IEEE 802.11e的网络性能、容量评估与资源分配策略研究

摘要

随着无线通信系统在世界范围内成功应用，以语音和视频为代表的多种业务从有线向无线延伸，移动分组数据业务和多媒体业务成为未来移动通信发展的主要方向。然而，无线接入技术所能提供的服务质量较有线网络还有很大的差距，从而制约了多媒体业务的广泛应用。由于MAC协议对网络性能有较大影响，为提高对多媒体业务的支持能力，必须改进和提高MAC协议的性能。IEEE802.11是无线局域网主流的MAC协议，也是Adhoc网络和无线传感器网络MAC协议的基础。在其基础上提出的802.11e协议是无线局域网支持多媒体业务的主要协议。面对业务种类日益丰富、网络规模不断增大的趋势，优化802.11e协议的性能、合理分配无线资源成为向多媒体业务提供服务质量保证的关键。本文通过协议建模对IEEE802.11eMAC协议性能、协议优化、资源分配问题展开研究。本文的研究结论可用于解决定量分析各种网络参数对协议性能的不同影响、设计有效的服务区分机制、实现无线带宽的合理分配和最大利用等与服务质量保证机制紧密相关的问题。 ⑴针对IEEE802.11eEDCA的性能分析问题，分别提出了业务量饱和和非饱和条件下的分析模型。与其他研究者的分析方法相比较，本文所提出的饱和分析模型涵盖了竞争窗大小、AIFS大小和内部碰撞处理机制，从而综合地反映了主要服务区分机制对协议性能的影响。在对业务量饱和情况进行性能分析的基础上，论文详细分析了业务量变化的不同阶段802.11e协议性能的变化情况，提出了非饱和状态下802.11e的性能分析模型。以往研究常假定网络中不同业务种类具有相同的数据帧长度，与此不同，论文综合考虑了数据帧长度相同和不同两种情况。分析和仿真结果表明，论文提出的饱和和非饱和分析方法比其它分析模型更能精确地反映IEEE802.11eEDCA的性能。对协议进行性能分析的目的是实现网络性能的优化和资源的最佳利用，最终实现对多媒体业务的服务质量保证。在对802.11e饱和状态和非饱和状态研究的基础上，论文围绕协议性能优化和资源分配展开进一步的探讨。 ⑵通过对协议容量的分析，发现并提出IEEE802.11e协议所构成的网络存在一个最佳工作状态，并进一步指出该最佳工作点可以用信道繁忙程度来表示。基于这一结论，通过对公平性因子、数据帧长度对最佳工作点和最大协议容量影响的分析，指出通过将信道繁忙概率控制在某一范围就可以获取对无线带宽资源的最大利用。同时，结合各种业务之间的公平性问题，论文提出了配置协议参数达到最佳工作状态的算法。理论分析和仿真表明，采用论文提出的参数配置算法，可以在保证各种业务之间成比例公平的基础上，达到对信道带宽的有效利用。 ⑶提出了一种应用于802.11e网络的新的带宽预测算法。以往对802.11e带宽分配的研究局限在网络饱和的情况。而实际上，受不同业务流量强度的影响，网络可能处于饱和状态、非饱和状态和半饱和状态三种状态之一。如何判断网络所处状态以及如何确定由于碰撞和空闲造成的带宽损失，是带宽分配的难点。新算法利用饱和分析模型和最大协议容量理论，从节点的到达业务流量和吞吐量的大小关系出发，判断网络中各节点所处的状态，从而判断网络所处状态。根据论文所提出的最大协议容量和最佳工作点理论，将网络设定在最佳工作点以确定因碰撞和退避等待造成的带宽损失。在带宽预测算法的基础上提出了相应的呼叫接入控制算法和速率控制算法，并验证了所提算法的性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语表

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2无线局域网络MAC研究现状

1.3 IEEE 802.11e简介

1.4课题的来源、意义和任务

1.5本文的主要内容安排与创新点

第二章饱和状态下IEEE 802.11e EDCA性能分析

2.1相关研究背景

2.2 MAC协议的马氏链分析原理

2.3饱和状态下EDCA性能分析

2.4本章小结

第三章非饱和状态下IEEE 802.11e EDCA性能分析

3.1相关研究背景

3.2后退避过程和EDCA非饱和Markov模型

3.3若干关键概率值的计算

3.4媒质访问延迟和排队性能

3.5模型验证与结果分析

3.6本章小结

第四章IEEE 802.11e的最大协议容量与最优配置

4.1相关研究背景

4.2 IEEE 802.11e协议的最大容量

4.3具有比例公平性要求的参数配置方法

4.4仿真和分析结果

4.5本章小结

第五章IEEE 802.11e中的带宽预测与呼叫接入控制

5.1相关研究背景

5.2基于最大协议容量的带宽预测算法

5.3呼叫接入控制和速率控制算法

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1论文工作的总结

6.2对以后工作的展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表或录用的论文