[硕士论文精品]ieee802.11速率自适应及分段机制研究

国防科学技术大学研究生院工学硕士论文摘要随着计算机网络技术和无线通信技术的飞速发展，无线局域网得到了日益广泛的应用，作为无线局域网的主流标准，MEE8021L已成为研究的热点。然而，目前的研究主要是基于信道理想的假设之上，并不能真实的反映实际情况。论文以提高网络的吞吐量为目标，对时变有嗓信道下的IEEE80211标准进行了深入的研究与分析，研究的主要内容包括发送速率自适应以及发送帧的分段机制。首先，论文提出了一种信道自适应的多速率协议EARF，该协议使用接收到ACK帧的统计信息来判断时变无线信道的质量，从而选择合适的发送速率。EARF协议可以通过软件驱动来实现，而不需要修改IEEE80211标准本身，因此实用性较强。仿真表明，该协议的吞吐量性能较同类的多速率协议如ARF和ARF310有较大提高。分段是另外一种提高系统在恶劣无线信道下的性能的有效手段，为了对IEEE80211标准的分段机制进行性能评估，论文首先对OLOMOSIM软件进行了扩展，实现了分段机制，然后对其进行了仿真。通过仿真，验证了分段机制在恶劣时变信道环境下的有效性，同时也发现该机制存在的不完善之处，如分段机制的避退在无竞争网络中的不合理性，为作者进一步的研究内容指明了方向。最后，论文搭建了一个实际的无线局域网测试平台，在各种环境中对IEEE8021LB的不同速率下的吞吐量性能和IEEE802119下的分段机制进行实际测试验证，并与理论值进行比较分析。测试结果表明由于受到周围环境诸多因素的干扰，无线局域网的实际性能与仿真结果存在较大的区别。作为进一步的工作，我们将完善无线局域网测试平台，以验证和分析相关研究成果。主题词无线局域网IEEE80211媒体访问控制速率自适应分段机制第I页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文ABSTRACTWLANISWIDELYUSEDNOWADAYSASTHEFASTDEVELOPMENTOFTHETECHNOLOGIESOFCOMPUTERNETWORKSANDWIRELESSCOMMUNICATION,ANDITSMAINSTREAMSTANDARDIEEE80211HASBECOMEAHOTSPOTOFCURRENTRESEARCHBUTMOSTOFTHERESEARCHAREBASEDONTHEASSUMPTIONTHATWIRELESSCHANNELISIDEAL，WHICHCANTREALISTICALLYRETIEETTHEREALCHANNELCONDITIONAIMINGATIMPROVINGTHROUGHPUTPERFORMANCEOFTHENETWORK,INDEPTHRESEARCHANDANALYSISONIEEE8021LSTANDARDINREALTIMEVARYINGCHANNELISMAKENINTHISTHESIS，WHICHINCLUDESRATEADAPTIVEPROTOCOLANDFRAGMENTATIONFIRSTLY，THISTHESISPROPOSESARATEADAPTIVEPROTOCOLEARF，INWHICHTHESTATISTICINFORMATIONOFACKFIAMESAREUSEDTOESTIMATEWIRELESSCHANNELCONDITIONSOTHATTHESENDINGSTATIONSELECTSAPROPERRATEEARFCANBEIMPLEMENTEDINPRACTICEBYSOFTWAREDRIVERPROGRAMWITHOUTANYMODIFICATIONTOIEEE80211STANDARDTHESIMULATIONINDICATESTHATTHROUGHPUTOFEARFOUTPERFORMSSIMILARPROTOCOLSSUCHAS灿江ANDARF310FRAGMENTATIONISANOTHERWAYT0IMPROVENETWORKPERF01TNALLCEINMEE80211WHENWIRELESSEHANNELCONDITIONISAWFULIN0RDERTOVALIDATETHEPERFORMANCEOFFRAGMENTATION，THEAUTHORFIRSTIMPLEMENTSITBYGLOMOSIMSIMULATIONSOFTWARE，ANDTHENTAKESSEVERALSE招OFSIMULATION111ESIMULATIONRESULTINDICATESTHATFRAGMENTATIONISVERYEFFECTIVEINAWFULCHARMEICONDITION，WHILEATTHESAMETIME。SEVERALPROBLEMSOFFRAGMENTATIONNEEDIMPROVINGAREFOUNDOUT，EG，BACKOFFOFFRAGMENTATIONDOESNTWORKWELLINUNCONTESTEDNETWORK,WHICHWILLBETHEFARTHERRESEARCHOFTHEAUTHORATLASTAPRACTICAL、阢ANTESTBEDISESTABLISHEDWEHAVETAKENMUCHMEASUREMENTFORIEEE8021LBANDIEEE802119FRAGMENTATIONSCHEMEINVARIOUSPMCTICALENVIRONMENTSBYCOMPARINGTHEMEASUREMENTDATAWITHTHETHEORETICALCOMEOUT，THEAUTHORCONCLUDESTHATTHEREISAFARWAYBETWEENTHEORETICALANDPRACTICALRESEARCHBECAUSEOFINTERFEREAROUNDMEASUREMENTENVIRONMENT；IMPLEMENTINGTHEORETICALPROTOCOLINPRACTICEISALSOACHALLENGINGPROCESSASFURTHERWORK,AFULLFUNCTIONALTESTBEDOFWLANWILLBEGRADUALLYSCTUPTOVALIDATEANDANALYZETHETHEORETICALRESULTSOFOURRELATEDSTUDYKEYWORDSWLANIEEE80211MACRATEADAPTIVEFRAGMENTATIONSCHEME第II页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文图目录图11图12图13图21图22图23图24图25图26图27图28图29图210图21L图31图32图33图34图35图36图37图41图42图43图44图45图46图47图48图49图410IEEE80211的MAC层一3IEEE80211的CSMACA协议4RTSCTS机制6BER与SNR理论关系图10理论吞吐量与SNR的曲线图11EAR_F状态转换图14EARF协议的数据帧传输过程15EAL强流程图17最大多普勒频移下不同弦取值的吞吐量比较18最大多普勒频移下各种协议的吞吐量性能19误帧率相对于最大多普勒频移曲线19快变信道下吞吐量与数据帧长度的关系曲线20吞吐量与平均SNR的关系曲线20吞吐量与站点个数的关系曲线21IEEE80211分段机制一22IEEE80211标准数据发送流程。24网络层与MAC层接口函数24分段机制重要流程图26发送队列中的数据帧26分段在接收端的重组27IEEE80211分段与非分段机制的吞吐量比较29IEEE80211标准数据帧封装过程32IEEE8021LB不同帧长的吞吐量理论值与测试值对比图34室内固定点测试环境图及测试结果35室内不同距离测试环境图35室内不同距离测试结果36室外测试环境图36室外测试结果图37IEEE802119室内分段机制测试环境38IEEE8021LG分段机制测试结果离散值39IEEE802119分段机制测试结果均值39第1V页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文表11表41表42表43表目录IEEE80211竞争窗口大小5IEEE80211B部分参数值33IEEE8021LB特定条件下吞吐量理论值33IEEE80211B特定条件下吞吐量测试值34第1II页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的楮辑与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目塑Q速奎自重廛基金塞扭劐盈窒学位论文作者签名董溘抱日期2刃6年F月F；日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文保密学位论文在解密后适用本授权书。学位论文题目塑12逮空自重廑丛金璧扭剑煎塞学位论文作者签名蔓I盍整日期ZOVB年11月居日作者指导教师始施缝魄洲年F月哆日国防科学技术大学研究生院工学硕士论文第一章绪论随着信息化进程的加快和信息技术的飞速发展，人们对无线环境下的数据服务需求也不断提高，希望不论在何时、何地，与任何人均能够进行包括语音、数据、多媒体音频、多媒体视频、交互式游戏等任何内容的通信，并希望能实现主机在网络中自动漫游。目前，以IEEE80211“和HIPERLARD201为代表的无线局域网、以蓝牙嘲啪和HOMERF陶为代表的无线个人局域网，及无线ADHOE网络潮M、无线MESH网络M、无线传感器网络WSN嘲“州“1等各种无线网络技术进入快速发展期。其理论和关键技术也不断发展，因而研究无线局域网相关理论和关键技术具有重要意义N”。本章首先介绍了论文的研究背景，对IEEE80211标准的发展历程作了简单的说明；然后重点介绍了IEEE80211标准的MAC协议的关键技术及其存在的问题，并且就当前的研究现状进行了论述；最后给出了论文的研究内容。11研究背景由于无线信道是共享资源，当多个站点同时尝试接入信道时，会相互干扰甚至发生冲突，造成数据传输错误。从而降低通信效率甚至中断通信。因此如何控制和协调各站点高效的利用无线信道进行通信是至关重要的，这正是MAC媒体访问控制MEDIUMACCESSCONTR01层需要解决的主要问题“”。无线MAC协议通过制定一系列接入规则，让网络中的所有站点有序高效的共享无线信道，它还控制着对物理层的访问，为上层协议提供可靠的无线连接“”叫。WLANWIRELESSLOCALAREANETWORK是种以突发数据业务为主也可支持多媒体业务的分组无线网络。它带宽有限，信道环境恶劣，还要支持INFRASTRUCTURE模式和ADHOC模式两种类型的网络拓扑“”，同时还要求具有节能、公平、安全等多方面的功能。因此MAC协议的选择和涉及非常复杂，需要综合考虑网络结构、站点数量、业务类型与要求及物理层的限制等多方面的因素。以随机接入为主的MAC协议，非常适合突发性较强的数据业务，可以分布式的运行，具有灵活方便的组网形式，成为目前各种无线数据通信网络MAC协议的主流。作为一种基于竞争的随机访问的无线局域网MAC协议，IEEE80211DCF网络控制方式以其简单灵活等特点已经被广泛的接受并被迅速应用于其他不同的无线网络环境，如无线ADHOE网络、无线传感器网络等等。吞吐量是衡量无线通信系统性能的一个重要参数，人们都希望系统的吞吐量尽可能的高，因而为提高系统吞吐量进行了大量的研究，相应的技术也层出不穷。第1页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文无线局域网IEEE80211MAC协议的多速率机制和分段机制为提高系统的吞吐量提供了可能，是研究的热点所在。论文正是以IEEE80211DCF为基础，以提高系统吞吐量，优化通信系统整体性能为研究目标，对IEEE8021L标准的速率自适应和分段机制进了研究。12无线局域网IEEE80211标准概述121无线局域网IEEE80211标准的发展IEEE80211“是IEEE于1998年推出的无线局域网标准，是无线局域网领域内第一个被国际认可的协议。IEEE80211主要针对无线网络的物理层PHV层和媒体访闯控制子层MAC层进行了规定。后来又连续推出了8021LA“”、8021LB“”、8021LG“”等几个新的标准。最先推出的IEEE80211A占用5GHZ自由频段，主要使用515,525、5255，35、57255825GHZ频段的正交频分复用OFDM系统，采用经BPSK或QPSK、16一QAM或64QAM调制后的52个子载波。由于这一频段其它的应用不多，故干扰较少。IEEE8021LA可以提供速率为6、9、12、18、24、36、48和54MBPS的数据通信能力。其中必须支持6、12和24MBPS的数据速率。在10米范围内其速率可高达54MBPS，但随着距离的增加，其速率快速下降，70多米时就会下降到10MBPS以内。IEEE80211B占用24GHZ的自由频段，但由于许多国家的无绳电话、蓝牙设备甚至微波炉都使用这个频段，所以干扰要大些。它采用补码键控CCK或PBCC为调制方式，并采用相对简单的直接序列扩频DSSS技术，除了1MBPS和2MBPS的速率，还可以支持55MBPS和11MBPS的数据速率，并且速率可因环境变化而动态漂移，但考虑到物理层的开销至少约40以及自由频段易受到干扰等情况，其速率远低于此。虽然IEEE80211A开始制定的时间要早于IEEE80211B，但由于后者容易实现、完成得较早，所以IEEE80211B产品反而占据了较大的市场份额。IEEE8021LG解决了由于使用不同的频段造成的80211A的产品和80211B不相兼容的问题。在和80211B兼容的基础上提高了速度和传输距离。8021LG中规定的调制方式有两种，包括8021LA中采用的OFDM与80211B中采用的CCK。通过这两种调制方式，既达到了在24GHZ频段实现80211A水平的数据传送速度，又确保了与8021LB产品的兼容。但干扰的存在决定了8021LG不可能达到8021LA的高速率。对于以后在WLAN中要开展的IP电话和视频播放这类大量消耗带宽的多媒体第2页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文业务来说，54MBPS还远远不够。因此IEEE已经成立了个新的工作小组，制定一项新的高速WLAN标准8021LN。该标准采用多输入多输出MIMO技术和正交频分复用OFDM技术，计划将WLAN的传输速率从54MBPS增加至108MBPS以上，以实现与百兆有线网的无缝结合。增强无线联盟EWC声明说，新的标准将使普遍传输速度达到600MBPS。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里。和以往的80211标准不同，8021LN协议为双频工作模式包含24GHZ和5GHZ两个工作频段。这样802。11N保障了与以往的80211A，B，G标准的兼容。BROADCOM公司已于2006年推出了新标准的芯片组，这是第一个符合8021IN标准的芯片组，名为INTENSIFI，可用于路由器、笔记本电脑和插入式PC卡。新标准产品将很快以样品形式提供给制造商。122无线局域网正EE80211标准MAC协议1221网络控制方式PCF与DCFIEEE80211标准的MAC协议定义了两种对信道的访问方式，如图11中心网络访问控制方式PCFPOINTCOORDINATIONFUNCTION和分布式网络控制方式DCFDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION。无竞争服务竞争服务J中心网络访问控制方式PCF1R分布式网络控制方式DCF物理层图11IEEE80211的MAC层PCF使用集中控制的接入算法一般在接入点AP实现集中控制，工作于非竞争期CFP，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免了碰撞的产生；PCF是标准所定义的可选择的访问方式，实际的8021L设备中很少实现。本论文只涉及到DCF方式，因此下面重点介绍DCF方式的关键技术。DCF是IEEE80211最基本且被广泛的接受和应用的媒体访问方式，它提供了一种基于竞争的访问方式，是需要强制性实现的访问方式；它直接建立在物理层第3页T一上国防科学技术大学研究生院工学硕士论文之上，作用于媒体竞争期CP，所有站点均支持DCF，其核心是CSMACACARRIERSENSEMULTIPLEACCESSWITHCOLLISIONAVOIDANCE，即基于冲突避免的载波侦听多信道接入。它包括载波检测机制、帧间隔和随机避退规程。为了避免冲突，IEEE80211X的MAC层规定，所有的站点在完成发送后，必须等待段很短的时间继续侦听才能发送下一帧。这段时间统称为帧间隔IFSINTERFAMESPACE。帧间隔的长短取决于该站点打算发送的帧类型。高优先级帧等待的时间较短。若低优先级帧还没有来得及发送而其它站点的高优先级帧已经发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能继续侦听信道。这样就减少了发生碰撞的几率。1222分布式网络控制方式DCF关键技术DCF定义了两种工作方式“”基本工作方式CSMACA方式和RTSCTS机制。1CSMACA方式在CSMACA方式下，数据的传输过程为DATAACK，如图12所示。如果源站点要发送数据，首先对信道进行侦听。如果信道连续空闲了一段特定的时间间隔DIFSCFIFS，源站点才可以发送数据帧。如果目的站点成功的收到数据帧，也要侦听信道段特定的时间间隔SIFSSHORTWS，如果信道空闲，目的站点向源站点发送一个ACK应答帧。然而，如果信道忙，那么源站点等待信道变为空闲，并且再等待DIFS的时间；如果信道仍然空闲，源站点在一个特定的竞争窗口中随机的选择一段时间进行避退，如果避退期间信道仍然空闲，当避退时间结束，才可以发送数据帧；如果在避退期间检测到信道忙，那么将避退定时器冻结，等待下次信道空闲时继续避退。WINDOW斗源节点孽瓣遵SLOTTIME目的节点黼R南邻居节点JIJ甄阉L图L2IEEE80211的CSMACA协议因为CSM刖CA不是通过站点监听它们自己的发送来检测冲突的，所以目的站点应发送一个ACK帧表明成功接收到了数据包。此ACK应在数据包发送完成第4页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文后，再经过SWS立刻发送。SIFS再加上传播延迟比DIFS短，因此其他站点在ACK结束之前不可能检测到信道空闲时间大于DIFS。如果发送站点在ACKTIMEOUT等于一个ACK帧的时间加上SIFS内没有接收到ACK，或检测到信道上有另外一个数据包在传输，那么它将根据避退机制重新安排数据包的发送。2避退机制由于效率原因，DCF选择了离散时间避退算法。捕获到一个DIFS空闲时间后，避退时间立即开始，站点只能在每个时隙开始时发送。时隙的大小等于任何一个站点检测到其他站点发送的数据包所需要的时间。所以，它依赖于物理层，是传播延时、站点从接收状态转为发送状态所需要的转换时间RXTXTUMAROUNDTIME和通知MAC层信道状态所需时间的总和。DCF采用二进制指数避退机制“”。避退的最小时间间隔为一个时隙SLOTTIMEOR。每个数据包发送时，避退时间一律在O，W一1中取值。，称为竞争窗口CW，CONTENTIONWINDOW，它取决于数据包发送失败的次数。第一次发送尝试时，W设为C吸。称为最小竞争窗口MINIMUMCONTENTIONWINDOW。每次发送失败后，W翻番，直到变为最大值C乃K2“C降二。，M代表避退算法可避退的最大避退级数MAXBACKOFFSTAGE。C和C是由PHY确定的“1。如表11所示。表11IEEE80211竞争窗口大小PHYSLOTTIME盯C玎名。C。FHSS509S161024DSSS209S321024IR8PS6410243RTSCTS方式DCF还定义了另外一种可选的四次握手技术。这种机制称之为RTSCTS，如图13所示。想发送数据包的站点侦听到信道空闲时间大于DIFS后，不发送数据包，而是发送一个请求发送RTSREQUESTTOSEND帧。目的站点检测到RTS后，在SIFS后发送一相应的允许发送CTSCLEARTOSEND响应帧。发送站点只有在正确接收CTS后才发送数据包。RTS和CTS帧载有将要发送的数据包的长度信息。任何监听站点都可以获取此信息。监听站点以此更新网络分配向量NAV，NAV包含了信道繁忙的时间信息。无论是发送站点还是接收站点的隐藏终端O”，只要检测到RTS和CTS中的一个，它就可以适当的延迟发送数据，从而避免冲突。第5页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文。隰震。跚翟J_爹霭露血目她嚣一NXV4，当连续成功的传输了三个数据包后，在第四个发生错误，表明此时的信道状态变差了，因此降低传输速率为RIL，并且采用其对应的成功阈值THI。更新撕为胡。有一点需要说明成功阈值的更新只发生在尝试高速率发送失败的情况下。以下讨论一个重要的问题；如何确定延时因子厅如式37THI与夕成正比，因此1，是TH【I】的反映。夕越大，THI也越大。又根据我们提出的AMARF协议所述，每一个传输速率都给分配一个成功阂值，因此声值实际上也应该以不同的速率进行区分。另外，根据我们以前的研究蚴，在相同的信道状态下，传输同样大小的数据包，较高的传输速率需要较少的传输时间，因此根据式37，较高的传输速率R【I】，其对应的THI和弦都应越大。在24节的仿真中，证明了这一论断的正确性。2,33EARF简单实现流程作者采用网络仿真软件GLOMOSIM实现EARF协议。GLOMOSIMFORGLOBALMOBILESYSTEM仿真软件由美国UCLA大学计算机系开发。它是基于C语言的并行仿真语言PARSEC设计的一个函数库，支持OSI七层模型的各种协议，可以实现并行离散时间驱动仿真，具有可扩展性和可编程性。新版本的GLOMOSIM支持纯无线网络的协议并采用分层的方法，不同层之间使用标准的API进行通信，这样实现了网络所需的基本协议栈层次。GLOMOSIM的缺点在于其分层结构太严格，要实现跨层信息的应用就显得困难，而且可视化界面支持较差。但由于GLOMOSIM提供了开放的源代码和标准的接口函数，因此，除了提供相应网络场景中路由协议、MAC协议等的仿真评估与性能比较，还易于实现用户自己设计开发的功能与算法。图25是EARF的简单实现流程，与前两节的状态转换图和传输过程对应。第16页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文图25EAP,F流程图24EARF仿真实现及性能评估241仿真环境的设置本章的仿真设置如下假设一个无竞争的无线局域网络，只包含一个用户站点和一个接入站点AP，应用层采用CBR恒比特数据流业务，用户站点处于饱和状态，即发送队列中始终有足够的数据帧等待发送。两个站点的位置都固定，但是信道时变。为了模拟时变的无线信道，假设具有JAKE谱“”的平衰落瑞利信道。由于只有两个站点，RTSCTS机制没有必要采用，仿真时间设置为100秒。另外，设置带宽为6MHZ，采用BPSK,QPSK,16QAM，64QAM和256QAM作为多速率的调制方式，并且不采用纠错编码。这样，我们可以得到的速率为6MBPS,12MBPS,24MBPS，36MBPS和48MBPS。分别用R【I】IO，1，2，3，4表示。数据帧长度设置为1024字节。第17页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文242吞吐量性能和误帧率性能231小节的理论推导认为，传输速率越高，值应该越高。本节的大量仿真也从的选值展开，并且重点对比了各种传输速率使用相同的夕值与不同的传输速率使用不同的夕值得到的性能。MDOPTABRFREQNOIIZ图26最大多普勒频移下不同船取值的吞吐量比较图26描绘了随着最大多普勒频移的改变，取不同值时EARF协议的吞吐量性能。这里，平均SNR为26DB，数据帧长度为1024BYTE。为了选择最优弦取值，仿真发现当取值为，02，04，06，0802，04，06，08分别表示处于速率RI】I0，I，2，3时的取值和尼O1，03，05，07能得到相对较高的吞吐量。图中也给出了所有速率取相同的弦值时的吞吐量性能作为比较。通过仿真发现，当取相同值时，露矿O5能得到最好的吞吐量性能，但仍然不及夕依速率取不同值的性能，如局和尼。这就验证了231小节的理论说明夕取单一值的性能总是低于斥依据速率取各自合适的值时的性能。因此，在接下来的仿真中，对EARF只选择能得到最好吞吐量性能的刀取值夕J和尼，并与ARF及ARF310作对比。1吞吐量与最大多普勒频移的关系曲线图2R7给出了最大多普勒频移变化时三种协议的吞吐量性能曲线，总的说来，三种协议ARFARF310ANDEARF的吞吐量性能都随着最大多普勒频移的增加丽减小，然而ARF310性能好于ARF，EARF性能好于ARF310。在慢变信道最大多普勒频移较小下，吞吐量性能差别不大，然而，随着最大多普勒频移的逐渐增大，EARF性能的优越性体现出来。第18页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文M却DMDOPPLERTQUENCYK图27最大多普勒频移下各种协议的吞吐量性能2误帧率与最大多普勒频移的关系曲线MA,RNUMDOPPRREQUENC,HE图28误帧率相对于最大多普勒频移曲线图28描述了最大多普勒频移变化时误帧率的变化曲线。ARF的误帧率始终保持在O08左右，然而低误帧率是以低吞吐量为代价的。对于ARF310和EARF，误帧率随着最大多酱勒频移的增长而增加；两者比较起来，EARF总能在获得较高的吞吐率的同时保持较低的误帧率。另外，图28也说明，在慢变信道下，EARF误帧率性能也比ARF还好。综合考虑吞吐量性能和误帧率性能，EARF对快变信道的适应性要好得多。鉴于这种情况，在接下来的讨论中，重点讨论快变信道最大多普勒频移在50HZ时的情况。为了评估EARF在快衰落信道下的性能，在图29和图210分别给出了最大多普勒频移为50HZ时，吞吐量性能和误帧率性能曲线。3快变信道下吞吐量与数据帧长的关系曲线第19页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文图29快变信道下吞吐量与数据帧长度的关系曲线如图29，平均SNR设为26DB，最大多普勒频移为50HZ，数据帧长以步进200BYTE从200BYTE增加到2000BYTE。图29描绘了吞吐量与数据帧长的关系曲线。总的说来，ARF310和EARF的吞吐量都随着数据帧长的增加明显的增加，而ARF的吞吐量随着帧长度增加更为缓慢，且帧长达到800BYTE以后，吞吐量几乎不再变化。4快变信道下吞吐量与平均SNR的关系曲线，O，图210吞吐量与平均SNR的关系曲线图210描绘了平均SNR变化时的吞吐量性能。最大多普勒频移设为50HZ，SNR以步进LDB从20DB增加到30DB。各种协议的吞吐量都随着SNR的增加而增加，且增加趋势几乎相同。但EARF性能一直都高于ARF及ARF310。5吞吐量与站点数目的关系第20页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文图211吞吐量与站点个数的关系曲线最后，给出吞吐量随着站点数目增加的变化曲线。以往的研究已经发现随着吞灶量的增加，由于碰撞，会造成吞吐量的迅速下降，我们的仿真结果也证明了这一点如图211，随着站点数目的增加，三种协议的吞吐量都急剧的下降。而EARF协议的吞吐量始终大于ARF和ARF310。25本章小结本章主要研究了速率自适应在IEEE802“标准规范中的应用，首先描述了相关理论，接下来阐述了研究现状和研究方法，对作者的研究起到了指导性作用。本章的主要收获在于通过理论学习，阅读大量相关文献资料，提出了一种根据信道状态进行速率自适应改变的协议EARF，最后通过仿真验证该协议对吞吐量性有较大的提高。第21页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文第三章IEEE80211分段机制研究在差错信道下，数据帧越长，传输的错误概率越大。为了提高数据在恶劣的无线信道中传输的可靠性，IEEE80211标准建议将大的MAC数据服务单元MSDU划分为若于个小的MAC协议数据单元MPDU进行传输，这个划分的过程称之为分段FRAGMENTATION。本章首先介绍了IEEE80211标准对分段机制的规定，为了评估其性能，接着在GLOMOSIM仿真软件中实现了分段功能，最后通过仿真验证了分段机制在差错信道中传输的有效性，并分析发现了有待改进的问题分段的避退。31分段机制概述分段是指将MAC服务数据单元MSDU或者MAC管理协议数据单元M佃DU划分为更小的MAC协议数据单元MPDU“1的过程。分段过程产生MPDU，其长度小于原来的MSDU或MMPDU的长度，可以提高数据在恶劣无线信道下的传输可靠性。对于长帧而言，信道特性限制了接收的可靠性，此时利用分段可提高MSDU或MMPDU成功传输的概率。分段由每个发送端直接完成。相对应的，在接收端将多个MPDU组合成单个MSDU或MMPDU的过程称为重组DEFRAGMENTAFION。只有具有单播接收地址的MSDU才可以被分段，而广播多播帧不能被分段，即使它的长度超过分段阈值。IEEE80211标准定义AFRAGMENTATIONTHRESHOLD为每个MSDU单元的分段闽值。对于从LLC直接接收的MSDU或从MAC子层MLME直接接收的MMPDU，若长度大于AFRAGMENTATIONTHRESHOLD，则被分解为多个MPDU，其中每个分段的长度不超过AFRAGMENTATIONTHRESHOLD，且每个分段可能均小于AFRAGMENTATIONTHRESHOM。这些MPDU分段存放在无线收发器的缓存器中。1FRAGMENTBURST。DIFS、K茄SIFSSI矾酬BACL【OFF_W呦卜丽磊叫日LSOURCEACK0噻DESTINATION注每次段传输失败后，需要重新竞争信道图31IEEE80211分段机制第22页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文所有的分段被独立的发送，并且每个分段使用单独的ACK应答。一旦源站点竞争到信道，将连续的发送分段，分段与ACK之间以及ACK与下一个分段之间使用SIFS时间间隔隔开，直到所有的分段发送完毕，或者有一个分段的ACK没有收到。这种连续的分段发送过程称为段突发FRAGMENTBURST。如果其中某一个分段发送失败，源站点需要在避退之后重新竞争信道，如图31所示。剩下的分段在源站点重新竞争到信道后再次以段突发的方式发送。由于每一个MAC帧的MAC头内包含了下一次发送所需要的时间，接收到MAC帧的邻居站点可以对NAV进行更新。32软件设计方案目前流行的网络仿真软件如GLOMOSIM，NS2都没有实现分段机制，软件实现这一功能将为我们进一步的研究工作打下了坚实的基础。本文的分段功能是在GLOMOSIM网络仿真软件中编程实现的。321IEEE80211标准GLOMOSIM代码分析为了清晰深入的表达分段机制的软件设计，首先对GIOMOSIM软件已实现的IEEE80211标准的一些重要函数和流程作简要介绍。1一些重要的函数；MACS02L1TRANSMITFRAME传输帧，不论是数据帧还是控制帧MACS0211TRANSMIT】王TSFRAME传输RTS帧MATS0211TRANSMITDATAFRAME传输数据帧MAES021从物理层接收新的帧_1RECEIVEPACKETFROMRADIOMATS02L1PROCESSACK处理接收到的ACK帧MAC80211RECEIVEPAEKETFROMRADIO从物理层接收帧2GLOMOSIM设置了一个专门表示MAC状态的数据结构，表示传输过程中的具体情况，其中一些重要的状态如下M80211SIDLE信道空闲M80211SBO避退M80211SWFCTS发送完RT8帧后等待相应的CTS帧M80211SWFDATA等待数据帧的发送M80211SWFACK发送完数据后等待相应的ACK帧M80211XRTS发送RTS帧M8021IXCTS发送CTS帧M80211XU】CAST单播状态第23页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文M802LLXBROARDCAST广播状态M802LLXACK发送ACK帧3GLOMOSIM软件中设定的IEEE9021L标准数据帧发送过程MAC802L1TRANSMITDATAFRAME流程图。图32IEEE8021L标准数据发送流程4MAC层与网络层的接口函数MAC层与网络层的接口可以如图33所示，发送端网络层将已经在该层封装好的数据帧放入待发送队列NETWORKIPOUTPUTQUEUE中，通过函数NETWORKLPOUTPUTQUEUETOPPACKET与MAC层交互；而接收端将已经接收的数据帧直接送往与NETWORK层交互的函数NETWORKLPRECEIVEPACKETFROMMACLAYER。图33网络层与MAC层接口函数在整个软件设计过程中，接口的设计是至关重要的，因为首先要从待发送队第24页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文列里取出数据帧进行分段，而这个过程对网络层是透明的，分段同样涉及到重传机制等复杂过程。在接收端，如何将分段重组，透明的传输到网络层也是关键之322总体设计思路在GLOMOSIM已经实现的标准函数基础之上，依据IEEE8021L标准关于分段机制的描述，作者对分段机制的设计如下分段发送从待发送数据队列NCTWORKLPOUTPUTQUCUE中取出将要发送的数据帧，若根据分段阈值判断需要分段，则保持该帧直到该帧的所有分段传输完毕或者达到重传次数而丢弃；在这期间进行分段的传输，为了保证分段的传输顺序以便接收端重组，给同一数据帧的每一个分段分配一个ID号作标识。传输过程类似于非分段机制进行。分段接收与非分段机制不同的是，对于多站点同时向AP发送的情况，为了防止接收混乱，需要在AP建立一个数据结构，以保持各个发送站点的分段接收情况，包括源站点地址，当前接收的数据帧序列号，分段ID；开辟与发送站点数目相同的临时缓冲区分别存放来自不同站点的分段，按顺序存放同一源站点同一帧的分段；待同帧最后一个分段正确接收，则将整个数据帧送往与网络层交互的函数NETWORKLPREEEIVEPAEKETFROMMACLAYER。分段重传与非分段机制类似，若某个分段传输失败，则先避退，再重新竞争信道。添加的重要函数如下MAC80211TRANSMITFRAGACKMAC80211TRANSMITNEXTFRAGMAC80211FRAGTRANSMITTEDMAC80211FRAGACKTRANSMITTEDMAE80211PROCESSFRAGMAC80211RETRANSMITFRAG添加的MAC状态如下M8021LSWFFRAGACKM80211XFRAG匝NTM80211XFRAGACK其中重要的流程图见图34传输已接收到的分段的ACK帧传输除第一个分段以外的其它分段分段成功发送分段的ACK帧成功发送处理接收的分段重传上次发送失败的分段发送完一分段后等待相应的ACK帧发送分段发送分段ACK第25页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文A接收端处理收到的分段B分段重传图34分段机制重要流程图323关键技术1分段号码FRAGID的分配NETWORKLPOUTPUTQUEUE孓。P一41。RW“FZ一瑚234N4N一3N2IN。1N，十，一。LT融。；。，X；”X“、翻23M1I。、7，一T。IFRAGID图35发送队列中的数据帧分段发生在数据帧从发送队列中取出并判断其长度大于M80211FRAGTHRESH时，为了在接收端按照正确的顺序进行重组，模仿非分段机制中给每个数据帧分配一个帧序列号的做法，给同一个数据帧的不同分段设置一个FRAGLD号码，如图35所示。这样每个分段都有两个号码，一个标志其所属的数据帧，一个标志其在该帧中的位置。FRAGLD由发送方产生，作为分段帧的头文件的一部分随着分段一起被发送到接收端；在接收端设置一个结构体来保存上次收到的同一数据帧的FRAGLD，以避免接收出错。第26页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文2接收端分段的重组接收到的分段分段头文件分图36分段在接收端的重组在接收端，重组分段的过程是在收到当前帧的最后一个分段后完成的。由于发送端MAC层从NETWORK层队列中取出的是一个完整的数据帧，按照协议各层之间透明的原则，在接收端，从MAC送向NETWORK层的数据帧也应是完整的数据帧，而不是单个的分段。因此，在MAES02L1PROEESSFRAG函数中，分配一块足够大的临时缓冲区作为暂时存放分段的区域，每收到一个新的分段，先去掉头信息，再按照顺序放入临时缓冲区，收到同一数据帧的最后一个分段后，将此完整的数据帧送向NETWORK层。分段的重组说明如图36。判断同一帧的最后一个分段至关重要，作者在分段的头文件中添加一个二进制标志变量MOREFRAGINDICATE表明该分段是否为最后一个O一最后一个FLAG；1非最后一个FLAG。在接收端，每收到一个分段首先判断它是否是同一帧的最后一个分段。3分段重传机制GLOMOSIM软件采用中断机制对并发的多站点进行仿真，故用定时器记录传输情况。在发送各种帧RTS，CTS，DATAFRAME，FRAG，ACK或FRAGACK以后都分别设置各自的定时器，并设置不同的定时器序列号。对应等待CTS，DATAFRAME或FRAG，ACK，FRAGACK，DATAFRAME，FRAG。不同的帧类型规定的等待时间也不同。如果在定时器的时间限制内等待的帧已经收到在函数MAC80211RECEIVEPACKETFROMRADIO中，则查找相对应定时器的序列号，取消这个定时器，确认等待的帧已经收到了。如果在定时器的时间限制内没有收到等待的帧，则超时，转入MAC802L1HANDLETIMEOUT函数处理进行，根据协议规定重传正等待的帧或记录为丢失。第27页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文33性能评估在32节中，作者对IEEE80211分段机制在GLOMOSIM仿真软件中的实现作出了具体说明，下面我们通过仿真评估IEEE80211分段机制的有效性。目前，对于IEEE80211分段机制的研究主要考虑的是两个站点的场景，而实际的网络中往往是多个站点同时发送。因此，本文的分段机制的性能评估考虑了差错信道下的多站点拥塞环境，仿真中设置不同的BER参数和站点个数。仿真环境设置如下假设由一个AP站点和若干个用户站点组成的无线局域网络；单跳的网络结构；网络处于饱和状态；最大多普勒频率为10HZMAC协议的参数选择IEEE80211中所规定的；数据传输速率设置为1MBPS；分段前的数据帧大小为2048字节，分段阈值分别设置为256字节、512字节以及1024字节。为了说明分段所带来的性能改进，同时也给出了相同MPDU大小下非分段机制的性能结果。当使用非分段发送的时候，MPDU分别相应的设置为256，512，1024以及2048字节大小。另外，仿真中不使用RTSCTS握手机制。有嗓信道的信道质量使用误码率衡量，设置BER为LE4、LE5、LE6和0分别对应“较差”、“一般”、“较好”和“理想”信道状态。AB既TLE4发点个数BBERLE5第28页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文麟节个数CBER1E6发送节点个致DBERO图87IEEE80211分段与非分段机制的吞吐量比较图37给出了分段以及非分段发送在不同的BER以及发送站点数目下的仿真结果，从图中得出以下一些结论1在各种信道环境下，不论分段与否，网络的吞吐量都随着站点的增多而减少，这是因为站点的竞争必定造成碰撞几率的增大，从而增加重传的次数，开销增大，降低系统吞吐量。2在有噪信道下，采用分段机制获得的吞吐量总是高于相同长度的非分段机制，因为分段的突发发送减小了协议开销以及碰撞的次数。3在信道状态较差的时候BERIE4，使用分段机制获得的吞吐量也总是比不采用分段机制的吞吐量大；且使用较小的分段阈值，比大分段阅值对吞吐量提高更为有利。4在信道较恶劣的情况下，宜采用较小的分段阈值，而信道状态较好时，宣采用较大的分段阈值。因为恶劣信道传输错误的几率也大，但较小的分段阈值可以有效的减少因错误带来的开销，而好质量信道错误几率小，用长分段传输才能减少开销。可见分段阈值的选取是依据信道状态变化的，没有一个固定的值。51在各种信道环境下，分段阈值较小256BYTE时，吞吐量对网络规模不敏感，即吞吐量随着站点个数的增加其吞吐量虽然也有所减少，但是减少缓慢；其主要原因是采用较小的分段阈值，其功能与RTSSCTS有异曲同工之处。即使发生碰撞，开销也相对较小。第29页国防科学技术大学研究生院工学硕士论文另外，看到一个有趣的现象，在有噪信道，特别是信噪比较大的情况下，仿真结果表明，两个站点收发模式网络的吞吐量居然小于多个10个以下站点的吞吐量。按照协议分析，只有两个站点，不存在竞争，因而饱和状态时应该取得最大的吞吐量。但是存在总是合理的，我们分析如下当传输发生错误时，发送站点就会进行避退，因此信道进入空闲状态，从而浪费了带宽。而实际对于单个发送站点的网络，是没有必要避退的，应直接进入重传进程或者丢弃此帧，发送下一帧达到重传次数的情况。但是协议规定有错误发生，必须避退之后才重传，这对于无竞争网络反而不合理。通过本节的仿真和分析，可以看到，分段机制在信道较差的情况下可以发挥较大的作用，然而也存在一些需要进一步研究的问题。1分段阈值的大小与信道状态和网络规模密切相关，不存在一个或几个固定的值使吞吐量性能最好，因此，同速率的自适应问题一样，分段阈值的自适应问题也值得进一步研究。2避退机制的使用还需进一步研究。仿真结果显示避退机制使用不完善，无竞争的两个站点的网络吞吐量反而不及有竞争的多个站点的网络。31作者在研究过程中发现，市场上的无线网卡参数很不规范，各个厂商开发的网卡在功能上也有很大差别。如有的网卡采用分段机制，用户可以自行更改分段阈值，而有的网卡根本没有分段阂值的选项。另外，其实除了科研设计人员，一般的用户在使用网卡的时候只关心网速，并不关心如何实现，也很少会主动去改变参数，所以能够设计出根据信道状态自行调整各项参数，从而提高吞吐量的协议应成为我们的目标。34本章小结本章研究了IEEE80211标准的分段机制，给出了仿真软件的设计过程和仿真评估分析。分段机制的主要作用