[硕士论文精品]信道容量和信道预留的接入控制算法

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WLAN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，IEEE80211协议组历经多年，终于在2005年11月发布了IEEE80211E协议，为无线局域网提供了QOS保障。IEEE8021LE提出了HCFI”，集合了DCF【2】和PCF2】的功能，并能够支持QOS。HCF包括EDCA1】和HCCALL】机制EDCA是DCF的增强版，提供了不同优先级的OOS；HCCA类似于PCF，经过协商后能够提供了参数化的QOS。HCCA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EDCA更为市场青睐，它改进了DCF，提供了不同优先级AC，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QOS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IEEE8021IE的接入控制算法，提出一个在EDCA方式下改进的服务质量保障方案，主要是通过改进IEEE8021LE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JE壅窑垣厶堂亟堂位论塞旦S壁ABSTRACTABSTRACTWLANWIRELESSLOCALAREANETWORKBECOMESMOREANDMORCPOPULARRECENTLYINCONTRASTTOLAN，WLANHASASERIESOFADVANTAGESSUCHASMOBILITY,FLEXIBILITYANDEXPANSIBILITYASARESULT，WLANDEVELOPSRAPIDLYANDWIDELY，ANDPEOPLEBEGINTOEXPECTQOSSUPPORTFORMULTIMEDIAAPPLICATIONSTOACHIEVETHEGOAL，IEEESTD8021LETMISPUBHSHEDORNOV2005ANDPROVIDESGUIDANCETOIMPLEMENTQOSGUARANTEESTHEMAINQOSFACILITYOFIEEE8021LEISHYBRIDCOORDINATIONFUNCTIONFHCFMECHANISMTHEHCFUSESBOTLLACONTENTIONBASEDCHANNELACCESSMETHODCALLEDTHEENHANCEDDISTRIBUTEDCHANNELACCESSEDCAMECHANISMFORPRIOFITIZEDQOSSERVICES，ANDACONTROLLEDCHANNELACCESSMETHOD,REFERREDTOASTHEHCFCHANNELACCESSHCCAMECHANISMFORPARAMETERIZEDQOSSERVICESHCCAISACENTRALCONTROLLEDMETHOD，HARDTOREALIZEANDDOESNOTFITMARKETREQUESTEDCAISMOREPOPULAR,BUTITJUSTPROVIDESPRIORITIZEDQOS，ANDCANNOTPROVIDEQOSGUARANTEESBASEDONTRAFFICSTREAMSSEVERALACCESSCONTROLSCHEMASALEPROPOSEDTOPROVIDEFURTHETQOSCONTROL，BUTTHEEXISTINGSCHEMASSTILLHAVEMANYPROBLEMS，SUCHASHAVENOLINKWITHNPPERLAYER,CANNOT删USTDYNAMICALLYTOMAKEFULLUSEOFBANDWIDTH，THEBANDWIDTHISDITHERINGANDSOON111EARTICLEPROVIDESAOVERALLQOSMECHANISMBASEDONIEEE8021LECALLCCSSCONTR01ANEWMETHODBYIMPROVINGONCALLACCESSCONTROLINIEEE8021LEGUARANTEESQOSUNDEREDCAMETHODTLLISMETHODCONSIDERSTHECURRENTCHANNELUTILIZATIONANDTHEFUTURECHANNEL10ADANDITCANADMITINTERMOFREALCONDITIONTHEMETHODISCONSIDERATE，EASYTOREALIZE，ANDITCANBEIMPLEMENTEDINDISTRIBUTEDENVIRONMENTSUCHASADHOCNETWORKKEYWORDSQOS；EDCA；ACCESSCONTROLCLASSN0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FZ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Z7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AE塞窑适厶堂亟堂位诠塞II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144KBPS发展到如今ADSL接入的8MBPS，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、PDA、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INTERNET、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WU，AN和无线局域网WLAN。WWAN的代表是第三代移动通讯技术3G，它被广泛用于智能手机，但是3G对于移动数据通信来说有着其先天性的不足。首先，建设3G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，3G网络的速率不甚理想。按照目前3G的规划方案来看，其移动终端在静止状态下也只能达到2MBPS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LAN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HYPERLAN2和IEEE8021LG都可以达到54MBPS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，IEEE80211协议组历经多年，终于在2005年11月发布了IEEE8021LE协议，为无线局域网提供了服务质量QUALITYOFSERVICE，QOS保障。原来的IEEE8021L协议定义了两种MAC机制分布式协调功能DCF和点协调功能ILIPCF。DCF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QOS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。PCF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QOS需求。IEEE8021LE标准定义了混合协调功能121HCF，扩展了DCF和PCF的功能，改善了访IU带宽并且减少了高优先绒等级通信延迟。CF提供了两种不同级别的服务质量保障PRIORITIZEDQOS和PARAMETERIZEDQOS。混合控制信道访问【ZJHCCA则扩展了PCF，提供了参数化的QOS。HCCA实现了无竞争的保证服务，但是使用HCCA太过复杂，而且牺牲了无线网络分布式的有点，又不能在ADHOC网络中使用。而EDCA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00S参数请求。所以接入控制在支持QOS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IEEE80211E协议标准中也没有为EDCA定义具体的接入控制方案，所以要发挥出IEEE8021LEEDCA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IEEE80211E协议，设计出一个完整的给予EDCA的接入控制方案，本方案虽然是基于EDCA的，但是同时考虑了带宽，抖动，延时，吞吐量等QOS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IEEE80211E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8021LE协议提出的接入控制方案，提出了一种基于8021LEEDCA的接入控制方案，实现整体的QOS保障，介绍了测试过程和结果；最后总结全文并提出展望。2E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8021LE协议21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。WLAN是20世纪90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。1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE80211无线局域网WIRELESSLAN，、礼AN标准工作组。IEEE80211无线局域网标准工作组的任务LMBITS和2MBITS数据速率，工作在24GHZ开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1997年6月26日公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。IEEE80211标准定义了一种为用户提供无需有线电缆能够以2MBPS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。80211标准规定了无线局域网的特定特征，即对80211标准上层的完全透明性。也就是说物理层PHY和媒体访问控制层MAC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MAC层来实现。该标准定义的物理层和媒体访问控制MAC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。IEEE80211标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE8021LB，8021LA和802119。为了支持更高的数据传输速率，IEEE于1999年9月批准了8021LB标准。1EEE80211B对8021L标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在IEEE8021L的基础上增加了两种更高的通信速率55MBITS和11MBITS。当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为55MBITS，2MBITS和LMBITS。IEEE8021LB的基本结构，特性和服务仍然由最初的IEEE802IL标准定义。IEEE802，LLB觇范只影响EEE8021L标准的物理层，它增加了数据传输速率并增强了连接性。IEEE8021LA标准是已得到广泛应用的8021LB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8Q2L协达80211A工作在5GHZ频段，其物理层速率可达54MBIVS，传输层可达32MBITS，采用正交频分复用OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING的扩频技术，可提供25MBIFFS的无线ATM接口和10MBITS的以太网无线帧结构接口，以及时分双工时分多路复用TDD厂RDMATIMEDIVISIONDUPLEXTIMEDIVISIONMULTIPLEACCESS的接口；支持语音，数据，图像业务。由于IEEE8021LA与目前的802，LLB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80211B产品的消费者可能不会在8021LA设备问世之后就立即购买802119就是为这段过渡时间所发展的规格，它建构在既有的8021LB标准基础上，工作在24GHZ频段、传输速率较11MBITS高，让已拥有8021LB产品的使用者能够以8021LG的产品达到一个速度升级的需求。80211N将WLAN的传输速率从8021LA和802119的54MBPS增加至108MBPS以上，最高速率可达320MBPS，成为8021LB，8021LA，802119之后的另一场重头戏。和以往地80211标准不同，80211N协议为双频工作模式包含24GHZ和5GHZ两个工作频段。这样LLN保障了与以往8021LA，B，G标准兼容。228021IE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，IEEE80211协议组历经多年，终于在2005年11月发布了IEEE80211E协议，为无线局域网提供了MAC层的QOS保障。IEEE8021LE的服务质量保障主要通过HCF机制混合协调功能实现。要讨论HCF机制，我们首先需要了解在IEEE80211E协议中，无线网络接入时的访问方式。221IEEE80211协议中的DCF和PCF访问方式IEEE80211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DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION，DCF方式和点协调功能POINTCOORDINATIONFUNCTION，PCF方式。DCF使用CSMACA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JJ1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4E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ILICONTENTIONWINDOW，CW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DCF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21IEEE80211DCF访问方式FIG21IEEE802，11DCFPCF定义一种轮询协议，避免竞争。站点的优先权由点协调器PC来协调。PCF发起数据传输的等待时间间隔成为PIFSI“，PIFS介于SIFS|1I和DIFST1之间，因而PCF比DCF的优先级高。PCF的传输时间被划分为重复的周期，即交替出现的竞争周期CP和非竞争周期CFP。CP和随后的CFP一起组成超帧。在CFP阶段采用PCF机制接入无线信道，在CP阶段则使用DCF机制传输数据。超帧有信标帧BEACON开始。信标帧是一种管理帧，它维持STA内本地定时器的同步并负责传送协议相关参数。PC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11TTBTT，每个信标帧中都携带该信息。每个STA被PC轮询后发送数据，因而不会发生冲突。PC通过发送CFPOLL帧IIL轮询有数据要发送的STA，STA接收到轮询帧以后给出确认。若PC在等待了一个PIFS的时问后没有收到S1A的响应，可以继续轮询其他STA，一直到CFP的结束。PC通过发送一个特殊的控制帧CFENDOJ来指示CFP的结束。如图22E夏至丝厶堂亟兰位论童玉垡厦缝圆生Q2迹迭1BRR觏弼捌非麓堀朔踊洒蕊洒鹦叫卜一卜_1卜_卜竞孙聊JFCIP啪陌堋L腓O啪信际眦LP0LL|POLLIFBLLST射S胁S脚觚觚艇JL，酵设哪LL蕊一SIFSSFS5、M_L11曩娟瞵争I图22IEEE8021LPCF访问方式FIG22IEEE80211PCFDCF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QOS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。PCF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QOS需求。222IEEE8021LE协议中的HCF机制IEEE8021LE提出了混合协调功能HCF，集合了DCF和PCF的功能，并能够支持QOS。其中，增强分布式协调访问【21EDCA的访问方式扩展了DCF的功能，而混合控制信道访问HCCA的访问方式扩展了PCF的功能；EDCA和HCCA分别实现了基于优先级的服务质量PRIORITIZEDQOS和基于参数请求的服务质量PARAMETERIZEDQOS。8021LE的SUPERFRAME仍然包括两个阶段CP和CFP；EDCA仅仅在CP阶段使用，HCCA可以在两个阶段使用。IEEE8021LE的MAC架构参见下图236E丞窑煎厶堂亟堂僮淦塞玉线崖筮回当SQ2垃邀图2380211MAC层架构FIG2380211MACLAYERARCHITECTUREEDCA是DCF的增强版，EDCA定义了8中业务类型TCL2】TRAFFICCATEGORY，对应8种优先级，而者8个业务类别又映射到4个ACL21队列中。使用EDCA，每个MAC层提供了4个独立的队列AC，每个AC通过不同的EDCA参数来实现不同的优先级。而每个AC本身仍采用DCF机制。同时EDCA还提出了TXOPTRANSMISSIONOPPORTUNITY来让某个站点在个TXOP内可以连续发出多个数据帧，增强网络的利用率。EDCA的业务分类如下表21；E夏至道厶堂亟堂焦I金塞五线旦筮囝皇GQ2I垃达表21802，1LE中业务流分类和AC映射TABLE218021LELIPTOACMAPPINGSUP8021DDESIGNATIONPRIORITYSAMEAS802IDACINFORMATIVEUSERPRIORITYDESIGNATIORL1BKACBKBACKGROUNDLO霄EST2ACBKBACKGROUND0BEACBEBESTEFFORT3EECBEBESTEFFORT4CLCVIVIDEO5VI矗CIYIDEOH卧6V0CVOVOICEEST7NCCVOVOICE在EDCA中，为每个AC类别配置了不同的EDCA参数集最小竞争窗口CWMINAC】，最大竞争窗口CWMAXAC】，发送机会限制12】TRANSMISSIONOPPORTUNITY，TXOPAC】。仲裁帧间间隔【2LAIFSAC】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MS后，才能进一步根据CW值等待并发送数据。不同的IFS确定了EDCA内各类业务的优先级AIFSI，确定了HCCA的较高优先级PS，也保证了ACK发送的优先级SIFS。各类等待时间间隔IFS之间的关系如图24所示E瘟窑垣厶堂亟J僮论塞五缮国撼圆生8Q2迹返图24各类FS之间的关系FIG24SOMEIFSRELATIONSHIPS使用EDCA，主要有以下优点改进了DCF，提供了不同优先级AC，并且提供了TXOP来增加传输率；同时EDCA是分布式的结构；易于实现；为市场青睐。但是EDCA也有其缺点由于EDCA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QOS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QOS参数来维持网络的最佳负载状态；高优先级AC的CW范围很小，CWMIN和CWMAX很接近，如果网络中高优先级AC比较多，冲突将会非常频繁。EDCA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。HCCA提供了参数化的OOS，在站点STA有新的业务流时，需要和混合协调器HC，HYBRIDCOORDINATOR进行QOS需求协商，由HC决定是否接入。一旦接入后，HC就会通过轮询机制分配TXOP来为站点提供保证服务。HCCA类似于PCF，使用HC来提供基于POLL的QOS服务。HC用PIFS获得信道，并对每个QSTA分配TXOP，这罩的TXOP也称为HCCATXOP或者POLLEDTXOP。它PCF的不同支出在于HCCA可以在CP阶段POLLQSTA并且HCCA在调度时考虑每个业务流的特定需求。HCF分为CFP和CP阶段EDCA在CP阶段使用，而HCCA可以在CFP和CP阶段使用。在CFP阶段，所有STA由于设置了NETWORKALLOCATIONVECTORNAV，都无法竞争信道HC就能够无阻碍的使用信道。此时，HC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【DOWNLINKTRAFFIC传输给STA，并把QOSCFPOLL帧发送给需要传输UPLINK和SIDELINK的站点。如果POLLEDSTA有数据传送，就在收到CFPOLL帧后传送大小不超过TXOPLIMIT的数据帧。在CP阶段，HC在网络空闲时，也可以传送下行数据和CFPOLL帧。主要通过设置AP的EDCA优先级来获得优先利用信道的权利ASPIFS；CWMINCWMAX0。这样，由于DIFSPIFS。所以站点在监测到信道空闲时，就能够获得信道使用权。HCCA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QAP对请求资源的决定是基于每个独立业务流的，但是HCCATXOP的分配是基于每个QSTA的，这样，每个QSTA还必须提供把TXOP分配给其独立业务流的方法。总体上来说，EDCA改进了DCF，提供了不同优先级AC，并且提供了TXOP来增加传输率，而且基于市场来说，由于EDCA是分布式的结构，并且易于实现，可能会成为市场主流。但是EDCA难以基于业务流提供保障。HCCA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HCCA是集中式的，市场前景不好，而且无法在ADHOC网络申使用另外，尽管QAP对请求资源的决定是基于每个独立业务流的，但是HCCATXOP的分配是基于每个QSTA的，这样，每个QSTA还必须提供把TXOP分配给其独立业务流的方法。EDCA更有市场研究价值，但是EDCA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EDCA的接入控制方案。223IEEES021LE协议中的其它的OOS机制为了提高效率，IEEE8021LE还提出了其他可选的QOS机制，主要包括DLP，BLOCKACK，NOACK，PIGGYBACK和APSD技术。DLPDIRECTLINKPROTOC01是指在同一QAP联系的在基本服务集合BSS中，两个QSTA站点能够直接传输数据，这样不借助QAP的直接传输提高了信道利用率。BLOCKACKBLOCKACKNOWLEDGEMENT是指在获得信道使用权后QSTA站点能够无需竞争，连续发送多个数据帧帧问间隔一个SIFS时隙，只接受一个ACK。该机制减少了ACK以及等待时叫，大幅增加了信道利用率。NOACKNOACKNOWLEDGEMENT是指对于某些应用，IEEE80211E允许不收发ACK。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PIGGYBACK是指在轮询帧或ACK帧中捎带数据，以此来减少网络负载。APSDAUTOMATICPOWERSAVEDELIVERY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。23IEEE8021LE协议的QOS小结IEEE8021LE协议应运而生，为无线局域网提供了服务质量实施方案。QOS的涵盖范围非常广泛，IEEE80211E主要关注于MAC层方案，提出了HCF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HCCA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。EDCA则改进了DCF，提供了基于不同优先级AC的区分服务，分布性和扩展性很强，应用前景广泛。然而，EDCA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，EDCA无法调节控制网络状态，保障服务质量。由于EDCA是基于竞争的接入，接入控制算法有其复杂性和相关性，IEEE8021LE协议中并没有为EDCA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IEEE8021IE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31无线局域网接入控制方案概述IEEE80211E协议中，由于接入控制算法的复杂性，EDCA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QOS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。32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。321TIMEWINDOWMEASUREDSUMMBACSCHEME论文【3L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VF业务流。当VVF1J门701时，认为网络负载过重，三个参数各增加一个量；当，玎T1。数据传输失败的最大可能就是网络繁忙，因此，这样就能够快速增加最小窗口，也就能减少BE数据的传输机会。3当连续数次传输成功时，动态减小参数CWMIN0CWMIN0口肛1AIFS0】HIFS0I谚谚1。这样，在网络负载较轻时，就能增加BE数据的传输机会。这个方案很多想法都是比较创新有用的，但是仍然有DAC网络震荡大的缺点，而且多重调节BE数据的相应参数，可能会导致多个站点同时调节，虽然能够比较快速地缓解网络问题，但是BE数据的震荡也会很大。另外，QOS保障TXOP参数没有和每个应用建立直接的联系。324RELATIVEOCCUPIEDBANDWIDTH和AVERAGECOLLISIONRATIOMETHOD这个接入控制方案在文16】中提出，它是一种完全分布式的接入控制方案，无需AP就能够由每个站点决定接入，因而可以简单的应用于ADHOC网络，而且该方案简单而易于实现。该方案主要包括两个方法第一种是RELATIVEOCCUPIEDBANDWIDTHMCTHOD，通过统计一个取样周期内己占用的带宽来判断网络带宽的利用程度，并尽力保持带宽利用在稳定水平，并在超出域值的情况下双向凋节业务流接入新的高优先级业务流，或者暂停最低优先级的业务流。第二种是AVERAGECOLLISIONRATIOMETHOD，通过统计一个周期的冲突率来双向调节，保证冲突率处在平稳的低水平。出于这两种决策方案所用的参数都在8021LE中已有定义，而且决策的计算是线性的，所以本算法简单而易于实行。该方案的缺点在于由于双向调节机制在网络比较繁忙时，会暂停某些业务流的传输，这样显然无法满足保证QOS，更无法J应用层的QOS联系。I刊时域值的确定比较困难，而且固定的域值显然无法满足不同的网络情况。4E立窑堑厶堂鲤上堂位迨塞玉缮屋筮旦的缝趁制左塞325HARMONICA该算法在文【7】中提出，主要由QAV利用LQILINKLAYERQUALITYINDICATOR来动态调节QOS参数，为应用提供QOS保证并让网络的利用率达到最优。同时，该算法还运用了简单灵活的接入控制方案来避免网络捌塞。在该算法中，LQI主要包括丢包率、链路层端到端的延时、带宽。该算法主要包括调节算法和接入控制算法。在调节算法中，AP基于LQI参数集，周期性调节OOS参数集。主要分为RELATIVEADAPTATION和BASEADAPTATION。前者调节不同类别服务的参数差值，为高优先级的服务提供更好的支持而后者同时增加减少各类服务的参数值，为缓解网络整体负载或更优的利用网络资源。在接入控制算法中，BE数据直接接入，其它数据接入要检测下列条件1RELATIVEADAPTATION参数达到平衡水平；2BE_THROUGHPMREQTHROUGHPUTBE_MIN，保证了基本的BE数据流的网络需求；3REQ能转化成类别I的业务流而并能满足QOS需求。_THROUGHPUT该算法还可以自调节一旦错误地接受了某个实时业务流，导致网络拥塞或者BETHROUGHPUT小于BEM玳，AP能够选择丢弃最新接受的业务流并通知相应站点。该算法的优点在于创意的提出基于链路层参数的调节机制，并且同时考虑各类业务流的带宽、延时和丢包率，对QOS考虑较全面，调节算法和接入算法也较简单，计算量不大。它的缺点在于业务流的分类还是基于8021LE的8个优先级，4个AC，这样的分类显然无法近似的模拟各个业务流的不同QOS。另外，调节算法中要选择适当的参数增量也不是易事，增量太大会导致震荡太大而增量太小又要花费长时间才能达到优化状态。326PERSTREAMQOS文F8J创意的提出了基于每个业务流的EDCA接入控制方案。该文利用了用于HCCA的TSPECTRAFFICSPECIFICATION参数集，并通过限定物理层传输速率来计算出每个站点中每个业务流的信道占用比率，通过新业务流和已有业务流的比例和是否小于域值EA来决定是否接入新业务流。该算法的优点在于创新，使用了HCCA中的TSPEC，提供了基于每个业务流的全面的QOS支持，接入控制时考虑非常全面，基本能够保证每个接入QK务流的服务质量。然而它的缺点在于未考虑BE数据流，也没有考虑在网络，|L塞时如何调节QOS参数来爆力保证业务流并缓解自H塞。B豆塞堑厶堂亟堂垃逾塞玉线厦基圆曲接撞劁友塞另外，虽然是基于流的QOS参数的控制仍然是基于每个站点的，并没有探讨在每个站点中有多个业务流的延时情况；虽然基于EDCA，可是根本没有考虑AC的作用。上述众多算法都是基于测量的接入控制方案，试用于EDCA网络，各有新意和用途，但是他们都有不足之处。33基于模型的接入控制方案不同于基于测量的接入控制方案，基于模型的接入控制方案以数学模型为依据，理论性更强，考虑也更为周密。但是，相对而占，基于模型的方案实现复杂，而且都基于与现实不符的假设，实用性不强，动态性也不足。目前基于模型的接入控制方案主要有以下几个。331CALLACCESSCONTROL文【9】提出了基于模型的接入方案。它基于假设冲突率是固定常数，而且站点是贪婪的，有无限的数据需要发送。每次新接入一个业务流，计算新业务流的冲突率以及带宽，随后，重新计算每个业务流能得到的带宽，如果带宽小于所需带宽，调节CW和TXOP，重新计算能得到的带宽；如果CW和TXOP都达到了调解限度，就拒绝该业务流；否则，在所有业务流都能够满足所需带宽的情况下，把新的CW和1XOP值发给相应业务流，并接受新业务流。该算法中的I孛突率以及每个业务流可得到的带宽分析都是基于模型的，然而由于假设是不合理的，计算也较复杂，不适于实际情况。文LLOJ中也提出了一个方案，它基于假设所有站点都是贪婪的，信道出错率为0，且没有隐藏结点。接入方案比较类似CALLACCESSCONTROL，也是通过带宽分析，决定是否接入。并在决定接入后，为所有站点更新CW值。且为了简化，文【L把AIFSDS，PFI，CWMAXCWMINCW。该方案也有上一个方案的缺点，而且每次重新计算，重新分配CW非常复杂，可以考虑HCCA。332THTEEDIRNENSIONALMARKOVCHAINMODEL文O提出了一个新的模I；IJ维马尔可夫链。陔方案考虑了更多QOS参数带宽，延时等。也假设了网络环境是理想的没有信道错误，没肓隐域站点而目16E峦銮堑厶堂亟堂焦途塞丞缮厦筮圈曲缝毽制左塞每个站点至少有一帧等待发送。这个算法的优势在于考虑了更全面的QOS参数，缺点在于这些参数问的依赖是不平凡的，算法的计算显然更为复杂，花费代价太大。333CMMCACCENTRALIZEDMEASUREMENTASSISTEDMODELBASEDCALLACCESSCONTR01文提出了一个可以处理不贪婪站点的马尔可夫链模型，并参照了文的MGI队列系统。这个模型比其他模型更切合实际，但是计算仍有一定的复杂度，而且同CALLACCESSCONTROL中两文类似，只考虑了带宽，没有考虑其他QOS因素。34现有无线局域网接入控制方案小结总的来说，基于模型的接纳方案虽有明确的数学根据，更能够全局优化，但是这些方案计算过于复杂，需要QAP支持QOS的AP全局控制，而且模型常常建立在一些与实际不符的假设，所以很难应用于实际的系统。相较而言，基于测量的接入方案比较有效而且易于实现。因此，实际使用中基于测量的接入控制方案更受青睐。但是，现有的基于测量的方案仍然存在很多不足1，QOS仅考虑带宽，没有和每个应用建立直接的关系；2。无法根据网络实际情况动态调节3网络无法达到最优状况，有些接入算法应用后总的吞吐量甚至比没有接入控制更少4，网络性能震荡很大；5，在网络负载过重的情况下效果不佳，无法有效解决拥塞；6BE数据的震荡很大；7，移动站点物理速率变化差异大，现有算法很少考虑站点的物理速率。基于现有接入控制算法的不足，本文充分考虑后提出了一个改进的接入控制算法，本接入控制算法的主要优点在于1算法全面考虑业务流的平均速度，峰值速度，突发时删演示，能够和应用层的QOS需求结合2接入控制锋法动念凋节机制，使网络现有流量动态平衡，使网络利用率最优7塞壅堑厶堂亟兰焦逾塞歪缉厦筮旦啦篮丝剑友塞3在MAC层进行流量整形，减少业务流抖动；4在网络拥塞的情况下，对己接入业务流提供优先的保障；5接入控制算法考虑站点物理速率，避免由于有些业务流物理速率过低而影响整体效率。本方案将在下一章节详细描述。瘟奎熊厶堂亟兰位途窒基工基E星Q2星旦的挂厶控制4基于IEEE8021LEEDCA的接入控制41IEEE8021LE接入控制方案411接入控制概述IEEE8021LE的EDCA机制主要在原先的IEEE802NDCF机制上提供了区分服务，让不同优先级的业务流得以用不同的优先级接入信道。但是，如果没有接入控制方案，在有限资源的无线局域网中，冲突仍然难以避免，根本无法保障业务流的服务质量。因此，在本章中将要详细介绍一个完整的接入控制方案。在正EE8021LE协议中，使用EDCAPARAMETERSETEDCA参数集中的ACMACCESSCONTROLMANDATORY域来指定哪些AC需要接入控制决策来决定是否可以接入，哪些AC不需要接入控制可以直接接入无线局域网。在EDCA区分服务中，主要通过调节上述的EDCA参数集来实现区分优先级，让高优先级业务流更易得到信道的使用权。然而，在本接入控制方案中，除了EDCA参数集，还要考虑TSPECTRAFFICSPECIFICATION参数集，以提供基于特定业务流需求的接入控制方案。本方案主要考虑平均速率，延时，最小物理速率和信道占用时间。平均速率MEANDATARATE是业务流到达的平均速度，以每秒BIT数为单位。峰值速率PEAKDATARATE是业务流到达的最高速率。突发时间BURSTTIME是业务流以峰值速率到达的最大突发量，为0代表无突发。延时DELAY是指业务流允许的延时，以毫秒为单位。这四个参数代表了业务流主要的QOS需求。晟小物理速率MINIMUMPHYRATE则指出了接入控制后，该业务流传输的最小速率，由于无线局域网中站点可以随时移动，业务流的传输速率随着站点距离的变化也会产生变动，然而，如果站点的传输速率显著降低，在优先级不便的情况下，站点占用的信道资源将显著增加，也就会导致冲突率上升，其他已经接入的站点服务质量无法得到保障。因此，在接入控制算法中，必须考虑站点的物理速率，一旦站点速率小于它保证的最小物理速率后，站点就无法按照原有优先级接入信道。信道占用时间MEDIUMTIME指出了站点接入信道后，允许的信道占用时间，以32US为单位。这是由接入控制算法计算后得出的允入时FNJ，由QAPQOSACCESSPOINT，支持QOS的无线接入点传递给QSTA支持QOS的站点，在QSTA本地控制该业务流在指定周期内允许传输的FL,FFBJ，减少了冲突可能，提高了服务质19E丞窑堑厶堂亟堂位监塞基王星呈垦Q2L旦立盥姥蕉壹量保障。最大服务间隔MAXIMUMSERVICEINTERVAL表示使用了接入控制的流周期性的间隔使用新到，占用的时洲为QAP计算的TXOP。一般MSDU大小NOMINALMSDUSIZE表示在允许接入控制后发送报文的大小。剩余带宽容量SURPLUSBANDWIDTHALLOWANCE表示QSTA剩余的带宽容量。本节概要介绍了接入控制算法的作用，算法主要考虑的参数，以及每个参数的意义和表示，在下面的章节中，将要详细描述接入控制决策在QAP和QSTA中的实施流程。412QAP的接入算法与流程QAP主要承担接入决策和EDCA参数调节功能。每当QSTA接收到新业务流时，如果业务流所在AC的ACM为1，表示业务流需要接入控制决策。此时，QSTA需要发送ADDTSREQUESTADDTRAFFICSTREAMREQUEST，增加业务流请求帧，该帧包括TSPEC参数集，可以指定业务流需要的QOS参数。QAP收到ADDTSREQUEST帧后，根据指定的接入控制算法做出是否允许接入的决策。如果允许接入，就按照计算得出的该业务流允许的信道占用时间填写MEDIUMTIME域，否则就拒绝该业务流，接入决策的结果通过ADDTSRESPONSE帧返回给QSTA。在IEEE8021IE中，QSTA中每个申请准入控制的队列维护2个变量ADMITTEDTIME，USEDTIME，这两个值在关联成功后会被置为0，QSTA可能随后显视的去请求MEDIUMTIME为一个AC。为了能够完成这个请求，QSTA需要在ADDTSREQUEST帧放入TSPEC单元，这个单元包括NOMINALMSDUSIZE一般MSDU的大小，MEANDATARATE平均数据速率，MINIMULTIPHYRATE最小物理速率，INACTIVITYINTERVAL不活动间隔，和SURPLUSBANDWIDTHALLOWANCE剩余带宽容量。其中在ADDTSREQUEST帧中MEDIUMTIME这个域没有用处，它被置为0，但在ADDTSRESPONSE中这个域就表示这条流可以占用的时J日J。QSTA发送ADDTSREQUEST帧后，一旦收到包含TSPEC单元的ADDTSRESPONSE帧，QSTA要为每个AC重新计算ADMITTEDTIME为了表示QSTA的一些动作，定义了两个参数，USED表示使用的时白J，_TIMC单位是32US，在QSTA中的DOTILEDCAAVERAGINGP