李 珺，李亞萍

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011)

WLAN中多媒體業(yè)務(wù)例如VoIP和視頻會議的應(yīng)用越來越廣泛，在話音等多媒體業(yè)務(wù)占主導(dǎo)地位的情況下，IEEE802.11的關(guān)聯(lián)算法可能導(dǎo)致非常高的關(guān)聯(lián)延遲，從而降低了多媒體業(yè)務(wù)的質(zhì)量.文獻(xiàn)［1］提出了一種新的協(xié)議Mobile AP協(xié)議來向多媒體業(yè)務(wù)提供快速關(guān)聯(lián)過程，文獻(xiàn)［2－3］則是依靠預(yù)先緩存機(jī)制來減少關(guān)聯(lián)延遲.筆者對文獻(xiàn)［4］的算法給出了修正，加入了WN(Who is New)幀的發(fā)送周期(WD)的概念，調(diào)節(jié)WD來滿足多媒體業(yè)務(wù)對關(guān)聯(lián)延遲的要求;修正了計(jì)算平均重傳時間時，需要額外加入重傳時間的概率(Pre).新的關(guān)聯(lián)算法考慮到了多媒體業(yè)務(wù)的最大可容忍關(guān)聯(lián)延遲是由PC在PCF下調(diào)用的，多媒體業(yè)務(wù)可容忍的最大關(guān)聯(lián)延遲決定了關(guān)聯(lián)過程所使用的總帶寬.

1 適合多媒體業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)算法的基本思想

新關(guān)聯(lián)算法所采用的基本知識是時隙ALOHA的吞吐量S和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G之間的關(guān)系，其工作在PCF模式下.站點(diǎn)的到達(dá)時刻即為站點(diǎn)選擇AP過程完成后，關(guān)聯(lián)/重新關(guān)聯(lián)過程的開始時刻.該關(guān)聯(lián)算法最終要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行簡單、關(guān)聯(lián)過程的最大延遲可以限制、使用相對較小的帶寬執(zhí)行關(guān)聯(lián)過程的目標(biāo).

關(guān)聯(lián)算法定義了WN幀和RS(Response)幀2種類型的幀.這2種類型幀的格式與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的輪詢幀的幀格式基本相同.新站點(diǎn)為了回應(yīng)WN幀而向PC發(fā)送RS幀.在CFP或PCF階段，PC周期地廣播一個WN幀.WN幀的周期間隔由允許的最大關(guān)聯(lián)延遲決定.WN幀由PC發(fā)送，SIF間隔后，新站點(diǎn)以 RS回復(fù).如果只有一個站點(diǎn)，PC將會收到有效的RS幀，然后將這個站點(diǎn)與該小區(qū)關(guān)聯(lián);在下一個WN幀內(nèi)發(fā)布該新關(guān)聯(lián)的站點(diǎn)的身份即其地址.這個新站點(diǎn)可以從WN幀中得到已與該小區(qū)成功關(guān)聯(lián)的信息.如果有2個或更多的站點(diǎn)回復(fù)了RS幀，沖突就會發(fā)生.參與該沖突的新站點(diǎn)會因?yàn)闆]有在下一個WN列表中找到自己的身份而得知發(fā)生了沖突.發(fā)生沖突的每個新站點(diǎn)將會調(diào)用下面的退避機(jī)制來解決競爭.引起沖突的其中一個新站點(diǎn)選擇一個數(shù)字B，B在1與K(K代表競爭窗口)之間均勻分布.這個站點(diǎn)將在第B個WN幀后再發(fā)送RS.

2 適合多媒體業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)算法的性能分析

2.1 假設(shè)條件

假設(shè):沒有隱藏終端;沒有其它小區(qū)的干擾和噪聲;新站點(diǎn)的到達(dá)按照泊松分布，到達(dá)速率是s，stations/s.

2.2 參數(shù)定義

設(shè)T為一個時隙的長度;M為CFP重復(fù)間隔的總時隙數(shù);R=D/M為DCF的持續(xù)時間占CFP重復(fù)時間間隔的比率;P=(1－R)M，D=RM;S為接受速率(站點(diǎn)/時隙)，其含義為關(guān)聯(lián)/重新關(guān)聯(lián)過程中一個時隙可以接受新站點(diǎn)的平均個數(shù)，類似于SALOHA的吞吐量，穩(wěn)定狀態(tài)下，新站點(diǎn)到達(dá)的速率與接受速率相等;s=S/T，新站點(diǎn)的到達(dá)速率(站點(diǎn)/s);G為合計(jì)到達(dá)速率(站點(diǎn)/時隙)，由外部新站點(diǎn)到達(dá)速率和內(nèi)部需要重新進(jìn)行調(diào)度的速率組成，類似于S－ALOHA的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載;WD為WN的重復(fù)間隔時隙數(shù)(slots).

2.3 總關(guān)聯(lián)延遲計(jì)算

總關(guān)聯(lián)延遲計(jì)算采用

式中:Ttran為傳播與處理時間，即發(fā)送RS幀需要的時間;Twating為新站點(diǎn)等待接收WN幀的時間，由新站點(diǎn)到來時刻所在時隙的位置決定;TRD為重傳延遲時間.Twaiting和TRD分別采用式(2)和式(3)計(jì)算.

式中:E是重傳次數(shù)的平均值，E=(G/S)－1;Tre為平均重傳時間，是K的函數(shù).

該關(guān)聯(lián)算法采用固定的競爭解決方案(K=4)［4］，如果只考慮 PCF 過程可得 S=Ge－G;如果將DCF考慮進(jìn)去，這個時期內(nèi)就沒有了WN和RS的發(fā)送，如果新站點(diǎn)在DCF階段進(jìn)入，它們需要等待下一個CFP的重復(fù)時間間隔的第一個時隙的WN幀.假設(shè)一個新站點(diǎn)在每個時隙到達(dá)的概率是1/M，下面分3種情況討論考慮DCF以后的S與G的關(guān)系，如圖1所示.

圖1 CFP階段的時隙構(gòu)造

綜合上述a，b，c的分析得到:

式(3)中Tre的計(jì)算分2種情況:①競爭窗口在PCF期間，Tre是(K+1)/2個時隙;②競爭窗口與DCF部分重合，Tre以概率Pre加上DCF(D個時隙)的額外延時.所以

式中:D為額外延遲的值;Pre為需要加入額外延遲的概率.

這里需要特別注意的是:K不可以與DCF全重合，因?yàn)樵贒CF階段沒有WN幀和RS幀的發(fā)送.圖2清晰地解釋了Pre的計(jì)算，這里K＜D時取K=2;K≥D時取K=4.圖中的K與K'代表不同情況下的競爭窗口.

圖2 不同情況下K與D的位置關(guān)系

綜合上述討論，最后得到平均重傳延遲為

3 結(jié)果分析

為了與新關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行對比，將IEEE802.11 WLAN的關(guān)聯(lián)算法在PCF下進(jìn)行了理想狀態(tài)假設(shè).參數(shù)取值為:K=4 slots(1 slot=20 μs);CFP的重復(fù)間隔取100 ms;無負(fù)載_Ndata=0，全負(fù)載_Ndata=NDCF，過負(fù)載_Ndata=2NDCF，NDCD=5 stations.Ddata=0.004 s，DWN=DRS=4 ×10－4s.ABW 為關(guān)聯(lián)過程所占的帶寬.

圖3—7給出了在不同參數(shù)變化下，新關(guān)聯(lián)算法的關(guān)聯(lián)延遲的改變，以及其與理想狀態(tài)下傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)算法之間的性能比較.

圖3說明了在G=4 stations/s，ABW=10%的情況下，Pre的修正對關(guān)聯(lián)延遲的影響.可以看出對Pre修正后大大改善了該新關(guān)聯(lián)算法的關(guān)聯(lián)延遲.再參閱圖7可以看出，如果不進(jìn)行修正，新關(guān)聯(lián)算法相對原IEEE802.11的關(guān)聯(lián)延遲就沒有明顯的改善.

圖4是新關(guān)聯(lián)算法中不同的ABW在不同的新站點(diǎn)到達(dá)速率下關(guān)聯(lián)延遲的情況，R=0.5.從上往下ABW的取值分別是2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%，11%，其中9%到11%之間ABW對關(guān)聯(lián)延遲的影響變化很小，在圖上合并為一條線.ABW的不同引起NWN的不同，也就是WD的不同.由圖4可知，ABW的值越大，新關(guān)聯(lián)算法的關(guān)聯(lián)延遲越小，ABW的值越大NWN的個數(shù)就越多，花在關(guān)聯(lián)過程上的帶寬就越多.可以通過調(diào)整ABW的值來限制關(guān)聯(lián)的最大延遲以適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)的要求.

圖5描述的是 R=0.5，G=4 stations/s時新關(guān)聯(lián)算法對于不同的ABW的變化情況，同時進(jìn)一步顯示了ABW越大時新關(guān)聯(lián)算法的延遲越小，由圖5可以看出，當(dāng)ABW大于9時延遲漸趨平緩且基本達(dá)到了最小值.

圖6和7分別是WD和R變化下新舊算法對比圖.這時 G=4 stations/s，ABW=10%.R表示的是CFP的重復(fù)間隔時間內(nèi)DCF階段所占的比例，因?yàn)榧僭O(shè)需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)過程的新站點(diǎn)是執(zhí)行多媒體業(yè)務(wù)的站點(diǎn)，其余的都不是，所以R也就是分配給要在DCF階段參與信道競爭的非多媒體業(yè)務(wù)的帶寬的比例.由圖7可知，當(dāng)R越小，也就是當(dāng)越多的帶寬分配給多媒體業(yè)務(wù)時，新關(guān)聯(lián)算法對于關(guān)聯(lián)延遲的改善效果越明顯.

當(dāng)R小于 0.5時，新關(guān)聯(lián)算法的延遲比802.11WLAN的無負(fù)載、全負(fù)載和過負(fù)載情況的延遲都小，所以這時新關(guān)聯(lián)算法對于所有的業(yè)務(wù)負(fù)載都合適.新關(guān)聯(lián)算法的延遲不僅要求比較小，還要滿足802.11WLAN全負(fù)載、過負(fù)載時對帶寬分配的要求.全負(fù)載、過負(fù)載情況下網(wǎng)絡(luò)中要在DCF階段發(fā)包的非多媒體業(yè)務(wù)的站點(diǎn)數(shù)增多，需要的帶寬也相應(yīng)增多，這時就需要新關(guān)聯(lián)算法以最小的帶寬達(dá)到最大關(guān)聯(lián)延遲小于802.11WLAN關(guān)聯(lián)延遲的目的，所以全負(fù)載情況下R選擇小于0.6，過負(fù)載情況下R選擇小于0.7比較好.

對于IEEE802.11來說，關(guān)聯(lián)延遲與業(yè)務(wù)的負(fù)載量有關(guān)，業(yè)務(wù)的負(fù)載量指的是在DCF階段參與信道競爭的非多媒體業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量.當(dāng)執(zhí)行多媒體業(yè)務(wù)的站點(diǎn)數(shù)很少而且分配給這些站點(diǎn)的帶寬也比較少時，可以采用IEEE802.11的關(guān)聯(lián)算法.當(dāng)只有非多媒體業(yè)務(wù)時也應(yīng)該采用IEEE802.11關(guān)聯(lián)算法.

4 結(jié)語

適用于實(shí)時多媒體業(yè)務(wù)的新關(guān)聯(lián)算法有效地改進(jìn)了原802.11WLAN的關(guān)聯(lián)延遲.具體參數(shù)的設(shè)置需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、新站點(diǎn)到達(dá)速率、采用的探測算法來決定，其實(shí)需要設(shè)置的就是WN幀的發(fā)送間隔和DCF階段所占的CFP的重復(fù)時間間隔的比例R.這些參數(shù)都要根據(jù)多媒體的具體關(guān)聯(lián)/重新關(guān)聯(lián)延遲限制和上述網(wǎng)絡(luò)情況而定.

［1］ Wang Jidong，Bao Lichun.Mobile context han doff in distributed IEEE802.11 systems［C］//Proc of 2005 International Conference on Wireless Networks，Communications and Mobile Compating，Maui，HI，United States，2005:680－685.

［2］ Shin M，Mishra A，Arbaugh W.Improving the latency of 802.11 hand-offs using neighbor graphs［C］//Proc of the 2nd International Conference on Mobile Systems，Applications and Service，Boston，MA，USA，2004:20 －83.

［3］ Pack Sangheon，Jung Hakyung，Kwon Taekyoung，et al.A selective neighbor caching scheme for fast handoff in IEEE 802.11 wireless networks［C］//Proc of IEEE International Conference on Communications，Seoul，South Korea，2005:3599－3603.

［4］ Aura Ganz，Kitti Wongthavarawat.IEEE802.11 wireless LAN association procedure for multimedia applications［C］//Proc of IEEE Military Communications Conference，Atlantic City，NJ，USA，IEEE，1999:1287 －1291.