由于无线局域网具有移动灵活、保密性强、抗干扰性好、架设与维护容易等优点,越来越引起研究人员和消费者的兴趣.IEEE 802.11无线局域网作为主流的无线局域网已经在全球范围内得到广泛应用,其传输速率已逐渐增加到了54Mbps,并且还在不断加快.IEEE 802.11无线局域网已成为宽带无线接入的有效途径之一. 随着人们对音频、视频等多媒体实时业务的需求增加,需要在无线局域网中传输多媒体实时业务.多媒体实时业务对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求.如何在带宽受限、信道干扰及移动等条件下提供QoS保障是一个非常重要的研究问题.本文着重讨论在IEEE 802.11宽带无线局域网中为各类业务尤其是实时业务提供QoS保障问题及解决方法.主要内容包括:原有IEEE 802.11无线局域网如何支持实时业务问题;IEEE 802.11e增强的分布式信道接入 (EDCA) 的性能分析、不同信道接入参数对系统性能的影响以及如何在EDCA中实现有效的接纳控制;如何在IEEE 802.11e无线局域网中设计简单有效的调度机制支持VBR业务、在EDCA和HCCA (HCF controlled Channel Access) 混合模式下采用有效的调度机制提高信道利用率;在信道干扰及移动条件下如何通过跨层设计实现链路自适应机制提高系统的性能.论文的第一章首先对相关背景做了简单回顾,接着在第二章到第五章对每个问题进行了详细讨论. 第二章对原有IEEE 802.11无线局域网中如何支持实时业务问题进行了研究.由于IEEE 802.11分布式协调功能 (DCF) 是为尽力业务设计的,对于实时业务,并不能提供区分服务,而IEEE 802.11点协调功能 (PCF) 只能提供非常有限的QoS.第二章首先对IEEE 802.11MAC层进行了数学建模,给出了DCF和PCF混合模式下的IEEE 802.11MAC性能模型.提出的IEEE 802.11MAC模型包括DCF模型和PCF模型,DCF模型采用M/G/1队列模型模拟终端中数据包的到达和发送过程,并引入空闲状态和后退过程,准确地刻画了非饱和负载和饱和负载情况下系统的状态:PCF模型对IEEE 802.11标准中的round-robin轮询算法进行了准确的分析.在IEEE 802.11MAC性能模型的基础上,提出了一个支持实时业务的自适应调度机制.该机制将尽力业务和实时业务分别调度在DCF和PCF模式中发送以实现区分服务,并通过终端反馈的统计碰撞概率和时延信息、结合DCF和PCF模型对系统状态进行准确有效地估计,在满足尽力业务和实时业务最大时延要求的前提下,动态地调整DCF持续时间和PCF持续时间的比例,实现对实时业务的QOS保障.不同场景下的实验仿真和理论计算结果的比较证明了提出的DCF模型的准确性;通过与固定DCF和PCF持续时间比例情况下各种业务的平均时延和吞吐量性能的比较,证明了提出的自适应调度机制的有效性. 为了克服IEEE 802.11存在的固有缺陷,IEEE 802.11工作组e提出了提供优先级区分的增强的分布式信道接入功能(EDCA),并给出了基于EDCA的接纳控制机制的框架,但并没有给出实现接纳控制的具体方法.第三章对IEEE 802.11e EDCA中的接纳控制进行了研究,并提出了一个基于模型的接纳控制机制MBAC.由于无线局域网中每个终端只有网络部分的状态信息,这使得接纳控制设计变得更复杂.因此,准确地估计网络当前的状态对于设计有效的接纳控制机制至关重要.第三章首先提出了一个EDCA数学模型,该模型不仅适合于饱和负载的情况,同时也适合于非饱和负载的情况.在EDCA模型的基础上,提出了一个基于模型的接纳控制机制MBAC.在MlBAC中,终端通过IEEE 802.11e协议中新增的QoS控制字段发送测量信息,接入点(AP)通过终端的反馈信息准确地估计网络当前的状态,在保障系统中现有业务尤其是实时业务的时延和吞吐量需求满足的前提下,根据新业务的QOS需求,做出有效的接纳控制决策.仿真实验和分析计算结果的比较证明了提出的EDCA模型的准确性;通过三个不同场景的仿真和分析计算,详细分析了初始竞争窗口大小、最大竞争窗口大小和AIFS大小对系统性能的影响:通过与不采用接纳控制及采用文献中的MAMBCAC接纳控制机制时各种业务的时延和吞吐量性能的比较,证明了提出的MBAC接纳控制机制无论是在轻负载还是重负载情况下都更加准确有效. 虽然IEEE 802.11e给出了基于轮询的HCCA机制的框架,但并没有给出实现有效轮询的具体方法.论文第四章对IEEE 802.11e HCF调度控制问题进行了研究,并提出了三个新的调度机制来提高信道的利用率.针对EDCA年IHCCA分别适合于VBR业务和CBR业务的特点,提出了一种自适应调整EDCA和JCAP(ControlledAccess Phase)持续时间比例的调度算法,该调度机制将VBR业务和ICBR业务分别调度在EDCA和HCCA模式下发送,并通过AP统计系统中VBRog业务和CBR业务的比例来动态实时地调整EDCA和CAP持续时间,实现不同业务的QoS保障,该机制不仅简单有效、易于实现而且与IEEE 802.11e标准兼容.针对HCCA参考调度算法分配固定TXOP(Transmission Opportunity)只适合于CBR业务的问题,提出了一种基于终端反馈业务流发送队列的缓存数据量,动态分配变长TXOP的调度机制,改进的HCCA调度机制既适合于CBR业务,也适合于VBR业务.同时提出了一种EDCA和HCCA混合模式下的动态自适应调度机制DAHCFS,DAHCFS根据终端的测量信息准确地估计系统当前的状态,按照业务QoS需求,充分利用EDCA模式和HCCA模式中的剩余资源,将业务调度到合适的模式下发送,使信道利用率最大化,并采用有效的接纳控制机制保障系统中已有实时业务的QoS,提高了信道的利用率,降低了实时业务的时延和丢包率.大量的仿真实验及与现有调度机制的对比证明了提出的三种调度机制的有效性. 论文最后对噪声干扰、终端移动条件下跨层设计提高无线局域网性能问题进行了研究,并提出了两个新的联合MAC层和物理层的链路自适应算法.由于IEEE802.11标准并没有给出速率自适应的机制,另外,由于网络性能受多方面因素的影响,如果只考虑某一层的因素往往并不能使实际系统的性能最优.第五章提出了一种基于自适应学习的联合MAC层与物理层的链路自适应算法ALBLA,ALBLA在区分碰撞丢失和噪声干扰丢失的前提下,根据MAC层确认帧信息的学习,实现信道状态的准确估计,指导物理层速率的选择,提高信道利用率.本文同时给出了干扰信道下的EDCA模型,并提出了基于该模型的链路自适应算法MBLA,MBLA通过EDCA模型的理论分析实时地测量信道的状态,实现速率选择,提高了信道的利用率.通过大量的仿真实验及与现有自适应机制的对比,证明了提出的链路自适应算法确实提高了系统的吞吐量、降低了业务的时延.