寬帶無線局域網(wǎng)QoS研究.pdf

1、由于無線局域網(wǎng)具有移動靈活、保密性強、抗干擾性好、架設與維護容易等優(yōu)點,越來越引起研究人員和消費者的興趣.IEEE 802.11無線局域網(wǎng)作為主流的無線局域網(wǎng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應用,其傳輸速率已逐漸增加到了54Mbps,并且還在不斷加快.IEEE 802.11無線局域網(wǎng)已成為寬帶無線接入的有效途徑之一. 隨著人們對音頻、視頻等多媒體實時業(yè)務的需求增加,需要在無線局域網(wǎng)中傳輸多媒體實時業(yè)務.多媒體實時業(yè)務對帶寬、時延、時延抖

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

3、 802.11e無線局域網(wǎng)中設計簡單有效的調(diào)度機制支持VBR業(yè)務、在EDCA和HCCA (HCF controlled Channel Access) 混合模式下采用有效的調(diào)度機制提高信道利用率;在信道干擾及移動條件下如何通過跨層設計實現(xiàn)鏈路自適應機制提高系統(tǒng)的性能.論文的第一章首先對相關背景做了簡單回顧,接著在第二章到第五章對每個問題進行了詳細討論. 第二章對原有IEEE 802.11無線局域網(wǎng)中如何支持實時業(yè)務問題進行了研究

4、.由于IEEE 802.11分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF) 是為盡力業(yè)務設計的,對于實時業(yè)務,并不能提供區(qū)分服務,而IEEE 802.11點協(xié)調(diào)功能 (PCF) 只能提供非常有限的QoS.第二章首先對IEEE 802.11MAC層進行了數(shù)學建模,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隊列模型模擬終端中數(shù)據(jù)包的到達和發(fā)送過

5、程,并引入空閑狀態(tài)和后退過程,準確地刻畫了非飽和負載和飽和負載情況下系統(tǒng)的狀態(tài):PCF模型對IEEE 802.11標準中的round-robin輪詢算法進行了準確的分析.在IEEE 802.11MAC性能模型的基礎上,提出了一個支持實時業(yè)務的自適應調(diào)度機制.該機制將盡力業(yè)務和實時業(yè)務分別調(diào)度在DCF和PCF模式中發(fā)送以實現(xiàn)區(qū)分服務,并通過終端反饋的統(tǒng)計碰撞概率和時延信息、結合DCF和PCF模型對系統(tǒng)狀態(tài)進行準確有效地估計,在滿足盡力業(yè)務

6、和實時業(yè)務最大時延要求的前提下,動態(tài)地調(diào)整DCF持續(xù)時間和PCF持續(xù)時間的比例,實現(xiàn)對實時業(yè)務的QOS保障.不同場景下的實驗仿真和理論計算結果的比較證明了提出的DCF模型的準確性;通過與固定DCF和PCF持續(xù)時間比例情況下各種業(yè)務的平均時延和吞吐量性能的比較,證明了提出的自適應調(diào)度機制的有效性. 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)先級區(qū)分的增強的分布式信道接入功能(EDCA)

7、,并給出了基于EDCA的接納控制機制的框架,但并沒有給出實現(xiàn)接納控制的具體方法.第三章對IEEE 802.11e EDCA中的接納控制進行了研究,并提出了一個基于模型的接納控制機制MBAC.由于無線局域網(wǎng)中每個終端只有網(wǎng)絡部分的狀態(tài)信息,這使得接納控制設計變得更復雜.因此,準確地估計網(wǎng)絡當前的狀態(tài)對于設計有效的接納控制機制至關重要.第三章首先提出了一個EDCA數(shù)學模型,該模型不僅適合于飽和負載的情況,同時也適合于非飽和負載的情況.在ED

8、CA模型的基礎上,提出了一個基于模型的接納控制機制MBAC.在MlBAC中,終端通過IEEE 802.11e協(xié)議中新增的QoS控制字段發(fā)送測量信息,接入點(AP)通過終端的反饋信息準確地估計網(wǎng)絡當前的狀態(tài),在保障系統(tǒng)中現(xiàn)有業(yè)務尤其是實時業(yè)務的時延和吞吐量需求滿足的前提下,根據(jù)新業(yè)務的QOS需求,做出有效的接納控制決策.仿真實驗和分析計算結果的比較證明了提出的EDCA模型的準確性;通過三個不同場景的仿真和分析計算,詳細分析了初始競爭窗口大

9、小、最大競爭窗口大小和AIFS大小對系統(tǒng)性能的影響:通過與不采用接納控制及采用文獻中的MAMBCAC接納控制機制時各種業(yè)務的時延和吞吐量性能的比較,證明了提出的MBAC接納控制機制無論是在輕負載還是重負載情況下都更加準確有效. 雖然IEEE 802.11e給出了基于輪詢的HCCA機制的框架,但并沒有給出實現(xiàn)有效輪詢的具體方法.論文第四章對IEEE 802.11e HCF調(diào)度控制問題進行了研究,并提出了三個新的調(diào)度機制來提高信道的

10、利用率.針對EDCA年IHCCA分別適合于VBR業(yè)務和CBR業(yè)務的特點,提出了一種自適應調(diào)整EDCA和JCAP(ControlledAccess Phase)持續(xù)時間比例的調(diào)度算法,該調(diào)度機制將VBR業(yè)務和ICBR業(yè)務分別調(diào)度在EDCA和HCCA模式下發(fā)送,并通過AP統(tǒng)計系統(tǒng)中VBRog業(yè)務和CBR業(yè)務的比例來動態(tài)實時地調(diào)整EDCA和CAP持續(xù)時間,實現(xiàn)不同業(yè)務的QoS保障,該機制不僅簡單有效、易于實現(xiàn)而且與IEEE 802.11e標準

11、兼容.針對HCCA參考調(diào)度算法分配固定TXOP(Transmission Opportunity)只適合于CBR業(yè)務的問題,提出了一種基于終端反饋業(yè)務流發(fā)送隊列的緩存數(shù)據(jù)量,動態(tài)分配變長TXOP的調(diào)度機制,改進的HCCA調(diào)度機制既適合于CBR業(yè)務,也適合于VBR業(yè)務.同時提出了一種EDCA和HCCA混合模式下的動態(tài)自適應調(diào)度機制DAHCFS,DAHCFS根據(jù)終端的測量信息準確地估計系統(tǒng)當前的狀態(tài),按照業(yè)務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制保障系統(tǒng)中已有實時業(yè)務的QoS,提高了信道的利用率,降低了實時業(yè)務的時延和丟包率.大量的仿真實驗及與現(xiàn)有調(diào)度機制的對比證明了提出的三種調(diào)度機制的有效性. 論文最后對噪聲干擾、終端移動條件下跨層設計提高無線局域網(wǎng)性能問題進行了研究,并提出了兩個新的聯(lián)合MAC層和物理層的鏈路自適應算法.由于IEEE802.11標準并沒有給出速率自適

13、應的機制,另外,由于網(wǎng)絡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際系統(tǒng)的性能最優(yōu).第五章提出了一種基于自適應學習的聯(lián)合MAC層與物理層的鏈路自適應算法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層確認幀信息的學習,實現(xiàn)信道狀態(tài)的準確估計,指導物理層速率的選擇,提高信道利用率.本文同時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算法MBLA,MBLA通過EDCA模型的理論分析