Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中支持QoS的MAC機(jī)制與算法的研究.pdf

1、無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種由若干無(wú)線通信設(shè)備臨時(shí)自由組合形成的一種無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)，它不需固定通信設(shè)施的支持，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可自由移動(dòng)，它們既是通信終端，又是路由器。盡管人們提出無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的最初目的是為了滿足軍事通信的需要，但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也可廣泛應(yīng)用于諸如緊急搜救、臨時(shí)會(huì)議會(huì)場(chǎng)、無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)等民用通信領(lǐng)域。目前，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 在無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線信道由

2、多節(jié)點(diǎn)共享，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)機(jī)制是無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅關(guān)系到能否充分利用無(wú)線信道資源、實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線信道的公平競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議的性能，也是無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)質(zhì)量(QoS)的關(guān)鍵。隨著Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣化以及逐漸向公用網(wǎng)絡(luò)滲透，QoS問(wèn)題變得越來(lái)越重要。QoS MAC協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS體系中最基本的部分，QoS路由與QoS信令都要依賴它，并與其協(xié)同工

3、作。然而，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)(如分布式、存在隱藏終端、暴露終端問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化等)使得研究高效、支持QoS的MAC機(jī)制面臨很大的挑戰(zhàn)性，已成為無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究難點(diǎn)。本論文較深入系統(tǒng)的研究了支持QoS的MAC機(jī)制與算法，并取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，主要內(nèi)容包括： 本文第一章給出了無(wú)線Ad Hoc的基本概念、特點(diǎn)以及應(yīng)用前景，對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀作了概括介

4、紹，重點(diǎn)分析了無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中支持QoS的MAC機(jī)制的研究現(xiàn)狀、已有的研究成果以及需要解決的問(wèn)題。 本文第二章從非飽和與飽和負(fù)載的角度來(lái)研究IEEE 802.11e EDCA的性能，以及相應(yīng)的改進(jìn)方案。EDCA在IEEE 802.11 DCF的基礎(chǔ)上提供了QoS增強(qiáng)，由于具有分布式的特點(diǎn)，也應(yīng)用于無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，并得到廣泛的研究。首先，本章利用二維Markov鏈分析方法，提出了一種新的IEEE 802.11e EDC

5、A網(wǎng)絡(luò)分析模型，該模型引入了空閑狀態(tài)和不同接入等級(jí)的仲裁幀間隔(AIFS)的使用；利用Markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的Z域信號(hào)傳遞函數(shù)推導(dǎo)了MAC層平均服務(wù)時(shí)間的概率分布；結(jié)合M/G/1/K排隊(duì)模型分析了EDCA在非飽和和飽和負(fù)載下的性能。研究結(jié)果表明：IEEE 802.1e EDCA只能提供QoS區(qū)分，在飽和負(fù)載下不能為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的QoS保證，因此有必要提供一種具有支持多優(yōu)先級(jí)的接納控制方案。在第二部分，本章給出了支持多優(yōu)先級(jí)的接納控

6、制方案，該方案基于帶寬分配算法，能夠保證網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS，防止由于流數(shù)的增加導(dǎo)致QoS降級(jí)，同時(shí)也保證了盡力而為業(yè)務(wù)能分享信道的剩余帶寬。仿真結(jié)果驗(yàn)證了接納控制方案的有效性。最后，擴(kuò)展到多跳環(huán)境，隱藏終端是無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主要問(wèn)題之一，因而研究隱藏終端對(duì)IEEE 802.1e EDCA的影響也是本章的重點(diǎn)。我們首次將EDCA接入機(jī)制放入多跳環(huán)境中進(jìn)行訪真分析和定量研究，并指出了EDCA在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中支持QoS的局限性：受隱藏

7、終端的影響，EDCA對(duì)不同接入等級(jí)的業(yè)務(wù)提供QoS區(qū)分的性能明顯降級(jí)。 本文第三章重點(diǎn)研究支持QoS區(qū)分的自適應(yīng)MAC算法。該類算法依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，對(duì)協(xié)議的相關(guān)后退參數(shù)做自適應(yīng)調(diào)整，提高信道利用率。首先，本章提出了一個(gè)基于QoS區(qū)分的自適應(yīng)p-persistent MAC算法，QDA-MAC(QoS Differentiation based Adaptive MAC scheme)，在IEEE 802.11 DCF機(jī)制的基

8、礎(chǔ)上提供業(yè)務(wù)區(qū)分。QDA-MAC算法的主要特點(diǎn)是：引入了新的參數(shù)，堅(jiān)持因子(persistent factor)，利用它的優(yōu)化值實(shí)時(shí)反應(yīng)負(fù)載的變化，同時(shí)利用近似優(yōu)化的方法，不用估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中各級(jí)別業(yè)務(wù)的數(shù)目，但是同樣實(shí)現(xiàn)靠近最優(yōu)的信道利用率。這也是與以往此類自適應(yīng)算法的不同之處。隨后，在本章的第二部分，針對(duì)IEEE 802.11e EDCA支持業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)基于AIFS區(qū)分的信道吞吐率分析模型，利用該模型，我們給出了動(dòng)態(tài)的參

9、數(shù)調(diào)整算法，DPS(Dynamic Parameter-tuning Scheme)，DPS算法克服了以往相關(guān)算法存在的問(wèn)題，不僅能實(shí)現(xiàn)QoS區(qū)分，而且能對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行整體優(yōu)化，保證信道接入的公平性和每類業(yè)務(wù)流帶寬的穩(wěn)定性，減小負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 本文第四章重點(diǎn)研究支持資源預(yù)約的MAC機(jī)制。該類機(jī)制為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供時(shí)延和帶寬保證。本章首先對(duì)目前常見(jiàn)的支持資源預(yù)約的MAC機(jī)制進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)討論了他們各自的特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題