（通信与信息系统专业论文）wlan中实时业务qos保证算法的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者： 指导教师： 程丽华 潘廷副教授 题 目： w l a n 中实时业务q o s 保证算法的研究 英文题目：r e s e a r c ho nq o sg u a r a n t e eo fr e a l t i m et r a f f i ci nw l a n s 主题词：无线局域网；i e e e8 0 2 11e ；服务质量；h c c a k e y w o r d s - w l a n ；i e e e8 0 2 11e ：q o s ；h c c a 等实时业务的需求越来越多。因此，w l a n 中实时业务的q o s 研究成为热点。i e e e8 0 2 1 l 标准是目前应用最广泛的无线局域网标准。由于该标准不支持q o s ，i e e e 委员会提出对 8 0 2 1 l 标准的q o s 增强修订版本i e e e8 0 2 1 1 e 。 i e e e8 0 2 1 l e 标准提出两种信道接入机制：基于竞争的e d c a 机制和基于轮询的 h c c a 机制。e d c a 机制提供基于优先级的q o s 支持，不能保证实时业务的q o s ：h c c a 机制提供参数化的q o s 支持。因此，本文研究提供参数化q o s 支持的h c c a 机制。 首先，本文详细介绍了i e e e8 0 2 1 l 和8 0 2 1 l e 的信道接入机制，即d c f 、p c f 、e d c a 以及h c c a 这四种信道接入机制，并且分析了8 0 2 1 1w l a n 中的q o s 问题。然后，本文 提出一种多休假排队分析模型深入分析h c c a 参考调度算法。针对参考调度算法对于v b r 业务的适用性，采用排队模型分析了时延、丢包率以及队列长度，揭示h c c a 参考调度算 法并不适用于v b r 业务。 接下来，论文重点研究参考调度算法的改进方案，提出基于业务量预测并最优化分配 t x o p 的h c c a 调度算法。改进主要体现在两个方面：一方面是采用离散小波变换域的 l m s 算法预测v b r 业务的业务量，另一方面是最优化分配t x o p 。论文根据数据包的时 延区分业务紧急程度，引入业务发送效益，提出最优化模型，进而将分配算法映射成经典 背包问题，得出最优化分配算法。最后，增加基于时延监测的接纳控制算法，作者提出改 进的h c c a 调度算法，并通过仿真说明改进算法的性能优于参考调度算法。 关键字：无线局域网；i e e e8 0 2 1 1e ：服务质量；h c c a a b s t r a c t w i t h h ew l d e s p 心a da p p l i c a t i o n o fw l a na n dt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ， t h e r ea r em 。r ea n dm o r e r e q u i r e m e n t so nr e a l t i m ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv o i c e ，v i d e oa u l d s oo n s 。，t h e 旭s e 砌。nq 。sg u 姗t e e 。f r e a l - t i m et r a f f i ci nw l a n h a s b e c 。m eah o ts p o ti nm e 托s e a r c hf i e l d i e 髓8 0 2 1 1i st h em 。s t p o p u l a rs t a n d a r di nw l a nr e c e n t l y h 。w e v e r t h i s s t 锄d 甜dl k sq 。ss u p p 。n i e e e8 0 2 1 l ei sp r o p 。s e da sa ne x t e n d e dv e r s i 。n 。f8 0 2 1 1 b yt h e i e e ec o m m i t t e e t h ei e e e8 0 2 1les t a n d a r dd e f i n e s t w oc h a n n e l a c c e s sm e t h 。d s ：ac 。n t e n t i 。n _ b a s e dc h 锄e l a c c e s sm e t h o d , c a l l e de d c a a n dap o l l e d b a s e dc h a r m e la c c e s s m e t h o d ，c a l i e dh c c a e d c a s u p p 。n sp n 。r i i z e d q 。s ，a n dc a l l t g u a r a n t e eq o s 。fr e a l t i m e t r a f f i c h c c as u p p o n s p m m t e r i z e dq o s s oh c c a i ss t u d i e di nt h i st h e s i s f 。u rc h a i 】n e la c c e s sm e t h 。d s 。fi e e e8 0 2 1 1 a n d8 0 2 1 1ei sd e t a i l e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , n a m e l yd c f ，p c f e d c aa n dh c c a m e a n w h i l e ，t h eq o s p r o b l e m si n8 1w l a na r e a n a l y s e d t h e n ，t h ep e r f o r m a n c e 。ft h e r e f e r e n c es c h e d u l e r 。fh c c a i sa n a l y s e di nt h i st h e s i sb v u s i n gam u l t l p l ev a c a t i 。n q u e u i n ga n a l y t i cm o d e l t h e a n a l y s i sr e v e a l st h ep e r f o 咖a n c e d e f i c i e n c i e so ft h er e f e r e n c e s c h e d u l e rw h e ni tu s e df o rv b r t r a 箍c r h e n , t h ee n h a n c e m e n to ft h er e f e r e n c es c h e d u l e r i sf o c u s e do ni nt i l i st h e s i s ap r e d i c t i o n a n d 。p t l m i z a t i 。nb a s e dh c c a s c h e d u l i n gs c h e m ei sp r 。p o s e d t h ee n h a n c e m e n ti sr e f l e c t e di n t w 。a s p e c t s ：。nt h e 。n eh a n d , t h ev b r t r a f f i ci s p r e d i c t e db yaw a v e l e tt r a n s f o r m - b a l s e dl m s p r e d i c o r ；o n h eo t h e rh a n d , t h ea l l o c a t i 。n 。ft x o p i s 。p t i m i z e d t h ed e g r e e 。fu r g e n c yf o r s e 。v 1 c e1 sd l f f e r e n ta c c 。r d i n gt 。t h ed e l a y a n dt h ed e l a yb 。u n d 。fp a c k e t s t h i st h e s i s p r 。p 。s e st 。 u s eau t i l i t y 如n c t i 。n t 。t a k ei n t 。a c c 。u n t t h e u r g e n c i e s 。fs e n r i c ea n dt 0 f o 咖u l a t ea n 。p t l m l z a t l 。nm 。d e la u c c 。r d i n g l y t h e 。p t i m i z a t i 。nm o d e li s m a p p e di n t 。t h ec l a s s i c a l 丘a c t i 。n a l k n a p s a c kp r o b l e m t h et x o p c a nb ec a l c u l a t e d b ys 。l v i n gt h i s k n a p s a c kp r o b l e m a d d i t i o n a l l y , ad e l a ym e 2 l s u r i n gb 2 l s e da d m i s s i 。n c 。n t r o li si n c l u d e di nt h e p r e d i c t i 。na n d 。p t l m l z a t l o nb a s e dh c c a s c h e d u l i n gs c h e i n e s i r e u i a t i o nr e s u i t s s h 。wt h a t t h eo o s p e r f o m l a n t e0 ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sb e t t e rt h a nt h er e f e r e n c e s c h e d u l e r 。 k e y w o r d s ：w l a n ：i e e e8 0 2 1l e ；q o s ：h c c a 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 无线局域网介绍l 1 2 1 无线局域网的发展2 1 2 2 网络结构2 1 2 3 无线局域网相关标准4 1 3q o s 相关介绍4 1 3 1q o s 衡量指标5 1 3 2q o s 保证机制的实现策略5 1 4 无线局域网中q o s 的研究现状：6 1 5 论文研究内容和结构安排7 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网中q o s 的研究8 2 1i e e e8 0 2 1 l 标准8 2 1 1 协议体系8 2 1 2 媒体接入控制层9 2 1 38 0 2 1 1 q o s 缺陷1 2 2 2i e e e8 0 2 1 i e 标准的q o s 机制h c f 1 3 2 2 1 基于优先级的q o s 机制( e d c a ) 1 4 2 2 2 参数化q o s 机制( h c c a ) 1 6 2 3i e e e8 0 2 1 l e 的接纳控制1 8 2 3 1 基于e d c a 的接纳控制1 8 2 3 2 基于h c c a 的接纳控制2 0 2 4i e e e8 0 2 11 e 其他q o s 机制2 l 2 5i e e e8 0 2 1 1 e 的问题2 l l i i 直塞整皇左堂亟蛆窥生堂僮：i 金塞目丞 、 2 6 本章小结2 2 第三章针对v b r 业务的h c c a 分析排队模型和性能分析2 3 3 1 排队模型2 3 3 1 1 数据包到达和服务过程建模2 3 3 1 2 休假排队模型2 4 3 2 马氏链分析排队模型2 5 3 3h c c aq o s 性能分析2 7 3 3 1 数学分析2 7 3 3 2 分析结果2 8 3 4 本章小结3 1 第四章变比特率实时业务的业务量预测+ 3 2 4 1 研究目的3 2 4 2 基于小波变换的l m s 预测器3 2 4 2 1 自适应最小均方预测器3 3 4 2 2 基于小波变换的l m s 算法3 5 4 3v b r 业务量预测3 6 4 3 1v b r 业务实际到达强度3 6 4 3 2 预测业务量3 7 4 4 本章小结3 7 第五章基于业务量预测的h c c a 调度算法3 8 5 1t x o p 计算3 8 5 1 1 基于时延的业务划分机制3 8 5 1 2 最优化t x o p 分配4 0 5 1 3 解决最优化t x o p 分配问题。4 2 5 2 基于时延监测的接纳控制算法4 3 5 2 1 监测时延4 3 5 2 2 接纳控制4 4 5 3 调度4 5 5 3 1 计算服务间隔s i i 4 6 5 3 2 调度流程4 6 5 4 仿真分析；4 7 i v 应豆唑生太堂亟班究生堂僮论塞 目丞 5 4 1 仿真场景和参数4 7 5 4 2 仿真结果4 8 5 5 本章小结：5 l 第六章总结和展望5 2 6 1 全文总结5 2 6 2 展望5 3 论文术语表! 5 4 致谢5 6 参考文献5 7 作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 1 v 第一章绪论 目前，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 应用非常广泛，并随着多 媒体技术的发展，人们对w l a n 中的语音、视频等实时业务的需求越来越多。w l a n 中 实时业务的服务质量q o s ( q u a l i t y o f - s e r v i c e ) 研究已成为研究热点。本章将介绍论文研 究的背景知识，包括研究背景、无线局域网的基础知识、q o s 相关知识以及目前无线局域 网中q o s 的研究现状。 1 1 研究背景 目前，w l a n 应用非常广泛，应用方式也很多。w l a n 应用主要分为两种：室内应 用和室外应用。室内应用主要有家庭或办公室应用、企事业单位、车间、商场等。室外应 用主要有园区网( 如校园网、医院网、社区网等) 和较远距离的无线网络连接以及更远距 离的网络中继。当前的构造方式主要是在公共场所、商场等热点场所部署无线局域网。另 外一类适合无线局域网应用的场合是需要临时组网和难以布线的地方，如灾难恢复、短时 间的商用系统和大型会议等，以及军事、公安等专用网。 随着人们对多媒体业务的需求越来越强烈，人们希望w l a n 不但能够提供传统的网 络服务，也能够传输音频、宽带视频等多媒体业务。同一般的尽力而为数据流业务不同， 多媒体应用需要确定的q o s 支持，如一定的带宽和延迟、抖动限制等。i e t f 于1 9 9 7 年 9 月开始制定有关q o s 定义与服务的一系列r f c 标准，提出了两种不同的i n t e m e tq o s 体系结构：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 。目前，q o s 的问题已经成为国际网络研究领域公认的最重要、最富有魅力的研究领域 之一，并且被称为下一代计算机网络为数不多的最重要的研究领域之一。而无线局域网的 广泛应用以及网络应用的日益深入以及多媒体技术的发展，w l a n 对实时多媒体业务的支 持以及w l a n 中实时业务的服务质量q o s 也已成为研究热点。 1 2 无线局域网介绍 顾名思义，无线局域网是在局部区域内以无线介质进行通信的无线网络。w l a n 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。w l a n 在有线网络的基础上 直塞整曳太堂亟盟荭生堂僮淦塞墓二重结论 发展而来，w l a n 的出现能够使网络上的各种终端设备摆脱有线连接介质的束缚，使其具 有更多的移动性，并能够实现与有线网络之间的互连互通。 1 2 1 无线局域网的发展 从七十年代，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅 猛发展，无线网以具有不用架线、灵活性强等优点之长补“有线”所短，也赢得了特定市 场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了i e e e8 0 2 3 标准，使直接架构于8 0 2 3 上的无线网络产品存在着容易受其他微波噪声干扰、性能不 稳定、传输速率低且不易升级等弱点，不同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无 线网的进一步应用。 于是，制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。2 0 世纪8 0 年代末 期，i e e e8 0 2 委员会在i e e e8 0 2 4 l 任务组下开始了无线局域网的标准化工作，并于1 9 9 0 年7 月成立了独立的i e e e8 0 2 1 l 任务组，负责制定无线局域网物理层及媒体接入控制 协议的标准。1 9 9 7 年6 月，第一个w l a n 标准i e e e8 0 2 1 1 正式颁布实施，为w l a n 的 物理层和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。随着无线局域网 的发展，i e e e 也不断提出8 0 2 1 l 标准的修订以及增强改进，提出了一系列标准，形成了 8 0 2 1 l 标准族。同时，欧洲也成立了关于高速无线局域网( h i p e r l a n ) 的标准化组织， 也于1 9 9 7 年完成了h i p e r l a n l 标准的制定。这两种标准也是目前使用最广泛的两种。 w l a n 的研究现状和发展趋势主要体现在以下几个方面：宽带化，移动性支持，多媒 体q o s 保证，安全性，可靠性，大覆盖，节能，经济性等几个方面。而本文研究的实时业 务的q o s 保证无疑是其中之一。 1 2 2 网络结构 无线局域网主要由无线站点s t a ( s t a t i o n ) 、无线介质w m ( w i r e l e s sm e d i u m ) 、接入点 a p ( a c c e s sp o i n t ) 等部分组成。 s t a 是无线局域网的最基本组成单元。无线网络就是进行s t a 间数据传输。s t a 是具 有无线网络接口的计算设备，包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件。终端用户设 备是站与用户的交互设备，如台式机、掌上电脑等；网络接口是站的重要组成部分，负责 处理从终端用户设备到无线介质间的数字通信，一般是采用调制技术和网络通信协议的无 线网络适配器( 无线网卡) 或调制解调器：网络操作系统、网络通信协议等网络软件运行 2 塑夏鲤整太堂亟坌婴究生堂焦途塞簋二重缝途 于无线网络的不同设备上，客户端的网络软件运行在终端用户设备上，负责完成用户向本 地设备软件发出命令，并将用户接入无线网络。 w l a n 中站点之间可以直接互相通信，也可以通过接入点进行通信。在w l a n 中， 站点之间的通信距离由于天线的辐射能力有限和应用环境的不同而受到限制。w l a n 所能 覆盖的区域范围称为服务区域s a ( s e r v i c ea r e a ) ，而w l a n 中移动站的无线收发信机及 地理环境所确定的通信覆盖范围称为基本服务区b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) ，也常称为小 区( c e l l ) ，它是构成w l a n 的最小单元。在一个b s a 内彼此之间相互联系、相互通信的 一组站点组成了一个基本业务组b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 。 接入点a p 类似蜂窝结构中的基站，是w l a n 的重要组成单元。a p 是一种特殊的站 点，通常固定不动，其基本功能有：( 1 ) 完成其他非a p 的站点对分布式系统的接入访问 和同一b s s 中的不同站点间的通信连接；( 2 ) 作为无线网络和分布式系统的桥接点完成w l a n 与分布式系统间的桥接功能：( 3 ) 作为b s s 的控制中心完成对其他非a p 站点的控制 和管理。 无线介质是w l a n 中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。w l a n 中的无 线介质由w l a n 物理层标准定义。 w l a n 主要有两种组网方式：自组织方式( a d h o e ) 和基础结构( i n f r a s t r u c t u r e ) 组 网方式。 a d h o c 网络是一种独、_ f f _ ( i n d e p e n d e n t ) 的b s s ，即i b s s 。它至少有两个站，是一种典型 的、以自发方式构成的单区网。在可以直接通信的范围内，i b s s 中任意站之间可直接通信 而无需a p 转接。由于没有a p ，站之间的关系是对等的、分布式的或无中心的。i b s s 网 络不需要预先计划，随时需要随时构建。采用自组织方式构建的网络，各站点竞争公用信 道。当站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。因此，比较适合小规模、小范 围的w l a n 系统。并且由于没有a p ，a d h o c 网络无法接入互联网。 基础结构式w l a n 由接入点和无线站点组成。在这种网络中，任意两个站点间的通 信都要通过接入点来实现。而且w l a n 中的站点与有线网络间的通信也必须通过a p 实现。 无线接入点与传统有线网络间通过标准的线缆连接。基础结构式w l a n 中，a p 是网络的 中心控制站，网络中的站点在该中心站的控制下与其它站进行通信。由多个a p 和多组无 线站点可以组成扩展服务集，将无线局域网的覆盖范围扩展至数公里，形成大规模的w l a n 系统。并且a p 作为与有线网络的桥接，使得w l a n 可以接入有线网络，接入互联网。 因此，由于互联网的应用广泛性和信息共享特点，目前已在热点地区广泛部署a p ，广泛 煎塞鲣曳太堂亟丛塞生堂僮论塞筮二童绪途 部署基础结构式w l a n 。本文的研究对象就是基础结构式w l a n 。 1 2 3 无线局域网相关标准 目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e8 0 2 1 l 协议族，h i p e r l a n 系 列标准、h o m e r f 、i r d a 和蓝牙。 i e e e8 0 2 1 l 【l 】协议族是i e e e8 0 2 工作组提出的无线局域网标准，也是目前应用最广 泛的w l a n 标准，主要包括8 0 2 1 l 标准、8 0 2 1 l a b g 三种物理层的技术规范，以及基于 这些标准的关于q o s 或安全等方面增强的标准，如：8 0 2 1l e f h i 等标准。 h i p e r l a n 系列标准是欧洲电信标准协会e t s i 开发的标准，包括h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 、设计为用于户内无线骨干网的h i p e r l i n k ，以及设计为用于固定户外应用访问有线 基础设施的h i p e r a c c e s s 四种标准。最引入注目的h i p e r l a n 2 具有与i e e e8 0 2 1 1 a 几乎完 全相同的物理层和无线a t m 的媒体访问控制层。 h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e8 0 2 1 l 与d e c t ( 数字无绳电话标准) 的结合， 旨在降低语音数据成本，目前工作在2 4 g m h z 频段。h o m e r f 网络能够提供长达5 0 m 的 数据传输距离，该距离足以覆盖典型家庭，覆盖范围甚至包括车库和花园。 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，主要优点是体积小、功耗低，适合设 备移动的需要，传输速率高。但是，i r d a 有两个很大的缺点：首先，i r d a 是一种视距传 输技术，也就是说在传输的过程中，两者之间不能有障碍物；其次，i r d a 设备中的核心部 件红外线l e d 不是一种十分耐用的器件，经常使用的话，很快就会不堪重负。 蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线 通信连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在微型芯片上，可以方便地嵌入到 设备中。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，是低成本、短距离的无线连接技术。 本文研究主要基于目前应用最广泛的w l a n 标准，即8 0 2 1 l 标准。由于应用的广泛 性以及其固有的q o s 缺陷，i e e e 于2 0 0 5 年提出对8 0 2 1 1 标准在支持q o s 方面的增强版 本8 0 2 1 l e 2 1 标准。在第二章中将会详细介绍相关内容。 1 3q o s 相关介绍 q o s 是指服务性能的聚集效应，它决定用户对特定服务的满意程度。服务质量是多方 面因素的综合反映，它涉及到应用程序、用户终端、网络、服务器各部分。它包括多方面 的内容，如传输延迟、抖动、吞吐量、丢包率、带宽要求等。q o s 衡量指标通常包括可用 4 应塞螋壹太堂亟婴筮生堂僮迨塞墓二童绪途 带宽、时延、时延抖动、丢包率、误包率等性能指标。不同的业务对不同的指标有不同的 要求，而针对不同的业务也有不同的q o s 保证策略。 1 3 1o o s 衡量指标 每种业务都对q o s 有特定的要求，有些可能对其中的某些指标要求高一些，有些则可 能对另外一些指标要求高些。衡量的技术指标包括以下几个： 可用带宽：指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率，主要衡量用户从网络 取得业务数据的能力。所有的实时业务对带宽都有一定的要求，如对于视频业务，当可用 带宽低于视频源的编码速率时，图像质量就无法保证。 时延：一般是指一组数据在源端上准备好数据发送的时刻，到目的终端收到这组数据 的时刻之间的时间差。实时业务对延时都比较的敏感，特别是语音数据，一旦延时超过其 能够容忍的极限，则这些数据即使最终达到也失去意义。 时延抖动：指时延的变化。有些业务，如流媒体业务，可以通过适当的缓存来减少时 延抖动对业务的影响而有些业务则对时延抖动非常敏感，如语音业务，稍许的时延抖动就 会导致语音质量迅速下降。 丢包率：指在网络传输过程中丢失数据包的百分比，用来衡量网络正确转发用户数据 的能力。不同业务对丢包的敏感性不同，在多媒体业务中，丢包是导致图像质量恶化的最 根本原因，少量的丢包就可能使图像出现马赛克现象。 误包率：指在网络传输过程中数据包出现错误的百分比。误包率对一些加密类的数据 业务影响尤为严重。 此外，还可能包含其他一些指标，如网络可用性等。 1 3 2o o s 保证机制的实现策略 针对不同的业务类别，q o s 的保证策略主要有以下三种： 尽力而为型服务仅保证基本的连通性，不提供发送流量、发送速率和顺序方面的 保证。适用于优先级最低或没有要求的业务。 区分型服务从统计意义上实现业务的优先级服务，不能提供确定的时延和带宽保 证。系统资源利用率较高，即处理快速、平均带宽较大、平均丢包率较低。适用于同类业 务之间按优先级分配带宽。 保证型服务一提供确定的参数化保证，可以保证带宽、限制时延、无丢包。该服务 5 直塞鲤鱼态堂亟婴宜生堂焦迨塞笠= 塞缮盈 通过分组网络中的资源预留协议实现，适用一些高要求的业务，或提供最低性能保证。 保证的具体实现涉及到多个层面。在网络层，要求涉及到网络时延和拥塞等问题，其 解决方案包括流量调节及拥塞控制机制等。在路由器上可以通过路由选择机制、中继网络、 合作通信等技术实现。对于移动网络，用于减少移动过程中连接中断概率的切换技术，也 是网络层实现无缝切换保障用户要求的关键。在链路层，可以通过接纳控制、合理的调度 算法、合理的信道及带宽分配实现。在物理层，选择合理的功率分配策略和调制编码方式。 1 4 无线局域网中o o s 的研究现状 i e e e8 0 2 1 l 标准是目前应用最广泛的无线局域网标准，尤其是部署在公共场所的无 线局域网。因此，众多研究都是针对8 0 2 11 w l a n 进行的。对于8 0 2 1 lw l a n 的q o s 算法研究主要分为五类 3 - 4 】：区分服务【5 1 、物理层链路自适应、资源预留、接纳控制以及i e e e8 0 2 1 l 参数调整。 区分服务：不同应用有不同的需求，因而应该根据需求分类，区别对待。基于这样的 思想，提出区分服务可以提高实时业务的q o s 性能。首先看看8 0 2 1 l e 标准。8 0 2 1 l e 标 准根据业务的优先级不同将业务分类，提供区分服务。除了8 0 2 1 l e 标准，还有很多机制 也使用基于优先级的服务区分来提供q o s ，如文献 6 】和 7 】提出的机制。文献 6 】提出了两 个区分参数：退避时间间隔和帧间间隔。根据数据数据包的优先级，使用这两个参数使得 优先级高的数据包能迅速接入信道。同时，文献 7 】提出了3 种服务区分机制：退避函数、 帧间间隔和最大帧长。 物理层链路自适应：8 0 2 1 l 定义了多种物理层调制技术从而定义了多种物理层传输速 率。既然信道状态不同传输速率就不同，那么采用适当的物理层链路自适应算法调整传输 速率就可以最大化吞吐量和最小化时延【8 期。大部分链路自适应算法都是在不同的传输速率 间转换，而不需改变8 0 2 1 1 标准。作为自适应判断的度量包括信道的信噪比、载干比， 接收到的信号功率以及平均负荷长度。通过这些度量来判断信道的状态，从而选择不同的 物理层传输速率。 资源预留：区分服务机制在网络低负载的情况下可以为实时业务提供很高的q o s 保 证，但是在高负载时就没那么有效了。因此，在m a c 层提供资源预留和接纳控制就相当 有必要了。但通常在8 0 2 1 1 w l a n 中基于c s m a c a 很难进行资源预留，通常需要对8 0 2 1 l 标准进行修改。例如，文献 1 0 】通过使多信道接入可用定义了一系列接入系统来支持 m a c 层的资源预留。 6 蜜塞邮曳太堂亟近窟生堂筵迨塞 箍= 童缝逾 接纳控制：接纳控制可以分为两大类【i i 13 1 ，即基于测量的接纳控制和基于模型的接纳 控制。基于测量的机制根据对当前网络状态的测量，如吞吐量、时延的测量等，来决定是 否接纳新业务。如文献 1 4 】提出的虚拟m a c 算法。通过虚拟m a c 帧监测信道，并且根据 虚拟帧的测量来估算本地服务情况，如吞吐量和时延，然后再做出接纳决定。而基于模型 的机制根据建立的模型计算模型的性能度量，然后再做出决定。 8 0 2 1 1 参数调整：8 0 2 1 l 定义了很多参数，包括请求发送r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 阈值、分段阈值、长数据包重试限制、短数据包重试限制、物理层参数、最大接收生存时 间等参数。通过调整这些参数，可以提高业务的q o s 性能。文献 1 5 】同时考虑服务需求与 网络状况调整不同业务类别的竞争窗大小。文献 1 6 考虑r t s 阈值对8 0 2 1 1 w l a n 的性 能影响。 1 5 论文研究内容和结构安排 随着无线局域网应用的日益广泛，无线局域网中的q o s 问题备受瞩目。作为应用最广 泛的无线局域网标准，众多研究针对i e e e8 0 2 1l e 进行了研究和改进。本论文针对8 0 2 1 l e 中提供参数化q o s 支持的信道接入机制h c c a 的模型，分析h c c a 对变比特率v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 业务的q o s 支持情况。在分析后，作者提出一种基于v b r 业务量预 测的h c c a 调度算法，并通过仿真验证该改进算法的性能优于标准的h c c a 算法。 本论文的章节安排如下： 第一章概述论文研究的背景，包括局域网和q o s 的基础知识，以及无线局域网中q o s 研究的现状； 第二章对i e e e8 0 2 1 l 无线局域网进行详细介绍，包括i e e e8 0 2 1 1 标准的基本接入 机制，以及8 0 2 1 lw l a n 中的q o s 问题。 第三章提出分析i e e e8 0 2 1 l e 中提供参数化q o s 支持的信道接入机制h c c a 的模型， 分析h c c a 对v b r 业务的q o s 支持情况。 第四章针对h c c a 在支持v b r 业务时因业务速率可变带来的不足，解决v b r 业务量 的预测。 第五章是本文最核心的部分，在第四章的基础上，提出基于业务量预测的调度算法。 该算法根据第三章对h c c a 机制的分析，提出t x o p 最优化的分配，达到改进h c c a 机 制的目的。 第六章对全文进行总结，提出下一步的研究方向。 7 第二章i e e e8 0 2 11 无线局域网中q o s 的研究 由上章可知i e e e8 0 2 1 l 目前是w l a n 中应用最广泛的标准。已有众多学者对8 0 2 1 1 无线局域网进行了研究。本章将探讨8 0 2 1 1w l a n 中的q o s 问题，主要包括8 0 2 1 1 标 准的m a c 层接入机制、q o s 缺陷，以及针对缺陷提出的q o s 增强标准8 0 2 1 l e 。 2 1i e e e8 0 2 11 标准 本节将详细介绍i e e e8 0 2 1 l 标准。8 0 2 1 1 标准工作在m a c 层和p h y 层。本节重 点详细介绍m a c 层的两种信道接入机制，即基于竞争的分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和基于轮询的点协调功能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 ) ，并将针 对这两种机制讨论q o s 缺陷。 2 1 1 协议体系 o s i 七层模型从下到上包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示 层以及应用层，而w l a n 只包括物理层和数据链路层的功能。数据链路层又被分为两个 子层，即逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o ls u b l a y e r ) 和媒体接入控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r ) 。l l c 层的主要任务是完成两通信实体间一条点 到点逻辑链路上的数据帧的传输与控制( 差错控制与流量控制) 。m a c 主要完成数据的收 发，具体功能如下： ( 1 ) 从l l c 层接收要发送的数据，并决定是否把数据递交给物理层： ( 2 ) 给发送数据附加控制信息后装成帧，并把数据帧递交给物理层； ( 3 ) 从物理层接收数据帧； ( 4 ) 检查接收到的数据帧的控制信息，判断数据是否正确： ( 5 ) 去掉数据帧中的控制信息，并把数据递交至l l c 层。 i e e e8 0 2 委员会给出的局域网协议体系一系列的标准协议构成，包括i e e e8 0 2 1 i e e e8 0 2 2 0 等协议。而i e e e8 0 2 1 l 描述的是w l a n 的m a c 协议和相应的物理层规范。 i e e e8 0 2 1 l 标准族的l l c 层与其他i e e e8 0 2 局域网相同并共用，而其m a c 层为多种 物理层标准所共用。i e e e8 0 2 um a c 层支持的物理层有以下几种【1 7 】： 8 直峦鲤鱼盔堂亟盟究生堂僮迨塞 笠三童! 星基星8 q 2 ：! ! 垂毯旦堡圜主q q 墨的班究 ( 1 ) i e e e8 0 2 11 跳频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f s s s ) 物理层，在 2 4 g h z 频段上提供1 、, 2 m b s 的传输速率； ( 2 ) i e e e8 0 2 1 1 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 物理层， 在2 4 g h z 频段上提供1 一2 m b s 的传输速率； ( 3 ) i e e e8 0 2 1 l b 物理层，在2 4 g h z 频段上提供l 1 1 m b s 的传输速率； ( 4 ) i e e e8 0 2 1l a 物理层，在5 g h z 频段上提供6 - - - 5 4 m b s 的传输速率： ( 5 ) i e e e8 0 2 1 l g 物理层，在2 4 g h z 频段上高达5 4 m b s 的传输速率； ( 6 ) i e e e8 0 2 1 l 红外线物理层，提供1 2 m b s 的传输速率； ( 7 ) i e e e8 0 2 1 l n 物理层提供1 0 8 - - 一3 4 0 m b s 的传输速率。 2 1 2 媒体接入控制层 i e e e8 0 2 1 lm a c 层提供两种信道接入机制：基于竞争的分布式协调功能d c f 和基 于轮询的点协调功能p c f 。8 0 2 1 lm a c 的体系结构如图2 1 所示。其中d c f 是基本的 媒体访问方法，p c f 是一种可选的集中控制信道访问方法。 2 1 2 1d c f 基本原理 图2 18 0 2 1 lm a c 体系结构 在8 0 2 1 l 中，d c f 是基本的竞争接入方式。竞争机制的优点在于它能使各用户最大 可能接入信道，同时不需要额外的控制信息，各用户终端的实现复杂度低。无线s t a 不能 在传输数据的同时对信道进行侦听，因而不能使用载波侦听多点接入冲突检；1 9 1 q ( c a r r i e rs 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 nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 方式访问信道，而采用载波侦听 多点接入冲突回避( c a r r i e rs 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 ) 的二进制指数随机退避算法来接入信道。 d c f 采用物理载波侦听和虚拟载波侦听相结合来决定信道忙闲状态。当任一机制报告 信道忙时，都认为信道忙，否则认为信道空闲。物理层载波侦听由物理层提供，虚拟载波 侦听由