Wi-Fi网络中的负载推理：模型与实验Nour El Houda Bouzouita引用此版本：我们是胡达·布祖伊塔。Wi-Fi网络中的负载推理：模型和实验。网络和互联网体系结构[cs.NI]。里昂大学，2022年。英语。NNT：2022LYSEN003。电话：03616575HAL ID：电话：03616575https://theses.hal.science/tel-03616575提交日期：2022年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire国家博士论文编号：2022LYSEN003里昂大学博士论文集操作者l’Ecole Normale Supérieure de第512号博士学校里昂计算机科学和数学博士学院博士专业：计算机科学于2022年1月25日公开支持，由以下机构提供：Nour El Houda BouzouitaWi-Fi网络中的负载推断：模型和实验在陪审团面前，陪审团由：Noël，Thomas斯特拉斯堡大学教授Boukhatem，Lila报告员巴黎-萨克雷大学讲师报告员Boussetta，Khaled巴黎第13大学讲师Vèque考官，Véronique巴黎萨克雷大学教授考官安东尼·布森里昂ENS大学教授论文主任里瓦诺INRIA大学教授论文共同导师摘要作为提供灵活性和易于部署的基石之一，无线局域网（WLAN），特别是IEEE 802.11，已经在各种情况下广泛部署：家庭、企业或校园网络、公共区域，这导致了无线数据使用的爆炸式增长以及接入点、智能手机和各种移动设备的巨大增长。在这种密集的环境中，寻求连接的设备必须在其无线电范围内的多个可用Wi-Fi网络然而，选择接入点的过程仍然是一个令人关注的问题和一个正在进行的关键挑战，特别是在公共领域（例如，火车站、机场、购物中心等），它基于一个简单的标准，与设备将体验到的服务质量无关。特别是，网络负载没有被考虑在内，尽管它是服务质量和体验的关键参数。在本文中，我们研究了未经修改的普通设备（尤其是智能手机）在不受访问点或根权限干预的情况下，从用户空间中的本地测量来估计网络负载的可能性/能力。网络负载可以以多种方式表示。在本文中，我们考虑繁忙时间分数（BTF），其被定义为无线介质由于成功或不成功的传输而感到繁忙的时间的分数。在这方面，我们提出了相对简单和通用的分析马尔可夫模型，专门用于在存在IEEE 802.11帧聚合方案的情况下BTF估计的应用，该方案在最近的802.11修正案中引入。我们建模和模拟了不同的场景，在这些场景中，设备在用户空间中诱导聚合确定性探测流量的UpLink（UL）或DownLink（DL）平均聚合级别，该流量与网络中存在的可以聚合或不聚合其帧的流量竞争。然后，我们提出了一种新的实用方法，称为基于帧的聚合方法（FAM）。它利用帧聚合机制通过其BTF估计网络负载并表征网络流量类型。FAM结合了一种主动探测技术来测量实际的分组聚合级别和分析马尔可夫模型，该分析马尔可夫模型提供作为网络上流量的数量和性质的函数的预期在ns-3网络模拟器和实验测试台的帮助下，在几种场景下建立了所提出的马尔可夫模型和方法的性能评估。结果表明，我们的FAM方法能够基于所考虑场景的六个级别的网络负载，以粒度推断网络关键词：IEEE 802.11网络、聚合MAC协议数据单元（A-MPDU）、性能评估、网络负载、马尔可夫链。摘要Wi-Fi技术已成为一种真正的需求，因为它能够可靠、快速地响应对无线数据服务的指数级近年来，Wi-Fi网络变得更加密集，并且它们已经广泛地部署在许多情况下：企业或校园网络、公共空间等。在这种密集的环境中，寻求连接的终端必须从几个可用的Wi-Fi网络中进行选择。然而，选择接入点（AP）的过程仍然是一个主要问题，特别是在公共场所（火车站、机场等），因为它基于简单的标准，这些标准只考虑一个用户的链接质量特别地，不考虑网络负载，在本文中，我们讨论了未经修改的设备，特别是智能手机，如何在没有任何AP干预的情况下，通过用户空间中的信道占用时间（BTF）来估计网络负载BTF被定义为无线介质由于成功或不成功的传输而被认为是忙的时间的分数在这方面，我们提出了基于相对简单和通用的马尔可夫链的分析模型，该分析模型特定于在存在我们对各种场景进行建模和然后，我们提出了一种新的方法，称为FAM（基于帧的聚合方法）。它利用帧聚合机制来推断BTF并表征可以聚合或不聚合其帧的该方法结合了用于测量实际帧聚合速率的主动探测技术和基于马尔可夫链的分析模型，该分析模型根据网络中的负载水平和流量性质提供该模型和方法在NS-3网络模拟器上进行了模拟，并在实际实验中进行了比较。结果表明，我们的FAM方法能够根据所考虑场景的不同网络负载水平，以粒度推断网络负载关键词：IEEE 802.11网络，A-MPDU帧聚合，性能评估，网络负载，马尔可夫链长总结近年来，Wi-Fi网络的密度不断增加，导致接入点（AP）的数量急剧增加在提供多个Wi-Fi网络的环境中，客户端总是希望连接到当时能够提供最佳服务的Wi-Fi网络或接入点传统的选择标准是接收信号的强度然而，这种方法可能导致优选不一定提供最佳性能的接入点例如，如果存在具有不同信号强度的多个AP，则基于该标准，所有设备都可以选择相同的AP。不选择其他AP，尽管它们可以提供更好的性能（例如，负载更为了解决这个问题，今天的公司和大学部署了一组AP，这些AP对应于相同的逻辑Wi-Fi网络（由公共标识符标识：服务集ID）。L’ensemble 它从AP收集信息（关联的客户端数量、通道、可用带宽等）。并应用集中式算法以然而，Wi-Fi网络的密集化还与在相同区域中部署不同的Wi-Fi网络的事实有关。在无线电范围内可以有免费的盒子（免费的客户可以连接到）、城市网络、SNCF车站网络、安装的咖啡馆的Wi-Fi网络等。因此，客户可能有不同的Wi-Fi网络可供选择。但是，由于这些网络是不同的，它们不受中央服务器的控制，因此客户端不知道哪个网络可以为他提供最好的服务。因此，选择AP的过程特别地，不考虑网络负载，随着Wi-Fi的普及，智能手机、智能手表和平板电脑等最新一代移动设备已迅速成为我们日常生活中的普遍现象消费者对便携式电子设备的成功导致了移动人群移动众包传感是一种新的范式，其原理是使用这些具有大量集成传感器的便携式设备来开发测量平台（传感器测量）。这种方法提供了大量的可能性，因为它利用无处不在的设备来测量给定的现象，而不必部署基础设施或一组特定的传感器。目标和现有的应用是多种多样的：从环境数量的监测到道路上的交通状况。作为本论文核心的群体感知背后的一个理论问题涉及利用测量的质量和多样性来推断每个对象无法单独测量的信息的能力。例如，在一个"waze"应用程序中，每个智能手机都会测量其瞬时移动速度。然后，系统能够L’objectif该应用程序将以以下方式改进在公共空间中选择接入点的过程。我们设计了一个众包感知应用程序，其中参与的设备测量并共享其周围网络的负载。他们会建立集体知识，这样当一个设备到达一个区域并想要连接时，对于Wi-Fi网络，它可能会选择负载最小的接入点来尝试连接。为了实现这一点，需要因此，该功能将允许d’une值得注意的是，在本论文中，我们感兴趣的是选择要收集的信息类型特别地，我们正在研究移动终端（通常是智能手机）从用户空间中的测量来估计Wi-Fi网络负载的可能性/能力网络的负载可以用几种方式表示在这项工作中，我们考虑信道占用时间（BTF），其被定义为无线介质由于成功或不成功的传输而被认为被占用的这些论文贡献在本论文中，在应对上述挑战的同时，我们做出了以下贡献第一个贡献是提出了两个基于马尔可夫链的分析模型，这两个模型特定于使用IEEE 802.11帧聚合的移动终端的网络负载估计的应用。在第一代模型中，我们假设AP和服务器之间的连接是理想的。因此，我们对其进行建模，就好像服务器是在AP上实现的。这些模型允许估计聚合的我们已经通过模拟和实验证明，站点可以获得的吞吐量取决于因此，第一模型考虑聚合的并发流量，而第二模型考虑非聚合的并发流量。使用NS-3网络模拟器获得的数值结果和实验结果证明了第二个贡献是推导出第二代分析模型，这些模型考虑了一种不同的、更现实的、更实际的情景。他们认为服务器与用户拥有的第二个无线设备集成，它们评估连接到同一AP的两个站之间的下行链路（DownLink（DL））探测业务的帧聚合级别提出了两个马尔可夫链来生成该模型。第一个模型基于聚合的并发流量，而第二个模型基于非聚合的并发流量。所有提出的模型都表明，第三个贡献是提出了一种新的方法，称为FAM（基于帧的聚合方法）。它利用自IEEE 802.11n标准以来引入的帧聚合机制由于终端可以获得的吞吐量取决于并发流量是否使用帧聚合，因此FAM认为不仅是BTF，还有流量的性质。通过在ns-3网络模拟器上进行的模拟和实验来评估FAM的准确性。从这些结果中，我们可以获得以下关于用于网络负载估计的移动众包感知平台的可行性的技术信息► FAM的精度足以将负载分类为几个级别。► 当大多数并发流量该模型和方法在NS-3网络模拟器上进行了模拟，并在实际实验中进行了比较。结果表明，我们的FAM方法能够根据所考虑场景的不同网络负载水平，以粒度推断网络负载确认书我想向我的导师们表示衷心的感谢，教授。安东尼·布森和教授Hervé Rivano给了我这个博士学位的机会论文。感谢您在本论文过程中的宝贵指导、定期鼓励、持续支持、灵感和无数次评估。和你一起工作很愉快我深深地感谢我心爱的丈夫，感谢他无条件的爱、耐心，感谢他总是鼓励我，相信我。如果没有我的父母、姐妹、兄弟、姻亲以及我的朋友和实验室同事的持续支持，这项工作就不可能完成，我所能提供的任何话语都只能得到你们的充分帮助。最后但并非最不重要的是，我要热烈感谢Thomas Noël和Lila Boukhatem接受成为我论文的记者，以及Khaled Boussetta和Véronique Vèque接受成为我论文的考官和陪审团成员。对你们所有人，谢谢。Nour El Houda Bouzouita内容物摘要I摘要三长V总结承认七.内容IX1引言11.1一般背景11.2论文陈述21.3贡献... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ......31.4论文大纲... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ......41.5出版物。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ......52 802.11网络7IEEE 802.11概述。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...72.2IEEE 802.11演进。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...82.3IEEE 802.11功能概述。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...10帧聚合。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...10块确认。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...12帧聚合下的AP队列系统。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...132.4数据速率、调制和编码方案。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...142.5通道访问模式。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...14清晰的渠道评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...14帧间间隔。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...15分布式协调功能。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...15其他访问模式 . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...162.6 美联社选择哪一个？ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...17SWi-Fi网络性能评估的最新技术水平193.1用于Wi-Fi网络性能评估的带宽估计。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...19容量。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... ...20TCP吞吐量和批量传输能力。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21可用带宽。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...223.2 用于Wi-Fi网络性能评估的群体感知。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...263.3 Wi-Fi网络性能评估的分析模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...273.4 用于Wi-Fi网络性能评估的Wi-Fi接入点选择。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...273.5摘要。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... ...273.6讨论和结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...284实施系统概述S14.1技术实施问题。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...31网络负载测量。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...31Android智能手机上Wi-Fi性能测量的挑战. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...334.2 我们的方法。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...33测量BTF的地面真实值... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...34在Android中选择正确的编程语言。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...34在应用程序级别检测帧聚合级别。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...35选择网络模拟器。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...374.3 系统体系结构。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...384.4结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...405框架聚合级别的分析研究415.1系统模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...415.2 理想的服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43基于聚合交叉流量的理想服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43基于非聚合交叉流量的理想服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...465.3 无线服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...48基于聚合交叉流量的无线服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...48基于非聚合交叉流量的无线服务器模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...52所有模型的平稳概率。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...555.4数值结果。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...56基于聚合交叉流量的理想服务器模型的验证。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...56基于非聚合交叉流量的理想服务器模型的验证。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...61基于聚合交叉流量的无线服务器模型的验证。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...63基于非聚合跨业务的无线服务器模型的验证。... ... ... ... ... ... ... ...65模型之间的比较。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...685.5结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...685.6前景... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...696 FAM：IEEE 802.11网络中一种基于帧聚合的负载级别推断方法716.1家庭概览。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...71平均聚合水平计算。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...72交叉交通性质。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...73BTF估计值。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...746.2绩效评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...78具有聚合跨流量场景的理想服务器模型的FAM验证。... ... ... ... ... ... ... ...78使用非聚合方案对理想服务器模型进行FAM验证... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...82理想服务器模型下的附加仿真结果。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...82具有聚合交叉流量场景的无线服务器模型的FAM验证。... ... ... ... ... ...84非聚合跨业务场景无线服务器模型的FAM验证... ... ... ...866.3讨论和结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...887 结论89结论性意见。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...89前景... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...91APPENdI x9SA 其他概率195B附加概率297参考书目99术语列表105Tn+（Kn）DC图列表1.1集中管理22.1WLAN中基础架构（左）、ad-hoc（中）和网状（右）模式的比较............................................................... 82.2A-MSCU框架聚合112.3A-MPDU帧聚合122.4块132.5框架聚合下的调度示例......................................................................................................................................... 142.6DCF模式下的基本通道访问................................................................................................................................. 163.1三跳网络路径223.2分组速率模型233.3分组对色散244.1示例拓扑324.2Android软件堆栈344.3实验设置364.4服务器与嗅探器4.5架构方案1384.6架构方案2394.7架构方案3395.1基于聚合交叉流量的理想服务器模型的两个连续探测流量传输之间的可能事件。在步骤n中，传输第n个探针帧。它包含n个子帧。它的持续时间是（K n）。竞争站访问介质以将先前的数据传输到其缓冲区（TN）和PAC。k，et，arr，i ⇒在周期（Kn）期间观察到。金额在Kn和Kn+1帧之间，交叉业务成功访问介质两次。445.2理想服务器的两个连续探测传输之间可能发生的事件的示例时间线该模型基于非聚合交叉流量。............................................................................................................................. 465.3当当前传输为APP49时，基于聚合交叉流量的无线服务器模型的两个连续传输之间可能发生的事件5.4当当前传输为APC时，基于聚合交叉流量的无线服务器模型的两个连续传输之间的可能事件。........515.5由无线服务器基于非聚合交叉流量建模的场景。..............................................................................................535.6无线服务器模型两次连续传输之间的可能事件当前传输为APC时的非聚合交叉流量。.............................................................................................................545.7基于聚合交叉流量的理想服务器模型的NS-3双STA仿真。............................................................................. 575.8基于聚合交叉流量与ns-3模拟的理想服务器模型的平均聚合级别-两个STA。...........................................585.9基于聚合交叉流量的理想服务器模型的ns-3模拟。.......................................................................................... 585.10 基于聚合交叉流量与ns-3模拟的理想服务器模型的平均聚合级别-五个STA。........................................595.11 实验试验床。..................
我的内容管理
展开
