[硕士论文精品]基于80211e的qos优化方案的研究

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要摘要近年来，无线局域网发展迅速，基于无线局域网的业务也越来越多，如VO观视频电话，移动下载等。随着无线网络的广泛应用，数据流量的增大，服务质量的问题也日益突现。由于无线信道传输速率低，误码率高，且容易受到干扰，所以QOSQUALITYOFSERVICE直很难保障。IEEE80211协议提出了DCFDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION和PCFPOINTCOORDINATIONFUNCTION两种接入模式，但是在QOS保障上都有局限性。为此，80211工作组历经多年努力，于2005年发布了IEEE80211E协议，专门用来保障无线局域网的服务质量。IEEE8021LE协议作为80211协议的扩展，引入了混合协调功能HCFHYBRIDCOORDINATIONFUNCTION的概念，根据竞争介质方式的不同，可分为EDCAENHANCEDDISTILBUTEDCHANNELACCESS和HCCAHCFCONTROLLEDCHANNELACCESS。本文着重介绍EDCA的原理、特点，以及以此为基础的接入控制方案。接入控制是为了避免网络中业务过多导致冲突频繁而采取的控制接入的方案，它对保障网络中已有业务的质量很有意义，且能最大程度地提高网络的使用率。当前对于接入控制方案的研究很多，研究人员也提出了很多有建设性的建议和方案，但是其中还是存在不少的缺陷。本文在前人研究的基础上，针对接入控制一次申请，不够灵活的缺陷，提出多次重复申请接入的动态改进型方案，对于申请接入失败的业务，维护管理其参数，并实时监测网络情况，当网络负载减轻时，再次向接入点提出接入申请，接入点采用一定的算法来计算是否接受该申请并给予回复，如果该业务被允许接入，那么其服务质量相比以前将得到提高，这样便能更好地保障业务的质量。经过仿真实验，验证了该方案有效。关键词8021LE，服务质量，增强分布式协调访问方式，接入控制II南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要ABSTRACTINRECENTYEARS，MOREANDMORESERVICES，SUCH嬲VORE,VIDEOTELEPHONE，DOWNLOADINGONWIRELESSANDSOON，HAVEBEENPROVIDED、VIMTHERAPIDDEVELOPINGOFWLANWIRELESSLOCALAREANETWORKBUTALONGWITHTHEWIDEUSEOFWLAN，THEPROBLEMOFQOSCAUSEDBYTHEHEAVYTRAFFICBECOMESINCREASINGLYSEVEREUNFORTUNATELYDUETOTHELIMITEDBANDWIDTH，HI曲BERBITERRORRATEANDBEINGSUBJECTTOBEDISTURBED，QOSQUALITYOFSERVICECANTBESUPPORTEDWELLINWLANTHE80211STANDARDSPECIFIESTWOMEDIUMACCESSCONTROLMACMECHANISMSTHEMANDATORYDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTIONDCFANDTHEOPTIONALPOINTCOORDINATIONFUNCTIONPCF，BUTITCANTSUPPORTTHEREALTIMESERVICESANDCANHARDLYPROVIDETHEQOSGUARANTEESTOENHANCEQOSSUPPORT，THEIEEE80211WORKINGGROUPWORKEDHARDFORYEARSONANEWSTANDARDCALLED8021LEANDFINISHEDITIN2005ASTHEEXTENSIONOFTHE80211STANDARD，IEEES021LEINTRODUCESTHESOCALLEDHYBRIDCOORDINATIONFUNCTIONHCFTHATINCLUDESTWOMEDIUMACCESSMECHANISMSCONTENTIONBASEDCHANNELACCESSANDCONTROLLEDCHANNELACCESSINCLUDESPOLLING，WHICHAREREFERREDTOASENHANCEDDISTRIBUTEDCHANNELACCESSEDCAANDHCFCONTROLLEDCHANNELACCESSHCCARESPECTIVELYTHISPAPERFOCUSESONEDCA，THEPRINCIPALSANDTHEPROPERTIES，ANDALSOTHEADMISSIONCONTROLSOLUTIONTHATISBASEDONEDCAANEWMETHODCALLED”MULTITIMERETRYINGADMISSIONREQUEST”ISPROPOSEDINTHISPAPERTOEASETHEUNFLEXIBILITYUNDERONETIMEADMISSIONCONTROLMANNERACCORDINGTOTHEMULTITIMERETRYINGADMISSIONREQUESTMETHOD，THESTATIONSHOULDHOLDTHEINFORMATIONFORTHEFAILEDSERVICEREJECTEDBYAPANDSHOULDMONITORTHESTATUSOFTHENETWORKWHENEVERTHENETWORKLOADDECREASES，THEREQUESTWILLBESENTTOAPAGAINANALGORITHMISNEEDEDTOCALCULATEONTHEPARAMETERSOFTHEREQUESTANDTODETERMINEWHETHERTHEREQUESTISTOBEADMITTEDORNOTTHEPERFORMANCEOFTHESERVICECALLBEIMPROVEDINTHISWAYANDTHEREFORETHEQOSCANBEGUARANTEEDMOREEFFECTIVELYASIMULATIONISMADEWHICHSHOWSTHEEXPECTEDRESULTKEYWORDS8021LE，QOS，EDCA，ADMISSIONCONTROLIII南京邮电大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名斟錾叁，日期出譬生F2南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名盟堇盎导师签名匮丝堑日期塑壁墨二兰南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言11研究背景第一章引言随着科学技术的进步，网络在社会发展过程中已经起到越来越重要的作用。从刚开始的美国军方ARPANET到现如今联结全球的因特网，网络触角已经延伸到世界各个角落，全世界的人民都可以通过网络进行通信联系，网络缩小了世界的范围拉近了人民的距离。与此同时基于网络的服务也日益增多，如电子商务，电子政务，电子邮件，网上交易等，这些新兴服务正在颠覆人们的传统观念，改变人们的生活。上世纪八、九十年代是网络蓬勃发展的阶段。网络从分组交换技术发展到TCPIP技术，其接入速率从一开始的电话线拨号144KBPS到如今的ADSL、宽带光纤到户的8MBPS，提高了几百倍。在中国，有线宽带业务已经高度普及。但人们并不满足于足不出户的宽带接入服务，如今，他们已把目光转向了无线移动业务。随着无线智能手机、便携式笔记本、PDA这些无线终端的日趋完善和成熟，人们快捷便利地接入无线网络已成为可能，将来无线业务必将成为人们关注的新焦点，而无线网络也必将成为技术发展的重点。现在的无线局域网有以下几种协议体系IEEE80211T、HIPERLAN、蓝牙，但应用较为广泛的是IEEE80211协议，目前其扩展协议IEEE8021LG所能达到的理论传输速率已有54MBPS，已极大地逼近了有线接入的速率，且其组网方式相对简单，比有线网络更加经济，而用户使用起来也更加方便，商用前景相当广阔。无线网络的盛行使得基于无线网络的服务越来越多，而无线网络的负载也日趋加重。人们希望无线网络能像有线网一样提供服务质量保障。但是其传输介质是无线信道的这一特殊背景，使得其速率低，错误率高的问题很突出。研究人员在这方面投入了大量的精力，付出了巨大的努力和工作，提出了多种改进型协议和提高方法，在无线网络的服务质量上进行弥补和完善。IEEE802T作组经过不懈的研究努力，终于发布了专门用于保障服务质量的扩展型协议MEE8021LE【2J。IEEE8021LE是IEEE802T作组为保障无线网络服务质量而推出的扩展型协议，相对于80211协议，80211E协议定义了混合协调功能HCF，提出了EDCA和HCCA两种新的介质访问模式，将所有业务分为4个类别和8个数据流，分别标以不同的优先级，每个类别分别有一组参数。EDCA提供了不同优先级的QOS，HCCA提供了参数化的QOS。在实现过程中，EDCA操作更为简单且效果很好，实现了服务的区别对待，因此它更受研究者和设备制造商的青睐，这方面做的研究改进工作也更多。1南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言EDCA模式实现了业务的区别对待，对高优先级的业务提供更好的服务质量保障，因此高优先级业务的质量一般都要比低优先级业务的质量好。但是EDCA模式也有极限，也不能支持各种业务无限制地增加，过多的业务也会使网络的性能变差，从而影响每个业务的质量。因此，便引入了接入控制的机制。该机制需要有良好的接入控制策略，决定哪些业务能接入而哪些业务不能接入，最大限度地保障已有业务的QOS，使得有限的网络资源能得到充分利用。其对于保障业务的服务质量起到了很大的作用。目前已经有很多人对接入控制方案进行了研究，特别是对基于EDCA模式的接入控制方案，也出了不少成果，有些已成为8021LE协议所建议的方案，有些已经付诸于生产实现。但是在某些方面依然有缺陷，有不完善的地方，对于在某些情况下保障服务质量的工作还有待改进。所以IEEE8021LE协议没有为EDCA提出一种正式的接入控制方案。12本文工作本文在IEEE80211E协议的EDCA模式下，首先阐述了接入控制方案的功能意义，然后分析了前人所提出各种方案。针对原接入控制方案中一次申请决策的做法，不够灵活不能动态服从网络变化的缺陷，提出了改进型方案，对被拒绝接入的业务进行维护管理，当网络情况好转后再次发送申请，请求接入决策，如果申请被允许，则该业务将能在返回请求的接入类别ACAECESSCATEGORY上发送数据。如此便能更好地保障无线局域网中的各业务的服务质量。本文的具体工作如下1简要地阐述无线局域网的原理、协议，分析概括基于IEEE80211E协议各种接入控制方法的优缺点。2针对前人所提的方法的共同缺陷提出改进型方案，阐述该方案的原理，框架结构，设计站点和接入点的处理流程，提出细节的具体实现方案。3给出验证的模型，验证本文提出方案的有效性和正确性。13主要内容及章节安排本文将按照以下的章节结构来组织文章的内容和论述第一章，引言，简述本文的研究背景，意义和工作安排。第二章，介绍无线局域网的组织结构，特点和相关协议的原理，尤其是IEEE8021LE协议和EDCA模式。2南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言第三章，介绍接入控制的原理，一般方法和当前的研究现状，对各个方案进行分析和对比评价。第四章，提出当前接入控制方案中的某一缺陷，提出改进型方案。介绍该方案的原理，结构和一些实现的关键技术细节。第五章，用仿真平台进行模拟仿真，验证这一方案的有效性和正确性。第六章，提出总结和展望。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍第二章无线局域网原理及相关协议介绍21无线局域网原理概述211无线局域网的基本概念与特点乜无线局域网WLANWIRELESSLOCALAREANETWORKS就是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。无线局域网采用的传输媒体分为射频无线电波和光波两类。射频无线电波主要使用无线电波和微波，光波主要使用红外线。因此无线局域网可以分为基于无线电的无线局域网和基于红外线的无线局域网两大类。无线局域网的覆盖范围可以从几十米到几公里不等，在此范围内支持较高的数据速率，可采用微蜂窝，微微蜂窝和非蜂窝结构。无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统有线网络的延伸，补充或替代。相比于有线网络而言，无线局域网有以下优点1移动性更好。在无线局域网中，两个站点之间的相隔距离可以比有线网两个站点的距离更远，同时用户设备可以在无线局域网内自由移动，且可以在不同的接入点之间来回切换。2灵活性更好。无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连接的地方，并可以方便地增减，移动和修改设备。其组网结构也多种多样，可以通过基础结构接入骨干网，也可以自己组网。3可伸缩性更好。在适当的位置放置或添加接入点或扩展点，就可以满足扩展网络的需要。4经济性更好。无线局域网可以在布线困难的地方架设，省去布线的工序和线缆的开销，同时维护起来也更加方便。但是无线局域网也有它自身的局限性。跟有线网相比，其信道误比特率要高于后者；带宽与系统容量要低于后者；兼容性要求比后者更高；覆盖范围受到功率和频率的限制；无线信道中的干扰比较多；且其安全性也是一大问题，无线信道容易被人监听。这些都是需要注意和改进的地方。4南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍212无线局域网的组成构造原理1无线局域网一般由站，无线介质，接入点和分布式系统等几部分组成。站也称终端，在无线局域网中一般是作为客户端，它包含几部分终端用户设备，无线网络接口，网络软件。无线介质指的是通信的传输介质，一般指空气。无线接入点类似于蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。它可以完成其他非接入点APACCESSPOINT的站对分布式系统的接入访问，对站点进行管理，也能实现桥接作用。分布式系统可以把多个基本服务区连接起来，形成一个范围更广的扩展业务区，同时它也可以通过入口与骨干网相连，实现与其他网络的互连互通。无线局域网有以下几种拓扑结构1分布对等式拓扑。它是一种直接通信的方式，网络内的任意两个站之间的通信都无需AP转发，任意站点之间的关系是对等的。2基础结构集中式拓扑。在该网络中至少有一个AP作为中心控制站，所有的通信都要由AP转发，网络中的站点与外界相连也要靠AP作为中介。3扩展业务组ESSEXTENDEDSERVICESET网络拓扑。ESS是由多个基本业务组BSSBASICSERVICESET通过分布式系统组成的多区网，每个BSS都有一个标识号BSSID。4桥接型网络拓扑。两个或多个网络通过无线中继器设备连接起来的拓扑结构。22IEEE80211协议介绍1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE80211无线局域网标准工作组。IEEE80211无线局域网标准工作组的任务为研究1MBITTS和2MBITS数据速率、工作在24GHZ开放频段的无线设备和网络发展的全球标准。在1997年，经过了7年的努力工作以后，IEEE发布了80211协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。8021L标准规定了无线局域网的特定特征，定义了物理层和媒体访问控制层MACMEDIUMACCESSCONTR01层的规范，无线设备制造商根据此标准制造网络设备。此后为了完善该标准，80211工作组又相继补充了一系列扩展性协议，如8021LB，8021LA，8021LG，80211N等。18021IBL228021LB采用24GHZ直接序列扩频，最大数据传输速率为11MBS，无须直线传播。动态速率转换当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为55MBS、2MBS和1MBS支持的塑室塑鱼盔堂堡主婴壅垒堂垡堡塞星三童重垡旦垫堕堕里星塑羞堡丛金塑范围是在室外为300米，在办公环境中最长为100米。80211B使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。280211A【23】80211A标准是已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的80211B无线联网标准的后续标准。它工作在5GHZUNII频带，物理层速率可达54MBS，传输层可达25MBPS。可提供25MBPS的无线ATM接口和10MBPS的以太网无线数据帧结构接口，以及TDDTDMATIMEDIVISIONDUPLEXTIMEDIVISION的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。38021LG24】随着无线IEEE80211标准开始深入人心，各IC制造商开始寻求为以太网平台提供更为快速的协议和配置。而蓝牙产品和无线局域网8021LB产品的逐步应用，使得解决两种技术之间的干扰问题显得日益重要。为此，IEEE成立了无线LAN任务工作组，专门从事无线局域网802119标准的制定，力图解决这一问题。802119其实是一种混合标准，它既能适应传统的80211B标准，在24GHZ频率下提供每秒LTMBITS数据传输率，也符合80211A标准在5GHZ频率下提供54MBITS数据传输率。48021INL25】新兴的80211N标准具有最高600MBPS的速率，被公认为是下一代的无线网络技术，可提供支持对带宽最为敏感的应用所需的速率、范围和可靠性。80211N结合了多种技术，其中包括SPATIMMULTIPLEXINGMIMO、20和40MHZ信道和双频带。23IEEE80211无线局域网的服务质量OOS问题231QOS的定义服务质量QOS2翻是对通信网络承载通信业务时的业务性能的集中体现。对用户而言，它表现为用户对业务质量的要求。对网络而言，它表现为网络的性能。QOS可以定义为能够满足同步业务的传输所需提供的带宽，保证在维护特定的连接质量、延时、抖动参数的情况下，能够达到的所需带宽的能力。QOS通常是一种端到端概念，网络中的任何瓶颈都会影响服务质量。QOS参数包括传输速率、延时、抖动、错误率，他们也是多媒体传输网络中最重要的几个参数。1吞吐量6南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍吞吐量是指在没有数据帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。它也指网络传送二进制的速率，也称比特率。有的多媒体应用所产生数据速率是恒定的，称为恒定比特CBRCONSTANTBITRATE应用，而有的应用则是可变比特率VBRVARIANTBITRATE的。持续的、大数据量的传输是多媒体信息传输的一个特点。2延时这里指的是端到端的数据收发延时。它通常指一组数据在信源终端上准备好数据发送的时刻，到信宿终端收到这组数据的时刻之间的时间差。端到端的延时，包括在发端数据准备好而等待网络接受这组数据的时间，传送这组数据从第一个比特到最后一个比特的时间和网络的传输延时3个部分。3丢包率丢包率，是一个比率，网络中数据的传输是以发送和接收数据包的形式传输的，理想状态下是发送了多少数据包就能接收到多少数据包，但是由于信号衰减、网络质量等等诸多因素的影响下，并不会出现理想状态的结果，就是不会发多少数据包就能接收到多少。在单位时间内发送的数据包和未收到的数据包的比率就是丢包率。一般丢包率越小网络情况越好，服务的质量也越好。232IEEE80211保障QOS的机制IEEE8021L的MAC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DCF和可选的点协作模式PCF。1分布式协作模式在分布式协作模式见图21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的帧间隔DIFSDCFINTERFRAMESPACE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BACKOFF_TIMERANDO，CWSLOTTIMERP取值并按照时槽递减，这里CW为当前竞争窗13大小。当退避计时器为0时，节点发出请求发送RTSREQUESTTOSEND信号。如果在规定时间内没有允许发送CTSCLEARTOSEND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。7南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域刚原理及相关协议介绍喾信逼空阅DIFSLLS后立即造入退遵扶忐竞争窗口PLLFS，S啜L|，TTLTIFS信道肇避避窗口，一帧，一RLT，II|卜卜一延缝捧九信遁对糟D1FS分布式协作书E式帧闰隔PFS。鼠协作辛蕞式娴间隔S】FS爰墟帧闯隔图21分布式协作模式2点协作模式点协作模式是8021L可选的工作方式，具有比分布式协作模式更高的优先级。点协作模式使用接入点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的帧间隔PIFSPOINTINTERFRAMESPACE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。在这个超级帧里，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CFEND信号来结束非竞争期，进入竞争期周期。图22表示了点协作模式的工作方式。1I轲一寸竞争SLSSS5TFSSFSSI礴竞争_。一。_卜信NITTL；C【一NT十阻卜蝴杯鲫1阳1州，LLPR,11、UICTU2C【I4ARK_一节最J州F。PFDI一一无事虚妻毒设、孵SLSSIISS珏S、L，骱甲I|JFJL“”“7T明T目悴停1辱侍竹时冈NAV眄络分配矢量图22点协作模式3传统IEEES0211协议的QOS局限传统的IEEES0211协议对QOS的支持并不是很完善。分布式协作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，没有任何QOS保证。对于点协作模式，其QOS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8南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍不能控制，使得下一个目标信标传输时间TBTTTARGETBEACONTRANSMISSIONTIME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。以上所述说明了IEEE8021I在QOS保障方面的局限性。然而IEEE80211协议本身的特点，比如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，给研究人员提供了增强IEEE80211T议QOS性能的可能性。针对传统的IEEE80211协议的QOS增强主要集中在以下几个方面在分布式协调模式中，通过修改协议参数来区分优先级；在点协作模式中，通过修改调度算法等来实现QOS的增强。与此同时，IEEE80211212作组也对此进行了完善，提出了扩展QOS保障的新协议。24IEEE8021LE协议介绍IEEE80211工作组历经多年，终于在2005年11月发布了IEEE802。1LE协议，为无线局域网提供了MAC层的QOS保障。在此协议中，所有业务被分为4种接入类别AC，并引入了8种业务流TSTRAFFICSTREAM以区分优先级。IEEE8021LE的服务机制主要通过混合协调功能机制实现。根据竞争介质的方式不同，可分为基于竞争的和集中控制的两种方式，即EDCA和HCCA。241EDCAEDCA是DCF的增强版，它引入了四个AC，每个AC相当于一个DCF，不同的AC拥有不同的AIFSARBITRATIONINTERFRAMESPACE、CWMI。，CWM“和TXOP长度，它们分别决定了对应AC延迟接入的时间，退避窗口的大小和可以占用信道的最长时间。EDCA利用上述几个参数达到支持基于优先级的QOS目的。图23显示了传统的IEEE80211利用DCF接入介质和IEEE8021LE利用EDCA接入介质的区别。9南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍分墨姿嚣稚槿11式802111E增强分布式协作模式分布式协作模式1蹭镑坩饰甄册作惯瓦RES0二ILE毒个声点5个位先执搭点串III垃J跫J；STLILI缁I1CILLLLLJIR洱子OII【P【离干皂；莲【LL喵31ICF3【PI，孤子3J鸺度鬈T，盎座I；T；Q突的情况一F许TXOPIK于萄泥先级的IC接入41型朋，S伊藏帧阎阱CW竞争窗口PF税屯皴圆子TXOF传瞬机龠图23传统8021LDCF与8021LEEDCA的区别在EDCA模式中，还有一个重要的概念是仲裁帧间隔AIFS，它是指连续发送的两个数据帧之间的时间间隔。在节点内部，不同队列所拥有的帧间隔各不相同。EDCA模式中的仲裁帧间隔用有优先级区分的AIFSACIAIFSNACIXSLOTTIMESIFS来表示。图24给出了EDCA模式的工作细节。当信违空阁时漫太于MFS【O】司FS鬲优先黜C昀靛早悖翁对囊。尽力而FFS【C1SLOFTJ撒ET一。一，力型业后。立即进八退照娥惫土LLSN一3】惫争寓饵一一一一务的最羊一，。一，学输舯嬲PLJ晖一一7，JORFS书毽忙SILSI，退避宙讧下一峻F，TT|T一对糟退避碡入信迫图24EDCA模式的工作细节EDCA的四个AC的优先级各不相同，其优先级与各自的参数有关。优先级高的AC帧仲裁时间短，最小竞争窗口和最大竞争窗口都小，从而使得该AC队列侦询时间短，数据包的发送几率大。默认的EDCA的4个AC的对象参数设置如表21所示表11各AC的默认参数ACCWMINCWMAXAIFSTXOPLIMIT8021IBACBK3L10237OACBE3L10233OACVI153126016MSACVO71523264MSLO群幻觏羔瑙南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍EDCA定义了8种业务类别TCTRAFFICCATEGORY，每个业务类别有个优先级，共对应了8个优先级，而这8个业务类别又映射到了4个AC队列，EDCA的业务与接入类别的映射关系如表22所示。由此可见，语音业务和视频业务的优先级比较高，而数据业务的优先级较低。表22EDCA业务与接入种类的对应关系PRIORITYUPTCACLBKBACKGROUNDACBK最低2BKBAEKGROUNDACBKOBEBESTEFFORTACBE1R3EEEXCELLENTEFFORTACBE最高4CLCONTROLLEDLOADAC5VIVIDEOACVI6VOVOICEACVO7NCNETWORKCONTR01ACVO242HCCAHCCA类似于PCF，它是HC以非竞争的方式协调支持QOSI拘站点QSTA之间下行，上行和直接分组传输的利用信道的介质接入控制方式。它由HC来决定是否接入，一旦接入后，HC就会通过轮询机制来接入服务，保障各服务I拘QOS。HCF分为CFPCONTENTIONFREEPERIOD和CPCONTENTIONPERIOD阶段，EDCA在CP阶段使用，而HCCA可以在CFP和CP阶段使用。在CFP阶段，所有STA由于设置了网络分配容器NAVNETWORKALLOCATIONVECTOR，都无法竞争信道，HC就能够无阻碍的使用信道。此时，HCFL皂够把下行数据传输给STA，并把QOSCFPOLL帧发送给需要传输上行链路和边界链路的站点。如果被轮询到的站点有数据传送，就在收至IJCFPOLL帧后传送大小不超过传输概率上限的数据帧。在CP阶段，HC在网络空闲时，也可以传送下行数据和CFPOLL帧。主要通过设置AP的EDCA优先级来获得优先利用信道的权利AIFSPIFS，CWMINCWM瓢0。这样，由于DIFSPIFS，所以站点在监测到信道空闲时，就能够比EDCA更加容易地获得信道使用权。243EDCA与HCCA的比较EDCA的优点是提供了多个不同优先级的AC来适应不同优先级的业务，提供了LL南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网原理及相关协议介绍TXOPTRANSMISSIONOPPORTUNITY来增加传输概率；同时EDCA是分布式的结构，易于实现，市场前景更为广阔。EDCA的缺点是它基于竞争机制，实际情况比较复杂，不确定因素比较多，要保证服务质量难度比较大，在实际过程中设置每个AC的参数集有一定难度，不论是静态设值还是动态调整，都相当复杂。而且当高优先级AC的业务比较多时，会使得冲突频繁，这便需要好的接入控制方案。HCCA的优点是它能通过内部算法的计算得出全网络所有业务的接入方案，并且采用轮询的方式定时将每个业务接入，这便减少了竞争和冲突，充分利用了网络资源，同时也能满足每个业务的特定需求。HCCA的缺点是其操作过于集中，整个接入过程由AP全部控制，有悖于分布式的趋势。同时这种集中调度接入的算法非常复杂，不易实现或是开销太大，使得其市场前景不佳，将来会影响无线局域网的发展。综上所述，EDCA和HCCA各有利弊，但从发展的角度来说，本文觉得EDCA的方式更有前途，所以本文主要是基于EDCA进行深入地研究。12南京邮电大学硕士研究生学位论文第三重玉垡旦域哩的接幽0方塞第三章无线局域网的接入控制方案31接入控制方案原理及意义虽然IEEE80211E协议的EDCA模式引入了区分服务的机制，根据服务的性质不同分配到不同的接入类别上发送，使得一部分高优先级业务在无线局域网内能得到优先处理。但是，当这个局域网内有太多的高优先级业务时，这些高优先级业务之间就会有竞争，频繁地产生冲突。而这些业务一般对延时，丢包，吞吐量的要求都很高如VOLP等，这些冲突会造成服务质量的下降，有时甚至是不能忍受的。为解决以上问题，IEEE80211E协议引入了基于竞争机制的接入控制方案，对高优先级AC进行接入控制。由AP决定在本无线局域网内哪几个AC将受到接入控制，当站点有业务的数据帧要从受控制的AC上发送时，首先要向AP发送接入请求TSPECTRAFFICSPECIFICATION，其中包含了请求业务的参数，AP在接到请求后提取该业务的参数，并依据控制接入算法来决定该业务是否允许接入，再对请求给予答复。如果请求被允许接入，那么该业务就可以在请求的AC上发送数据，如果被拒绝接入，那就不能在此受控制的AC上发送数据。按照这一方案，当网络比较繁忙超过某一临界点时就不能再有新的业务被允许接入高优先级的AC，这样一来可以保证已接入的高优先级业务的性能不受影响，二来可以避免因高优先级业务过多而导致出现低优先级业务的数据无法发送的情况。在实际操作中，QAP在每个周期发送的信标里会标注受控制的AC在相应的AC参数里把ACM位置1，一般至少会把ACBE和ACBK两个AC开放用以发送数据，而把ACVO和ACVI两个AC控制用以限制高优先级业务。这一设置在整个局域网运行过程中是不会变的。使用接入控制和没使用接入控制的网络延时情况可从图31对比看出差异。没使用按入控制的时候，由于高优先级业务太多，相互之间造成竞争，所以每个业务的延时都很长。使用接入控制后，被允许接入的高优先级业务的延时将会缩短，基本满足业务需求，而未被允许接入的业务延时反而变长，服务质量较差。由此便可看出接入控制对于保证已有高优先级业务服务质量的作用。南京邮电大学顶E口F究生学世论立第章无线月域咧的接拉制方案R00口O5。00。5MNI，美M。2。口HFT0FI1。F删她黼划黜1_刚舢嗍啊嘲哪啊口锄_明。I；III；I；L；LLI；IIIL；I；I图31使用接入控制前后业务延时情况3,2接入控制的方法概述同前无线局域网中接入控制方案L”I主要基于两利模式EDCA和HCCA。基于EDCA模式的接八控制方案分为两大类别基于测量的方案和基于模型的方案。基于测量的方案源于实践，通过对一段时间内网络状态如延时，吞吐量，丢包的测量而对接八控制算法进行调整。这种方案的优点是实现简单，可操作性更强，缺点是没有基础理论的支持，难以做到全局最优。基于模型的方案一般都是进行数学建模，从数学模型中推导出展佳的解决方法。这种方案的优点是具有深厚的理论性能从理论上给出摄优解，缺点是其模型中的某些参数，场景是建立在不现实的理想的假设上，不具备实际意义，且算法往往太复朵，可实现性差。基于EDCA的接入控制算法己被证明是有用的口I。3,3接入控制方案的研究现状当前学界和业界对接入控制方案的研究很多，本文在这一章主要介绍与EDCA有关的些经典的和最新的接入控制方案。与HCCA有关的方法“I将不多作介绍。331分布式接入控制DACDISTRIBUTEDADMISSIONCONTR01DAC”方案曾在草案中提出，用来保护现有业务数据流的质量，但是最后并未在正式南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线局域网的接入控制方案协议中出现。在DAC方案中AP通过广播信标帧来发布下一周期的传输预算，这一预算表示每个AC除了当前的业务外还能用来接入新业务的时间。为了计算这一传输预算，AP把每个AC占用信道的上限减去上一个周期发送数据所占用的时间。该方法采用分布式接入控制，每个AC都有权力根据当前的预算和业务的需求来做出决定，如果某个AC的预算耗尽，那么新的数据流将无法从该AC上获得发送机会，其它已存在的业务也无法获得更多的发送时间。DAC方案的优点在于它是完全分布式的，控制接入的过程都在各个站点上做，可以有效地分散工作量，不会在某个结点上拥塞，而且算法简单，容易实现。在网络负载严重的情况下，可以有效地控制新业务的接入，保证已有业务的服务质量。DAC方案的缺点是容易造成网络性能的振荡。每个站点都在每个周期内收到信标帧时调整本地的参数，这样在网络环境较好时会一拥而上同时允许接入多个新业务，造成网络状况的急剧恶化，而在下个周期时由于预算骤减而拒绝接入所有的数据流，造成网络资源的浪费。而且这种情况很可能会周期性发生。同时该方案只能保证在网络负载不是很重的情况下保证现有业务的服务质量，当网络负载很重的情况下它的作用也不大，而且它也无法使应用程序对QOS的需求与各个AC的TXOP参数关联起来。332基于测量的全局参数集成控制的接入控制方法论文【4】提出应该对实时业务和数据业务区别对待处理。该文章认为太多的数据传输业务会影响网络的性能，也会减弱语音和视频业务的质量。因此实时业务的处理还是使用DAC的方法，对于I0的AC，其AIFSO，CWMINI，CWMAXI都是静态设定，并由QAP计算并发布TXOP啪，但对于数据业务，将采用全局控制机制来动态地改变这三个参数。在每个信标帧间隔期间QAP将维护以下变量S1T【】AC嘲发送数据的成功率，FTT所有数据发送失败的概率。QAP将运行一个算法，当FTTTI6FTTT1时，说明发送失败率太高，冲突太多，这时应该增大每个参数的值；相反，如果FTTT1MB而且对数据包生命期和队列长度都有限制所以在仿真中必然会出现丢包和时延，本文将从三个方面吞吐量丢包，延时来做仿真实验考察改进方案对观察业务各方面性能的影响。1观察业务的吞吐量性能仿真结果如图56，57所示国5_6改进方案前各业务的吞吐量情况III菱竺I南京“屯学P究生学位培立第五章NS2仿真甲台J结果分折。2S。口B。J言咖。嚣L。E口ON17门一AV7_。毋脯滔洲麓馨篱9搁F】图57使用改进乃案各业务的吞吐量情况图56和图57是使用改进方案前后各个业务的吞吐量的比较。在没有使用改进方案的时候，背景业务因为它的优先级比较低数据帧获得发送的几率也比较低，且遇到冲突后退避的时曰长，所以它的吞吐量也比较低且不无稳定，容易受影响。高优先级业务由于其所处的AC优先级高，获取发送机会的几率大H遇到冲突后退避的时删短，所以吞吐量比较高而且稳定。对于观察业务，由于它在请求接入时被拒绝，所以只能自始至终在AC0上发送数据帧，在有高优先级业务结束，网络情况好转时。观察业务依然是在AC0上发送数据帧，所以虽然观察业务与高优先级业务在业务特征上完全相同数据帧大小，数据发送速率，带宽大小都相同，但其吞吐量始终不如高优先级业务高而且不稳定。在使用了改进方案后，高优先级业务与背景业务的吞吐量基本没变，观察业务在第2秒第6秒时吞吐量依然低，但是在第6秒后由于有一个高优先级业务结束，网络情况好转，观察业务再次发送TSPEC请求，这次被允|午接入。因此从第6秒开始观察业务便在AC3上发送数据帧，其吞吐量便与高优先级业务相同，相比于图56没使用改进方案的情况其吞吐量有了明显的提高并且非常稳定。需要特别说明的是在图57第62秒和第64秒时，观察业务的吞吐量超过了高优先级业务的吞吐量，其主要原因是当观察业务的数据帧从第6秒开始从AC3上发送时，它在AC0队列内还有数据帧没发送出去，这些数掘在后面的时N里如62秒，64秒发送出去，而这些等待时间较长被延迟发送的数据会与AC3上发出的数据起被接收端接收，这便造成了在这两个时间段上观察业务的吞吐量反而较高的原因。2观察业务的丢包率性能仿真结果如图58所示39兰蓉_堂皇些TG当兰堡主坚塞圭芏垡堡苎墨亘垩望盟墨鱼笪里坌盟目暾I薹一图58丢包率仿真情况因为每个无线终端的AC发送队列都有一定的大小，当这个发送队列被待发送的数据帧塞满后，如果上层再有数掘帧要发送时，这个数据帧就要被丢弃，因此便造成了数据帧的丢包率。丢包率的高低与两个因素有关，一个是数据帧的产生速率，一个就是AC队列的数据帧发送速率。数据帧的产生速率越高，队列的发送速率越低，那么这时的丢包率就越高。背景业务在低优先级的AC上发送，队列发送速率低，但是该业务的数据帧产生速率也比较低，每隔50毫秒才产生一个数据报，因此在队列大小固定的情况下，它所能容忍的等待时间比较长。举例来说，如果队列大小为20，那么即使这个队列一个数据帧都没发送出去，也要等到1秒过后才会出现丢包。所以在整个仿真场景中背景业务没有丢一个数据帧。高优先级队列的数据产生速率高，每隔20毫秒就产生一个数据报但是它所在的AC3队列的发送速率也高，一般都能及时把数据帧发送出去，不会造成堆积，因此高优先级业务的丢包率也为0。观察业务的数据产生速率与高优先级业务相同，而刚开始又没能被允许在AC3上接八，只能在低发送速率的AC0上接入因此会有丢包的情况产生。图58显示了使用改进方案前后观察业务的丢包情况。末使用改进方案时，观察业务从第3秒时开始丢包并且差包车很不稳定。在有高优先级业务结束时，其丢包率依然如此，并没有降低。使用改进方案后，观察业务在第6秒转成在AC3上发送数据帧，其丢包率即与高优先级业务相同，从第6秒开始到结束丢包都为0。3观察业务的延时性能仿真结果如图59，510所示自京邮电学G，I，WF，学位论立第I审NS2仿真自J站泉分析【6。000。L0口OCCIU。J。10000百；”W60。1D。OO。；I；L；I；”【一T图59改进方案前眷业务的延时情况T，K盖I1|J3I；II；III；IL；IIL；I；IIL；II目“图510使用改进方案后各业务的延时情况所谓延时就是指自上层业务产生数据帧进入发送队列开始至该数据帧被接收端收到为止这一段时间间隔。在网络中数据帧的延时越短，这个网络的性能越好，某一业务的数据帧延时越短该业务的服务质量就越好。高优先级业务由于其所处的接入队列的优先级比较高，因此发送效率也比较高，所以它的延时般很短，不超过数掘帧的发送间隔时长，都在20毫秒以下。对于背景业务，因为其所处的接入队列的优先级低，因此发送效率也比较低，所以它的延时要比高优先级41一一一一，南京邮电大学硕士研究生学位论文第五章NS2仿真平台与结果分析业务长，但是由于该业务数据帧间的发送间隔比较长，所以不会造成大量数据帧堆积在发送队列，它的延时也不会太长，基本在600毫秒以内，但不稳定。但观察业务由于一方面数据帧发送间隔比较小，另一方面所处的接入队列优先级低，导致其数据帧在发送队列里大量堆积，最终造成延时很大，基本在4001200毫秒之间，且振荡很大。这可从图59没使用改进方案时各业务的延时中看出。使用了改进方案，在第6秒时，观察业务申请在高优先级接入队列上发送数据，此后它的数据延时便与其它高优先级业务一样，在20毫秒以下。如图510所示，使用改进方案后，高优先级业务和背景业务的延时性能基本没变，但是观察业务的延时性能在网络情况好转时会跟着好转，提高了其服务质量。532场景二排序决策与实时决策的性能比较本文在改进方案中提出了对重发的TSPEC进行识别并集中排序后在下个周期开始时依优先级高低给QAP的接入控制模块进行决策的方案，主要是为了实现网络中所有业务性能的优化。图511所设计的仿真场景是为了验证这一决策安排方案相对于协议中对TSPEC申请做出即时响应做法的优越性。STA7STAL6SQA17S丁A19图511场景二在此场景下，有6个无线终端结点STALSTA6与AP相连，它们同时发送普通业务的数据至PCL，无线终端结点STA7STA20也与AP相连，它们发送高优先级业务的数据至PC2，这些数据都请求从优先级最高的ACVO上发送，而这个AC被AP要求接入控制。该场景的各参数如下普通业务的数据包大小为400BYTE，平均数据率为64KBS，这些数据报都从AC0上发送。高优先级业务分两种，第一种业务的数据帧大小为160BYTE，平均数42塑室堕皇盔堂堡主婴塞圭堂垡笙塞蔓亘重型笪塞垩鱼皇堕墨坌堑据率为64KBS，STA7STAL9都是发送第一种业务的数据；第二种业务的数据帧大小为480BYTE，平均数据率为192KBS，STA20发送第二种业务的数据。这些数据帧都从AC3上发送。每个AC的初始参数值都为80211E协议所默认的值，如图55所示。其它的一些仿真参数和场景一的相同。仿真场景中各业务的时间顺序为6个背景业务从仿真运行时即开始并在整个过程中始终进行；STA7STAL6的LO个高优先级业务从仿真后1