（計算機應用技術(shù)專業(yè)論文）無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障機制的研究.pdf

曲阜師范大學博士 碩士學位論文原創(chuàng)性說明 在口劃 4 本人鄭重聲明 此處所提交的博士口碩士日論文 無線局域網(wǎng)中服 務質(zhì)量保障機制的研究 是本人在導師指導下 在曲阜師范大學攻讀博士 口碩士囪學位期間獨立進行研究工作所取得的成果 論文中除注明部分外 不包含他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 對本文的研究工作做出重要貢獻的 個人和集體 均已在文中已明確的方式注明 本聲明的法律結(jié)果將完全由本 人承擔 儲攤 嗍 e l 期 狒 6 2 曲阜師范大學博士 碩士學位論文使用授權(quán)書 在口劃 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障機制的研究 系本人在曲阜師范大學攻讀 博士口碩士口學位期間 在導師指導下完成的博士口碩士口學位論文 本論文的研究成果歸曲阜師范大學所有 本論文的研究內(nèi)容不得以其他單位 的名義發(fā)表 本人完全了解曲阜師范大學關(guān)于保存 使用學位論文的規(guī)定 同意學校保留并向有關(guān)部門送交論文的復印件和電子版本 允許論文被查閱 和借閱 本人授權(quán)曲阜師范大學 可以采用影印或其他復制手段保存論文 可以公開發(fā)表論文的全部或部分內(nèi)容 作者簽名 峋編 導師簽名 i 為仲食 日期 2 糾d 莎 z 日期 p 0 1 0 6 零 摘要 無線局域網(wǎng) w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w l a n 是2 0 世紀9 0 年代計算機網(wǎng)絡技術(shù)與 移動通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 在現(xiàn)實生活中得到廣泛應用 滿足了人們對于寬帶無線接入 網(wǎng)絡的迫切要求 然而無線用戶的增多也帶來了服務質(zhì)量 q u a l i t yo f s e r v i c e q o s i h j 題 下 一代無線網(wǎng)絡環(huán)境越來越要求支持更廣泛范圍內(nèi)的實時多媒體應用 并能滿足人們在移動 中隨時隨地訪問因特網(wǎng)的需要 因此 如何保障無線局域網(wǎng)的服務質(zhì)量是當前網(wǎng)絡通信領(lǐng) 域研究的熱點問題 本文在分析當l j w l a n 對q o s 的支持情況和i e e e8 0 2 1 1 標準m a c 協(xié)議的基礎(chǔ)上 把無線局域網(wǎng)m a c 層的q o s 支持作為研究目標 并將研究重點放在了基于競爭的增強分 布式協(xié)作機制和a p 切換保障機制上 無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量保障機制對于增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)?可靠性 減少資源爭奪從而提高頻帶利用率 減少時延具有重要意義 本文首先針對增強分布式協(xié)作模式的信道訪問機制進行研究 提出其信道訪問機制屬 于p 堅持c s m a c a c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c a r r i e ra v o i d a n c e 并對p 值進行了詳細 的理論分析和推導 從理論上得出節(jié)點成功訪問信道概率的最優(yōu)值為n 指出某節(jié)點在 從l 到ie nl 的任何時隙內(nèi)都不成功的概率以獨立于n 的常數(shù)e 1 為上界 在t 2 le li nn 個時隙內(nèi) 所有節(jié)點以不小于1 n 1 的概率至少成功訪問信道一次 通過得出某個節(jié)點和 所有節(jié)點成功訪問信道的概率 為進一步研究無線局域網(wǎng)q o s 保障機制提供充分的理論依 據(jù) 其次 在w l a n 的擴展服務集模式下 當節(jié)點有多個a p 可選時 由于某a p 信號強 度過大接入該a p 設備的用戶較多 從而造成了網(wǎng)絡流量負載過重問題 針對此問題 采 用在終端重連接過程中同時考慮各個a p 信號強度和信道實際利用率的方法 提出a p 切 換保障機制 根據(jù)負載均衡a p 來最大限度的利用鏈路資源 并在此基礎(chǔ)之上 對鄰居圖 重連接算法進行改進 提出o n g o p t i m i z e dn e i g h b o r sg r a p h 算法 最后 通過對鄰居圖重連接算法和o n g 算法進行實驗仿真 根據(jù)對二者實驗數(shù)據(jù)的 分析比較 得出o n g 算法能較好的減少時延 增加系統(tǒng)吞吐量 從而保障了無線局域網(wǎng) 的服務質(zhì)量 關(guān)鍵詞 無線局域網(wǎng) 服務質(zhì)量 切換保障機制 增強分布式協(xié)作模式 o n g a b s t r a c t w i r e l e s sl a nw h i c hi st h er e s u l to fc o m b i n i n gc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yw i t hm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e si nt h e19 9 0 s h a sr a i s e dn e ww a v eo fm o b i l ec o m p u t i n g a n dh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nt h er e a lw o r l d i ts a t i s f i e sp e o p l e sd e m a n d sf o rb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s n e t w o r k w i r e l e s su s e r sa r ei n c r e a s i n gw h i c hb r i n g sas e r i e so fp r o b l e m so fq u a l i t yo fs e r v i c e n e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t i sr e q u i r e dm o r ea n dm o r ew i d er a n g ef o r s u p p o r t i n gr e a l t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s a n dc a nm e e tt h en e e d so fp e o p l ea c c e s s i n gt h e m o b i l ei n t e r n e ti na n y t i m e t h e r e f o r e h o wt og u a r a n t e ew l a nq o si sah o tr e s e a r c ht o p i ca t p r e s e n t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no fw l a nq o ss u p p o r ta n di e e e 8 0 2 11m a c p r o t o c o l w et a k et h ei e e e 8 0 2 1 1s u p p o r t i n gq o si nw l a nm a cl a y e ra st h er e s e a r c ht a r g e t a n df o c u so nt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fc o m p e t i t i o ne d c fa n da ps w i t c hs e c u r i t y m e c h a n i s m w l a ns e r v i c eq u a l i t yg u a r a n t e em e c h a n i s mf o ri n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t a t r a n s m i s s i o nb a s e do nr e a l t i m ea n ds a v i n gr e s o u r c e st oi m p r o v es p e c t r u ma v a i l a b i l i t yr a t i o r e d u c et h ed e l a yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e r f i r s t l y m a k e sad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e r i v a t i o no fpv a l u ei n p p e r s i s t e n tc s m a c ao fe n h a n c e m e n td i s t r i b u t e dc o o p e r a t i o nf u n c t i o n t h eo p t i m a lv a l u eo f t h ep r o b a b i l i t yo fn o d es u c c e s s f u l l yv i s i t i n gc h a n n e li s 1 nt h e o r e t i c a l l ya n dp o i n t so u tt h a tt h e p r o b a b i l i t yo f t h en o d eh a v i n gn o ts u c c e s s f u l l yv i s i t e dc h a n n e la ta n yt i m ef r o m1t oie g i t i m e s l o t si sl ew h i c hi sm a x i m u m w i t h i nt 2ie nii nnt i m es l o t s a l ln o d e sw i t hn o tl e s st h a nt h e p r o b a b i l i t yo f1 n s u c c e s s f u l l yv i s i tc h a n n e lo n e t i m ea tl e a s t t h r o u g hg e t t i n gt h ep r o b a b i l i t y o fan o d ea n da l ls u c c e s s f u l l yv i s i t i n gc h a n n e l i tp r o v i d e ss u f f i c i e n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e r r e s e a r c hw l a nq o sg u a r a n t e em e c h a n i s m s e c o n d l y i nt h ew l a ne x p a n s i o ns e r v i c es e tm o d e w h e nt h en o d eh a saf e wa p s t ob e s e l e c t e d t h eu s e r so fa p a r em o r el e a d i n gn e t w o r kt r a f f i c1 0 a de x c e s s i v ew e i g h tb e c a u s eo fs o m e s i g n a lo fa pa r et o os t r o n g b o t ht h i n k i n go v e re a c ha ps i g n a li n t e n s i t ya n da c t u a lu t i l i z a t i o no f c h a n n e li nt h ep r o c e s so fr e c o n n e c t i n g w ep u tf o r w a r du n i n t e r r u p t e ds l i d es w i t c ha pa c c e s s c o n t r o lm e c h a n i s m a n du s el i n kr e s o u r c e sa c c o r d i n gt ot h ea pm a x i m u ml o a db a l a n c i n g b a s e d o nt h e s e w ei m p r o v et h en e i g h b o r sg r a p hr e c o n n e c t i n ga l g o r i t h m p u tf o r w a r dt h eo p t i m i z e d n e i g h b o r sg r a p ha l g o r i t h m f i n a l l y t h r o u g ht h en e i g h b o r sg r a p hr e c o n n e c t i n ga l g o r i t h ma n do p t i m i z e dn e i g h b o r sg r a p h a l g o r i t h mn s 2s i m u l a t i o n a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a w em a k eaa n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nb e t w e e nt w o c o m p a r e dw i t ht w o w ec a l l l e a r nt h a to p t i m i z e dn e i g h b o r sg r a p h a l g o r i t h mr e d u c e sd e l a y sa n di n c r e a s e st h es y s t e mt h r o u g h p u t t h e r e b y i tg u a r a n t e e sw l a n q u a l i t yo f s e r v i c e k e y w o r d s w l a n q o s g u a r a n t e em e c h a n i s m s w i t c hs e c u r i t ym e c h a n i s m e d c f o n g 目錄 第一章緒論 1 1 1 論文研究背景及現(xiàn)狀 1 1 2 論文的研究內(nèi)容及意義 2 1 3 論文的組織結(jié)構(gòu) 3 第二章無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量保障機制相關(guān)研究 4 2 1 無線局域網(wǎng)架構(gòu) 4 2 2 無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量定義及存在問題 4 2 2 1 無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量定義 4 2 2 2 無線局域網(wǎng)中存在的主要問題 5 2 3w l a nq o s 保障的主要技術(shù)1 2 0 5 2 3 1 退避算法 5 2 3 2 區(qū)分幀間隔 6 2 3 3 競爭窗口 6 2 3 4 最大幀長度 6 2 4 無線局域網(wǎng)q o s 保障機制 6 2 4 1 傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)q o s 機制 6 2 4 2 過渡的無線局域網(wǎng)q o s 標準w m m 7 2 4 3 傳統(tǒng)w l a nq o s 保障機制的不足 8 2 4 4 支持q o s 保障機制的i e e e8 0 2 1 1e 協(xié)議 8 2 5w l a n 中q o s 保障機制的分類1 2 1 0 2 5 1 區(qū)分服務機制 1 0 2 5 2 物理層的鏈路適應機制 10 2 5 3m a c 層的資源預留與允入控制 1 l 2 5 4i e e e 8 0 2 1 l 參數(shù)調(diào)節(jié) 1 1 2 5 5a p 切換保障機制 1 l 2 6 總結(jié) 12 第三章e d c f 信道訪問機制 p 值的理論分析與推導 1 3 3 1d c f 與e d c f 分析比較 13 3 2c s m a 系列協(xié)議介紹 1 4 3 2 1 非峰持c s m a 15 3 2 21 峰持c s m a 方式 15 3 2 3p 峰持c s m a l5 v 3 3c s m c a 與c s m c d 協(xié)議的區(qū)別 1 6 3 4p 略持c s m c a 算法的提出及接入過程 l8 3 4 1p 峰持c s m c a 算法的提出 1 8 3 4 2p 峰持c s m c a 算法的接入過程 1 8 3 5p 值的理論分析 1 9 3 5 1p 值推導 19 3 5 2 特定節(jié)點成功訪問的概率 2 0 3 5 3 所有節(jié)點成功訪問的概率 2 l 3 6 總結(jié) 2 1 第四章a p 切換保障機制 對鄰居圖重連接算法的改進 2 2 4 1a p 切換保障機制的定義及切換原因 2 2 4 1 1a p 切換保障機制定義 2 2 4 1 2a p 切換原因 2 2 4 2a p 鄰居圖相關(guān)介紹 2 3 4 2 1a p 鄰居圖簡介 2 3 4 2 2a p 鄰居圖創(chuàng)建方法 2 4 4 2 3a p 鄰居圖算法原理 2 5 4 3o n g 算法的設計 2 6 4 3 1a p 鄰居圖重連接標準的提出 2 6 4 3 2o n g 算法基本思想及其描述 2 7 4 4o n g 算法的仿真實現(xiàn) 2 8 4 4 1n s 2 簡介 2 8 4 4 2o n g 算法仿真 2 9 4 5 總結(jié) 3 3 第五章論文總結(jié)與展望 3 4 參考文獻 3 5 攻讀學位期問發(fā)表的學術(shù)論文 3 7 致謝 3 8 v 無線局域i 4 中服井質(zhì)量保障機制的研究 1 1 論文研究背景及現(xiàn)狀 第一章緒論 無線局域網(wǎng)是指以無線信道作為傳輸媒介的計算機局域網(wǎng) 是有線聯(lián)網(wǎng)方式的重要補 充和延伸 并逐漸成為計算機網(wǎng)絡中一個至關(guān)重要的組成部分 適用于需要可移動數(shù)據(jù)處 理或無法進行物理傳輸介質(zhì)布線的領(lǐng)域 由于其低成本和部署簡單 近幾年得到了蓬勃發(fā) 展 在無線局域網(wǎng)中部署多媒體應用也同益成為人們關(guān)注的焦點 例如使用v o i p v o i c eo v e r i n t e m e tp r o t o c 0 1 電話 觀看視頻等等 根據(jù)美國通信委員會f c c 數(shù)據(jù)顯示 近年來 公共 用戶使用v o l p 線路的數(shù)目正在逐年增加 提供互聯(lián)網(wǎng)免費v o l p 業(yè)務的s k y p e 公司在2 0 0 5 年就有1 0 0 億分鐘的通話記錄 快速發(fā)展的多媒體應用對無線局域網(wǎng)的擁塞 時延 吞吐 量等服務質(zhì)量提出了更高的要求 因此無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量保障機制也應運而生 成為人 們研究的熱點 國內(nèi)外相關(guān)文獻表明 對無線局域網(wǎng)中的q o s 保障機制的研究主要體現(xiàn)在區(qū)分服務機 制和a p 切換保障機制 在區(qū)分服務機制方面 文獻 1 在按節(jié)點區(qū)分優(yōu)先級機制的基礎(chǔ)之 上 給出了一種基于流的區(qū)分服務機制 該機制能夠?qū) c p 流進行很好的區(qū)分 文獻 2 提出了一個改進的具有區(qū)分功能的m a c 機制r d c f p r e v i s e dd c f p r i o r i t y 該機制引入 了優(yōu)先級的區(qū)分和補償門檻機制 減少了信道的沖突和空閑等待時間 文獻 3 仿真證明 e d c f 可以為無線局域網(wǎng)提供q o s 保證 但在高優(yōu)先級音頻流和視頻流過多的情況下 系 統(tǒng)性能有所下降 文獻 4 i 幣u 用二維馬爾可夫鏈模型分析了i e e e8 0 2 1 1d c f 在飽和狀態(tài)下 的延遲特性 提出了二進制回退算法中平均回退窗的計算方法和分布式協(xié)調(diào)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 中接入延遲的理論分析方法 文獻 5 提出了一種改 進機制帶優(yōu)先級的分布式協(xié)作模式 d c f p r i o r i t y 文獻 6 從理論上分析了采用傳輸機會以 及考慮信道誤碼時增強型分布式協(xié)作模式 e n h a n c e m e n td 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 e d c f 的性能 文獻 7 提出了基于m a r k o v 鏈的e d c f 理論分析模型 仿真證明系統(tǒng)飽和 吞吐量和多媒體業(yè)務的成功發(fā)送概率及碰撞概率的理論分析結(jié)果基本準確 文獻 8 1 8 u 用 m a r k o v 模型對具有優(yōu)先級機制的d c f 的飽和吞吐量 飽和時延進行分析 文獻 9 提出用 不同的i f s i n t e r f r a n l es p a c e s 來制定優(yōu)先級 高優(yōu)先級使用更短的i f s 而低優(yōu)先級使用更 長的i f s 文獻 1 0 提出在退避算法中 根據(jù)不同的最大競爭窗口c w m a x m a x m u mc o n t e n d w i n d o ws i z e 幣1 最小競爭窗口c w m i n m i n i m u mc o n t e n dw i n d o ws i z e 來制定優(yōu)先級 文獻 l l 提出3 種優(yōu)先級機制來實現(xiàn)q o s 靜態(tài)優(yōu)先級安排 i f s 優(yōu)先級機制 退避算法優(yōu)先級 機制 在a p 切換保障機制方面 在信道掃描階段 目i j i 的研究主要集中在掃描參數(shù)優(yōu)化 減少掃描信道的個數(shù) 減少掃描單個信道時間和提前掃描信道這幾個方面 1 2 l 文獻 1 3 1 證 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量 l 障機制的研究 明信道掃描階段的時延占整個m a c 切換時延的9 0 以上 m i s h r aa s h i nmw a r b a u g h a 1 4 等人通過實驗發(fā)現(xiàn)移動終端在6 5 m s 左右能收到9 0 的掃描回復幀 而在1 l m s 左右會 收到的掃描回復幀將近1 0 0 文獻 1 5 1 6 1 提出了基于選擇性的信道掃描 w s n w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k 算i 去 1 6 在無線局域網(wǎng)之上覆蓋一層無線傳感器網(wǎng)絡減少切換時延的算法 不過此算法實現(xiàn)起來有點困難 s y n c s c a n 算法提出了一種基于同步a p 信息快速切換算法 m u l t i s c a n 算法 1 7 1 提出了使用多無線接e l 技術(shù)減少切換時延的算法 p r o a c t i v e s c a n 算法 1 8 j 提出了一種純軟件純客戶端的提f j 掃描信道的快速切換算法 但是如果提前掃描信道的時 間較長 有可能造成被掃描的a p 的r s s i r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r 信息過期 從 而導致切換不到最優(yōu)a p 定位算法l l9 j 提出了一種基于移動終端定位的減少認證時延的算 法 鄰居圖重鏈接算法 l5 提出了使用鄰居圖來減少重連接時延的算法 預測算法 l6 j 使用選 擇性緩存鄰居 s e l e c t i v en e i g h b o rc a c h i n g s n c 算法將上下文信息只發(fā)送給有可能切換到 的鄰居a p 無線局域網(wǎng)作為有線網(wǎng)絡的有益補充 已得到廣泛應用 但人們對實時業(yè)務的要求也 越來越高 如何保障w l a n 的服務質(zhì)量已經(jīng)成為人們研究的熱點 1 2 論文的研究內(nèi)容及意義 無線局域網(wǎng)是2 0 世紀9 0 年代計算機網(wǎng)絡與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 它具有安裝 便捷 使用靈活 經(jīng)濟節(jié)約和易于擴展等特點 利用射頻 r a d i of r e q u e n c y r f 技術(shù) 取代 舊式的雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡 提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能 網(wǎng)絡所需的基礎(chǔ)設施不 需再埋在地下或隱藏在墻罩 也能夠隨需移動或變化 使得無線局域網(wǎng)絡能利用簡單的存 取構(gòu)架讓用戶透過它 達到 信息隨身化 便利走天下 的境界 w l a n 使用無線信道來接 入網(wǎng)絡 為通信的移動化 個人化和多媒體應用提供了潛在的手段 并成為寬帶接入的有 效手段之一 鑒于w l a n 的以上優(yōu)點 它被廣泛應用于各行各業(yè) 然而隨著其廣泛應用和規(guī)模的 擴大 保持良好的網(wǎng)絡性能已成為其發(fā)展瓶頸 如時延 吞吐量 丟包率 抖動等網(wǎng)絡服 務質(zhì)量的量化參數(shù)都不能得到很好的保障 w l a n 網(wǎng)絡服務保障機制是確保網(wǎng)絡能夠正確 實時有效運行的關(guān)鍵技術(shù) 因此在w l a n 中如何保障高效的服務質(zhì)量是w l a n 面臨的重 要問題 是目前w l a n 研究的熱點和難點問題 也是本文所要研究的主要內(nèi)容 目前w l a n 中服務質(zhì)量保障機制研究的兩個重要方面是 無線局域網(wǎng)中的區(qū)分服務機制和a p 切換保 障機制 雖然在這兩方面已有很多研究文獻 但是仍然存在這樣或那樣的問題 如區(qū)分服 務機制方面 由于無線局域網(wǎng)i e e e8 0 2 1 1 的c s m a c a 協(xié)議本質(zhì)上是一種競爭信道的接 入方法 這就從根本上決定了無線局域網(wǎng)只能做略高于 盡力而為 的定性q o s 保障而非定 量q o s 保障 而且大多數(shù)研究集中在優(yōu)化無線局域網(wǎng)的配置以提高網(wǎng)絡吞吐量這一方面 而在對業(yè)務的時延保證 時延抖動 信道控制機制等方面 還有很多工作并不完善 而a p 2 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障機制的研究 切換保障機制方面 雖然在時延保證 時延抖動方面也有很多研究文獻 但是在切換過程 中確少精確的觸發(fā)條件 而觸發(fā)條件又是切換過程能否精確有效完成的決定性因素 這樣 就致使許多研究文獻只能是理論分析 缺乏說服力 因此對w l a n 中服務質(zhì)量保障機制的研究具有重大意義 w l a n 服務質(zhì)量得到了保 障 其網(wǎng)絡效率和性能將會大大提高 從而減少網(wǎng)絡j 爿 塞 時延等 同時也提高了網(wǎng)絡資 源利用率和網(wǎng)絡容忍度 1 3 論文的組織結(jié)構(gòu) 本文主要針對w l a n 中服務質(zhì)量保障機制進行研究 首先 介紹了本課題的研究背 景 現(xiàn)狀及意義 其次是w l a n 的架構(gòu) 主要組成和w l a nq o s 定義 簡單介紹q o s 保 障機制相關(guān)技術(shù)及保障機制發(fā)展歷程 并對保障機制進行詳細分類 再其次 對d c f 和 e d c f 兩種媒體接入方式進行簡單的分析比較 提出e d c f 媒體接入方式屬于p 堅持型 c s m a c a 協(xié)議 并對c s m a c a 協(xié)議中p 值進行了進一步的理論分析和推導 最后 從 a p 切換保障機制入手 針對切換過程的重連接階段 提出新的切換方法 并對鄰居圖重 連接算法進行改進 最后通過仿真證明該算法的有效性 全文章節(jié)安排如下 第一章介紹了論文的研究背景 現(xiàn)狀以及存在的問題 介紹論文所做的工作和組織結(jié) 構(gòu) 第二章對w l a n 及其服務質(zhì)量進行簡單介紹 剖析服務質(zhì)量保障機制存在的問題 詳細介紹w l a n 服務質(zhì)量保障機制的發(fā)展歷程并對其進行詳細分類 第三章針對無線局域網(wǎng)的信道訪問機制 對分布式協(xié)作模式和增強分布式協(xié)作模式進 行分析比較 提出增強分布式協(xié)作模式的信道訪問控制方式屬于p 略持c s m a c a 型 并 對其p 值進行詳細的理論分析與推導 第四章針對在w l a n 的擴展服務集模式下 當節(jié)點有多個a p 可選時 由于某a p 信 號強度過大接入該a p 設備的用戶較多造成網(wǎng)絡流量負載過重問題 提出了a p 切換保障 機制 對a p 保障切換機制的重連接階段進行詳細研究 提出了新的切換方法 并對鄰居 圖重連算法進行改進 第五章總結(jié)了本文所做的工作 并對今后的研究工作及研究方向進行展望 3 無線局域剛中服務質(zhì)量保障u l n 的研究 第二章無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量保障機制相關(guān)研究 2 1 無線局域網(wǎng)架構(gòu) 無線局域網(wǎng)架構(gòu)主要有三種 自治式架構(gòu) 集中式架構(gòu)和分布式架構(gòu) 本文研究的無 線局域網(wǎng)架構(gòu)屬于自治式架構(gòu) 涉及到的a p 都是自治式a p 這些a p 可以作為獨立的網(wǎng) 絡實體進行管理 另外 自治式架構(gòu)是一種適用于a p 數(shù)量較少的架構(gòu) 自治式架構(gòu)圖如 圖2 1 所示 無線終端 圖2 1 自治式架構(gòu)圖 圖2 1 是一個采用胖a p 的自治式網(wǎng)絡 虛線代表傳輸介質(zhì)為無線 實線代表傳輸介 質(zhì)為有線 胖a p 是網(wǎng)絡中的一個可以尋址的節(jié)點 在其接口上具有自己的i p 地址 它能 在有線和無線接口之間轉(zhuǎn)發(fā)流量 圖中的胖a p 不僅能提供 類似于路由器 的功能而且 能提供訪問控制列表 a c l a c c e s sc o n t r o ll i s t 功能 除此之外 a p 還能提供與服務質(zhì)量 有關(guān)的功能配置和實施 2 2 無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量定義及存在問題 2 2 1 無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量定義 所謂服務質(zhì)量 q u a l i t yo f s e r v i c e q o s 簡而言之就是利用不同的技術(shù)提供可靠有效的 網(wǎng)絡傳輸服務 而無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量 就是在無線局域網(wǎng)中利用退避算法 區(qū)分幀間隔 競爭窗口等技術(shù)為無線局域網(wǎng)提供可靠 實時的網(wǎng)絡傳輸服務 網(wǎng)絡服務質(zhì)量以時延 吞吐量 丟包率 抖動等具體的量化參數(shù)衡量其性能 是業(yè)務 性能的綜合反映 它涵蓋了多種合理使用網(wǎng)絡資源的智能技術(shù) 確保網(wǎng)絡過載或擁塞時的 4 無線局域m 中服務質(zhì)量保障機制的研究 高效運行 但不同業(yè)務的q o s 指標要求是不同的 例如實時業(yè)務主要用帶寬 時延 抖動 等參數(shù)來衡量 而非實時業(yè)務則主要用帶寬 丟包率等參數(shù)進行衡量 2 2 2 無線局域網(wǎng)中存在的主要問題 隨著無線局域網(wǎng)應用的普及 它存在容易入侵 非法a p 經(jīng)授權(quán)使用服務等安全方 面的問題 不僅如此 無線局域網(wǎng)在介質(zhì)訪問控制方面和a p 的切換管理方面也存在一定 的問題 1 介質(zhì)訪問控制方面 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障問題一直是人們關(guān)注的熱點 其中其服務質(zhì)量保障機制的 區(qū)分機制較為關(guān)注 其代表為擴展的分布式協(xié)作模式e d c f 它對站點的業(yè)務進行區(qū)分 對實時業(yè)務給予較高的優(yōu)先級 從某種程度上保障了服務質(zhì)量 但其信道訪問方式仍然是 基于競爭的c s m c a 協(xié)議 該協(xié)議實際上是一種p 持續(xù)機制 它只是在概率上避免沖突 而不是絕對的避免沖突 然而當概率p 為多少時 能保證無線局域網(wǎng)服務質(zhì)量達到最好 也是一直沒有解決的問題 本文的第三章就是針對p 值為多少時 能保持較好的服務質(zhì)量 這個問題來展開理論推導的 2 a p 切換問題 無線局域網(wǎng)中的a p 因為終端連接個數(shù)不平均 終端移動性和無線信道時變性而經(jīng)常 發(fā)生切換 然而a p 切換也給無線局域網(wǎng)帶來了一系列問題 例如時延 抖動等 針對無 線網(wǎng)絡中的實時業(yè)務 時延成了保障其服務質(zhì)量的主要因素 本文第四章是針對時延問題 對鄰居圖重連接算法進行改進 介質(zhì)訪問控制決定著站點無線信道的接入 如果采取的控制方法不j 下確 可直接導致 實時業(yè)務的延遲 甚至于中斷 a p 切換管理也是如此 這兩方面的缺陷 嚴重影響了無 線局域網(wǎng)的服務質(zhì)量 2 3w l a n q o s 保障的主要技術(shù) z o 傳統(tǒng)i e e e8 0 2 1 l 協(xié)議的q o s 技術(shù)主要集中在以下幾個方面 在分布式協(xié)作模式中 通過修改協(xié)議參數(shù) 比如退避算法 幀問隔 最大最小競爭窗口 最大幀長度等來區(qū)分優(yōu) 先級 在點協(xié)作模式中 通過修改調(diào)度算法等來實現(xiàn)q o s 2 3 1 退避算法 i e e e8 0 2 1 l 協(xié)議規(guī)定 在節(jié)點檢測到物理信道空閑分御式協(xié)作模式幀j 日j 隔d i f s 之后 為了避免沖突 節(jié)點要進入退避階段 只有退避計數(shù)器遞減至0 時 節(jié)點才能真幣發(fā)送數(shù) 據(jù) 因此 退避時f 日j 越短 則節(jié)點接入信道的時i 日j 越短 節(jié)點也就有了接入信道的更高優(yōu) 先級 很多增強技術(shù)都涉及退避算法的修改 比如d c 算法使用兩種退避算法分別對應兩 5 無線局域m 中服務質(zhì)量保障機制的研究 種優(yōu)先級的節(jié)點 分布式公平調(diào)度 d i s t r i b u t e df a i rs c h e d u l i n g d f s 算法也采用多種退避算 法等 目的都是通過區(qū)分退避時 日j 的大小來區(qū)分節(jié)點的優(yōu)先級 2 3 2 區(qū)分幀間隔 幀間隔越短 表明節(jié)點需要檢測信道空閑的時間越短 節(jié)點進入退避階段的時間也就 越短 因此可以使用不同的i f s 來區(qū)分節(jié)點的優(yōu)先級 結(jié)合退避算法 d c 算法中同時引 入了兩種退避算法和兩種幀間隔 從而區(qū)分了四種優(yōu)先級 這兩種幀問隔分別為p i f s p o l l i n t e r f r a m es p a c e 和d i f s d i s t m u t e di n t e r f r a m es p a c e 同樣在a c 演算算法中也引入了 不同的d i f s 來區(qū)分優(yōu)先級 2 3 3 競爭窗口 競爭窗口的大小和退避時間有直接的關(guān)系 i e e e8 0 2 1 1 中的退避時間為b a c k o f ft i m e r a n d o m 0 c w x s l o t t i m e 這樣競爭窗口越小 其發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要退避的時間就越短 優(yōu)先級就越高 一些算法修改了i e e e 8 0 2 11 競爭窗口簡單加倍的算法 例如a c 算法 而 在虛擬m a c 算法中 不同優(yōu)先級業(yè)務的最大競爭窗口和最小競爭窗口的值都不相同 2 3 4 最大幀長度 a c 算法中 允許高優(yōu)先級節(jié)點的最大幀長度大于低優(yōu)先級節(jié)點的最大幀長度 通過 修改最大幀長度 可以使高優(yōu)先級節(jié)點在每次訪問信道時可以傳輸更多字節(jié)的數(shù)據(jù) 從而 保證了高優(yōu)先級的業(yè)務 此外 還可以通過差錯控制技術(shù)來提高q o s 比如使用快速自動 請求重發(fā) a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a r q 前向糾錯 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f e c 等技 術(shù) 2 4 無線局域網(wǎng)q o s 保障機制 2 4 1 傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)q o s 機制 i e e e 8 0 2 1 l 媒體接入控制m a c 子層協(xié)議定義了兩種信道接入方式 基本的分布式協(xié) 作模式 d i s t r i b u t e dc o o p e r a t i o nf u n c t i o n d c f 和可選的點協(xié)作模式 p o i n tc o o p e r a t i o n f u n c t i o n p c f 1 分布式協(xié)作模式 在分御式協(xié)作模式中 當一個節(jié)點檢測到物理信道空閑時間超過分布式協(xié)作模式幀間 隔 d i f s 之后 節(jié)點進入退避狀態(tài) 每個節(jié)點維護一個退避計時器 此計時器從b a c k o f ft i m e r a n d o m 0 c w x s l o t t i m e 中取值并按照時槽遞減 這罩c w c o l l i s i o nw i n d o w 為當前競 爭窗口 當退避計時器為0 時 節(jié)點發(fā)出請求發(fā)送 r e q u e s t t os e n d r t s 信號 如果在規(guī)定 6 無線局域剛中服務質(zhì)量保障機制的研究 時間內(nèi)沒有允許發(fā)送 c l e a r t os e n d c t s 信號返回 則節(jié)點認為發(fā)生了沖突從而使競爭窗口 加倍 選擇新的退避計時器重復上面的操作 雖然d c f 能夠保證各個接入終端之間公平的 享有帶寬 但是并不滿足各個t c p 流之間的公平 其接入機制如圖2 2 所示 d i f s競爭窗u 圖2 2d c f 基本接入機制圖 2 點協(xié)作模式 點協(xié)作模式是8 0 2 1 l 可選的工作方式 具有比分布式協(xié)作模式更高的優(yōu)先級 點協(xié)作 模式是使用接入點 a p 控制的輪詢調(diào)度策略 在允許點協(xié)作模式工作的情況下 接入點通 過檢測信道空閑點協(xié)作模式幀間隔 p o i n ti n t e r f r a m es p a c e p i f s 來搶先捕獲信道 通過發(fā) 送信標來發(fā)起信標間隔 又被稱為超級幀 在這個超級幀罩 非競爭期和競爭期交替進行 在非競爭期 接入點首先通知各個節(jié)點屏蔽各自的分布式協(xié)作模式 并在自己的節(jié)點列表 里選擇一個節(jié)點給予發(fā)送數(shù)據(jù)的機會 最后接入點發(fā)送c fe n d 信號來結(jié)束非競爭期 進 入競爭期時隙 其接入機制如圖2 3 所示 l 璽i2 3p c f 基本接入機制 2 4 2 過渡的無線局域網(wǎng)q o s 標準w m m 無線多媒體協(xié)議 w i f im u l t i m e d i a w m m 協(xié)議通過對8 0 2 1 l 協(xié)議的增強 改變了整 個網(wǎng)絡完全公平的競爭方式 將基本服務集 b a s i cs e r v i c es e t b s s 內(nèi)的數(shù)據(jù)報文分為4 7 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)盛保障機制的研究 個接入種類a c a c c e s sc a t e g o r y 高優(yōu)先級的a c 占用信道的機會大于低優(yōu)先級的a c 從而使不同的a c 能獲得不同級別的服務 w m m 協(xié)議對每個a c 定義了一套信道競爭 e d c a 參數(shù) 主要包括仲裁幀問隙數(shù) a r b i t r a t i o ni n t e rf r a m es p a c i n gn u m b e r a i f s n 最 小競爭窗口指數(shù)形式 e x p o n e n tf o r mo fc w m i n e c w m i n 最大競爭窗1 2 1 指數(shù)形式 e x p o n e n tf o r mo fc w m a x e c w m a x 傳輸機會限制 t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t yl i m i t t x o p l i m i t 各參數(shù)作用如表2 1 所示 表2 1 參數(shù)表 參數(shù) 參數(shù)值 空閑 退避時間 仲裁幀間時隙值越人空閑等待時間越長 最小競爭窗口指數(shù)形式值越大平均退避時間越長 最人競爭窗口指數(shù)形式值越人平均退避時間越長 傳輸機會限制值越大占用信道時間越長 另外 w m m 協(xié)議還制定了c a c 準入策略和a c k 策略 其中c a c 準入策略是客戶 端只有獲得a p 的批準 才能以高優(yōu)先級的a c 發(fā)送數(shù)據(jù) 否則只能使用低優(yōu)先級的a c 保證了已經(jīng)獲得批準的客戶端能夠獲得需要的帶寬 而a c k 策略有兩種 n o r m a la c k 和 n o a c k 2 4 3 傳統(tǒng)w l a nq o s 保障機制的不足 傳統(tǒng)的i e e e8 0 2 1 1 協(xié)議對q o s 的支持不是很好 從2 4 1 節(jié)的描述中可以看出 d c f 模式?jīng)]有區(qū)分業(yè)務類型 各種業(yè)務在同一優(yōu)先級下競爭信道 僅僅提供了 盡力而為 型 的服務 沒有提供任何q o s 保證 點協(xié)作模式對q o s 支持也具有很大的局限性 由于競 爭期節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)長度不能控制 使得下一個目標信標傳輸時f n j t b t t 的信標發(fā)送產(chǎn)生 延遲 而在非競爭期被輪詢的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)大小也不可控 因此節(jié)點的傳送時間也不易 被接入點控制 接入點的輪詢調(diào)度算法過于簡單 同樣沒有區(qū)分業(yè)務類型 雖然分布式協(xié)作模式的退避算法和幀間隔 點協(xié)作模式的輪詢算法等在q o s 保障方面 具有一定的局限性 但也正因為其局限性 為人們研究q o s 保障機制提供了很大空陽j 2 4 4 支持q o s 保障機制的i e e e8 0 2 1 l e 協(xié)議 由于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)q o s 保障機制存在的缺陷 同時也為了有效地支持q o s i e e e 8 0 2 1 l 任務組提出了i e e e8 0 2 1 l e 協(xié)議 該協(xié)議提出了e d c f 和h c f 兩種訪問模式 1 增強分御式協(xié)作模式 8 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障機制的研究 增強分稚式協(xié)作模式 e n h a n c e dd 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 e d c f 弓i 入了4 種接 入類別 這4 種接入類別對應于8 個隊列優(yōu)先級 每個隊列都獨立工作 首先在一個無線 局域網(wǎng)節(jié)點內(nèi)部爭奪傳輸機會 t x o p 獲得傳輸機會的隊列才能真正獲得信道接入的機 會 如果有兩個隊列同時獲得傳輸機會 則通過一個調(diào)度器來根據(jù)優(yōu)先級調(diào)度一個隊列接 入信道 在增強分柿式協(xié)作模式中 還有一個重要的概念是仲裁幀間隔 a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m e s p a c e a i f s 在節(jié)點內(nèi)部 不同隊列所擁有的幀間隔 退避時間和競爭窗口各不相同 增 強分布式協(xié)作模式中的幀間隔是用優(yōu)先級區(qū)分a i f s a c f a i f s n a c i x s l o t t i m e s i f s 來 表示 每個接入類隊列的退避算法為b a c k o f f 1 f t i m e a c r a n d o mc w a c s l o t t i m e 其競爭窗e 1 計算為 n e w c w a c o l d c w a c l x p f 1 其基本接入機s j j 女h 圖2 4 所示 圖2 4e d c f 基本接入機制 2 混合協(xié)作模式 混合協(xié)作模式 h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n h c f 的q o s 保障機制是基于接入點和節(jié) 點間的業(yè)務量規(guī)范 t r a f f i cs p e c i f i c a t i o n 協(xié)商而建立的 在開始發(fā)送有q o s 要求的數(shù)據(jù)之前 在接入點和節(jié)點之問建立一種叫做業(yè)務流的虛擬連接 將平均數(shù)據(jù)速率 時延限制等t s p e c 參數(shù)傳遞給接入點 接入點根據(jù)這些參數(shù)計算分配給各個節(jié)點的p o l l e d t x o p 并將各個 p o l l e d t x o p 與節(jié)點關(guān)聯(lián)起來 通過這種方式 每個節(jié)點中的調(diào)度器根據(jù)不同的優(yōu)先級將 發(fā)送機會和業(yè)務流聯(lián)系起來 在i e e e8 0 2 1 1 e 的競爭時隙 接入點可以隨時控制信道 這個時間段稱為控制接入狀 態(tài) c o n t r o la c c e s sp h a s e c a p 在a p 控制時間內(nèi) 當一個節(jié)點收到q o sc f p o l l 幀之后 被允許以無競爭突發(fā)模式 c o n t e n t i o n f r e eb u r s t 連續(xù)地發(fā)送多個m a c 幀 其接入信道的時 間總和不能超過接入機會的時i 日j 限制 如果節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送 則發(fā)送一個q o s n u l l 幀 返回接入點 接入點接著輪詢其他的節(jié)點 其基本接入機制如圖2 5 所示 9 無線局域網(wǎng)中服務質(zhì)量保障機制的研究 當僑遭罕州時間人于 a w s l 0 1 2 d i f s 1 r 一一j 最早傳輜 a l f s a c s l o t t i m e 后立 一 e 1 f 7 j u 一 口i i 古n l t d t a l l s i 一3 時間 皿l w i 叫蝌0r 平 p i f s d i f s ii f