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无线局域网m a c 层协议研究与改进 摘要 无线局域网( m a 以其独特的特点在现代生活中得到广泛应 用，但其传输速度慢的缺点始终是阻碍w l a n 进一步发展的瓶颈。如 何提高无线局域网的传输速度已成为当前无线技术领域的一个热门 课题，本论文就是围绕这一课题而展开的。 本论文从i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议的基本理论出发，从理论 和实践两方面对无线局域网i e e e8 0 2 1 l nm a c 层性能进行了深入的 研究。本文的主要内容分为六个部分： 第一部分简单介绍了无线局域网的历史背景，协议标准，相关技 术等。通过分析无线局域网的的优势特点，展示了其广泛应用的趋势， 而对于其传输速度受限的缺点的阐述，也奠定了本论文的研究方向。 第二部分详细阐述了无线局域网的组成原理。首先我们介绍了无 线通信的特点，其次介绍了w l a n 的组成结构，重点介绍了拓扑结 构。 第三部分介绍了i e e e8 0 2 1 1 协议标准，从帧结构和帧类型具体 说明，重点介绍了m a c 层接入机制和增粗技术，其中重点阐述了聚 合的思想，并重点分析分割聚合的可行性与有效性。 第四部分提出了基于分割聚合的两种根据信道环境自适应调整 分割聚合包长的方法：基于查表的自适应分割聚合策略和基于自动传 输率后退协议的自适应分割聚合策略。讨论了最佳分割包长专题，并 重点阐述了两种改进协议的思想和实施。 第五部分搭建yn s 2 仿真平台，利用网络流量模t r - r 具i p e r t 对 8 0 2 1 l nm a c 层性能以及改进后的协议进行了仿真，给出从理论到实 践的深入分析，确定改进后的m a c 协议在吞吐量的提升上都起到了 一定的作用，并辅以典型办公室和工业环境下的实地测量，对改进后 m a c 协议进一步验证。 最后对该论文作出的贡献进行了总结，并提出未来研究方向。 关键词帧聚合i e e e8 0 2 1 1 分割聚合自适应m a c 层 r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to n 【a ci 。a y e ro f w l a n a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w i _ a n ) t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d a n db e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r b u tt h er a p i dd e v e l o p m e n to f w l a nh a sn o t y e tb r o k e nt h eb o t t l e n e c kt h a tt h el o wt r a n s m i s s i o ns p e e d h i n d e r st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fw l a n t h u s ，t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e s o nh o wt or a i s et r a n s m i s s i o ns p e e do fw l a nw h i c hi sa na t t r a c t i v et o p i c i nt h ef i e l do fw i r e l e s sr e s e a r c h t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e so ni e e e8 0 2 11s t a n d a r d sa n dd os o m e r e s e a r c ho ni e e e 8 0 2 1lnm a c l a y e r f r o mb o t h t h e o r y a n d p r a c t i c e t h e r ea r es i xp a r t si nt h i st h e s i s ： f i r s t ，h i s t o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e sa sw e l la sd e v e l o p m e n to fw l a n a r ep r e s e n t e d b ya n a l y z i n gi t sa d v a n t a g e s ，w l a nw i l ls u r eb eu s e d m o r ew i d e l y b u ti t sl o ws p e e di sa l s oi n t r o d u c e da ss h o r t c o m i n ga n di ti s a l s ow h a tw ec o n c e r n s e c o n d l yw ei n t r o d u c et h es t r u c t u r eo fw l a n a tt h eb e g i n n i n gw e i n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e nm a i n l ys h o ww l a n t o p o l o g ys t r u c t u r e t h i r d ，8 0 2 11m a cp r o t o c o li si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gf r a m es t r u c t u r e a n dt y p e s ，e s p e c i a l l ym a ca c c e s sm e c h a n i s m ：d c fa n d p c fa sw e l la s t e c h n o l o g i e sw h i c hc a ni m p r o v em a cp e r f o r m a n c e t h e nw eg i v ea n a l y s i so fa g g r e g a t i o na n df r a g m e n t a t i o n ( f a ) t h e n ， t w om e a n sb a s e do na d a p t i v ef ai sp r e s e n t e d ：o n ei sa d a p t i v ef ab a s e d o n l o o k u pt a b l e ( l t - a f a ) a n d t h eo t h e ri sa f ab a s e do na r f ( a r e - a f a ) o p t i m a lf r a g m e n ts i z ei s a l s os h o w n m o s ti m p o r t a n t ，w e i n t r o d u c ed e t a i l sa b o u tt h et w om e a n sa b o v e f o l l o w i n g ，w es i m u l a t e w i t hn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o ln s 2a n di p e r f ， a n dt h e n g i v e o u ts i m u l a t i o nr e s u l t sa sw e l la s a n a l y s i s ，a n dg i v e m e a s u r e m e n tr e s u l t si nb o t ho f f i c ea n di n d u s t r i a le n v i r o m e n t s b o t h s i m u l a t i o n sa n dm e a s u r m e n t sp r o v et h et w om e a n so fn e wm a c p r o t o c o l r a i s et h et h r o u g h p u to fw l a n s y s t e m l a s t ，s u m m a r i z i n gt h ec o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i sa n dd i r e c t i o no f f u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d sf r a m e - a g g r e g a t i o ni e e e 8 0 2 11m a c a d a p t a t i o n a g g r e g a t i o n - f r a g m e n t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：堕竺堕! 主! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 只期：坐兰：兰：! 日期：竺二呈：! ! 竺 北京邮电人学硕士研究生学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网的历史与现状 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线 局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性 化和宽带化。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网互联 功能。它利用射频技术( r f ) ，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线 局域网的所有功能，网络所需的基础设备不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能移动 或变化。因此无线局域网主要是无线计算机通信网络。无线局域网的历史，即是无 线通信历史和计算机通信的历史。无线通信的历史非常悠久，但无线计算机通信的 历史却并不长，尤其是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线计算机通信则是上 个世纪9 0 年代才出现的事情。 无线局域网具有安装方便、移动性高、保密性强、抗干扰性好和维护容易等优 点，作为有线网络的延伸和补充，可以在传统有线网络难以实施的场所进行网络覆 盖。无线局域网具有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无线局域网能 胜任从只有几个用户的小型局域网到成百上千用户的大型网络。由于无线局域网具 有众多优点，所以发展迅速并得到广泛的应用。 1 1 1 无线局域网的历史【1 l 无线网络的初步应用，可以追溯到五十年前的第二次世界大战期间，当时美国陆 军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输科技，并且采用相 当高强度的加密技术。当初美军和盟军都广泛使用这项技术。这项技术让许多学者 得到了灵感，在1 9 7 1 年时，夏威夷大学( u n i v e r s i t yo fh a w a i i ) 的研究员创造了第一 个基于封包式技术的无线电通讯网络，这被称作a l o h a n e t 的网络，可以算是相 当早期的无线局域网络( w l a n ) 。这最早的w l a n 包括了7 台计算机，它们采用 双向星型拓j ：b ( b i - d i r e c t i o n a ls t a rt o p o l o g y ) ，横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放 置在瓦胡岛( oa h ui s l a n d ) 上。从这时开始，无线网络可说是正式诞生了。虽然目前 几乎所有的局域网络( l 州) 都仍旧是有线的架构，不过近年来无线网络的应用却 北京邮电人学硕十研究生学位论文第一章绪论 日渐增加，主要应用在学术界( 像是大学校园) 、医疗界、制造业和仓储业等，而且相 关的技术也一直在进步，对企业而言要转换到无线网络也更加容易、更加便宜了。 1 9 7 9 年，瑞士i b mr u e s c h l i k o n 实验室的g f e l l e r ，首先提出了无线局域网的概 念，他采用红外线作为传输媒体，用以解决生产车间里的布线困难，避免大型机器 的电磁干扰。但是由于传输速率小于1 m b s 而没有投入使用。 1 9 8 0 年，加利福尼亚惠普实验室( h pp a l oa l t ol a b s ) 的f e r r e a ，从事了一个 真正意义上的无线局域网项目的研究。在这个项目中，传输媒体为9 0 0 m h z 频段的 无线电波，用声表面波器件( s a wd e v i c e s ) 实现了直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 调制，传输速率可达1 0 0 k b s ，m a c 层的接入方式为载波侦听多 址接入( c s m a ) ，这是现有的i e e e 8 0 2 1 1 系列标准中m a c 协议的基础。此项目虽 然是在f c c ( 【美国】联邦通信委员会) 的实验许可协议的指导下进行的，但由于没 能从f c c 处获得需要的频段而最终流产。此后的几年间，许多公司都想在无线局域 网方面有所作为( 如c o d e x 和m o t o r o l a 公司曾试图在1 7 3 g h z 频段上实现无线局 域网) ，但都因为频段的问题而不能如愿以偿。 1 1 2 无线局域网相关技术1 2 i 1 i e e e8 0 2 1 1 系列协议 i e e e8 0 2 1 1 是在1 9 9 7 年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。 i e e e8 0 2 1 1 规定了无线局域网在2 4 g h z 波段进行操作，这一波段被全球无线电法 规实体定义为扩频使用波段。1 9 9 9 年8 月，8 0 2 1 1 标准得到了进一步的完善和修订， 包括用一个基于s n m p 的m i b 来取代原来基于o s i 协议的m i b 。另外还增加了两项 内容，一是8 0 2 1 l a ，它扩充了标准的物理层，频带为5 g h z ，采用qf s k 调制方式， 传输速率为6 mb p s 5 4 mb p s 。它采用正交频分复用( of d m ) 的独特扩频技术，可提 供2 5 m b ps 的无线a t m 接e l 和1 0 m b ps 的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数 据、图像业务。但是，采用该标准的产品目前还没有进入市场。另一种是8 0 2 1 1 b 标 准，在2 4 g h z 频带，采用直接序列扩频( d s s s ) 技术和补偿编码键控( c c k ) 调制方 式。该标准可提供1 1 mb 6 s 的数据速率，还能够根据情况的变化，在i l mb ps 、5 5 m b ps 、2 mb ps 、1 mb ps 的不同速率之间自动切换。它从根本上改变无线局域网设 计和应用现状，扩大了无线局域网的应用领域，现在，大多数j 一商生产的无线局域 网产品都基于8 0 2 1 l b 标准。此后开发的8 0 2 1 1 9 在2 4 g 频段使用o f d m 调制技 术，使数据传输速率提高到2 0 mb ps 以上；i e e e 8 0 2 1 1 9 标准能够与8 0 2 1 1 b 的 w i f i 系统瓦相连通，共存在同一ap 的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的 2 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 w i a n 系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了i e e e 8 0 2 1 1 b 产品的使用寿 命，降低用户的投资。 表1 1i e e e8 0 2 1 1 x 标准一览表嘲 8 0 2 1 1 x 舰范 规范内容说明 8 0 2 n 初始规范，确立2 4 g h z 频段、2 m b p s 传速，及f i - i s s ( 调频) 、d s s s ( 扩 频) 等干扰方式。 8 0 2 1 l a 5 g h z 频段，最高速率5 4 m b p s 。 8 0 2 1 1 b 2 4 g h z 频段，最高速率1 1 m b p s 。 8 0 2 1 l c 成立t 作小组( t a s kg r o u p ) ，意在制定无线桥接运作标准，但最后将标 准追加到既有的8 0 2 1 1 - i ，成为8 0 2 1 1 d 。 8 0 2 1 l d 追加跨国白适应机制，透过自动扫描机制，调整至该幽度、地域所允许 的频段、功率。 8 0 2 1 i e 追加频宽、流最管理机制，即o o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，让影像传输功 能即时、定量，让多媒体应用具有顺畅度，w i f i 联盟将此称为w m m ( w i f im u l t i m e d i a ) 。 8 0 2 1 l f 追加i a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 协定，顾名思义是无线存取点 ( a c e s sp o i n t ：a p ) 间的沟通协议以实现跨a p 覆盖区的漫游( r o a m i n g ) 效果，让用户端能平顺、无形的切换存取区域。 8 0 2 1 1 9 2 4 g h z 频段，最高速率5 4 m b p s 。 8 0 2 1 l h 与欧规的h i p e r l a n 2 进行协调的修订标准，冈应欧洲、美国于5 g h z 频 段上的规则、运用差异。类似的还有8 0 2 1 6 ( w i m a x ) ，其8 0 2 1 6 b 即是 为了与w i r e l e s s h u m a n 协调所制定。 8 0 2 1 1 i 存取与传输安全机制，由于此标准未定案前，w i f i 联盟l 三先行新代提出 比w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 更高防护力的w p a ( w i f ip r o t e c t e d a c c e s s ) ，冈此8 0 2 1 l i 也被称为w p a 2 。 8 0 2 1 l i 欧洲与美凼在5 g h z 以上的频段运用f i 同，日本也同样4 i 同，日本从 4 9 g h z 开始运用，功率也不同，例如同为5 1 5 g h z 5 2 5 g h z 频段，欧洲 允许2 0 0 r o w 功率，日本仪允许1 6 0 r o w 。为应日本区域的运用差异而制 定的8 0 2 1 l j 。 8 0 2 1 l k 无线资源管理，让频段( b a n d ) ，信道( c h a n n e l ) ，载频( c a r d e r ) 等更 灵活的调整、调度，使有限的频段在整体心用效益上获得提升。 8 0 2 1 1 1 由于1 1 l 宁样与安全规范的1 1 i 容易混淆，冈此放弃编列使用。 8 0 2 1 1 m 对过去的标准进行维护。 8 0 2 1 1 n 提升速率。目标突破1 0 0 m b p s 。 8 0 2 1 1 0 针对v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) 制定，更快速的无线跨区切换， 以及让语音( v o i c e ) 比数据( d a t a 自更高的传输优先权。) 8 0 2 1 l p 针对短距离传输及工具( 如：火车等) 内使用_ 自的制定，最初的设定 是在3 0 0 m 传输距离内能自6 m b p s 速率。 8 0 2 1 1 q 制定支援v l a n ( v i r t u a ll a n ，虚拟区域嘲络) 的机制。 8 0 2 1 l r 漫游表现提升，允许更快的区间切换，用户可更快的漫游。 8 0 2 1 l s 制定与实现目前最先进的m e s h 网络，提供自主性l 蟾( s e l f - c o n f i g e r i n g ) 、 自主性修复( s e l f - h e a l i n g ) 等能力。 现在正在开发中的i e e e8 0 2 1 l n 计划将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为i e e e8 0 2 1 l b 、 3 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第。章绪论 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 之后的另一场重头戏。和以往的8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1 l n 协议 为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g i - l z 两个工作频段) 。这样8 0 2 1 l n 保障了与以往 的8 0 2 1 l a 、b 、g 标准兼容。i e e e8 0 2 1 l n 计划采用m i m o 与o f d m 相结合，使传输 速率成倍提高。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( 并且能够保障1 0 0 mb ps 的传输速率) 。i e e e8 0 2 1 l n 标准全面改进 y 8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升 m a c 层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。 2 蓝牙规范( b l u e t o o t h ) 蓝牙规范是由s i g ( 特别兴趣小组) 制定的一个公共的、无需许可证的规范，其 目的是实现短距离无线语音和数据通信。蓝牙技术工作于2 4 g h z 的i s m 频段，基带 部分的数据速率为1 m b i t s ，有效无线通信距离为1 0 1 0 0 m ，采用时分双工传输方案 实现全双工传输。蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性， 具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。其是一种改进的无线局域网技术， 但其设备尺寸更小，成本更低。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围 之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的， 无需用户参与。 3 h o m e r f 6 示准 在美国联邦通信委员会( f c c ) 正式批准h o m e r f 标准之前，h o m e r f 工作组于 1 9 9 8 年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访 问协议( s w a p ) 。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 1 协议标准。之后，h o m e r f 工作组又制定了h o m e r f 标准，用于实现p c 机和用 户电子设备之间的无线数字通信，是i e e e8 0 2 1 1 与泛欧数字无绳电话标准( d e c t ) 相结合的一种开放标准。h o m e r f b 示准采用扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，可同步 支持4 条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。 4 h y p e r l a n 2 标准 2 0 0 2 年2 月，e t i 的宽带无线接入网络( b r o a d b a n dr a d i o a c c e s sn e t w o r k s ， b r a n ) 小组公布- j h i p e r l a n 2 标准。h i p e r l a n 2 标准由全球论坛( i - 1 2 g f ) 开发并 制定，在5 g h z 的频段上运行，并采用o f d m 调制方式，物理层最高速率可达5 4 m b i t s ， 是一种高性能的局域网标准。h y p e r l a n 2 标准定义了动态频率选择、无线小区切换、 链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功 能。基于h y p e r r f 标准的网络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分 网段，支持用户在子网之间的l p 移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接 4 北京邮电大学硕十研究生学位论文第一一章绪论 入因特网的服务，以及作为w c d m a 系统的补充，用于3 g 的接入技术，使用户可以 在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。 1 1 3 无线局域网的应用 基于无线局域网具有的诸多优点，它可广泛应用于下列领域： 1 ) 接入网络信息系统：电子邮件、文件传输和终端仿真。 2 ) 难以布线的环境：老建筑、布线网难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校 园和工厂。 3 ) 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及野 外勘测、试验、军事、公安和银行等。 4 ) 使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。 5 ) 用于远距离信息的传输：如在林区进行火灾、病虫害等信息的传输；公安交 通管理部门进行交通管理等。 回专门工程或高峰时间所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人 员流动较强的地方；利用无线局域网进行信息的交流；零售商、空运和航运 公司高峰时间所需的额外工作站等。 7 ) 流动工作者可得到信息的区域：需要在医院、零售商店或办公室区域流动 时得到信息的医生、护士、零售商、白领工作者。 8 ) 办公室和家庭办公室( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的 用户。 1 2 无线局域网的发展趋势 8 0 2 1 1 系列协议是由i e e e 制定的，目前居于主导地位的无线局域网标准。 h o m e r f 主要是为家庭网络设计的，是8 0 2 1 1 与d e c t 的结合。h o m e r f 和蓝牙都 工作在2 4 g h zi s m 频段，并且都采用跳频扩频( f h s s ) 技术。因此，h o m e r f 产 品和蓝牙产品之间几乎没有相互干扰。蓝牙技术适用于松散型的网络，可以让设备 为一个单独的数据建立一个连接，而h o m e r f 技术则不像蓝牙技术那样随意。组建 h o m e r f 网络前，必须为各网络成员事先确定一个惟一的识别代码，因而比蓝牙技 术更安全。8 0 2 1 1 使用的是t c p i p 协议，适用于功率更大的网络，有效工作距离比 蓝牙技术和h o m e r f 要长得多。 与此同时，无线局域网有很多局限性，主要体现在带宽或传输速率的提高上。 5 北京i | | ：电人学硕十研究生学位沦文第章绪论 从标准上看，丰要是在物理层的改进或扩充方面，如i e e e8 0 2 1 1 的最大传输速率 只有1 - 2 m b s ，为了解决这一速率问题，i e e e 于2 0 0 3 年组建了8 0 2 1 1t g n 工作组 来制订8 0 2 1 l n 标准。8 0 2 1 l n 的丰要机制在于通过m a c 接口，支持高数据率，并 提高频谱效率，为无线h d t v 传输以及企业和零售业用户所处的密集无线网络环境 提供超高速数据流。 在克服无线局域网其他局限性方面也得到了相应的完善和发展，这些部分分别体 现在许多标准草案上。无线局域网有宽带( 高速) 化、( 快速) 移动性支持、多媒体 ( q o s ) 保证、安全性、可靠性、小型化、大覆盖、节能、经济性等发展趋势。 图1 - 1 使用8 0 2 1 l g 产品应用示意图【4 j k 豢 国 i i 。| | 。渗 _ ”。靛 辩 嚣z g 孵鬻 ：黑隧t # ”口拯 绣 瘫 图1 - 2 使用8 0 2 1 1 n 产品应用示意图【4 1 醚 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本文所关注的8 0 2 1 l n 主要是负责提高无线局域网的数据速率，其目标是从 m a c 层观察，使其数据速率达到1 0 0 m b s 以上，并且使得多媒体应用更为自如， 如图1 - 1 和1 2 。为了达到这一目的，8 0 2 1 l n 对物理层和m a c 层都作了改进，我 们主要关注m a c 层的改进，进一步改善系统性能。 1 3 论文工作安排 本文主要针对i e e e 8 0 2 1 1 协议进行研究，尤其专注于8 0 2 1 l n ，深入研究8 0 2 1 l n m a c 层协议和性能，并提出改善系统性能的改进协议，通过仿真和测试进行验证。 本论文内容具体安排如下：第一章介绍了w l a n 的特点和优势，并围绕相关技术、 协议、应用以及发展趋势展开；第二章重点介绍无线局域网的组成结构以及通信特 点；第三章介绍了8 0 2 1 1 基本m a c 层协议和m a c 层性能改善技术；第四章提出 了改进后的协议，讨论了最佳分割长度；第五章并对改进后的协议进行了仿真、测 试与分析；最后对全文进行总结，并提出未来的研究方向。 7 北京邮电人学硕十研究生学位论文第二章无线局域网的组成原理 第二章无线局域网的组成原理 2 1 无线局域网的通信特点 无线传输媒介的都有特性使得对于无线网络中的m a c 协议的设计上与有线网 络中的m a c 协议有很大区别，并且更具有挑战性。这些无线传输媒介的独特特性在 于以下方面p j ： 半双工模式：在无线通信系统中，对于一个无线通信节点要同时收发数据是非 常困难的。原因是，当无线节点进行发送的时候，发送的信号能量有很大一部 分泄露到了接收路径。然而一般情况下，泄露信号的能量会远大于接收信号能 量，这样节点在进行发送的时候是无法同时接收信号的。所以，无线网络上行 和下行需要采用时分双工或者频分双工的方式。然而正是因为这种半双工的传 输方式，无线节点在发送的时候无法检测到无线信道上发牛的冲突，因此以太 网中所使用的冲突检测的方式在这里是不可行的。于是，所有运用在无线网络 中的m a c 层协议都尝试采用冲突避免机制来降低冲突的可能。 重发机制：使用在链路层的重发机制是一种广泛采用的策略。由于时变信道以 及变化的信号能量，无线通信中存在的差错比有线通信要多得多。在有线通信 中差错通常是由于随机噪声所引起的。而无线信道上的差错经常是发生在无线 信道发生衰落时，更小的传输包结构、前向纠错编码或是重发机制。作为解决 办法，通常采用重发机制。许多协议利用接收节点在接到发送节点发来的信息 后，发送确认消息( a c k ) 来检测可能出现的数据包差错。如果发送节点在发 送之后没有收到来自接受节点的a c k 消息，发送节点就会认为发送的数据在传 输的过程中丢失了，已经发送了的数据包就会经过一段时间之后的等待被再次 重发。 载波检测的位置相关性：在自由空间中传输的信号强度是按照所传播的距离的 平方进行衰减的。这样对无线媒介上的载波检测结果就是发送节点和检测节点 之间位置的一个函数。即是说，在无线媒介中，当有无线节点进行发送时，只 有在一定范围内的节点才能检测到正在发送中的节点在无线信道上的信息。这 8 北京邮电大学硕十研究生学位论文第_ 章无线局域网的组成原理 种与节点位置有关的载波检测引起了一下三种情况： 隐藏节点：当一个无线节点在接收节点的检测范围内，而不在发送节点的检 测范围内就称该无线节点为发送节点的隐藏节点。如图2 1 节点a 正在向节 点b 发送数据，而节点a 在节点c 的检测范围之外。因此当节点c 对信道进行 检测时，就会错误地认为无线信道是空闲的。当节点c 开始发送数据时，就 会与节点b 所接受的数据相互干扰。在这种情况下，节点c 就是节点a 的隐 藏节点。由此可见，隐藏节点可能会造成无线数据传输中的冲突。 暴露节点：暴露节点现象和隐藏节点现象是相互对应的。当一个无线节点在 发送节点的检测范围内，而不在接收节点的检测范围内，就称其为暴露节点。 在下图中，当节点b 尝试与节点a 通信时，节点c 可以检测到节点b 发出的信 号，因此当其对信道进行检测的时候，会认为信道是被占用了的。但事实上， 与节点c 相关的任何传输，都不能达到节点a ，因此都是不会引起通信冲突 的。在这种情况下，节点c 本来可以与节点b 的检测范围之外的无线节点并 行的进行通信，而却没有利用好可利用的无线信道资源。这种情况下，节点 c 就是节点b 的暴露节点。如果一个系统没有尽量减少暴露节点，其信道带 宽就没有得到充分利用。 捕获：当同时有两个无线节点向同一个节点发送信息时，如果接收节点可以 无差错地接收其中一个无线节点发来的消息，这种情况就叫做捕获。例如在 下图中，当节点a 和节点d 同时向节点b 发送数据时，节点b 所接收到的节点 d 的信号强度远大于节点a 的信号强度，并且在节点a 在传送数据的同时能 够无差错的将节点d 所传来的信息进行解码。捕获能够提高协议的性能，但 是会引起节点之间占用信道的不公平性( 离基站距离近的有更多机会) 。为 防止这种情况发生，无线m a c 协议要保证对各个无线节点的公平性。 、 ， t ， 、 ， t 9 北京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章无线局域网的组成原理 图2 1 载波检测的位置 2 2 无线m a c 协议性能标准 媒介控制协议( m a c ) 的作用就是来为各个终端分配送使用的无线媒介资源， 避免在媒介上发生冲突。在这样一个有若干的无线通信终端所组成的无线系统中， 所有终端共享同样的无线媒介向中央基站进行不同业务的传送。 为了评估提出的各种各样的协议，必须理解m a c 协议的各种标准。延时，吞 吐量，覆盖范围，公平性，兼容性，对多媒体的支持以及稳定性是广泛使用的比较 m a c 协议性能的标准。对衰落的健壮性和电源消耗是比较无线m a c 协议的额外标 准。下面是关于这些标准的简短描述： 延时：延时是数据包在m a c 队列中的数据所用的平均时间，特别是指从进入 队列到传送完毕所用的时间。 吞吐量：吞吐量是信道容量用于传输的部分。换句话说也是单位时间的传输量 即传输速率。m a c 协议的目的是在尽量小的接入延时的条件下让吞吐量尽量 大。如果信息平均p 比特，传送一个包的平均时间是t 秒，信道容量是c 比特每 秒，这样吞吐量就是r = p t c 。 兼容性：通常也叫做向前兼容性，协议是不断推出的，但是用户之前的产品， 甚至是不同协议的几种产品，那么新协议就要求有效的支持并兼容向前的几种 协议，比如8 0 2 1 l n 向前兼容8 0 2 1 l b g e 等。兼容性也是考查协议的一个重要 标准。 2 3 无线局域网的组成结构【1 】 i e e e 8 0 2 1 l x 体系结构包括几个部分，这几个部分相互作用，达到提供能够对 网络上层进行站点( s t a ：s t a t i o n ) 移动性透明支持的无线局域网。首先阐述几个 基本概念：s t a 、b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ，基本服务集) 和a p 。 s t a 是指接入无线媒介的部分，它包含m a c 实体和p h y 实体。和有线网 络相对应，s t a 也通常被称作网络适配器或者网络接口卡。站( 点) 也称 丰机( h o s t ) 或终端( t e r m i n a l ) ，是无线局域网的最基本组成单元。网络 就是进行站间数据传输的，我们把连接在无线局域网中的设备称为站。它 包括以下几部分： 终端用户设备 终端用户设备是站与用户的交互设备。这些终端用户设备可以是台式计算机、 1 0 北京邮电人学硕十研究生学位论文第一：章无线局域网的组成原理 便携式计算机和掌上电脑等，也可以使其他智能终端设备，如p d a 。 无线网络接口 无线网络接口是站得重要组成部分，它负责处理从终端用户设备到无线介质间 的数字通信，一般是采用调制技术和通信协议的无线网络适配器( 无线网卡) 或调 制解调器( m o d e m ) 。 网络软件 网络操作系统( n o s ) 、网络通信协议等网络软件运行于无线网络的不同设备 上。客户端的网络软件运行在终端用户设备上，它负责完成用户向本地设备软件发 出命令，并将用户接入无线网络。 s t a 可以是移动的，或者是固定的。每个s t a 都支持站点服务，这些服务包括鉴权 ( a u t h e n t i c a t i o n ) 、去鉴权( d e a u t h e n t i c a t i 加) 、加密( p r i v a c y ) 和数据传输( m s d u d e l i v e r y ) ，每个i e e e 8 0 2 1 1s t a ( 包括a p ，因为a p 也具有站点功能) 都提供s s ( s t as e r v i c e ) 。s s 被指定为m a c 子层实体使用。 b s s 是i e e e 8 0 2 1 1 局域网的基本构成单元，通常我们把无线局域网所能覆 盖的区域范围称为服务区域( s e r v i c ea r e a ，s a ) ，而把由无线局域网中移 动站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域( 服务区域) 称为 基本服务区( b a s i cs e r v i c ea r e a ，b s a ) ，也常称为小区( c e l l ) ，它是构成 无线局域网的最小单元。在一个b s a 内彼此之间相互联系、相互通信的一 组主机组成了一个基本业务组( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 。由于考虑到无线 资源的利用率和通信技术等因素，b s a 不可能太大，通常在1 0 0 m 以内， 也就是说同一b s a 中的移动站之间的距离应小于1 0 0 m 。 无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 无线接入点( 简称接入点) 类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成 单元。无线接入点是一种特殊的站，它通常处于b s a 的中心，固定不动。其基本功 能有： 作为接入点，完成其他非a p 的站对分布式系统的接入访问和同一b s s 中 的不同站间的通信联结。 作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥 接功能。 作为b s s 的控制中心完成对其他非a p 的站的控制和管理。 北京邮屯大学硕士研究生学位论文 第二章无线局域网的组成原理 2 4w l a n 的拓扑结构【6 1 无线局域网可分为两大类，第一类是有固定基础设施的( i n f r a s t r u c t u r e ) ，第二类 是是无固定基础设施的( a d h o c ) ，如图2 2 所示。 2 4 1 无中心的对等网络 无中心的对等网络也称a dh o c 网络，对等网络用于一台无线工作站和另一台 或多台其他无线工作站的直接通信，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。 分布对等式网络是一种独立b s s ，它至少有两个站。它是一种典型的、以自发方式 构成的单区间。这种不包括a p 的配置称为独立b s s ( i b s s ) ，在可以直接通信的范 围内，i b s s 中任意站之间可直接通信而无需a p 转接，这种拓扑结构可以用于 s o h o ，将笔记本和丰电脑相连，或者几个电脑相瓦连接起来以共享文件。如图2 3 由于没有a p ，站之间的关系是对等的( p e e rt op e e r ) 、分布式的或无中心的，且具 有报文转发能力。独立的基本服务集可以作为一个a dh o c 网络。 采用这种拓扑结构的网络一般使用公共广播信道，各站点都可竞争公用信道， 而信道接入控制协议大多采用c s m a 类型的多址接入协议。网络中的路由信息将会 占据大部分的有效信道，从而降低网络的整体效率，适用于用户数较少的工作群。 这种网络的显著特点是受时间与空间的限制，每台设备必须能够侦听到任一台 其他设备，而这些限制同时也使得i b s s 的构造与解除非常方便简单，以至于网络 设备中的非专业用户也能很好地操作。 n f r a s t r u c t u r e t 祭 髫 够 a d h o e 秘i 靠 iz 匕 f 毋溜 爹 歹里脯釜脚 鹾，一 北京邮电大学硕十研究生学位论文第_ 章无线局域网的组成原理 图2 2 无线局域网分类 2 4 2 集中式无线局域网 1 蛩2 - 3 无中心的对等网络 大多数情况，无线局域网是作为有线局域网络应用的一种扩展。 在基础结构网络( i n f r a s t r u c t u r e 网络) 中，各无线工作站之间要通过一个或者 多个接入点来实现与其他的无线站点或现有的有线局域网相连接进行通信。接入点 既保证了各个无线工作站之间的通信，而且无线用户还可以访问有线网络上的服务 器或者打印机等设备。仅使用一个接入点的无线网络叫基本服务集( b s s ) ，使用多 个接入点的两个或者多个b s s 无线网络可以连接组成扩展服务集( e s s ) 。 基础结构网络拓扑中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问 均由其控制( 图2 4 ) 。这样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能 的恶化并不激烈。由于每个站点只要在中心站覆盖范围内就可以与其他站点通信， 故网络中心站点布局受环境约束也很小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一 个逻辑接入点。其弱点是抗毁坏性差，中心站点的故障容易导致整个网络的瘫痪， l 珞“i 器 i n t e m e t 北京邮电人学硕十研究生学位论文第_ 章无线局域网的组成原理 图2 4 集中式无线局域网 并且中