無線局域網(wǎng)絡(luò)隨機信道接入控制機制研究.pdf

1、隨著Internet的不斷延伸和拓展，無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Network，WLAN）的應(yīng)用在近年來取得了快速的增長。WLAN的介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議機制決定了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點接入共享信道的具體操作方式，并從根本上影響著WLAN的網(wǎng)絡(luò)性能?，F(xiàn)有MAC協(xié)議機制中以無中心控制的隨機信道接入MAC在WLAN中應(yīng)用最為廣泛。隨機信道接入MAC機制具有組網(wǎng)快捷，操作簡單，易于實現(xiàn)，信道利用靈活等優(yōu)點，但其在應(yīng)用中也存

2、在諸多挑戰(zhàn)和困難，是一直以來WLAN中MAC研究的重點關(guān)注對象。本文我們針對WLAN隨機信道接入MAC機制進行了較為深入的研究，開展了一些具有創(chuàng)新意義的工作。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)是目前WLAN發(fā)展中得到普遍認(rèn)可的技術(shù)規(guī)范，其MAC定義采用了基于CSMA/CA的多址隨機信道接入控制機制。IEEE802.11 MAC在WLAN的應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位，大量無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究都以此為基礎(chǔ)展開。本文我們以基于IEEE802.11 MAC的WLA

3、N為主要研究對象，圍繞解決WLAN中如何有效地進行協(xié)議性能分析、增強信道利用效率、優(yōu)化系統(tǒng)整體性能、提高QoS區(qū)分服務(wù)支持保證、改善多速率自適應(yīng)性能等目標(biāo)問題，研究了WLAN隨機信道接入MAC機制的分析模型建立和優(yōu)化算法設(shè)計。主要內(nèi)容包括以下幾個部分：
　　 第一章介紹了WLAN的發(fā)展概況，闡述了其MAC研究的重要意義和主要研究目標(biāo)，并對幾種重要的MAC機制以及WLAN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范進行了簡要介紹。論文從多個方面重點分析了當(dāng)

4、前MAC相關(guān)研究的發(fā)展概況和現(xiàn)狀，包括IEEE802.11協(xié)議模型分析的研究，信道競爭接入?yún)f(xié)調(diào)機制的研究，IEEE802.11多速率傳輸自適應(yīng)機制的研究，以及動態(tài)頻譜接入技術(shù)的研究等。
　　 第二章提出了一種適用于IEEE802.11 DCF的自適應(yīng)優(yōu)化算法CSB（ChannelSensing Baekoff）。在維持DCF現(xiàn)有退避機制不改變的條件下，算法設(shè)計采用了對節(jié)點的信道接入請求以概率參數(shù)P_T進行過濾的方法控制節(jié)點競爭接

5、入信道的激烈程度。不同于已有的DCF機制優(yōu)化方法，CSB算法的主要特點在于在優(yōu)化調(diào)整過程中不需要進行計算復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量估計，并且可以在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)條件下始終圍繞一個確定不變的優(yōu)化目標(biāo)進行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。利用CSB算法，網(wǎng)絡(luò)獲得了系統(tǒng)吞吐量，碰撞概率，傳輸延遲，延遲抖動，公平性等多方面的性能改善。
　　 第三章建立了一種基于Markov鏈模型的IEEE802.11 EDCA協(xié)議性能模型分析方法。針對EDCA的優(yōu)先級區(qū)分信道接入特

6、性，采用了一種新的三維Markov鏈結(jié)構(gòu)模型對協(xié)議的退避接入過程行為進行刻畫。基于該模型，全面分析了飽和和非飽和網(wǎng)絡(luò)情形下的EDCA協(xié)議性能，并且分析涵蓋了EDCA協(xié)議主要的三個關(guān)鍵業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)機制：Wmin/Wmax，AIFS，TXOP。利用建立的模型分析方法，提出了一種基于TXOP參數(shù)動態(tài)調(diào)整的D-TXOP（Dynamic TXOP）接納控制算法。算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流的QoS要求，在動態(tài)調(diào)整各優(yōu)先級的TXOP參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)

7、中新到達(dá)業(yè)務(wù)流進行接納控制，達(dá)到了提高網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力的目的。
　　 第四章將IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化研究進一步深入擴展到支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)條件下，提出了一種適用于IEEE802.11 MAC實現(xiàn)QOS區(qū)分服務(wù)支持的自適應(yīng)優(yōu)化算法QATC（QoS-supporting Adaptive Transmission Control）。算法不需要估計各優(yōu)先級業(yè)務(wù)的節(jié)點數(shù)量，能夠在保證不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)獲得確定區(qū)分服務(wù)的同時，達(dá)

8、到信道利用率的提高和系統(tǒng)性能增強的目的。作為擴展，論文還將QATC算法應(yīng)用于IEEE802.11多速率網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，實現(xiàn)按照時間公平原則分配占用信道資源條件下的信道利用率最大化。在QATC算法的基礎(chǔ)上，進一步考慮了AIFS區(qū)分信道接入的應(yīng)用，引入了不同競爭區(qū)間采用有區(qū)別的信道接入?yún)?shù)的機制，提出了增強的EA-QATC（Enhanced AIFS-based QATC）算法。EA-QATC算法繼承了QATC的優(yōu)點，解決了現(xiàn)有研究在AIFS應(yīng)

9、用條件下優(yōu)化系統(tǒng)性能困難的問題。
　　 第五章給出了多速率自適應(yīng)IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)ARF（Automatic Rate Fallback）算法分析的一種Markov鏈模型。ARF算法速率調(diào)整與節(jié)點傳輸結(jié)果密切相關(guān)，模型的建立考慮了節(jié)點基本（Basic）傳輸模式與RTS/CTS傳輸模式的選擇對是否區(qū)分碰撞導(dǎo)致的傳輸失敗的影響。利用算法模型，深入分析了兩種ARF算法的增強應(yīng)用，分別為節(jié)點以隨機概率選擇不同傳輸模式以及根據(jù)當(dāng)前算

10、法狀態(tài)條件不同選擇不同傳輸模式的應(yīng)用。進一步地，結(jié)合DCF協(xié)議退避機制的研究，給出了網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量性能分析。
　　 第六章研究了基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的MAC機制。針對強拆占用和非強拆占用兩種不同的頻譜信道共享策略，利用多種排隊系統(tǒng)模型，分析了非授權(quán)用戶信道占用對授權(quán)用戶業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊懀⒅攸c研究了非授權(quán)用戶的業(yè)務(wù)傳輸性能，討論了非授權(quán)用戶傳輸性能的增強。通過將分析擴展到多信道情形下，研究了增加可利用的授權(quán)頻譜信道數(shù)量對改善非授