IEEE 802.11DCF性能分析与优化

论文摘要

随着无线局域网(WLAN)的广泛应用,在无线网络中传输实时多媒体业务(如视频、音频等)的需求也越来越大,在无线局域网中提供质量保证服务(QoS,Ouality of Service)已经成为一项重要的极具挑战性的任务。同有线网络相比,无线网络在性能和服务质量方面还有很大差距,实时业务对于诸如带宽、延迟、延迟抖动等网络服务参数有更加严格的要求,要为实时业务提供可靠的有质量保证的服务,实现介质共享的MAC层协议是一个非常重要的因素。因此,对IEEE 802.11 MAC协议的性能分析和改进,以及与MAC有关的服务质量问题的研究具有非常重要的现实意义。本文简要介绍了无线局域网的背景、概念、优势、应用前景和无线局域网的多个标准,以及IEEE802.11中的DCF机制。详细介绍了IEEE802.11所使用的传输技术、基本网络拓扑、协议体系等,较全面地讨论了当前基于DCF的各种QoS机制。本文的研究工作主要基于IEEE802.11标准,通过对分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)的详细阐述,指出传统的DCF机制只能支持尽力而为(Best Effort)的服务,而时延敏感的语音和图像业务等要求更好的服务方式,由于无线局域网的高移动性、高误码率以及建立在竞争机制上的媒介接入方式,使得QoS的实现相当困难。接下来本文通过对退避时延算法的研究,提出了一种降低DCF开销的退避算法,并且为了减小竞争窗口频繁变化所带来的传输效率的降低,修改了成功传输的站点及发生冲突的站点侦听信道的机制,当节点发现信道忙时,不会选择随机退避,而是在Ts时间间隔后再次侦听信道状态,因此由于选择相同退避时隙而造成冲突的概率减小,从而增加了吞吐量,降低了平均延时。同时,为了更好地为实时业务提供QoS保证,本文提出一种带优先级的访问机制,以支持实时业务流。优先级主要由帧间距区分。由于考虑到在高负载的情况下对高优先级和低优先级业务的不公平的带宽分配,我们采用动态的优先级来防止低优先级业务饥饿,使低优先级的业务也能得到很好的服务。仿真实验表明,该机制不但能够为实时业务提供高吞吐率和较小的平均延迟,而且也是一种较公平的QoS机制。在此基础上文章还介绍了被广泛使用的仿真工具NS2及仿真方法。最后,本文对IEEE802.11中DCF的研究进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线局域网简介
• 1.1.2 无线局域网中的QoS 研究
• 1.2 研究目的
• 1.3 论文的工作及章节结构
• 2 IEEE802.11MAC 层协议DCF 机制详述
• 2.1 无线局域网标准及IEEE802.118 协议
• 2.1.1 无线局域网标准
• 2.1.2 IEEE802.116 体系结构的组成部分
• 2.1.31 EEE802.11 的逻辑结构
• 2.1.4 MAC 体系结构
• 2.2 载波侦听多址访问/碰撞回避（CSMA/CA）机制
• 2.2.1 基本思想
• 2.2.2 CSMA/CA 机制在协议中的应用
• 2.3 分布式协调功能（DCF）
• 2.3.1 帧间间隔（IFS）
• 2.3.2 分布式协调功能（DCF）的定时关系
• 2.3.3 随机退避时间
• 2.3.4 恢复规程和重传限制
• 2.3.5 信道控制
• 3 基于IEEE802.11DCF 的QOS 机制综述
• 3.1 802.11 DCF 的性能分析方法
• 3.1.1 基于Kleinrock 理论[22]的分析
• 3.1.2 基于Bianchi 模型[23]的分析
• 3.1.3 基于仿真实验的性能分析[24-26]
• 3.1.4 基于其它方法的DCF 性能分析[27-29]
• 3.2 基于DCF 的QOS 研究现状
• 3.2.1 GAMA （The Group Allocation Multiple Access）[30]协议
• 3.2.2 Aad-Castelluccia 机制
• 3.2.3 Deng 机制
• 3.2.4 VMAC-VS 机制
• 3.2.5 EDCF 机制
• 3.2.6 AEDCF 机制
• 3.2.7 Black-Burst 机制
• 3.2.8 DFS 机制
• 3.2.9 DBASE 机制
• 3.2.10 DWOP 机制
• 3.3 QOS 机制比较分析
• 4 降低DIFS 开销的公平性实时访问机制
• 4.1 仿真软件N52
• 4.1.1 网络模拟需求
• 4.1.2 NS 网络仿真软件介绍
• 4.1.3 使用NS 进行网络仿真的方法和一般过程
• 4.1.4 NS 中IEEE802.11 的实现
• 4.2 实时业务在IEEE802.11 下的性能
• 4.3 IEEE802.11 基本访问机制
• 4.4 优化的DCF 机制
• 4.4.1 基本原理
• 4.4.2 仿真结果分析
• 4.5 公平性实时访问机制
• 4.5.1 采用带帧间距区分的优先级
• 4.5.2 公平性保证
• 4.5.3 仿真结果分析
• 5 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录