寬帶無(wú)線局域網(wǎng)QoS研究.pdf

1、由于無(wú)線局域網(wǎng)具有移動(dòng)靈活、保密性強(qiáng)、抗干擾性好、架設(shè)與維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越引起研究人員和消費(fèi)者的興趣.IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)作為主流的無(wú)線局域網(wǎng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,其傳輸速率已逐漸增加到了54Mbps,并且還在不斷加快.IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)已成為寬帶無(wú)線接入的有效途徑之一. 隨著人們對(duì)音頻、視頻等多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求增加,需要在無(wú)線局域網(wǎng)中傳輸多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù).多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖

2、動(dòng)等都提出了很高的要求.如何在帶寬受限、信道干擾及移動(dòng)等條件下提供QoS保障是一個(gè)非常重要的研究問(wèn)題.本文著重討論在IEEE 802.11寬帶無(wú)線局域網(wǎng)中為各類業(yè)務(wù)尤其是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供QoS保障問(wèn)題及解決方法.主要內(nèi)容包括:原有IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)如何支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)問(wèn)題;'IEEE 802.11e增強(qiáng)的分布式信道接入 (EDCA) 的性能分析、不同信道接入?yún)?shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及如何在EDCA中實(shí)現(xiàn)有效的接納控制;如何在IEEE

3、 802.11e無(wú)線局域網(wǎng)中設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的調(diào)度機(jī)制支持VBR業(yè)務(wù)、在EDCA和HCCA (HCF controlled Channel Access) 混合模式下采用有效的調(diào)度機(jī)制提高信道利用率;在信道干擾及移動(dòng)條件下如何通過(guò)跨層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鏈路自適應(yīng)機(jī)制提高系統(tǒng)的性能.論文的第一章首先對(duì)相關(guān)背景做了簡(jiǎn)單回顧,接著在第二章到第五章對(duì)每個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)討論. 第二章對(duì)原有IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)中如何支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)問(wèn)題進(jìn)行了研究

4、.由于IEEE 802.11分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF) 是為盡力業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的,對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),并不能提供區(qū)分服務(wù),而IEEE 802.11點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 (PCF) 只能提供非常有限的QoS.第二章首先對(duì)IEEE 802.11MAC層進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,給出了DCF和PCF混合模式下的IEEE 802.11MAC性能模型.提出的IEEE 802.11MAC模型包括DCF模型和PCF模型,DCF模型采用M/G/1隊(duì)列模型模擬終端中數(shù)據(jù)包的到達(dá)和發(fā)送過(guò)

5、程,并引入空閑狀態(tài)和后退過(guò)程,準(zhǔn)確地刻畫了非飽和負(fù)載和飽和負(fù)載情況下系統(tǒng)的狀態(tài):PCF模型對(duì)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中的round-robin輪詢算法進(jìn)行了準(zhǔn)確的分析.在IEEE 802.11MAC性能模型的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的自適應(yīng)調(diào)度機(jī)制.該機(jī)制將盡力業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分別調(diào)度在DCF和PCF模式中發(fā)送以實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù),并通過(guò)終端反饋的統(tǒng)計(jì)碰撞概率和時(shí)延信息、結(jié)合DCF和PCF模型對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確有效地估計(jì),在滿足盡力業(yè)務(wù)

6、和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)最大時(shí)延要求的前提下,動(dòng)態(tài)地調(diào)整DCF持續(xù)時(shí)間和PCF持續(xù)時(shí)間的比例,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QOS保障.不同場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)仿真和理論計(jì)算結(jié)果的比較證明了提出的DCF模型的準(zhǔn)確性;通過(guò)與固定DCF和PCF持續(xù)時(shí)間比例情況下各種業(yè)務(wù)的平均時(shí)延和吞吐量性能的比較,證明了提出的自適應(yīng)調(diào)度機(jī)制的有效性. 為了克服IEEE 802.11存在的固有缺陷,IEEE 802.11工作組e提出了提供優(yōu)先級(jí)區(qū)分的增強(qiáng)的分布式信道接入功能(EDCA)

7、,并給出了基于EDCA的接納控制機(jī)制的框架,但并沒有給出實(shí)現(xiàn)接納控制的具體方法.第三章對(duì)IEEE 802.11e EDCA中的接納控制進(jìn)行了研究,并提出了一個(gè)基于模型的接納控制機(jī)制MBAC.由于無(wú)線局域網(wǎng)中每個(gè)終端只有網(wǎng)絡(luò)部分的狀態(tài)信息,這使得接納控制設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜.因此,準(zhǔn)確地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)對(duì)于設(shè)計(jì)有效的接納控制機(jī)制至關(guān)重要.第三章首先提出了一個(gè)EDCA數(shù)學(xué)模型,該模型不僅適合于飽和負(fù)載的情況,同時(shí)也適合于非飽和負(fù)載的情況.在ED

8、CA模型的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)基于模型的接納控制機(jī)制MBAC.在MlBAC中,終端通過(guò)IEEE 802.11e協(xié)議中新增的QoS控制字段發(fā)送測(cè)量信息,接入點(diǎn)(AP)通過(guò)終端的反饋信息準(zhǔn)確地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài),在保障系統(tǒng)中現(xiàn)有業(yè)務(wù)尤其是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延和吞吐量需求滿足的前提下,根據(jù)新業(yè)務(wù)的QOS需求,做出有效的接納控制決策.仿真實(shí)驗(yàn)和分析計(jì)算結(jié)果的比較證明了提出的EDCA模型的準(zhǔn)確性;通過(guò)三個(gè)不同場(chǎng)景的仿真和分析計(jì)算,詳細(xì)分析了初始競(jìng)爭(zhēng)窗口大

9、小、最大競(jìng)爭(zhēng)窗口大小和AIFS大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響:通過(guò)與不采用接納控制及采用文獻(xiàn)中的MAMBCAC接納控制機(jī)制時(shí)各種業(yè)務(wù)的時(shí)延和吞吐量性能的比較,證明了提出的MBAC接納控制機(jī)制無(wú)論是在輕負(fù)載還是重負(fù)載情況下都更加準(zhǔn)確有效. 雖然IEEE 802.11e給出了基于輪詢的HCCA機(jī)制的框架,但并沒有給出實(shí)現(xiàn)有效輪詢的具體方法.論文第四章對(duì)IEEE 802.11e HCF調(diào)度控制問(wèn)題進(jìn)行了研究,并提出了三個(gè)新的調(diào)度機(jī)制來(lái)提高信道的

10、利用率.針對(duì)EDCA年IHCCA分別適合于VBR業(yè)務(wù)和CBR業(yè)務(wù)的特點(diǎn),提出了一種自適應(yīng)調(diào)整EDCA和JCAP(ControlledAccess Phase)持續(xù)時(shí)間比例的調(diào)度算法,該調(diào)度機(jī)制將VBR業(yè)務(wù)和ICBR業(yè)務(wù)分別調(diào)度在EDCA和HCCA模式下發(fā)送,并通過(guò)AP統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中VBRog業(yè)務(wù)和CBR業(yè)務(wù)的比例來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地調(diào)整EDCA和CAP持續(xù)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的QoS保障,該機(jī)制不僅簡(jiǎn)單有效、易于實(shí)現(xiàn)而且與IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)

11、兼容.針對(duì)HCCA參考調(diào)度算法分配固定TXOP(Transmission Opportunity)只適合于CBR業(yè)務(wù)的問(wèn)題,提出了一種基于終端反饋業(yè)務(wù)流發(fā)送隊(duì)列的緩存數(shù)據(jù)量,動(dòng)態(tài)分配變長(zhǎng)TXOP的調(diào)度機(jī)制,改進(jìn)的HCCA調(diào)度機(jī)制既適合于CBR業(yè)務(wù),也適合于VBR業(yè)務(wù).同時(shí)提出了一種EDCA和HCCA混合模式下的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)度機(jī)制DAHCFS,DAHCFS根據(jù)終端的測(cè)量信息準(zhǔn)確地估計(jì)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài),按照業(yè)務(wù)QoS需求,充分利用EDCA模式

12、和HCCA模式中的剩余資源,將業(yè)務(wù)調(diào)度到合適的模式下發(fā)送,使信道利用率最大化,并采用有效的接納控制機(jī)制保障系統(tǒng)中已有實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS,提高了信道的利用率,降低了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延和丟包率.大量的仿真實(shí)驗(yàn)及與現(xiàn)有調(diào)度機(jī)制的對(duì)比證明了提出的三種調(diào)度機(jī)制的有效性. 論文最后對(duì)噪聲干擾、終端移動(dòng)條件下跨層設(shè)計(jì)提高無(wú)線局域網(wǎng)性能問(wèn)題進(jìn)行了研究,并提出了兩個(gè)新的聯(lián)合MAC層和物理層的鏈路自適應(yīng)算法.由于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出速率自適

13、應(yīng)的機(jī)制,另外,由于網(wǎng)絡(luò)性能受多方面因素的影響,如果只考慮某一層的因素往往并不能使實(shí)際系統(tǒng)的性能最優(yōu).第五章提出了一種基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)的聯(lián)合MAC層與物理層的鏈路自適應(yīng)算法ALBLA,ALBLA在區(qū)分碰撞丟失和噪聲干擾丟失的前提下,根據(jù)MAC層確認(rèn)幀信息的學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)信道狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì),指導(dǎo)物理層速率的選擇,提高信道利用率.本文同時(shí)給出了干擾信道下的EDCA模型,并提出了基于該模型的鏈路自適應(yīng)算法MBLA,MBLA通過(guò)EDCA模型的理論分析