（计算机应用技术专业论文）无线城域网中带宽请求的接入控制.pdf

摘要 作为一种新兴的无线宽带网络，无线城域网具有高速度，远距离， 高效率的优点，近年来成为了无线通信研究的热点。为了提供q o s 支持，无线城域网采用了请求授予模式来发送数据，即用户站想要 发送数据时，首先必须向基站发送带宽请求。由于带宽请求是数据收 发的前提，因而有效的带宽请求接入控制对无线城域网的性能具有重 要的影响，它是无线城域网的一个基础问题。 目前i e e e8 0 2 1 6 协议定义了轮询、捎带、借用、轮询位带宽请求 发送方法，针对广播轮询时，协议推荐采用基于二进制指数回退算法 的竞争解决方案，这些方法和方案为带宽请求的接入定义了框架和基 础。但是各种方法的性能特征，适应范围，以及各种方法之间的选择 都不在标准的定义范围。为了最大限度地使用无线资源并保证q o s 的支持，论文研究了无线城域网中基于二进制指数回退算法的竞争解 决方案的性能，给出了一种中心调度的竞争解决方案，针对组播轮询 提出了一种二元组播轮询，讨论了单播轮询和广播轮询的选择算法， 最后结合竞争和时分复用多路接入协议的特点，提出了一种n 模的多 路接入协议。这些研究对于无线城域网的组网和运营具有重要的指导 意义。论文的具体工作为： ( 1 ) 基于i e e e8 0 2 1 6m a c 层的特征以及它与8 0 2 1 l 的差别分 析，论文给出了传送机会利用率u ，带宽请求延时d 等性能评价指标， 并通过概率分析的方法给出这些性能指标的计算方法，通过理论和模 拟结果分析，讨论了初始化竞争窗口w ，最大竞争窗口w m 小每帧中 提供的传送机会数目m o ，用户站总数目，活动用户站数目n 等参 数对系统性能的影响，基于这些分析，给出了无线城域网中设置系统 参数的原则和方法。 ( 2 ) 通过对i e e e8 0 2 1 6 竞争性能的分析，论文发现基于二进制 指数回退方法在某些情况下性能并不是最优的，在分析导致性能不能 达到最优的原因的基础上，根据i e e e8 0 2 1 6 的特点，论文给出了一 种中心调度的竞争解决方案，它的基本思想是，基站在每个时间帧把 预测的当前活动用户站数目广播给所有的用户站，用户站每次以该数 目参与竞争。理论分析和模拟结果表明，虽然基站对用户站点预测存 在误差，但是中心调度的方法依然能达到比较好的性能，在很多指标 上，它优于基于二进制指数回退算法的方案。 ( 3 ) 二进制指数回退方法和中心调度方法理论上性能都只能达到 t i ( 1 1 n ) 加1 ，这一结果在n 比较大时并不理想，因此本文分析了无线城 域网中单播轮询和组播轮询的性能特点，给出了一种二元组播轮询， 通过将用户站两两分组，来提高竞争的成功率，理论分析表明，二元 组播轮询在用户站点数目低于o 7 5 倍总站点数目时，比单播轮询性 能要好。结合广播轮询的特点，本文还给出了基站在选择广播轮询和 单播轮询时的原则和方法。 ( 4 ) 带宽请求的发送本质上是一个多路接入点问题，多路接入有 竞争和非竞争两种方式，竞争方式适合于用户站站点数目不多的情 况，而非竞争方式则正好相反，为了有效地结合竞争方式和非竞争方 式的优点，论文给出一种n 模的多路协议，它的思想是：协调者( 基 站) 将当前竞争的状况以n 数广播给所有的站点，各个站点通过将自 己的编号与n 求模得到一余数厂，然后站点在第厂个时隙发送自己的 数据。理论分析表明，这种方法无论是轻载荷还是重载荷时都有比较 理想的性能。 关键词无线城域网，带宽请求，性能分析，中心调度，n 模协议 i i i a b s t r a c t a sa nu pa n dc o m i n gn e t w o r k ，w i r e l e s sm e t r o p o li t a na r e an e t w o r k s ( w m a n ) w h i c hi sp o s s e s s e dw i t ho u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha sl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，h i g hs p e e da n de f f i c i e n c y , h a sb e c o m et h e h o t t o p i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s t os u p p o r tq o s ，t h e r e q u e s t g r a n t m e c h a n i s mh a sb e e nu s e di nw m a n u n d e rt h i s m e c h a n i s m ，w h e nas u b s c r i b e rs t a t i o nw a n t st os e n dd a t a ，i tn e e d st os e n d ab a n d w i d t h ( b w ) r e q u e s tt ob a s es t a t i o nf i r s t l y s ot h ea d m i s s i o nc o n t r o l o fb w r e q u e s th a sag r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fw m a na n di s t r e a t e da saf u n d a m e n t a lp r o b l e mi nw m a n a tp r e s e n t ，t h e r ea r es e v e r a lb w r e q u e s tm e t h o d si ni e e e8 0 2 16 w h i c hi n c l u d eu n i c a s t p o l l i n g ，m u l t i c a s tp o l l i n g ，b r o a d c a s tp o l l i n g ， p i g g y b a c ka n ds oo n a sf o rb r o a d c a s tp o l l i n g ，t h em a n d a t o r yc o n t e n t i o n r e s o l u t i o nt h a ts h a l lb e s u p p o r t e db yi e e e8 0 2 16 i sb a s e do nt h e t r u n c a t e db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f fa l g o r i t h m a l lt h e s em e t h o d sa n d r e s o l u t i o n sh a v ed e f i n e dt h ef r a m e w o r kf o rs u b s c r i b e rs t a t i o nt os e n db w r e q u e s t m i l et h ep e r f o r m a n c eo fe a c hm e t h o da n dh o wt oc h o o s et h e f i g h tm e t h o da c c o r d i n gt od if f e r e n tp a r a m e t e r so fs y s t e ma r eo u to ft h e r a n g eo fs t a n d a r d t of u l l yu s et h ew i r e l e s sr e s o u r c ea n dg u a r a n t e et h e q o s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n p r o v i d e db yi e e e8 0 2 16a n dp r e s e n t sac e n t r a l i z e dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n a n da b i n a r ym u l t i c a s tp o l l i n gm e t h o d t h ec h o i c eb e t w e e nu n i c a s t p o l l i n ga n dm u l t i c a s tp o l l i n gi sa l s od i s c u s s e da n da nnm o d u l u sm u l t i p l e a c c e s sp r o t o c o li sp r e s e n t e d a l lt h e s es t u d i e sa r eu s e f u lf o rb u i l d i n ga n d r u n n i n gw m a n t h ew o r k so ft h i st h e s i si nd e t a i la r ea sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c e so ft h em a cl a y e r b e t w e e ni e e e8 0 2 16a n di e e e8 0 2 1 1 t h em e t r i c st oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fb e bb a s e dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，w h i c hi n c l u d et h e u t i l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t yu ，t h ed e l a yo fb w r e q u e s tda n d d r o pp r o b a b i l i t yo fb wr e q u e s tp da r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h ep r o b a b i l i t y 1 i i m e t h o d w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x t e n s i v es i m u l a t i o n s ，t h ee f f e c t so f c o n t e n t i o np a r a m e t e r ss u c ha si n i t i a lw i n d o wwt h em a x i m u mc o n t e n t i o n w i n d o ww m a x ，t h en u m b e ro ft r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t i e sn t o ，t h en u m b e r o ft o t a ls s sna n dt h en u m b e ro fa c t i v es s sna r ed i s c u s s e d t h ep r i n c i p l e a n dm e t h o do fs e t t i n gs y s t e mp a r a m e t e r sa r ea l s op r e s e n t e d ( 2 ) w i t ht h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o no fi e e e 8 0 2 16 ，w ef o u n dt h a tt h eb e bb a s e dr e s o l u t i o nc a nn o tg e to p t i m a l p e r f o r m a n c ei n s o m es i t u a t i o n s s oan o v e lc e n t r a l i z e d s c h e d u l i n g c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ( c s c r ) i sp r e s e n t e d t h eb a s i ci d e ao fc s c ri s ：i n e a c ht i m ef r a m e ，b ye s t i m a t i n gt h en u m b e ro fa c t i v es s s ，t h eb s b r o a d c a s ta no p t i m a lw i n d o wt oa l l s s s ，e a c hs st h e ni n d i v i d u a l l y p a r t i c i p a t e sw i t ht h i sw i n d o wi nt r a n s m i s s i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x t e n s i v es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te v e nt h e r ea r ee r r o r sb e t w e e nt h e r e a l l ya n de s t i m a t e dn u m b e ro fa c t i v es s s ，c s c ro u t p e r f o r m sb e b b a s e dr e s o l u t i o no nm a n y a s p e c t s ( 3 ) s i n c et h em a x i m u mu t i l i t i e so ft ou n d e rb o t hb e ba n dc s c r b a s e dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o nc a no n l yb e ( 1 1 n ) 肿，w h i c hi sn o ts og o o d w h e nni sl a r g e ，w et u mt ot h eu n i c a s ta n dm u l t i c a s tp o l l i n gm e t h o da n d p r e s e n tab i n a r ym u l t i c a s tp o l l i n gm e t h o dw h i c hd i v i d e st h ew h o l es s s i n t on 2g r o u p s ，e a c hg r o u pc o n s i s t so ft w os s s ，e a c hs so n l yc o n t e s t w i t ht h essi ni t sg r o u p t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tw h e nt h e n u m b e ro fa c t i v es s si sl e s st h a n0 7 5 mt h eb i n a r ym u l t i c a s tp o l l i n gi s b e t t e rt h a nu n i c a s tp o l l i n g w ea l s op r o v i d ea na l g o r i t h mt om a k ea c h o i c eb e t w e e nu n i c a s ta n db r o a d c a s tp o l l i n g ( 4 ) t h eb wr e q u e s ti sam u l t i p l ea c c e s sp r o b l e m t y p i c a l l yt h e r ea r e c o n t e n t i o nb a s e da n dc o n t e n t i o nf r e ew a y sf o rt h i sp r o b l e m f o rt h e c o n t e n t i o nb a s e dm e t h o d ，i th a sg o o dp e r f o r m a n c ew h e nt h e r ea r eo n l y l i t t l ea c t i v es s s ，w h i l et h ec o n t e n t i o nf r e em e t h o dh a st h ec o n t r a s t s i t u a t i o n s t of u l lu s et h eb e n e f i to f b o t ht y p e so fp r o t o c o l ，a nnm o d u l u s m u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o li sp r e s e n t e d i nt h i sp r o t o c o l ，t h ec o o r d i n a t o r b r o a d c a s t st h en u m b e ro fa c t i v en o d e st oa l ln o d e s e a c hn o d ed i v i d e s t h i sn u m b e rw i t hi t so w ni dn u m b e ra n dg e t sar e m i n d e r 厂a n dt h e ns e n d s i t sd a t aa tr t hs l o t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h enm o d u l u s t v p r o t o c o lh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nb o t hh e a v ya n dl i g h tl o a d k e yw o r d s ： w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ，b a n d w i d t h r e q u e s t ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，c e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g ，n m o d u l u s p r o t o c 0 1 v 插图索引 图2 1 无线城域网的网络拓扑结构1 2 图2 2 协议栈的参考模型13 图2 3i e e e8 0 2 1 6 的q o s 体系结构1 4 图2 4 时间帧示意图15 图2 5i e e e8 0 2 1 6 中t d d 方式下的帧结构1 6 图2 - 6 用户站带宽请求流程图1 9 图2 7 单播轮询流程图2 1 图2 8 “轮询位”流程图2 2 图2 - 9 广播轮询流程图2 3 图3 1 传送机会结构图3 0 图3 2 带宽请求的竞争过程示意图3 0 图3 3 无线局域网中数据的发送过程3 2 图3 4 形时发送概率逐渐减少示意3 6 图3 5 模拟程序结构图3 8 图3 - 6t o 利用率和初始化窗口的关系3 9 图3 7t o 利用率和初始化窗口的关系4 0 图3 8 带宽请求丢失率和初始化窗口的关系4 0 图3 - 9 坼。对利用率的影响4 l 图3 1 0 t o 利用率和m 的关系4 2 图3 1 1 延时和和坼。的关系。4 2 图3 1 2t o 利用率和用户站数目n 的关系4 3 图3 1 3 延时和用户站数目n 的关系4 3 图4 1 活动用户站数目为2 0 时u ，p e 同w 的关系4 7 图4 2i e e e8 0 2 1 6 争用机制示意图4 8 图4 3n = 5 0 ，不同时c s c r 对活动用户站数目的预测5 4 图4 4 单个时间帧内成功收到带宽请求的传输机会数目5 6 图4 5 单个时间帧内的平均延时一5 6 图4 6 每个用户站成功接入次数5 7 图4 7 单个用户站不同延时频度统计5 8 图4 8 平均利用率同活动用户站数目的关系5 8 图4 9 平均延时随活动用户站数目的变5 9 第v i i i 页 图4 一l o 利用率随活动用户站的变化6 0 图4 1 1 平均延时随活动用户站的变化6 0 图4 1 2 带宽请求丢失率随活动用户站数目的变化6 1 图5 1 广播轮询时，最大传送机会利用率和活动用户站数目的变化关系一6 3 图5 2 不同活动用户站时二元组播以及单播的利用率一6 7 图5 3 单播轮询和广播轮询的选择示意图6 9 图5 4 广播轮询和单播轮询下传送机会利用率比较7 l 图6 1 多路接入协议的基本模型一7 5 图6 2 具有协调者的多路接入模型7 6 图6 3n 模协议的帧结构7 7 图6 4n = 1 0 时，n 模型协议的处理过程7 9 图6 5n = l1 时，n 模型协议的处理过程8 0 图6 6n = 9 时，n 模型协议的处理过程8 0 图6 7n 个s l o t 时，个站点的分组情况8 l 图6 8n 模协议、s - a l o h a 以及t d m 的吞吐量比较。8 2 图6 9n 模协议的延时分析8 3 图6 1 0n 值和真实值之间存在误差时吞吐量的比较8 5 图6 1 1n 模协议两帧之间的参数8 5 第页 附表索引 表2 1 不同q o s 类型下带宽请求策略的比较2 5 表4 - 1n 分别为1 0 0 ，5 0 ，3 2 ，p 由0 2 变化到0 9 时，c s c r 方法对n 的预测结果 ! ；! ； 表5 1 传送机会利用率的概率分布一6 6 表5 2 不同带宽请求发送方式时，平均延时d 的概率分布6 8 第x 页 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 储签名：啤嗍堕年三月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 砸隰堕年三月上日 博十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题主要来源于香港研究资助局c e r g ( c o m p e t i t i v ee a r m a r k e dr e s e a r c h g r a n t ) 项目“i e e e8 0 2 1 6 中p m p 模式和m e s h 模式下m a c 层中支持q o s 的高效 连接和调度算法( q o s - a w a r ee f f i c i e n tc o n n e c t i o na n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o r p m pa n dm e s hm o d e si ni e e e8 0 2 1 6m a cl a y e r ) ”( 项目编号：9 0 4 1 1 2 9 ) 矛d 粤港科 技合作资助计划“a n y s e r v e r - - 支持通信无间的数字网络平台关键技术与设备”( 项 目编号：9 4 4 0 0 4 8 ) 两者共同启发下的自选课题。本文主要研究无线城域网中p m p 模式下，带宽请求的接入性能以及接入方法的改进。 1 1 2 研究背景 宽带无线接入是无线通信中最为活跃，最为革命的因素，它在高速i n t e r n e t 接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空问探险等领域具有非常广阔的 应用前景【l j 。无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，简称w m a n ) 是 继无线局域网之后出现的又一宽带无线接入技术，由于它采用了许多先进的技 术，如o f d m t 2 1 、m i m o ( 多输入多输出) 等，并它对l p 网络具有天然的支持性， 它一出现便引起了人们广泛的关注【3 】【4 】【5 1 。 继在2 0 0 4 年l o 月在i e e e8 0 2 1 6 ( 2 0 0 1 ) 矛ni e e e8 0 2 1 6 a 的基础上发布i e e e s t d i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 后，i e e e 于2 0 0 5 年发布了支持移动特性的i e e e 8 0 2 1 6 e 1 6 】【7 】【8 】【9 j 【1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】，并正在抓紧制订针对移动和切换的i e e e8 0 2 2 0 和 8 0 2 2 1 标准。与此同时，产业界在全球微波接入互操作性( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，简称w i m a x ，无线城域网也叫w i m a x 网络) 论坛【8 】的推动 下，以i n t e l 公司为首，正在逐步推出符合i e e e8 0 2 1 6 标准的基站( b a s es t a t i o n ， 简称b s ) ，用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，简称s s ) 等无线城域网设备，各设备厂商 也正在抓紧制定设备之问的互操作性标准。可以预见在不久的将来，无线城域网 必将象w i f i 一样成为宽带无线接入的一种重要方式【1 7 1 【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 【2 l 】。 同其它宽带技术相比，无线城域网具有许多突出的优点：如与x d s l 相比， 第1 页 博士学位论文 第一章绪论 无线城域网理论上可以覆盖更大的范围，提供更大的数据传输速率，具有更强的 可扩展性；与w i f i 相比，无线城域网频段使用适应面更广、伸缩性更强、q o s 和安全性能更优；相对于3 g ，无线城域网单链路的数据传输速率、频谱效率优 于3 g ，与3 g 增强技术相型2 2 1 。此外，在网络的部署方面，无线城域网也具有 独特技术优势：基于设备互操作性和标准稳定性的应用平台可为网络运营商降低 开销和减少投资风险1 5 j 。 从功能上看，这些优点具有诱人的前景，然而从技术实现的角度去看，越强 的功能也意味着越复杂结构和越多的挑战：一方面无线通信中的带宽是有限的， 在一定的空间范围内，空中信道如果被某些设备占用，它就不可能同时被其它设 备使用，并且这种有限也不能像有线网络那样，通过铺设更多的线路来扩展，因 此无线频谱受到严格管理，并且最大限度的利用有限的无线频谱成为无线通信技 术中的核心问题【2 5 】【2 6 】【2 7 】；另一方面，随着各种多媒体应用的开展，q o s 成为新 一代无线网络必须考虑的问题。为了提高系统频谱效率，满足用户间的公平性， 同时很好地支持不同q o s 的业务，带宽资源管理和调度成为无线城域网中需要 研究和实现关键问题【1 7 】【1 8 】【19 1 。 不同于其它网络，在点对多点( p o i n tt om u l t i p o i n t ，简称p m p ) 模式下，无线 城域网中m a c 层的带宽资源统一由基站管理，用户站和基站通过请求授予 ( r e q u e s t g r a n t ) 模式来使用无线资源，即用户站要想发送数据，首先必须向基站 发送带宽请求( b a n d w i d t hr e q u e s t ) ，基站成功收到带宽请求后，根据资源调度算 法给用户站分配带宽，此时用户站才能发送数据。当用户站得到基站分配的带宽 后，它采用的独占方式发送数据，因而在发送数据时是不存在竞争的【6 】【7 】。请求 授予模式的实质是将其它类型网络中数据收发中的竞争过程转换为带宽请求的 接入过程，从这个意义上看，带宽请求的接入是无线城域网m a c 层的基本问题。 目前，i e e e8 0 2 1 6 给出了固定带宽分配、轮询( p o l l i n g ) 、捎带( p i g g y b a c k ) 等 一系列的复杂的带宽请求发送机制，其中轮询又包括单播轮询( u n i c a s tp o l l i n g ) ， 组播轮询( m u l t i c a s tp o l l i n g ) 和广播轮询( b r o a d c a s tp o l l i n g ) 。而在广播轮询时，i e e e 8 0 2 1 6 推荐采用基于二进制指数回退算法的竞争解决方案6 1 1 7 1 。这些发送机制和 竞争解决方案为用户站点带宽请求提供了良好的基础。但是作为一种框架协议， i e e e8 0 2 1 6 并没有定义所有的细节实现。竞争解决方案的性能怎样? 组播轮询 应该怎样实现? 单播轮询和广播轮询谁的性能更好? 基站应该在单播轮询和广 播轮询之间怎样选择? 各种带宽请求发送方法的特点，性能和适用范围等都需要 进一步研究。 从根本上看，无线城域网中带宽请求的接入控制也是一种多路接入问题。目 第2 页 博士学位论文第一章绪论 前，虽然已有许多成熟的多路接入协议，但是每种协议都与m a c 层的网络特征 息息相关【9 4 】【1 l9 1 ，每种多路接入协议都有自己的应用范围，如c s m d c d 适用于 以太网但并适合无线局域网，应用于卫星网络的协议和应用于局域网的协议就有 很大的差别等。作为一种新型的网络，无线城域网的m a c 层具有自身的特点， 怎样根据无线城域网的网络特点，给出合适带宽请求多路接入协议，是无线城域 网组网和运营时需要解决的一个关键问题。 1 1 3 课题研究意义 无线城域网是未来宽带无线通信的一个热点，带宽请求的接入控制作为数据 收发的基础和前提具有重要的研究价值，它是无线城域网q o s 体系结构中非常重 要的一个环节，它直接影响整个城域网系统的性能：一方面带宽请求的延时是用 户站的数据发送延时的一部分，如果带宽请求的发送部分就引入了很大的延时， 则整个数据包的延时势必就会很大；另一方面，带宽请求和数据收发共同占用上 行带宽资源，它们之问也是一种竞争关系( 参见图2 5 ) ，因而带宽请求接入的性 能也将直接影响到基站的资源调配策略，例如，如果基站给带宽请求部分分配带 宽太少，则很多需要发送数据的用户站因为不能发送带宽请求而被阻塞，反之， 如果基站给带宽请求部分分配太多的资源，则用于数据收发的带宽势必就会减 少，同样也会影响系统的整个性能。分析无线城域网中各种带宽请求接入方法性 能，根据各种接入方式的特点以及不同的网络结构，给出不同条件下的带宽请求 接入控制算法，对于充分利用有限的无线资源，为各种新型应用提供q o s 支持 具有十分重要的意义，也是无线城域网中需要首先解决的一个问题。 具体说来，本文首先将研究i e e e8 0 2 1 6 推荐采用的基于二进制指数回退算 法的竞争解决方案的性能。虽然该竞争解决方案在i e e e8 0 2 1 1 中应用良好，但 是它在i e e e8 0 2 1 6 的性能怎样还很少有文献提及，论文从理论上推导了该方案 的性能，并通过模拟验证了推导，基于性能分析找出了影响性能的关键参数，进 而给出对各个参数的调整策略。这些研究可为带宽资源分配提供重要的依据，从 带宽请求接入的角度为无线城域网的q o s 提供支持，特别是对各种参数的调整 策略，对于无线城域网的组网和运营具有现实的指导意义。 基于二进制指数回退算法的性能分析，论文给出一些改进的算法，这些算法 既包括对广播轮询策略的改进的方法：中心调度的竞争策略和力模的多路接入协 议，也包括结合单播轮询和广播轮询的选择算法。这些改进算法不仅更大限度上 利用了宝贵的无线资源，而且降低带宽请求的接入延时，从而提供整个网络的性 能。本文提出的刀的随机多路接入协议，虽然来源于无线城域网络，但是它并不 第3 页 博士学位论文第一章绪论 局限于无线网络，它也可以应用到那些不便于进行载波侦听的网络，如卫星网络， 因此它也是潮络m a c 协议的有益於充。 1 2 研究的现状 由于无线城域嬲标准推出时间还不是很长，并且无线城域网的标准本身还在 不断完善和发展，当前关予无线城域网带宽请求接入控制的研究还不是很多。但 是i e e e8 0 2 1 6 标准为带宽请求接入定义了良好的框架，同时无线城域网中的许 多先进技术也源予其它网络中，因而也可以以其它网站中研究作为参考，总结起 来，与本文相关的研究包括： ( 1 ) i e e e8 0 2 1 6 中q o s 保证机制和带宽请求的接入方法 i e e e8 0 2 1 6 为无线城域网定义了空中接口规范和m a c 控制协议，这些规范 和协议是无线城域网的框架和基础。为了全面提供q o s 支持，i e e e8 0 2 1 6 定义 了固定带宽分配服务( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ，篱称u g s ) 、实时轮询服务 ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，简称r t p s ) 、非实时轮询服务( n o n r e a l t i m ep o l l i n g s e r v i c e ，简称n r t p s ) 矛1 尽力服务( b e s te f f o r t ，简称b e ) 四种服务【6 j 。为配合不同 类型服务顺利发送数据，i e e e8 0 2 1 6 定义了轮询，捎带，轮询位p m ( p o l lm e ) 等带宽请求发送枫制，并规定相应的服务流所采用的带宽请求策略，例如，对于 u g s 的服务，i e e e8 0 2 1 6 规定，它不能使用捎带或借用方式发送带宽请求，而 对于b e 服务，i e e e8 0 2 1 6 则允许它采用轮询，捎带等方式发送带宽请求。这 些规定是保障i e e e8 0 2 1 6 的q o s 的一个重要手段。 基于i e e e8 0 2 1 6 协议，有不少文献研究无线城域网的带宽分配闯题，文献 【2 9 3 7 3 8 5 3 讨论了无线城域网的q o s 框架，给出了各种不同q o s 业务流的 准入策略，文献【5 4 】分析了各种不同q o s 业务的吞吐量，文献【5 6 】【5 7 】讨论了m e s h 模型，无线城域网的性能。而文献【5 1 】讨论了针对v o l p 业务的上行链路的调度， 文献【8 0 】f 1 1 3 烫j j 讨论了不同q o s 业务的调度策略，这些调度实际上也包含了对带 宽资源的调度。文献【l1 3 要j j 讨论了怎样保证不同q o s 业务流的公平性，进两给 了更加公平的调度策略，从而可以保证低优先级的业务不至于会“饿死”。这些文 献进一步明确了无线城域网的q o s 特征。但是它们都强调对不同q o s 业务队列 的调度，因此在考虑带宽请求接入问题时大都是以带宽请求已经成功接入为前 提，在考虑不同q o s 的带宽请求时也只是按韭务类型的不同箍单的带宽请求归 并到不同的队列，因而很少从带宽请求接入本身的性能去考虑。文献【1 2 8 】中讨 论了一类基于“预留”的多路接入协议，它的预留机制同i e e e8 0 2 1 6 中的带宽请 第4 页 博士学位论文第一章绪论 求接入机制非常类似，在该文中，作者引入了请求延时，认为由于请求可能会阻 塞，同时因为请求需要通过竞争方式才能到达基站，这一个过程会给数据的发送 带来很大延时。该文的结论表明，在讨论无线城域网的q o s 时，应该充分考虑 带宽请求的性能，以业务类型和带宽请求的性能为基础，综合计算个种不同业务 类型的性能参数。 ( 2 ) 基于二进制指数回退算法的竞争解决方案的研究 当广播轮询时，由于同时有多个用户站随机的发送带宽请求，因而各个请求 之间可能会产生冲突，目前i e e e8 0 2 1 6 推荐采用的是基于二进制指数回退算法 的竞争解决方案。二进制指数回退算法是8 0 2 1 1 d c f 的基础，因而它是8 0 2 1 1 中广泛研究的一个问题。许多学者利用数学建模的方法分析与优化协议的相关性 能，其中尤以c a l i 和b i a n c h i 的工作最为突出。c a l i 在文献 6 1 6 3 】和b i a n c h i 在 文献 6 4 6 7 中分别对c s m a c a 的p - p e r s i s t e n t 机制和二进制指数回退机制进行 了建模分析，其后，在b i a n c h i 的模型基础上，z i o u v a 6 8 ，w u 【6 9 7 2 】和y a n g 7 3 - 7 5 】 等人对相关模型作了进一步的完善工作，而k i m 7 6 1 禾1 l i n 7 7 1 贝1 是在c a l i 的模 型的基础上，进一步分析了竞争终端处于非饱和流条件下的协议性能。上述研究 不仅讨论了二进制指数回退算法的性能，同时也讨论了影响算法性能的一些关键 因素：如随无线局域网中竞争终端个数的增加，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层的性能 会迅速恶化，协议的相关参数( 例如最小竞争窗口c 加) 对协议的性能有着主要 的影响，使用固定参数难以保证不同网络负载情况下的协议性能等。 另一方面针对8 0 2 1 1 中d c f 的不足，人们也给出许多改进算法。例如，针 对其在某些情况下的不公平问题， 6 0 给出了改进其公平的算法。再如针对用户 数目变化较大的应用，有些研究采用动态控制竞争参数的策略，对于较少的竞争 终端，采用较小的c w m i 。可以有效地减少信道空闲时间从而提高信道的利用率； 反之，对于较多的竞争终端，较大的c w m i n 则可以有效地降低发生碰撞的概率。 这些改进算法也同时要求系统对当前的竞争状况有些了解，而怎样获取网络状况 也是一个值得研究的问题。这其中涉及到对系统中竞争终端的数目进行测量与估 计。文献【6 l 6 3 ，6 7 都针对不同的回退机制提出了估测的方法。然而，尽管理论 上将测量和动态参数调整结合起来可以有效地改善i e e e8 0 2 1 1 二进制指数回退 机制的性能，但是受到测量方法的制约，目前在这方面仍然没有好的综合解决方 案。 对于无线城域网，由于其m a c 层和w i f i 有很大的差别【3 3 】【4 0