适用于实时多媒体业务的快速关联算法

李 珺，李亚萍

(华北水利水电学院，河南郑州450011)

WLAN中多媒体业务例如VoIP和视频会议的应用越来越广泛，在话音等多媒体业务占主导地位的情况下，IEEE802.11的关联算法可能导致非常高的关联延迟，从而降低了多媒体业务的质量.文献［1］提出了一种新的协议Mobile AP协议来向多媒体业务提供快速关联过程，文献［2－3］则是依靠预先缓存机制来减少关联延迟.笔者对文献［4］的算法给出了修正，加入了WN(Who is New)帧的发送周期(WD)的概念，调节WD来满足多媒体业务对关联延迟的要求;修正了计算平均重传时间时，需要额外加入重传时间的概率(Pre).新的关联算法考虑到了多媒体业务的最大可容忍关联延迟是由PC在PCF下调用的，多媒体业务可容忍的最大关联延迟决定了关联过程所使用的总带宽.

1 适合多媒体业务的关联算法的基本思想

新关联算法所采用的基本知识是时隙ALOHA的吞吐量S和网络负载G之间的关系，其工作在PCF模式下.站点的到达时刻即为站点选择AP过程完成后，关联/重新关联过程的开始时刻.该关联算法最终要实现执行简单、关联过程的最大延迟可以限制、使用相对较小的带宽执行关联过程的目标.

关联算法定义了WN帧和RS(Response)帧2种类型的帧.这2种类型帧的格式与IEEE802.11标准定义的轮询帧的帧格式基本相同.新站点为了回应WN帧而向PC发送RS帧.在CFP或PCF阶段，PC周期地广播一个WN帧.WN帧的周期间隔由允许的最大关联延迟决定.WN帧由PC发送，SIF间隔后，新站点以 RS回复.如果只有一个站点，PC将会收到有效的RS帧，然后将这个站点与该小区关联;在下一个WN帧内发布该新关联的站点的身份即其地址.这个新站点可以从WN帧中得到已与该小区成功关联的信息.如果有2个或更多的站点回复了RS帧，冲突就会发生.参与该冲突的新站点会因为没有在下一个WN列表中找到自己的身份而得知发生了冲突.发生冲突的每个新站点将会调用下面的退避机制来解决竞争.引起冲突的其中一个新站点选择一个数字B，B在1与K(K代表竞争窗口)之间均匀分布.这个站点将在第B个WN帧后再发送RS.

2 适合多媒体业务的关联算法的性能分析

2.1 假设条件

假设:没有隐藏终端;没有其它小区的干扰和噪声;新站点的到达按照泊松分布，到达速率是s，stations/s.

2.2 参数定义

设T为一个时隙的长度;M为CFP重复间隔的总时隙数;R=D/M为DCF的持续时间占CFP重复时间间隔的比率;P=(1－R)M，D=RM;S为接受速率(站点/时隙)，其含义为关联/重新关联过程中一个时隙可以接受新站点的平均个数，类似于SALOHA的吞吐量，稳定状态下，新站点到达的速率与接受速率相等;s=S/T，新站点的到达速率(站点/s);G为合计到达速率(站点/时隙)，由外部新站点到达速率和内部需要重新进行调度的速率组成，类似于S－ALOHA的网络负载;WD为WN的重复间隔时隙数(slots).

2.3 总关联延迟计算

总关联延迟计算采用

式中:Ttran为传播与处理时间，即发送RS帧需要的时间;Twating为新站点等待接收WN帧的时间，由新站点到来时刻所在时隙的位置决定;TRD为重传延迟时间.Twaiting和TRD分别采用式(2)和式(3)计算.

式中:E是重传次数的平均值，E=(G/S)－1;Tre为平均重传时间，是K的函数.

该关联算法采用固定的竞争解决方案(K=4)［4］，如果只考虑 PCF 过程可得 S=Ge－G;如果将DCF考虑进去，这个时期内就没有了WN和RS的发送，如果新站点在DCF阶段进入，它们需要等待下一个CFP的重复时间间隔的第一个时隙的WN帧.假设一个新站点在每个时隙到达的概率是1/M，下面分3种情况讨论考虑DCF以后的S与G的关系，如图1所示.

图1 CFP阶段的时隙构造

综合上述a，b，c的分析得到:

式(3)中Tre的计算分2种情况:①竞争窗口在PCF期间，Tre是(K+1)/2个时隙;②竞争窗口与DCF部分重合，Tre以概率Pre加上DCF(D个时隙)的额外延时.所以

式中:D为额外延迟的值;Pre为需要加入额外延迟的概率.

这里需要特别注意的是:K不可以与DCF全重合，因为在DCF阶段没有WN帧和RS帧的发送.图2清晰地解释了Pre的计算，这里K＜D时取K=2;K≥D时取K=4.图中的K与K'代表不同情况下的竞争窗口.

图2 不同情况下K与D的位置关系

综合上述讨论，最后得到平均重传延迟为

3 结果分析

为了与新关联算法进行对比，将IEEE802.11 WLAN的关联算法在PCF下进行了理想状态假设.参数取值为:K=4 slots(1 slot=20 μs);CFP的重复间隔取100 ms;无负载_Ndata=0，全负载_Ndata=NDCF，过负载_Ndata=2NDCF，NDCD=5 stations.Ddata=0.004 s，DWN=DRS=4 ×10－4s.ABW 为关联过程所占的带宽.

图3—7给出了在不同参数变化下，新关联算法的关联延迟的改变，以及其与理想状态下传统关联算法之间的性能比较.

图3说明了在G=4 stations/s，ABW=10%的情况下，Pre的修正对关联延迟的影响.可以看出对Pre修正后大大改善了该新关联算法的关联延迟.再参阅图7可以看出，如果不进行修正，新关联算法相对原IEEE802.11的关联延迟就没有明显的改善.

图4是新关联算法中不同的ABW在不同的新站点到达速率下关联延迟的情况，R=0.5.从上往下ABW的取值分别是2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%，11%，其中9%到11%之间ABW对关联延迟的影响变化很小，在图上合并为一条线.ABW的不同引起NWN的不同，也就是WD的不同.由图4可知，ABW的值越大，新关联算法的关联延迟越小，ABW的值越大NWN的个数就越多，花在关联过程上的带宽就越多.可以通过调整ABW的值来限制关联的最大延迟以适应多媒体业务的要求.

图5描述的是 R=0.5，G=4 stations/s时新关联算法对于不同的ABW的变化情况，同时进一步显示了ABW越大时新关联算法的延迟越小，由图5可以看出，当ABW大于9时延迟渐趋平缓且基本达到了最小值.

图6和7分别是WD和R变化下新旧算法对比图.这时 G=4 stations/s，ABW=10%.R表示的是CFP的重复间隔时间内DCF阶段所占的比例，因为假设需要进行关联过程的新站点是执行多媒体业务的站点，其余的都不是，所以R也就是分配给要在DCF阶段参与信道竞争的非多媒体业务的带宽的比例.由图7可知，当R越小，也就是当越多的带宽分配给多媒体业务时，新关联算法对于关联延迟的改善效果越明显.

当R小于 0.5时，新关联算法的延迟比802.11WLAN的无负载、全负载和过负载情况的延迟都小，所以这时新关联算法对于所有的业务负载都合适.新关联算法的延迟不仅要求比较小，还要满足802.11WLAN全负载、过负载时对带宽分配的要求.全负载、过负载情况下网络中要在DCF阶段发包的非多媒体业务的站点数增多，需要的带宽也相应增多，这时就需要新关联算法以最小的带宽达到最大关联延迟小于802.11WLAN关联延迟的目的，所以全负载情况下R选择小于0.6，过负载情况下R选择小于0.7比较好.

对于IEEE802.11来说，关联延迟与业务的负载量有关，业务的负载量指的是在DCF阶段参与信道竞争的非多媒体业务的业务量.当执行多媒体业务的站点数很少而且分配给这些站点的带宽也比较少时，可以采用IEEE802.11的关联算法.当只有非多媒体业务时也应该采用IEEE802.11关联算法.

4 结语

适用于实时多媒体业务的新关联算法有效地改进了原802.11WLAN的关联延迟.具体参数的设置需要根据网络的负载、新站点到达速率、采用的探测算法来决定，其实需要设置的就是WN帧的发送间隔和DCF阶段所占的CFP的重复时间间隔的比例R.这些参数都要根据多媒体的具体关联/重新关联延迟限制和上述网络情况而定.

［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.