VoWLAN技术中QoS改进算法的研究

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无线局域网(WLAN,Wireless Local Area Networks)凭借其接入灵活、高效快捷以及成本低廉等优点自出现开始便很快得到了人们的广泛关注和应用,随着用户在无线网络中对语音、视频等多媒体业务实时性需求的提高,基于无线局域网的语音通信技术VoWLAN(VolP over WLAN)应运而生。虽然VoWLAN具有广阔的市场前景,但是服务质量QoS(Quality of Service)问题严重制约了它的发展,对实时性要求极高的VoIP(Voice over IP)业务无法提供良好的QoS服务保证。为了在WLAN中提供对QoS的支持,必须要保证其中起关键作用的MAC(Medium Access Control)协议能够根据不同的业务类别提供有区分性的服务,而原有的IEEE802.11协议采用的是尽力而为的传输服务,并不能够很好地实现服务区分以满足多媒体实时业务的QoS需求,为此,IEEE802.11工作组于2005年提出了一个新的能够支持QoS的IEEE802.11e协议。IEEE802.11e针对原有的802.11MAC协议在QoS机制上的不足,相应增强了MAC层,提出了增强的信道接入机制HCF(Hybrid Coordination Function,混合协调功能),其中分别定义了增强分布式信道接入机制EDCA(EnhancedDistributed Channel Access)和HCF受控信道接入机制HCCA(HCF ControlledChannel Access),两者分别对应提供级别化和参数化的QoS服务,从而使得WLAN能够支持对QoS有较高要求的实时性业务,保证各个业务更加合理高效地利用网络资源。其中,EDCA机制中引入了访问类别AC(Access Category)对业务流进行优先级的区分,共定义了4个AC与标准中的8个用户优先级对应,不同的AC具有不同的EDCA参数,这些参数分别为最大争用窗口CW、最小争用窗口CW、仲裁帧间间隔AIFS(Arbitration InterFrame Space)和传输机会TXOP(Transmission Opportunity),依据这些参数不同优先级AC通过竞争获得的信道访问机会会有所不同,因而实现了服务区分。虽然EDCA机制相对于DCF(Distributed Coordination Function,分布式协调功能)机制中提供的公平性的竞争在一定程度上实现了对QoS的支持,但是其自身仍有一定的局限性。通过对EDCA机制的协议原理和数学模型两个方面的分析,总结出其在QoS保证方面存在的不足主要有以下几点:静态化的信道接入参数设置使其不能够适应网络的实时变化;仅仅为不同AC之间提供了业务区分而针对同一AC下的不同站点之间尚未实现区分服务;网络处于较低负载和较高负载时部分AC业务流的性能不甚乐观,低负载时低优先级AC的性能被过分牺牲,而高负载时高优先级AC的性能仍有待进一步的优化。针对EDCA机制中总结出的几个问题,本文在现有改进算法的基础上提出了一个改进的MAC参数CW自适应调节算法BCC-EDCA,该算法主要针对争用窗口CW的值进行动态调整,根据当前网络的实时状况取自适应值。网络的实时拥塞状况用综合冲突率来评判,将数据发送成功后的争用窗口不再直接设为最小值,而是依据综合冲突率的大小来进行自适应调整。此外,通过实验仿真验证了算法的有效性,根据仿真结果,改进后的BCC-EDCA算法在一定程度上提高了系统的吞吐量,同时也降低了站点的丢包率,使得网络性能得到了提高。CW参数自适应地调整使得BCC-EDCA的性能优于标准的EDCA。
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