算法能有效提高系统吞吐率和公平性。当节 点数少时，节点偶然发生碰撞的情况下c w 加倍，s d 算法要经过多次成功发送后 才能将c w 减小到合理值，因此其公平性不! t h b e b 算法。 指数增加指数减小算法e i e d 订( e x p o n e n t i a li n c r e a s ee x p o n e n t i a ld e c r e a s e ) 则是一种更通用的算法。e i e d 中，报文发送成功后使用c w , o 来更新c w ，报文 4 江苏大学硕士学位论文 发送失败后使用r t c w 来更新c w 。乃参数可以通过网络负载量合理地进行调整， 当网络负载较重时，可将参数设为大于2 ；当网络负载较轻时，可将参数设为小 于2 。同样，饧参数可以根据网络负载量合理地进行调整。研究发现，当，d 稍小 于时，算法具有更好的性能。很显然，e i e d 的性能是受r o 、乃这两个参数影响 的。也就是说，当，d 和巧所取的值不同时，e i e d 回避算法的执行效果也是不一 样的。 由上可以看出，动态改变c w 值、a i f s 值和t x o p 值可以改善网络性能。 但是文献 3 4 中的研究表明，同时自适应调整这三个参数值并不能带来更好的网 络服务质量，反而会增加网络负担，造成额外的延迟和数据丢失。由于竞争窗口 c w 以及仲裁帧间隔a i f s 对于t x o p 的产生占有重要地位，a i f s 的调整又涉及 到物理层的设置，故本文将主要研究基于c w 的动态调整，同时提供相关的退 避机制改进，以期能够提高调节网络状态、控制网络流量的服务质量。 1 3 研究意义 随着无线局域网应用的同益广泛，各种多媒体业务，如v o i p 、视频会议对 无线局域网的q o s 支持要求越来越高，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的q o s h i 题更加突 出。i e e e8 0 2 1 l e 标准正是为解决基于8 0 2 1 1 无线局域网q o s 问题而出现的。i e e e 8 0 2 1 l e 中改进的m a c 协议为e d c a 和h c c a ，e d c a 和h c c a 一起称为h c f ( h y b r i dc o o r d i n a t e df u n c t i o n s ) 陌1 。h c c a 扩展了p c f ，提供了参数化的q o s ，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 式的优点，又不能在a dh o c 网络中使用。而e d c a 是d c f 的增强，是8 0 2 1 1 e 基本 信道接入方式，其主要特点也是在二进制指数回退算法和d c f 主要的几个参数上 进行修改，通过虚冲突的方式实现了对不同业务的优先级策略。在e d c a 中通过 引入业务流分类来实现服务区分和q o s 支持，其中定义了8 类t c ( t r a f f i c c a t e g o r y ，业务类别) 和4 类a c ，8 类t c 分别映射至4 类a c 的队列中：a cv o ， a cv i ，a cb e 和a cb k ，分别代表话音( v o i c e ) 类，视频( v i d e o ) 类，尽 力而为( b e s t e f f o r t ) 类和背景( b a c k g r o u n d ) 类。网络中的数据流将被分别映射 5 江苏大学硕士学位论文 到这四类a c 中，其中每类a c 具有不用的a i f s ( a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c e ，仲裁 帧间间隔) 、最小竞争窗口值c 抽和最大竞争窗口c ，拥有较小的a i f s 或竞 争窗口的a c 将优先获得无线信道的访问权。 由于网络状况的复杂性，e d c a 中的静态参数设置并不能使系统性能实现最 优，实验研究表明，在高负载状况下由于网络中有较高的冲突率，e d c a 的性能 表现并不如人意。因此，对协议参数的自适应调整以保证不同网络负载情况下的 协议性能成为当前迫切需要解决的问题。为了更有效地支持多媒体应用，本文提 出了一种竞争窗口自适应调整和退避时隙选择概率分布的机制，扩展了8 0 2 1 1 e e d c a 机制的功能，采用时隙利用率进行网络负载程度的估计，实时自适应地调 整竞争窗口的大小，选择退避时隙服从概率分布，很大程度上降低了冲突的可能 性。仿真结果表明，该算法在吞吐量、时延和媒介利用率上都有明显的改善。 1 4 研究内容 本文通过对e d c a 机制相关参数及其退避机制的分析与研究，针对其中静 态参数设置不能满足动态网络变化需求的缺点，提出了一种自适应调整协议参数 和退避时隙选择概率分布的机制i - e d c a ，理论分析联系仿真验证，表明了改进 机制的正确性和有效性。该机制有效地降低了碰撞概率，增加了网络吞吐量，降 低了接入时延，提高了媒介利用率。 本论文所做的主要工作如下： ( 1 ) 估计网络负载程度：站点在网络中时，会不停地感知到信道的忙闲，能 够得到自己所处范围内的时间片利用程度。时隙利用率是信道时间片利用程度的 一种量化估计，即站点监听到的一定周期内信道忙的时隙数和此周期经历的所有 时隙个数的比值。用时隙利用率来量化网络负载程度，显得直接和准确。 ( 2 ) 动态调整竞争窗口：根据网络负载程度的估计，成功发送报文后，不是 将竞争窗口重置为最小值，而是通过一个时隙利用率函数调整竞争窗口。 ( 3 ) 退避时隙的选择：退避计数器的选择不是均匀分布，而是服从一个退避 时隙选择概率分布函数。选取参数a l ，可使处于后半区间的时隙被选择的概率 要高于前半区间，退避时隙值也就相对越大，从而碰撞的概率减小，系统性能得 到改善。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 对改进机制m a r k o v 建模分析和性能分析：采用三维马尔科夫链模型， 在e d c a 机制模型的基础上，考虑到退避时隙选择概率分布，给出吞吐量、延 迟和媒介利用率的公式。 ( 5 ) 仿真实现与结果分析：建立8 0 2 1 1 e 仿真环境，分析并修改8 0 2 1 1 e 协 议模块，采用吞吐量、延迟、媒介利用率作为性能评价指标，对e d c a 机制、 a e d c f 机制及改进机制i - e d c a 进行性能分析与比较。 1 5 论文结构 全文共分为六章，文章结构和各章节主要内容如下： 第一章绪论 本章主要介绍了论文的研究背景、研究现状、研究意义、研究内容以及论文 的组织结构。 第二章8 0 2 1 l e 协议m a c 层分析 本章主要介绍y 8 0 2 1l em a c 层工作机制，并对e d c a 原理进行了深入的分 析，然后给出了评价m a c 协议的几个重要性能指标。 第三章基于i e e e8 0 2 1l ee d c a 机制的改进 本章主要针对e d c a 机制中出现的问题提出了一种新的媒体接入控制机制 i - e d c a ，给出了算法思想及具体实现过程，并对新机制进行了建模分析与性能 分析，从理论上证明了方案的正确性和有效性。 第四章仿真实现与分析 本章对新机制i e d c a 进行了仿真实现与分析，并与e d c a 机制和a e d c f 机 制进行了比较，结果表明，i - e d c a 机制相比于e d c a ，可以更好的满足业务对 时延的要求，大大减少了碰撞概率，提高了吞吐量和媒介利用率，较好的保证了 网络的q o s