CSMA/CA随机多址接入无线通信系统QoS增强算法及理论研究

无线通信技术已经为人们带来了越来越便捷的通讯服务，但随着技术的发展，人们对它的期望也越来越高，系统的性能与人们的期待总是存在矛盾。众所周知，无线信道是一个有限的资源，如何公平、有效、可靠地进行信道的共享和分配，这是MAC层——媒体接入控制协议需要解决的问题。载波监听多路访问／冲突避免（CSMA／CA）作为随机接入信道的一种方式，能够灵活适应站点数目及其通信量的变化，因而被无线局域网所采用。目前，基于CSMA／CA的无线局域网已经得到广泛使用，但由于CSMA／CA竞争接入信道的特性，缺乏内在、高效的服务质量（QoS）机制使其难以支持对时延性能要求较高的业务。 本文研究了基于CSMA／CA信道接入方式的无线通信系统QoS性能改善的理论和算法，对使用CSMA／CA方式的典型应用IEEE 802.11 DCF（分布式协调功能）模式开展了深入的理论分析和研究，所得到的研究成果和结论能够同样应用于类似的其它无线通信系统。 论文在深入研究CSMA／CA机制的基础上，着重分析了系统的时延特性，针对提高系统QoS性能提出了若干改进方案，主要研究工作和创新如下： 1．针对CSMA／CA模式的时延问题，本文提出并建立了一个三维Markov链模型，不同于其他基于Markov链对系统吞吐量的研究，本文利用所建模型及其状态转移图对站点的信道接入状态进行了分解，从理论上深入分析了系统的时延统计特性，得到了站点统计的平均发送时延表达式，站点时延抖动的统计平均表达式，站点时延的分布区间，以及碰撞概率与冻结概率的表达式； 2．通过对无线局域网中DCF模式的细致研究，本文提出了一种增强方案TSDCF（ThresholdSlow Decrease Control Function）：它解决了传统DCF退避模式当站点数量增多时在CWmin内易产生大量冲突的问题，并改善了其公平性，仿真结果验证了TSDCF具有更好的灵活性和效率； 3．围绕IEEE 802.11e分级服务的思想，提出了EADCF增强方案（Enhanced Adaptive Distributed Coordination Function）：它弥补了传统DCF退避模式没有服务优先级的缺陷，按照业务分级的思想，EADCF通过不同的最大竞争窗口和重传次数来区分不同的优先级，仿真结果证明EADCF所采用的分级策略具有很好的效果，高优先级业务在时延和吞吐量方面的性能表现都优于低优先级业务； 4．借鉴混沌理论的加权局域法，提出了一个系统站点数的预测方法，该方法通过采集足量的历史数据，计算关联维数并重构相空间，最后得出站点数的预测结果。通过该方法，我们进一步分析了历史数据采集量的大小对于预测可靠性的影响，对以后更深入的研究有重要意义。