0 引言

　　隨著無(wú)線多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，形成了許多新的多媒體業(yè)務(wù)需求，如語(yǔ)音通話、視頻會(huì)議、多媒體監(jiān)控等。這些業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、帶寬提出了更高的要求，而在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都共享同一個(gè)信道，這使得 QoS保障方法的實(shí)施顯得尤為重要。

　　由于時(shí)延等參數(shù)與信道可用帶寬都有一定的相關(guān)性，而且不論是對(duì)QoS路由的研究，還是對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的接入控制、資源預(yù)留，幾乎都需要以鏈路可用帶寬這一基本參數(shù)作為度量。可用帶寬的準(zhǔn)確估計(jì)能使有限的帶寬資源被充分利用，而錯(cuò)誤的估計(jì)則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入飽和狀態(tài)，性能急速下降，造成節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法正常通信。所以如何精確有效地估計(jì)可用帶寬成為了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中QoS保障的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 相關(guān)工作

　　目前，可用帶寬的估計(jì)方法主要有基于測(cè)量的方法、基于分析模型的方法和基于感知的方法。

　　早期測(cè)量可用帶寬的方法都是基于測(cè)量的[1-3]，即通過(guò)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包來(lái)估計(jì)可用帶寬，但是也存在著明顯的缺點(diǎn)，那就是給網(wǎng)絡(luò)加入了額外的通信量，這影響了數(shù)據(jù)的傳輸。而基于分析模型[4-6]的估計(jì)方法雖然能十分精確地估計(jì)WLAN的可用帶寬，但是其非常依賴網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　基于感知的方法也稱為被動(dòng)測(cè)量方法[7，8]，利用無(wú)線節(jié)點(diǎn)的載波偵聽(tīng)機(jī)制來(lái)獲取其周?chē)男诺览们闆r，然后交互這些信息來(lái)進(jìn)行可用帶寬估計(jì)?；诟兄姆椒ǔ耸褂肏ello報(bào)文傳遞信道空閑信息之外，不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)其他的額外開(kāi)銷(xiāo)，因此其估計(jì)過(guò)程不會(huì)對(duì)已存在的背景數(shù)據(jù)流造成干擾，非常適用于信道共享的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。下面著重介紹自適應(yīng)接納控制(Adaptive Admission Control，AAC)以及可用帶寬估計(jì)(Available Bandwidth Estimation，ABE)兩種代表算法。

　　在AAC中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在給定的時(shí)間周期內(nèi)通過(guò)載波偵聽(tīng)機(jī)制記錄本地信道的忙閑狀況， 并通過(guò)Hello數(shù)據(jù)包跟鄰居節(jié)點(diǎn)交換可用帶寬信息，就可以獲得指定鏈路的可用帶寬。例如，定義發(fā)送節(jié)點(diǎn)為s，而接收節(jié)點(diǎn)為r，C為信道容量，則鏈路（s，r）的可用帶寬即可以表示為：

　　但是AAC也存在著明顯的缺點(diǎn)，它假設(shè)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間感知到的信道忙時(shí)間完全重疊，而在實(shí)際應(yīng)用中，這會(huì)高估可用帶寬。

　　ABE進(jìn)一步考慮了數(shù)據(jù)碰撞帶來(lái)的額外帶寬消耗以及退避過(guò)程帶來(lái)的消耗，并且提出了兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間的信道同步概率問(wèn)題，改進(jìn)了AAC算法。其可用帶寬表達(dá)式為：

　　其中Pc為碰撞概率，而K為退避過(guò)程帶來(lái)的消耗，可以表示為：

　　ABE中通過(guò)測(cè)量Hello報(bào)文的丟包率估計(jì)數(shù)據(jù)包的碰撞概率。同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)包大小對(duì)碰撞概率的影響，ABE利用拉格朗日插值多項(xiàng)式的方法對(duì)任意大小的數(shù)據(jù)包碰撞概率進(jìn)行擬合。定義m為數(shù)據(jù)包大小，則碰撞概率p(m)的表達(dá)式為：

　　p(m)=f(m)×pHello(4)

　　f(m)為拉格朗日插值多項(xiàng)式，通過(guò)NS2仿真可得：

　　f(m)=-5.65×10-9×m3+11.27×10-6×m2-5.58×10-3×m

　　+2.19(5)

　　然而ABE也存在一系列問(wèn)題。一方面，由于IEEE 802.11中使用的是停止等待ARQ協(xié)議，因此不可忽視控制報(bào)文所帶來(lái)的帶寬消耗，ABE中并沒(méi)有考慮控制報(bào)文所帶來(lái)的帶寬消耗；另一方面，ABE算法估計(jì)出的可用帶寬并沒(méi)有考慮不同等級(jí)的QoS要求，因此無(wú)法滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)可用帶寬的需求。

2 改進(jìn)的可用帶寬估計(jì)策略

　　本節(jié)將對(duì)ABE中的退避消耗參數(shù)K以及碰撞概率Pc進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)引入信道利用率的概念。改進(jìn)后的ABE算法可用帶寬公式為：

　　其中K′、Pc分別表示協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)包碰撞所消耗的信道容量，C為信道業(yè)務(wù)層容量，Cu為信道利用率，是QoS要求與平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的函數(shù)。下面介紹改進(jìn)策略。

　　2.1 信道利用率

　　ABE、AAC這兩種算法的估計(jì)結(jié)果是信道剩余容量，而并非是真正的可用帶寬。因?yàn)樵趯?shí)際估計(jì)過(guò)程中這兩種算法都沒(méi)有考慮加入業(yè)務(wù)后對(duì)已存在的背景業(yè)務(wù)的影響，這使得估計(jì)結(jié)果被新業(yè)務(wù)使用后僅能保證信道處于非飽和狀態(tài)，緩存隊(duì)列不會(huì)溢出，并不能保障有時(shí)延要求業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)它們基于業(yè)務(wù)可以理想調(diào)度這一假設(shè)，但是在實(shí)際情況中，隨著信道負(fù)載的增大以及通信節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，由此而產(chǎn)生的碰撞與時(shí)延使得服務(wù)質(zhì)量無(wú)法得到滿足，無(wú)法保證在自由競(jìng)爭(zhēng)的情況下不同業(yè)務(wù)的QoS要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的理想調(diào)度，因此本文加入信道利用率Cu這一參數(shù)。

　　設(shè)CABE為ABE算法所估計(jì)出的信道剩余容量，即式(2)，則可用帶寬AB可以重新定義為ABE算法的可用帶寬與信道利用率的乘積：

　　AB=CABE×Cu(7)

　　文獻(xiàn)[10]證明了在理想工作點(diǎn)使用RTS/CTS的情況下，信道利用率為Cideal=0.95，因此為了保證新加入的業(yè)務(wù)能夠不影響背景業(yè)務(wù)，定義在理想工作情況下的信道利用系數(shù)為：

　　其中Ridle為平均信道空閑時(shí)間，為QoS保障系數(shù)，由該業(yè)務(wù)以及背景業(yè)務(wù)的QoS要求決定。

　　2.2 控制報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)

　　由圖1可以看出，ABE的K值并沒(méi)有考慮控制報(bào)文ACK、CTS以及幀間間隔SIFS對(duì)可用帶寬估計(jì)帶來(lái)的影響，這部分控制報(bào)文以及等待時(shí)間雖然不大，但是同樣不容忽視。因此本文把退避過(guò)程帶來(lái)的消耗K重新定義為協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，則改進(jìn)后的K′可以表示為：

　　其中m為最大退避階數(shù)，CWmin、CWmax分別為最小和最大退避窗口。

　　2.3 由干擾節(jié)點(diǎn)造成的數(shù)據(jù)包碰撞概率

　　當(dāng)前的可用帶寬算法大多假設(shè)當(dāng)多個(gè)報(bào)文同時(shí)或先后到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)，即它們的接收時(shí)間重疊時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為出現(xiàn)碰撞并丟棄所有報(bào)文。但在實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于距離不同。因此不同發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)衰落也不同，當(dāng)某一信號(hào)的強(qiáng)度與來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度之和的比值大于一定值時(shí)，則該報(bào)文仍然能夠被正確接收，即所謂的捕獲效應(yīng)。

　　定義能實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲的最小信號(hào)強(qiáng)度差異為捕獲閾值CPTH。設(shè)Pr與Pi分別表示接收節(jié)點(diǎn)處期望信號(hào)和干擾信號(hào)的功率，只有當(dāng)Pi·CPTH<Pr時(shí)，捕獲效應(yīng)才能起作用。為了準(zhǔn)確表達(dá)干擾信號(hào)對(duì)期望信號(hào)的影響，定義干擾距離RI，即能夠影響接收節(jié)點(diǎn)正常接收時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)與干擾節(jié)點(diǎn)的最大距離。該距離由捕獲閾值CPTH和發(fā)送節(jié)點(diǎn)同接收節(jié)點(diǎn)間的距離d決定，即：

3 仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了反映信道利用率對(duì)可用帶寬估計(jì)的影響，設(shè)置如圖2所示的場(chǎng)景，在NS2中進(jìn)行仿真。其中傳輸距離為250 m，載波監(jiān)聽(tīng)范圍為550 m，d1=200 m，d2=400 m。鏈路（5，6）的流f1有著可變化的帶寬，鏈路（1，2）的流f2為恒定的800 Kb/s。估計(jì)鏈路（3，4）的可用帶寬為f1所消耗帶寬的函數(shù)。介質(zhì)容量為2 Mb/s，數(shù)據(jù)包大小為1 kB，則應(yīng)用層吞吐量即為1.6 Mb/s。

　　由圖3可以看出，ABE認(rèn)為干擾是相互獨(dú)立的，因此在信道負(fù)載低的情況下會(huì)低估可用帶寬，而在信道高負(fù)載的情況下，信道利用率成為可用帶寬估計(jì)的主要影響因素。可以看出，信道利用率隨著信道負(fù)載的升高而下降。

　　為了評(píng)估本文所提出的可用帶寬評(píng)估方法的性能，設(shè)置仿真場(chǎng)景大小為1 100 m×1 100 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)為100，隨機(jī)地選取10對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)包大小為1 000 B，且每個(gè)連接對(duì)的業(yè)務(wù)負(fù)載均為x。在捕獲閾值為10 dB的情況下，根據(jù)式(12)可以算出干擾范圍為367 m。在(450，550)，(650，550)處放置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以構(gòu)成目標(biāo)鏈路。

　　先考慮不同的QoS要求對(duì)實(shí)際可用帶寬的影響，由圖4可以看出，不同的QoS需求會(huì)得出不同的可用帶寬估計(jì)結(jié)果，而ABE僅僅考慮非飽和約束，在估計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延需求。

　　由圖5的仿真結(jié)果可以看出，在150 ms時(shí)延約束條件下，ABE由于沒(méi)有考慮信道利用率，因此高估了可用帶寬。本文算法通過(guò)重新定義協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)參數(shù)并且加入了信道利用率這一參數(shù)，使得時(shí)延約束下的可用帶寬估計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以保證在使用可用帶寬之后，不會(huì)違背業(yè)務(wù)的QoS時(shí)延要求。

4 結(jié)論

　　本文提出了一種改進(jìn)的可用帶寬估計(jì)方法，通過(guò)考慮控制報(bào)文對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響，重新定義了ABE算法中的K值，并改進(jìn)了碰撞概率的估計(jì)方法。同時(shí)為了準(zhǔn)確估計(jì)信道可用帶寬，加入了信道利用率這一參數(shù)，保證了加入具有時(shí)延要求的新業(yè)務(wù)之后，業(yè)務(wù)仍能滿足QoS要求。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制能夠準(zhǔn)確地估計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延約束下的可用帶寬，但是還存在一定的誤差，這是由于ABE算法時(shí)間同步概率低估所造成的。由于本文仿真并沒(méi)有區(qū)分業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，因此只考慮了自由競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下QoS要求最嚴(yán)格的業(yè)務(wù)的約束條件，在未來(lái)的工作中將引入業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，使其更加符合實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

　　[1] STRAUSS J，KATABI D，KAASHOEK F.A measurement study of available bandwidth estimation tools[C].3rd ACM SIGCOMM Conference on Internet Measurement，Miami Beach，F(xiàn)L，USA，2003：39-44.

　　[2] HU N，STEENKISTE P.Evaluation and characterization of available bandwidth probing techniques[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2003，21(6)：879-894.

　　[3] RIBEIRO V J，COATES M，RIEDI R H，et ａｌ.Multifractalcross traffic estimation[C].ITC Conference on IP Traffic，Modeling and Management，2000：1-10.

　　[4] Giuseppe Bianchi.Performance analysis of the IEEE 802.11distributed coordination function[J].IEEE Journal of SelectedAreas in Communications，2000，18(3)：535-547.

　　[5] CHATZIMISIOS P，BOUCOUVALAS A C，VITSAS V.Influ-ence of channel BER on IEEE 802.11 DCF[J].Electronics Letters，2003，39(23)：1687-1689.

　　[6] DANESHGARAN F，LADDOMADA M，MESITI F，et al.Unsaturated throughput analysis of IEEE 802.11 in presenceof non ideal transmission channel and capture effects[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008：1276-1286.

　　[7] R.de Renesse，F(xiàn)RIDERIKOS V，AGHVAMI H.Cross-layer cooperation for accurate admission control decisions in mobilead hoc networks[J].IET COMMUNICATIONS，2007，1(4).

　　[8] Cheikh Sarr，Claude Chaudet，Guillaume Chelius，et al.Bandwidth estimation for IEEE 802.11-based Ad Hoc net-works[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2008，7(10).

　　[9] Yang Yaling.Contention-aware admission control for Ad Hoc networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2005，4(4).

　　[10] Zhai Hongqiang，Chen Xiang，F(xiàn)ang Yuguang.A call admi=ssion and rate control scheme for multimedia support overIEEE 802.11 wireless LANs[J].Quality of Service in Heterogeneous Wired/Wireless Networks，2004：76-83.

　　[11] Shahnaza Tursunova，Khamidulla Inoyatov，Young-Tak Kim.Cognitive estimation of the available bandwidth in home/office network considering hidden/exposed terminals[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56(1).

　　[12] Hai L.Vu，Taka Sakurai.Collision probability in saturated IEEE 802.11 networks[C].In Proceedings ATNAC，Melbourne，Australia，2006：21-25.

　　[13] TURSUNOVA S，INOYATOV K，KIM Y T.Cognitive esti-mation of the available bandwidth in home/office network considering hidden/exposed terminals[J].IEEE Transactionson Consumer Electronics，2010，56(1)：97-105.

　　[14] 趙海濤.多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中可用帶寬的估計(jì)和預(yù)測(cè)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2009.

　　[15] 宋安.無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)性能分析模型與可用帶寬估計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2011.