0 引言

　　隨著無線多媒體技術的不斷發展和廣泛應用，形成了許多新的多媒體業務需求，如語音通話、視頻會議、多媒體監控等。這些業務對延時、延時抖動、帶寬提出了更高的要求，而在無線網絡中所有節點都共享同一個信道，這使得 QoS保障方法的實施顯得尤為重要。

　　由于時延等參數與信道可用帶寬都有一定的相關性，而且不論是對QoS路由的研究，還是對無線網絡進行有效的接入控制、資源預留，幾乎都需要以鏈路可用帶寬這一基本參數作為度量。可用帶寬的準確估計能使有限的帶寬資源被充分利用，而錯誤的估計則會導致整個網絡進入飽和狀態，性能急速下降，造成節點之間無法正常通信。所以如何精確有效地估計可用帶寬成為了無線網絡中QoS保障的一個關鍵問題。

1 相關工作

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

　　早期測量可用帶寬的方法都是基于測量的[1-3]，即通過發送探測數據包來估計可用帶寬，但是也存在著明顯的缺點，那就是給網絡加入了額外的通信量，這影響了數據的傳輸。而基于分析模型[4-6]的估計方法雖然能十分精確地估計WLAN的可用帶寬，但是其非常依賴網絡的拓撲結構。

　　基于感知的方法也稱為被動測量方法[7，8]，利用無線節點的載波偵聽機制來獲取其周圍的信道利用情況，然后交互這些信息來進行可用帶寬估計。基于感知的方法除了使用Hello報文傳遞信道空閑信息之外，不會給網絡帶來其他的額外開銷，因此其估計過程不會對已存在的背景數據流造成干擾，非常適用于信道共享的無線網絡。下面著重介紹自適應接納控制(Adaptive Admission Control，AAC)以及可用帶寬估計(Available Bandwidth Estimation，ABE)兩種代表算法。

　　在AAC中，每個節點在給定的時間周期內通過載波偵聽機制記錄本地信道的忙閑狀況， 并通過Hello數據包跟鄰居節點交換可用帶寬信息，就可以獲得指定鏈路的可用帶寬。例如，定義發送節點為s，而接收節點為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，它假設了兩個節點間感知到的信道忙時間完全重疊，而在實際應用中，這會高估可用帶寬。

　　ABE進一步考慮了數據碰撞帶來的額外帶寬消耗以及退避過程帶來的消耗，并且提出了兩個通信節點間的信道同步概率問題，改進了AAC算法。其可用帶寬表達式為：

　　其中Pc為碰撞概率，而K為退避過程帶來的消耗，可以表示為：

　　ABE中通過測量Hello報文的丟包率估計數據包的碰撞概率。同時考慮到數據包大小對碰撞概率的影響，ABE利用拉格朗日插值多項式的方法對任意大小的數據包碰撞概率進行擬合。定義m為數據包大小，則碰撞概率p(m)的表達式為：

　　p(m)=f(m)×pHello(4)

　　f(m)為拉格朗日插值多項式，通過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也存在一系列問題。一方面，由于IEEE 802.11中使用的是停止等待ARQ協議，因此不可忽視控制報文所帶來的帶寬消耗，ABE中并沒有考慮控制報文所帶來的帶寬消耗；另一方面，ABE算法估計出的可用帶寬并沒有考慮不同等級的QoS要求，因此無法滿足不同業務對可用帶寬的需求。

2 改進的可用帶寬估計策略

　　本節將對ABE中的退避消耗參數K以及碰撞概率Pc進行改進，同時引入信道利用率的概念。改進后的ABE算法可用帶寬公式為：

　　其中K′、Pc分別表示協議開銷和數據包碰撞所消耗的信道容量，C為信道業務層容量，Cu為信道利用率，是QoS要求與平均網絡負載的函數。下面介紹改進策略。

　　2.1 信道利用率

　　ABE、AAC這兩種算法的估計結果是信道剩余容量，而并非是真正的可用帶寬。因為在實際估計過程中這兩種算法都沒有考慮加入業務后對已存在的背景業務的影響，這使得估計結果被新業務使用后僅能保證信道處于非飽和狀態，緩存隊列不會溢出，并不能保障有時延要求業務的服務質量。同時它們基于業務可以理想調度這一假設，但是在實際情況中，隨著信道負載的增大以及通信節點數的增加，由此而產生的碰撞與時延使得服務質量無法得到滿足，無法保證在自由競爭的情況下不同業務的QoS要求，實現業務的理想調度，因此本文加入信道利用率Cu這一參數。

　　設CABE為ABE算法所估計出的信道剩余容量，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[10]證明了在理想工作點使用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務能夠不影響背景業務，定義在理想工作情況下的信道利用系數為：

　　其中Ridle為平均信道空閑時間，為QoS保障系數，由該業務以及背景業務的QoS要求決定。

　　2.2 控制報文開銷

　　由圖1可以看出，ABE的K值并沒有考慮控制報文ACK、CTS以及幀間間隔SIFS對可用帶寬估計帶來的影響，這部分控制報文以及等待時間雖然不大，但是同樣不容忽視。因此本文把退避過程帶來的消耗K重新定義為協議開銷，則改進后的K′可以表示為：

　　其中m為最大退避階數，CWmin、CWmax分別為最小和最大退避窗口。

　　2.3 由干擾節點造成的數據包碰撞概率

　　當前的可用帶寬算法大多假設當多個報文同時或先后到達接收節點，即它們的接收時間重疊時，接收節點就認為出現碰撞并丟棄所有報文。但在實際的無線通信系統中，由于距離不同。因此不同發送節點到接收節點的信號衰落也不同，當某一信號的強度與來自其他節點的信號強度之和的比值大于一定值時，則該報文仍然能夠被正確接收，即所謂的捕獲效應。

　　定義能實現信號捕獲的最小信號強度差異為捕獲閾值CPTH。設Pr與Pi分別表示接收節點處期望信號和干擾信號的功率，只有當Pi·CPTH<Pr時，捕獲效應才能起作用。為了準確表達干擾信號對期望信號的影響，定義干擾距離RI，即能夠影響接收節點正常接收時，接收節點與干擾節點的最大距離。該距離由捕獲閾值CPTH和發送節點同接收節點間的距離d決定，即：

3 仿真實驗

　　為了反映信道利用率對可用帶寬估計的影響，設置如圖2所示的場景，在NS2中進行仿真。其中傳輸距離為250 m，載波監聽范圍為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。估計鏈路（3，4）的可用帶寬為f1所消耗帶寬的函數。介質容量為2 Mb/s，數據包大小為1 kB，則應用層吞吐量即為1.6 Mb/s。

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

　　為了評估本文所提出的可用帶寬評估方法的性能，設置仿真場景大小為1 100 m×1 100 m，節點數為100，隨機地選取10對節點進行通信，數據包大小為1 000 B，且每個連接對的業務負載均為x。在捕獲閾值為10 dB的情況下，根據式(12)可以算出干擾范圍為367 m。在(450，550)，(650，550)處放置兩個節點以構成目標鏈路。

　　先考慮不同的QoS要求對實際可用帶寬的影響，由圖4可以看出，不同的QoS需求會得出不同的可用帶寬估計結果，而ABE僅僅考慮非飽和約束，在估計過程中沒有考慮實時業務的時延需求。

　　由圖5的仿真結果可以看出，在150 ms時延約束條件下，ABE由于沒有考慮信道利用率，因此高估了可用帶寬。本文算法通過重新定義協議開銷參數并且加入了信道利用率這一參數，使得時延約束下的可用帶寬估計結果更加準確，可以保證在使用可用帶寬之后，不會違背業務的QoS時延要求。

4 結論

　　本文提出了一種改進的可用帶寬估計方法，通過考慮控制報文對估計結果的影響，重新定義了ABE算法中的K值，并改進了碰撞概率的估計方法。同時為了準確估計信道可用帶寬，加入了信道利用率這一參數，保證了加入具有時延要求的新業務之后，業務仍能滿足QoS要求。仿真結果表明，該機制能夠準確地估計無線網絡在時延約束下的可用帶寬，但是還存在一定的誤差，這是由于ABE算法時間同步概率低估所造成的。由于本文仿真并沒有區分業務的優先級，因此只考慮了自由競爭環境下QoS要求最嚴格的業務的約束條件，在未來的工作中將引入業務的優先級，使其更加符合實際應用。

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