0 引言

　　隨著無線多媒體技術(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，如語音通話、視頻會議、多媒體監(jiān)控等。這些業(yè)務(wù)對延時、延時抖動、帶寬提出了更高的要求，而在無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)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(shù)與信道可用帶寬都有一定的相關(guān)性，而且不論是對QoS路由的研究，還是對無線網(wǎng)絡(luò)進行有效的接入控制、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(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)進入飽和狀態(tài)，性能急速下降，造成節(jié)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(wǎng)絡(luò)中QoS保障的一個關(guān)鍵問題。

1 相關(guān)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(fā)送探測數(shù)據(jù)包來估計可用帶寬，但是也存在著明顯的缺點，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(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。

　　基于感知的方法也稱為被動測量方法[7，8]，利用無線節(jié)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)流造成干擾，非常適用于信道共享的無線網(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(Available Bandwidth Estimation，ABE)兩種代表算法。

　　在AAC中，每個節(jié)點在給定的時間周期內(nèi)通過載波偵聽機制記錄本地信道的忙閑狀況， 并通過Hello數(shù)據(jù)包跟鄰居節(jié)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(fā)送節(jié)點為s，而接收節(jié)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(shè)了兩個節(jié)點間感知到的信道忙時間完全重疊，而在實際應(yīng)用中，這會高估可用帶寬。

　　ABE進一步考慮了數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)包的碰撞概率。同時考慮到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包碰撞概率進行擬合。定義m為數(shù)據(jù)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(xié)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(yè)務(wù)對可用帶寬的需求。

2 改進的可用帶寬估計策略

　　本節(jié)將對ABE中的退避消耗參數(shù)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(xié)議開銷和數(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)負載的函數(shù)。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(jié)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(yè)務(wù)后對已存在的背景業(yè)務(wù)的影響，這使得估計結(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)，緩存隊列不會溢出，并不能保障有時延要求業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。同時它們基于業(yè)務(wù)可以理想調(diào)度這一假設(shè)，但是在實際情況中，隨著信道負載的增大以及通信節(jié)點數(shù)的增加，由此而產(chǎn)生的碰撞與時延使得服務(wù)質(zhì)量無法得到滿足，無法保證在自由競爭的情況下不同業(yè)務(wù)的QoS要求，實現(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(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(xié)議開銷，則改進后的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)點造成的數(shù)據(jù)包碰撞概率

　　當前的可用帶寬算法大多假設(shè)當多個報文同時或先后到達接收節(jié)點，即它們的接收時間重疊時，接收節(jié)點就認為出現(xiàn)碰撞并丟棄所有報文。但在實際的無線通信系統(tǒng)中，由于距離不同。因此不同發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的信號衰落也不同，當某一信號的強度與來自其他節(jié)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(yīng)。

　　定義能實現(xiàn)信號捕獲的最小信號強度差異為捕獲閾值CPTH。設(shè)Pr與Pi分別表示接收節(jié)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(yīng)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(jié)點正常接收時，接收節(jié)點與干擾節(jié)點的最大距離。該距離由捕獲閾值CPTH和發(fā)送節(jié)點同接收節(jié)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(shè)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(jiān)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(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(shè)置仿真場景大小為1 100 m×1 100 m，節(jié)點數(shù)為100，隨機地選取10對節(jié)點進行通信，數(shù)據(jù)包大小為1 000 B，且每個連接對的業(yè)務(wù)負載均為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)處放置兩個節(jié)點以構(gòu)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(jié)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(yè)務(wù)的時延需求。

　　由圖5的仿真結(jié)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(xié)議開銷參數(shù)并且加入了信道利用率這一參數(shù)，使得時延約束下的可用帶寬估計結(jié)果更加準確，可以保證在使用可用帶寬之后，不會違背業(yè)務(wù)的QoS時延要求。

4 結(jié)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(jié)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(shù)，保證了加入具有時延要求的新業(yè)務(wù)之后，業(yè)務(wù)仍能滿足QoS要求。仿真結(jié)果表明，該機制能夠準確地估計無線網(wǎng)絡(luò)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(qū)分業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，因此只考慮了自由競爭環(huán)境下QoS要求最嚴格的業(yè)務(wù)的約束條件，在未來的工作中將引入業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，使其更加符合實際應(yīng)用。

參考文獻

　　[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.多跳無線網(wǎng)絡(luò)中可用帶寬的估計和預(yù)測[D].長沙：國防科技大學(xué)，2009.

　　[15] 宋安.無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能分析模型與可用帶寬估計研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2011.