无线局域网中基于数据链路层增强的传输可靠性研究

摘要

随着信息物理系统(CPS)产业的兴起，在实时无线技术的应用也越来越关注CPS。在目前的TDMA调度协议中，它提供实时、高速、可预测的数据传输，能够满足对时间要求比较严格的工业需求，但是却没有明确的可靠性执行机制。TDMA调度协议由于受到噪声和其他干扰所造成的不受控制的数据包丢失，或者是遭受低效的通信信道使用，在可靠性上的性能表现上还有待于进一步提高。目前的很多研究都是在牺牲数据传输速率的基础上来提高数据传输的可靠性，这对数据传输具有严格时间要求的控制应用来说显然是无法接受的。无线局域网络的控制系统中，感知信息传输速率和传输可靠性是控制系统至关重要的两个目标，用户根据可靠的数据传输及时的作出决策。无线网络中提高传输可靠性具有重大的研究意义。
　　本文在充分分析国内外对TDMA调度机制研究的基础上，明确考虑了WiFi和非WiFi干扰源的干扰，并在TDMA调度协议的基础上提出了两套有效的解决方案。主要研究内容和创新工作如下:
　　(1)基于现有的IEEE802.11协议中的载波监听碰撞避免(CSMA/CA)和停止等待协议，每个站之间通过相互竞争的形式接入通信链路，不确定的延时，无法完成实时的数据传输。针对此问题，本文在现有的TDMA调度协议的基础上，进行了可靠性的研究工作。结合Linux开源的无线网卡驱动程序Ath9k和mac80211，添加定时器、信道接入控制、链路调度等自定义模块，完成基于TDMA调度机制的数据链路层搭建，并在商用的IEEE802.11硬件上搭建实时WiFi平台。
　　(2)在TDMA调度协议的基础上，设计出新的速率自适应算法，在不同的信道条件下通过连续地接收或丢失ACK确认帧来判定信道的条件，从而通过“S”搜索方案智能地调节不同的发送速率。发送方在发送数据时，实行发送数据和探测可能胜过当前速率的新数据速率，对探测到的传输质量较好的新数据速率和现在使用的发送速率进行对比，选择其中最好的一项，最后进行速率的切换。
　　(3)在速率自适应和TDMA调度机制的基础上，考虑在面对一般非WiFi干扰源时如何提高数据传输的可靠性。本文设计出了实时速率自适应导出重试链算法，以及短周期的优先调度算法。实时速率自适应导出重试链算法用于导出在满足投送成功率条件下的最小时间预算的重试链。在所有调度的链路中，每个链路都有自己的周期，采取短周期优先调度，这样短周期可以在整个调度期限中调度多次。在TDMA调度机制下，每个调度链路的数据发送不一定一次就能传输成功，可能需要多次，这样在设置调度时隙时间的时候，要考虑多次重传。在实时速率自适应导出重试链算法，以及短周期的优先调度算法的基础上结合时隙内重传以便在非WiFi干扰环境中提高数据传输的可靠性。
　　(4)在TDMA调度协议的基础上，考虑在面对WiFi干扰源时如何提高数据传输的可靠性。在WiFi干扰的环境当中，首先需要打开TDMA调度网络的载波监听碰撞避免(CSMA/CA)机制，这样可以确保TDMA网络与普通WiFi共存时可以相互侦听，避免不必要的碰撞。以及根据速率自适应导出的重试链，如果重传次数没有全部使用，把剩余的未使用重传时间提前预定给下一个将要发送数据的链路。通过对调度链路中微时隙的提前预定，把已经传输成功的链路中尚未使用的微时隙提前预定给下一个将要调度的链路，进一步提高链路的可调度性。同时缩短TDMA网络的帧间间隔(IFS)来提高TDMA网络的优先级，最后把TDMA网络未使用的带宽共享给普通WiFi网络。

目录

声明

摘要

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究的主要内容

1．3．1 论文主要工作

1．3．2 论文的内容安排

第二章 基于TDMA调度协议实时性传输平台的搭建

2．1 TDMA调度机制的通信协议的简介

2．2 链路调度器

2．2．1 链路

2．2．2 超帧

2．2．3 设备配置文件

2．3 灵活的数据链路层设计

2．3．1 采样率

2．3．2 数据包大小和数据速率

2．4 关联过程

2．5 系统实现

2．5．1 硬件和软件平台

2．5．2 链路调度器和消息处理模块

2．5．3 参数设置

2．6 性能评估

2．6．1 非WiFi干扰环境下的性能评估

2．6．2 WiFi干扰条件下的性能评估

2．7 本章小结

第三章 基于信道信息统计的WLAN速率自适应算法

3．1 速率自适应研究现状

3．2 Atheros芯片组和Ath9k驱动程序

3．3 ISRA算法设计与实现

3．3．1 二维速率探测表

3．3．2 长期统计和短期统计

3．3．3 probe()函数的设定

3．3．4 探测速率的选择

3．3．5 发送速率的选择

3．3．6 ci的设定

3．4 系统验证与性能比较

3．4．1 系统设置

3．4．2 吞吐量性能比较

3．5 本章小结

第四章 非WiFi干扰条件下的可靠传输

4．1 TDMA调度机制的网络架构

4．2 TDMA调度机制的系统模型

4．3 面对一般非WiFi干扰源的可靠传输策略

4．3．1 TDMA调度机制下的可靠链路调度问题

4．3．2 实时速率适应导出重试链

4．3．3 通信链路调度

4．3．4 TDMA调度机制的时隙内重传

4．4 非WiFi干扰下的可靠传输策略的性能评估

4．4．1 时隙的设定

4．4．2 系统设置

4．4．3 实验对比

4．5 本章小结

第五章 WiFi干扰条件下的可靠传输

5．1 提前预定

5．1．1 提前预定的描述

5．1．2 提前预定下有效的冲突解决机制

5．1．3 提前预定的调度

5．2 WiFi网络的共存机制

5．2．1 灵活信道接入控制器

5．2．2 执行载波侦听

5．2．3 与常规WiN网络共存

5．2．4 虚拟载波侦听的规则下推迟普通的WiFi传输

5．3 系统实现

5．4 与常规WiFi网络共存时的性能评估

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的主要学术研究成果

附录