无线局域网络随机信道接入控制机制研究

摘要

随着Internet的不断延伸和拓展，无线局域网络（Wireless Local Area Network，WLAN）的应用在近年来取得了快速的增长。WLAN的介质访问控制（MAC）协议机制决定了网络中节点接入共享信道的具体操作方式，并从根本上影响着WLAN的网络性能。现有MAC协议机制中以无中心控制的随机信道接入MAC在WLAN中应用最为广泛。随机信道接入MAC机制具有组网快捷，操作简单，易于实现，信道利用灵活等优点，但其在应用中也存在诸多挑战和困难，是一直以来WLAN中MAC研究的重点关注对象。本文我们针对WLAN随机信道接入MAC机制进行了较为深入的研究，开展了一些具有创新意义的工作。IEEE802.11标准是目前WLAN发展中得到普遍认可的技术规范，其MAC定义采用了基于CSMA/CA的多址随机信道接入控制机制。IEEE802.11 MAC在WLAN的应用中占据了主导地位，大量无线网络相关研究都以此为基础展开。本文我们以基于IEEE802.11 MAC的WLAN为主要研究对象，围绕解决WLAN中如何有效地进行协议性能分析、增强信道利用效率、优化系统整体性能、提高QoS区分服务支持保证、改善多速率自适应性能等目标问题，研究了WLAN随机信道接入MAC机制的分析模型建立和优化算法设计。主要内容包括以下几个部分：
　　 第一章介绍了WLAN的发展概况，阐述了其MAC研究的重要意义和主要研究目标，并对几种重要的MAC机制以及WLAN的相关标准协议规范进行了简要介绍。论文从多个方面重点分析了当前MAC相关研究的发展概况和现状，包括IEEE802.11协议模型分析的研究，信道竞争接入协调机制的研究，IEEE802.11多速率传输自适应机制的研究，以及动态频谱接入技术的研究等。
　　 第二章提出了一种适用于IEEE802.11 DCF的自适应优化算法CSB（ChannelSensing Baekoff）。在维持DCF现有退避机制不改变的条件下，算法设计采用了对节点的信道接入请求以概率参数P_T进行过滤的方法控制节点竞争接入信道的激烈程度。不同于已有的DCF机制优化方法，CSB算法的主要特点在于在优化调整过程中不需要进行计算复杂的网络节点数量估计，并且可以在不同网络状态条件下始终围绕一个确定不变的优化目标进行参数优化调整。利用CSB算法，网络获得了系统吞吐量，碰撞概率，传输延迟，延迟抖动，公平性等多方面的性能改善。
　　 第三章建立了一种基于Markov链模型的IEEE802.11 EDCA协议性能模型分析方法。针对EDCA的优先级区分信道接入特性，采用了一种新的三维Markov链结构模型对协议的退避接入过程行为进行刻画。基于该模型，全面分析了饱和和非饱和网络情形下的EDCA协议性能，并且分析涵盖了EDCA协议主要的三个关键业务区分服务机制：Wmin/Wmax，AIFS，TXOP。利用建立的模型分析方法，提出了一种基于TXOP参数动态调整的D-TXOP（Dynamic TXOP）接纳控制算法。算法根据网络中业务流的QoS要求，在动态调整各优先级的TXOP参数设置的基础上，对网络中新到达业务流进行接纳控制，达到了提高网络的业务承载能力的目的。
　　 第四章将IEEE802.11网络的优化研究进一步深入扩展到支持多优先级业务的网络条件下，提出了一种适用于IEEE802.11 MAC实现QOS区分服务支持的自适应优化算法QATC（QoS-supporting Adaptive Transmission Control）。算法不需要估计各优先级业务的节点数量，能够在保证不同优先级业务获得确定区分服务的同时，达到信道利用率的提高和系统性能增强的目的。作为扩展，论文还将QATC算法应用于IEEE802.11多速率网络的优化，实现按照时间公平原则分配占用信道资源条件下的信道利用率最大化。在QATC算法的基础上，进一步考虑了AIFS区分信道接入的应用，引入了不同竞争区间采用有区别的信道接入参数的机制，提出了增强的EA-QATC（Enhanced AIFS-based QATC）算法。EA-QATC算法继承了QATC的优点，解决了现有研究在AIFS应用条件下优化系统性能困难的问题。
　　 第五章给出了多速率自适应IEEE802.11网络ARF（Automatic Rate Fallback）算法分析的一种Markov链模型。ARF算法速率调整与节点传输结果密切相关，模型的建立考虑了节点基本（Basic）传输模式与RTS/CTS传输模式的选择对是否区分碰撞导致的传输失败的影响。利用算法模型，深入分析了两种ARF算法的增强应用，分别为节点以随机概率选择不同传输模式以及根据当前算法状态条件不同选择不同传输模式的应用。进一步地，结合DCF协议退避机制的研究，给出了网络的系统吞吐量性能分析。
　　 第六章研究了基于动态频谱接入技术的MAC机制。针对强拆占用和非强拆占用两种不同的频谱信道共享策略，利用多种排队系统模型，分析了非授权用户信道占用对授权用户业务传输的影响，并重点研究了非授权用户的业务传输性能，讨论了非授权用户传输性能的增强。通过将分析扩展到多信道情形下，研究了增加可利用的授权频谱信道数量对改善非授权用户传输性能的作用。