（计算机应用技术专业论文）无线局域网中服务质量保障机制的研究.pdf

曲阜师范大学博士 硕士学位论文原创性说明 在口划 4 本人郑重声明 此处所提交的博士口硕士日论文 无线局域网中服 务质量保障机制的研究 是本人在导师指导下 在曲阜师范大学攻读博士 口硕士囱学位期间独立进行研究工作所取得的成果 论文中除注明部分外 不包含他人已经发表或撰写的研究成果 对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体 均已在文中已明确的方式注明 本声明的法律结果将完全由本 人承担 储摊 嗍 e l 期 狒 6 2 曲阜师范大学博士 硕士学位论文使用授权书 在口划 无线局域网中服务质量保障机制的研究 系本人在曲阜师范大学攻读 博士口硕士口学位期间 在导师指导下完成的博士口硕士口学位论文 本论文的研究成果归曲阜师范大学所有 本论文的研究内容不得以其他单位 的名义发表 本人完全了解曲阜师范大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本 允许论文被查阅 和借阅 本人授权曲阜师范大学 可以采用影印或其他复制手段保存论文 可以公开发表论文的全部或部分内容 作者签名 峋编 导师签名 i 为仲食 日期 2 纠d 莎 z 日期 p 0 1 0 6 零 摘要 无线局域网 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 世纪9 0 年代计算机网络技术与 移动通信技术相结合的产物 在现实生活中得到广泛应用 满足了人们对于宽带无线接入 网络的迫切要求 然而无线用户的增多也带来了服务质量 q u a l i t yo f s e r v i c e q o s i h j 题 下 一代无线网络环境越来越要求支持更广泛范围内的实时多媒体应用 并能满足人们在移动 中随时随地访问因特网的需要 因此 如何保障无线局域网的服务质量是当前网络通信领 域研究的热点问题 本文在分析当l j w l a n 对q o s 的支持情况和i e e e8 0 2 1 1 标准m a c 协议的基础上 把无线局域网m a c 层的q o s 支持作为研究目标 并将研究重点放在了基于竞争的增强分 布式协作机制和a p 切换保障机制上 无线局域网服务质量保障机制对于增强数据传输的 可靠性 减少资源争夺从而提高频带利用率 减少时延具有重要意义 本文首先针对增强分布式协作模式的信道访问机制进行研究 提出其信道访问机制属 于p 坚持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 并对p 值进行了详细 的理论分析和推导 从理论上得出节点成功访问信道概率的最优值为n 指出某节点在 从l 到ie nl 的任何时隙内都不成功的概率以独立于n 的常数e 1 为上界 在t 2 le li nn 个时隙内 所有节点以不小于1 n 1 的概率至少成功访问信道一次 通过得出某个节点和 所有节点成功访问信道的概率 为进一步研究无线局域网q o s 保障机制提供充分的理论依 据 其次 在w l a n 的扩展服务集模式下 当节点有多个a p 可选时 由于某a p 信号强 度过大接入该a p 设备的用户较多 从而造成了网络流量负载过重问题 针对此问题 采 用在终端重连接过程中同时考虑各个a p 信号强度和信道实际利用率的方法 提出a p 切 换保障机制 根据负载均衡a p 来最大限度的利用链路资源 并在此基础之上 对邻居图 重连接算法进行改进 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 通过对邻居图重连接算法和o n g 算法进行实验仿真 根据对二者实验数据的 分析比较 得出o n g 算法能较好的减少时延 增加系统吞吐量 从而保障了无线局域网 的服务质量 关键词 无线局域网 服务质量 切换保障机制 增强分布式协作模式 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 目录 第一章绪论 1 1 1 论文研究背景及现状 1 1 2 论文的研究内容及意义 2 1 3 论文的组织结构 3 第二章无线局域网服务质量保障机制相关研究 4 2 1 无线局域网架构 4 2 2 无线局域网服务质量定义及存在问题 4 2 2 1 无线局域网服务质量定义 4 2 2 2 无线局域网中存在的主要问题 5 2 3w l a nq o s 保障的主要技术1 2 0 5 2 3 1 退避算法 5 2 3 2 区分帧间隔 6 2 3 3 竞争窗口 6 2 3 4 最大帧长度 6 2 4 无线局域网q o s 保障机制 6 2 4 1 传统的无线局域网q o s 机制 6 2 4 2 过渡的无线局域网q o s 标准w m m 7 2 4 3 传统w l a nq o s 保障机制的不足 8 2 4 4 支持q o s 保障机制的i e e e8 0 2 1 1e 协议 8 2 5w l a n 中q o s 保障机制的分类1 2 1 0 2 5 1 区分服务机制 1 0 2 5 2 物理层的链路适应机制 10 2 5 3m a c 层的资源预留与允入控制 1 l 2 5 4i e e e 8 0 2 1 l 参数调节 1 1 2 5 5a p 切换保障机制 1 l 2 6 总结 12 第三章e d c f 信道访问机制 p 值的理论分析与推导 1 3 3 1d c f 与e d c f 分析比较 13 3 2c s m a 系列协议介绍 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 与c s m c d 协议的区别 1 6 3 4p 略持c s m c a 算法的提出及接入过程 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 算法的接入过程 1 8 3 5p 值的理论分析 1 9 3 5 1p 值推导 19 3 5 2 特定节点成功访问的概率 2 0 3 5 3 所有节点成功访问的概率 2 l 3 6 总结 2 1 第四章a p 切换保障机制 对邻居图重连接算法的改进 2 2 4 1a p 切换保障机制的定义及切换原因 2 2 4 1 1a p 切换保障机制定义 2 2 4 1 2a p 切换原因 2 2 4 2a p 邻居图相关介绍 2 3 4 2 1a p 邻居图简介 2 3 4 2 2a p 邻居图创建方法 2 4 4 2 3a p 邻居图算法原理 2 5 4 3o n g 算法的设计 2 6 4 3 1a p 邻居图重连接标准的提出 2 6 4 3 2o n g 算法基本思想及其描述 2 7 4 4o n g 算法的仿真实现 2 8 4 4 1n s 2 简介 2 8 4 4 2o n g 算法仿真 2 9 4 5 总结 3 3 第五章论文总结与展望 3 4 参考文献 3 5 攻读学位期问发表的学术论文 3 7 致谢 3 8 v 无线局域i 4 中服井质量保障机制的研究 1 1 论文研究背景及现状 第一章绪论 无线局域网是指以无线信道作为传输媒介的计算机局域网 是有线联网方式的重要补 充和延伸 并逐渐成为计算机网络中一个至关重要的组成部分 适用于需要可移动数据处 理或无法进行物理传输介质布线的领域 由于其低成本和部署简单 近几年得到了蓬勃发 展 在无线局域网中部署多媒体应用也同益成为人们关注的焦点 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 电话 观看视频等等 根据美国通信委员会f c c 数据显示 近年来 公共 用户使用v o l p 线路的数目正在逐年增加 提供互联网免费v o l p 业务的s k y p e 公司在2 0 0 5 年就有1 0 0 亿分钟的通话记录 快速发展的多媒体应用对无线局域网的拥塞 时延 吞吐 量等服务质量提出了更高的要求 因此无线局域网服务质量保障机制也应运而生 成为人 们研究的热点 国内外相关文献表明 对无线局域网中的q o s 保障机制的研究主要体现在区分服务机 制和a p 切换保障机制 在区分服务机制方面 文献 1 在按节点区分优先级机制的基础之 上 给出了一种基于流的区分服务机制 该机制能够对t c p 流进行很好的区分 文献 2 提出了一个改进的具有区分功能的m a c 机制r d c f p r e v i s e dd c f p r i o r i t y 该机制引入 了优先级的区分和补偿门槛机制 减少了信道的冲突和空闲等待时间 文献 3 仿真证明 e d c f 可以为无线局域网提供q o s 保证 但在高优先级音频流和视频流过多的情况下 系 统性能有所下降 文献 4 i 币u 用二维马尔可夫链模型分析了i e e e8 0 2 1 1d c f 在饱和状态下 的延迟特性 提出了二进制回退算法中平均回退窗的计算方法和分布式协调功能 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 中接入延迟的理论分析方法 文献 5 提出了一种改 进机制带优先级的分布式协作模式 d c f p r i o r i t y 文献 6 从理论上分析了采用传输机会以 及考虑信道误码时增强型分布式协作模式 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 文献 7 提出了基于m a r k o v 链的e d c f 理论分析模型 仿真证明系统饱和 吞吐量和多媒体业务的成功发送概率及碰撞概率的理论分析结果基本准确 文献 8 1 8 u 用 m a r k o v 模型对具有优先级机制的d c f 的饱和吞吐量 饱和时延进行分析 文献 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 来制定优先级 高优先级使用更短的i f s 而低优先级使用更 长的i f s 文献 1 0 提出在退避算法中 根据不同的最大竞争窗口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 币1 最小竞争窗口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 来制定优先级 文献 l l 提出3 种优先级机制来实现q o s 静态优先级安排 i f s 优先级机制 退避算法优先级 机制 在a p 切换保障机制方面 在信道扫描阶段 目i j i 的研究主要集中在扫描参数优化 减少扫描信道的个数 减少扫描单个信道时间和提前扫描信道这几个方面 1 2 l 文献 1 3 1 证 无线局域网中服务质量 l 障机制的研究 明信道扫描阶段的时延占整个m a c 切换时延的9 0 以上 m i s h r aa s h i nmw a r b a u g h a 1 4 等人通过实验发现移动终端在6 5 m s 左右能收到9 0 的扫描回复帧 而在1 l m s 左右会 收到的扫描回复帧将近1 0 0 文献 1 5 1 6 1 提出了基于选择性的信道扫描 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 在无线局域网之上覆盖一层无线传感器网络减少切换时延的算法 不过此算法实现起来有点困难 s y n c s c a n 算法提出了一种基于同步a p 信息快速切换算法 m u l t i s c a n 算法 1 7 1 提出了使用多无线接e l 技术减少切换时延的算法 p r o a c t i v e s c a n 算法 1 8 j 提出了一种纯软件纯客户端的提f j 扫描信道的快速切换算法 但是如果提前扫描信道的时 间较长 有可能造成被扫描的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 信息过期 从 而导致切换不到最优a p 定位算法l l9 j 提出了一种基于移动终端定位的减少认证时延的算 法 邻居图重链接算法 l5 提出了使用邻居图来减少重连接时延的算法 预测算法 l6 j 使用选 择性缓存邻居 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 算法将上下文信息只发送给有可能切换到 的邻居a p 无线局域网作为有线网络的有益补充 已得到广泛应用 但人们对实时业务的要求也 越来越高 如何保障w l a n 的服务质量已经成为人们研究的热点 1 2 论文的研究内容及意义 无线局域网是2 0 世纪9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物 它具有安装 便捷 使用灵活 经济节约和易于扩展等特点 利用射频 r a d i of r e q u e n c y r f 技术 取代 旧式的双绞铜线构成局域网络 提供传统有线局域网的所有功能 网络所需的基础设施不 需再埋在地下或隐藏在墙罩 也能够随需移动或变化 使得无线局域网络能利用简单的存 取构架让用户透过它 达到 信息随身化 便利走天下 的境界 w l a n 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 鉴于w l a n 的以上优点 它被广泛应用于各行各业 然而随着其广泛应用和规模的 扩大 保持良好的网络性能已成为其发展瓶颈 如时延 吞吐量 丢包率 抖动等网络服 务质量的量化参数都不能得到很好的保障 w l a n 网络服务保障机制是确保网络能够正确 实时有效运行的关键技术 因此在w l a n 中如何保障高效的服务质量是w l a n 面临的重 要问题 是目前w l a n 研究的热点和难点问题 也是本文所要研究的主要内容 目前w l a n 中服务质量保障机制研究的两个重要方面是 无线局域网中的区分服务机制和a p 切换保 障机制 虽然在这两方面已有很多研究文献 但是仍然存在这样或那样的问题 如区分服 务机制方面 由于无线局域网i e e e8 0 2 1 1 的c s m a c a 协议本质上是一种竞争信道的接 入方法 这就从根本上决定了无线局域网只能做略高于 尽力而为 的定性q o s 保障而非定 量q o s 保障 而且大多数研究集中在优化无线局域网的配置以提高网络吞吐量这一方面 而在对业务的时延保证 时延抖动 信道控制机制等方面 还有很多工作并不完善 而a p 2 无线局域网中服务质量保障机制的研究 切换保障机制方面 虽然在时延保证 时延抖动方面也有很多研究文献 但是在切换过程 中确少精确的触发条件 而触发条件又是切换过程能否精确有效完成的决定性因素 这样 就致使许多研究文献只能是理论分析 缺乏说服力 因此对w l a n 中服务质量保障机制的研究具有重大意义 w l a n 服务质量得到了保 障 其网络效率和性能将会大大提高 从而减少网络j 爿 塞 时延等 同时也提高了网络资 源利用率和网络容忍度 1 3 论文的组织结构 本文主要针对w l a n 中服务质量保障机制进行研究 首先 介绍了本课题的研究背 景 现状及意义 其次是w l a n 的架构 主要组成和w l a nq o s 定义 简单介绍q o s 保 障机制相关技术及保障机制发展历程 并对保障机制进行详细分类 再其次 对d c f 和 e d c f 两种媒体接入方式进行简单的分析比较 提出e d c f 媒体接入方式属于p 坚持型 c s m a c a 协议 并对c s m a c a 协议中p 值进行了进一步的理论分析和推导 最后 从 a p 切换保障机制入手 针对切换过程的重连接阶段 提出新的切换方法 并对邻居图重 连接算法进行改进 最后通过仿真证明该算法的有效性 全文章节安排如下 第一章介绍了论文的研究背景 现状以及存在的问题 介绍论文所做的工作和组织结 构 第二章对w l a n 及其服务质量进行简单介绍 剖析服务质量保障机制存在的问题 详细介绍w l a n 服务质量保障机制的发展历程并对其进行详细分类 第三章针对无线局域网的信道访问机制 对分布式协作模式和增强分布式协作模式进 行分析比较 提出增强分布式协作模式的信道访问控制方式属于p 略持c s m a c a 型 并 对其p 值进行详细的理论分析与推导 第四章针对在w l a n 的扩展服务集模式下 当节点有多个a p 可选时 由于某a p 信 号强度过大接入该a p 设备的用户较多造成网络流量负载过重问题 提出了a p 切换保障 机制 对a p 保障切换机制的重连接阶段进行详细研究 提出了新的切换方法 并对邻居 图重连算法进行改进 第五章总结了本文所做的工作 并对今后的研究工作及研究方向进行展望 3 无线局域刚中服务质量保障u l n 的研究 第二章无线局域网服务质量保障机制相关研究 2 1 无线局域网架构 无线局域网架构主要有三种 自治式架构 集中式架构和分布式架构 本文研究的无 线局域网架构属于自治式架构 涉及到的a p 都是自治式a p 这些a p 可以作为独立的网 络实体进行管理 另外 自治式架构是一种适用于a p 数量较少的架构 自治式架构图如 图2 1 所示 无线终端 图2 1 自治式架构图 图2 1 是一个采用胖a p 的自治式网络 虚线代表传输介质为无线 实线代表传输介 质为有线 胖a p 是网络中的一个可以寻址的节点 在其接口上具有自己的i p 地址 它能 在有线和无线接口之间转发流量 图中的胖a p 不仅能提供 类似于路由器 的功能而且 能提供访问控制列表 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 还能提供与服务质量 有关的功能配置和实施 2 2 无线局域网服务质量定义及存在问题 2 2 1 无线局域网服务质量定义 所谓服务质量 q u a l i t yo f s e r v i c e q o s 简而言之就是利用不同的技术提供可靠有效的 网络传输服务 而无线局域网服务质量 就是在无线局域网中利用退避算法 区分帧间隔 竞争窗口等技术为无线局域网提供可靠 实时的网络传输服务 网络服务质量以时延 吞吐量 丢包率 抖动等具体的量化参数衡量其性能 是业务 性能的综合反映 它涵盖了多种合理使用网络资源的智能技术 确保网络过载或拥塞时的 4 无线局域m 中服务质量保障机制的研究 高效运行 但不同业务的q o s 指标要求是不同的 例如实时业务主要用带宽 时延 抖动 等参数来衡量 而非实时业务则主要用带宽 丢包率等参数进行衡量 2 2 2 无线局域网中存在的主要问题 随着无线局域网应用的普及 它存在容易入侵 非法a p 经授权使用服务等安全方 面的问题 不仅如此 无线局域网在介质访问控制方面和a p 的切换管理方面也存在一定 的问题 1 介质访问控制方面 无线局域网中服务质量保障问题一直是人们关注的热点 其中其服务质量保障机制的 区分机制较为关注 其代表为扩展的分布式协作模式e d c f 它对站点的业务进行区分 对实时业务给予较高的优先级 从某种程度上保障了服务质量 但其信道访问方式仍然是 基于竞争的c s m c a 协议 该协议实际上是一种p 持续机制 它只是在概率上避免冲突 而不是绝对的避免冲突 然而当概率p 为多少时 能保证无线局域网服务质量达到最好 也是一直没有解决的问题 本文的第三章就是针对p 值为多少时 能保持较好的服务质量 这个问题来展开理论推导的 2 a p 切换问题 无线局域网中的a p 因为终端连接个数不平均 终端移动性和无线信道时变性而经常 发生切换 然而a p 切换也给无线局域网带来了一系列问题 例如时延 抖动等 针对无 线网络中的实时业务 时延成了保障其服务质量的主要因素 本文第四章是针对时延问题 对邻居图重连接算法进行改进 介质访问控制决定着站点无线信道的接入 如果采取的控制方法不j 下确 可直接导致 实时业务的延迟 甚至于中断 a p 切换管理也是如此 这两方面的缺陷 严重影响了无 线局域网的服务质量 2 3w l a n q o s 保障的主要技术 z o 传统i e e e8 0 2 1 l 协议的q o s 技术主要集中在以下几个方面 在分布式协作模式中 通过修改协议参数 比如退避算法 帧问隔 最大最小竞争窗口 最大帧长度等来区分优 先级 在点协作模式中 通过修改调度算法等来实现q o s 2 3 1 退避算法 i e e e8 0 2 1 l 协议规定 在节点检测到物理信道空闲分御式协作模式帧j 日j 隔d i f s 之后 为了避免冲突 节点要进入退避阶段 只有退避计数器递减至0 时 节点才能真币发送数 据 因此 退避时f 日j 越短 则节点接入信道的时i 日j 越短 节点也就有了接入信道的更高优 先级 很多增强技术都涉及退避算法的修改 比如d c 算法使用两种退避算法分别对应两 5 无线局域m 中服务质量保障机制的研究 种优先级的节点 分布式公平调度 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 算法也采用多种退避算 法等 目的都是通过区分退避时 日j 的大小来区分节点的优先级 2 3 2 区分帧间隔 帧间隔越短 表明节点需要检测信道空闲的时间越短 节点进入退避阶段的时间也就 越短 因此可以使用不同的i f s 来区分节点的优先级 结合退避算法 d c 算法中同时引 入了两种退避算法和两种帧间隔 从而区分了四种优先级 这两种帧问隔分别为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 同样在a c 演算算法中也引入了 不同的d i f s 来区分优先级 2 3 3 竞争窗口 竞争窗口的大小和退避时间有直接的关系 i e e e8 0 2 1 1 中的退避时间为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 这样竞争窗口越小 其发送数据之前需要退避的时间就越短 优先级就越高 一些算法修改了i e e e 8 0 2 11 竞争窗口简单加倍的算法 例如a c 算法 而 在虚拟m a c 算法中 不同优先级业务的最大竞争窗口和最小竞争窗口的值都不相同 2 3 4 最大帧长度 a c 算法中 允许高优先级节点的最大帧长度大于低优先级节点的最大帧长度 通过 修改最大帧长度 可以使高优先级节点在每次访问信道时可以传输更多字节的数据 从而 保证了高优先级的业务 此外 还可以通过差错控制技术来提高q o s 比如使用快速自动 请求重发 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a r q 前向纠错 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 术 2 4 无线局域网q o s 保障机制 2 4 1 传统的无线局域网q o s 机制 i e e e 8 0 2 1 l 媒体接入控制m a c 子层协议定义了两种信道接入方式 基本的分布式协 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 和可选的点协作模式 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 分布式协作模式 在分御式协作模式中 当一个节点检测到物理信道空闲时间超过分布式协作模式帧间 隔 d i f s 之后 节点进入退避状态 每个节点维护一个退避计时器 此计时器从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 中取值并按照时槽递减 这罩c w c o l l i s i o nw i n d o w 为当前竞 争窗口 当退避计时器为0 时 节点发出请求发送 r e q u e s t t os e n d r t s 信号 如果在规定 6 无线局域刚中服务质量保障机制的研究 时间内没有允许发送 c l e a r t os e n d c t s 信号返回 则节点认为发生了冲突从而使竞争窗口 加倍 选择新的退避计时器重复上面的操作 虽然d c f 能够保证各个接入终端之间公平的 享有带宽 但是并不满足各个t c p 流之间的公平 其接入机制如图2 2 所示 d i f s竞争窗u 图2 2d c f 基本接入机制图 2 点协作模式 点协作模式是8 0 2 1 l 可选的工作方式 具有比分布式协作模式更高的优先级 点协作 模式是使用接入点 a p 控制的轮询调度策略 在允许点协作模式工作的情况下 接入点通 过检测信道空闲点协作模式帧间隔 p o i n ti n t e r f r a m es p a c e p i f s 来抢先捕获信道 通过发 送信标来发起信标间隔 又被称为超级帧 在这个超级帧罩 非竞争期和竞争期交替进行 在非竞争期 接入点首先通知各个节点屏蔽各自的分布式协作模式 并在自己的节点列表 里选择一个节点给予发送数据的机会 最后接入点发送c fe n d 信号来结束非竞争期 进 入竞争期时隙 其接入机制如图2 3 所示 l 玺i2 3p c f 基本接入机制 2 4 2 过渡的无线局域网q o s 标准w m m 无线多媒体协议 w i f im u l t i m e d i a w m m 协议通过对8 0 2 1 l 协议的增强 改变了整 个网络完全公平的竞争方式 将基本服务集 b a s i cs e r v i c es e t b s s 内的数据报文分为4 7 无线局域网中服务质盛保障机制的研究 个接入种类a c a c c e s sc a t e g o r y 高优先级的a c 占用信道的机会大于低优先级的a c 从而使不同的a c 能获得不同级别的服务 w m m 协议对每个a c 定义了一套信道竞争 e d c a 参数 主要包括仲裁帧问隙数 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 小竞争窗口指数形式 e x p o n e n tf o r mo fc w m i n e c w m i n 最大竞争窗1 2 1 指数形式 e x p o n e n tf o r mo fc w m a x e c w m a x 传输机会限制 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 各参数作用如表2 1 所示 表2 1 参数表 参数 参数值 空闲 退避时间 仲裁帧间时隙值越人空闲等待时间越长 最小竞争窗口指数形式值越大平均退避时间越长 最人竞争窗口指数形式值越人平均退避时间越长 传输机会限制值越大占用信道时间越长 另外 w m m 协议还制定了c a c 准入策略和a c k 策略 其中c a c 准入策略是客户 端只有获得a p 的批准 才能以高优先级的a c 发送数据 否则只能使用低优先级的a c 保证了已经获得批准的客户端能够获得需要的带宽 而a c k 策略有两种 n o r m a la c k 和 n o a c k 2 4 3 传统w l a nq o s 保障机制的不足 传统的i e e e8 0 2 1 1 协议对q o s 的支持不是很好 从2 4 1 节的描述中可以看出 d c f 模式没有区分业务类型 各种业务在同一优先级下竞争信道 仅仅提供了 尽力而为 型 的服务 没有提供任何q o s 保证 点协作模式对q o s 支持也具有很大的局限性 由于竞 争期节点发送的数据长度不能控制 使得下一个目标信标传输时f n j t b t t 的信标发送产生 延迟 而在非竞争期被轮询的节点发送的数据大小也不可控 因此节点的传送时间也不易 被接入点控制 接入点的轮询调度算法过于简单 同样没有区分业务类型 虽然分布式协作模式的退避算法和帧间隔 点协作模式的轮询算法等在q o s 保障方面 具有一定的局限性 但也正因为其局限性 为人们研究q o s 保障机制提供了很大空阳j 2 4 4 支持q o s 保障机制的i e e e8 0 2 1 l e 协议 由于传统无线局域网q o s 保障机制存在的缺陷 同时也为了有效地支持q o s i e e e 8 0 2 1 l 任务组提出了i e e e8 0 2 1 l e 协议 该协议提出了e d c f 和h c f 两种访问模式 1 增强分御式协作模式 8 无线局域网中服务质量保障机制的研究 增强分稚式协作模式 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 种接 入类别 这4 种接入类别对应于8 个队列优先级 每个队列都独立工作 首先在一个无线 局域网节点内部争夺传输机会 t x o p 获得传输机会的队列才能真正获得信道接入的机 会 如果有两个队列同时获得传输机会 则通过一个调度器来根据优先级调度一个队列接 入信道 在增强分柿式协作模式中 还有一个重要的概念是仲裁帧间隔 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 在节点内部 不同队列所拥有的帧间隔 退避时间和竞争窗口各不相同 增 强分布式协作模式中的帧间隔是用优先级区分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 来 表示 每个接入类队列的退避算法为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 其竞争窗e 1 计算为 n e w c w a c o l d c w a c l x p f 1 其基本接入机s j j 女h 图2 4 所示 图2 4e d c f 基本接入机制 2 混合协作模式 混合协作模式 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 保障机制是基于接入点和节 点间的业务量规范 t r a f f i cs p e c i f i c a t i o n 协商而建立的 在开始发送有q o s 要求的数据之前 在接入点和节点之问建立一种叫做业务流的虚拟连接 将平均数据速率 时延限制等t s p e c 参数传递给接入点 接入点根据这些参数计算分配给各个节点的p o l l e d t x o p 并将各个 p o l l e d t x o p 与节点关联起来 通过这种方式 每个节点中的调度器根据不同的优先级将 发送机会和业务流联系起来 在i e e e8 0 2 1 1 e 的竞争时隙 接入点可以随时控制信道 这个时间段称为控制接入状 态 c o n t r o la c c e s sp h a s e c a p 在a p 控制时间内 当一个节点收到q o sc f p o l l 帧之后 被允许以无竞争突发模式 c o n t e n t i o n f r e eb u r s t 连续地发送多个m a c 帧 其接入信道的时 间总和不能超过接入机会的时i 日j 限制 如果节点没有数据发送 则发送一个q o s n u l l 帧 返回接入点 接入点接着轮询其他的节点 其基本接入机制如图2 5 所示 9 无线局域网中服务质量保障机制的研究 当侨遭罕州时间人于 a w s l 0 1 2 d i f s 1 r 一一j 最早传辎 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 时间 皿l w i 叫蝌0r 平 p i f s d i 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