（信号与信息处理专业论文）无线局域网中协作mac能量公平机制与工作模式研究.pdf

无线局域网中协作m a c 能量公平机制 与工作模式研究 摘要 无线局域网m a c 协议的研究对完善无线网络系统性能有着重要的 意义。本文围绕系统吞吐、时延性能和能量消耗问题，主要完成了以下 几个方面的工作： 首先，分析无线局域网的基本特征并探讨i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 在m a c 层上的吞吐性能、接入公平性和能量节省机制等相关问题，其 中深入分析了工作于d c f 模式下的c s m c a 随机接入协议，理论上 分析一种关于模拟这种协议过程的经典模型，最后设定参数仿真系统吞 吐和延时等性能，并讨论了竞争窗口和站点数目等参数对系统性能的影 响。 其次，提出一种基于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协作通信m a c 协议 的改进能量公平机制。分析了种经典的协作m a c 机制( c o o p m a c ) 并分析其性能特征，此协议中节点通过从自身协作列表中选取最优的协 作节点( 能提供最短数据转发时间) 协助分组数据传输，虽然协议减短 了分组传输时间，节省了部分能量( 整体消耗能量减少) ，但是由于其 协作节点选取机制，当网络中节点移动性不是很大时，协作节点之间被 使用的频率将明显不同，如此势必会造成协作节点之间的能量使用不公 平。本文通过轮询使用协作列表中的节点或根据协作节点剩余能量情况 从协作列表中选取的方法使得协作节点的使用频率达到了一定的平衡。 此外，给出两种新的基于p c f 的协作m a c 工作方式，由于许多协 作m a c 机制的应用都集中在d c f 分布式工作模式之下，本文将协作机 制引入i e e e8 0 2 1 1p c f 工作模式，讨论协作在p c f 模式下的多种集中 工作方式( 即帧之间的传输先后顺序过程) ，通过仿真比较得到协作p c f 工作模式能够在系统吞吐性能和站点传输时延性能上有一定的提高。 最后本文还对整篇文章中的仿真平台，系统环境和仿真思路做了详 细介绍，并总结了仿真m a c 协议的常见问题和方法。 关键字：i e e e8 0 2 1 1m a c 协作d c f p c f 能量公平 a ne n e r g yf a i r n e s sm e c h a n i s ma n d w o r k i n gm o d ei nm a cl a y e r0 f c o o p e r a = 】n v e 、l a ns y s t e m a b s t r a c t w i r e l e s sl a nm a c p r o t o c o lr e s e a r c hh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo n i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sn e t w o r ks y s t e m i nt h i s p a p e r ， f o c u s i n go ns y s t e mt h r o u g h p u t ，d e l a yp e r f o r m a n c ea n de n e r g yc o n s u m p t i o n p r o b l e m ，m a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n g t a s k s ： f i r s t t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e ro fw i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k sa n dd i s c u s s e st h ec o r r e l a t i v ec a p a b i l i t yi s s u e sa b o u ti e e e8 0 2 1 1 m a c p r o t o c o li na s p e c to ft h r o u g h p u t ，a c c e s sf a i r n e s sa n de n e r g ys a v i n g a n ds oo n ，a n dc o n c r e t e l ya n a l y z e st h er a n d o ma c c e s sm a cp r o t o c o l c s m a c aw h i c hw o r k so nd c fm o d e ac l a s s i c a lm o d e lo fa n a l y z i n gt h e w o r kp r o c e s so ft h ep r o t o c o li si n t r o d u c e da n dw es i m u l a t ei tw i t hc e r t a i n c o n d i t i o n s f i n a l l yt h ep a p e re x p l a i n st h ei m p a c to fs t a t i o nn u m b e ra n d c o n t e n t i o nw i n d o wo ns y s t e mp e r f o r m a n c e s e c o n d a ni m p r o v e de n e r g yf a i r n e s sm e c h a n i s mf o ri e e e8 0 2 1 1 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o o p m a cp r o t o c o li s p r o p o s e d t h ep a p e r i n t r o d u c e sa p o p u l a rc o o p e r a t i o n m a cm e c h a n i s m ( c o o p m a c ) ，a n d a n a l y s e si t sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s t h ee x i s t i n gp r o t o c o ls e l e c t st h e b e s tc o o p e r a t i v en o d e ( o f f e rb e s tt i m et ot r a n s f e rp a c k e t s ) f o r mi t s c o o p e r a t i o nt a b l el i s tt oc o l l a b o r a t i v e l ys e n dp a c k e t s ，a l t h o u g hr e d u c e st h e t i m eo ft r a n s f e r r i n gp a c k e t sa n ds a v e sc e r t a i ne n e r g y ( t h ew h o l eu s eo f e n e r g yc u t sd o w n ) ，b e c a u s eo ft h ec o o p e r a t i o nn o d es e l e c t i o nm e c h a n i s m ， w h e nt h es l o w n e s so fm o b i l i t yc o n s i d e r e d ，t h eu s ef r e q u e n c yo fc o o p e r a t i o n n o d ew i l lb eo b v i o u s l yd i f f e r e n t ，t h u sr e s u l t i n gt h eu n f a i m e s so fe n e r g y c o n s u m p t i o n t h en e wm e c h a n i s mc a na c h i e v ead e f i n i t ee q u i l i b r i u ma b o u t t h eu s eo fc o o p e r a t i o nn o d ev i at op o l lt h en o d eo rc h o o s eb yt h es t a t u so f n o d es p a r ee n e r g yi nc o o p e r a t i o nl i s t i na d d i t i o n ，t w on e wp c f b a s e dm a cc o l l a b o r a t i v ew o r k i n gm e t h o d s a r eg i v e n l o to fc o l l a b o r a t i o n a p p l i c a t i o n s o fm a cm e c h a n i s m sa r e c o n c e n t r a t e di nt h ed c fm o d e ，t h e p a p e ri m p o r t s t h e c o o p e r a t i o n m e c h a n i s mt ot h em o d eo fi e e e8 0 2 11p c f , a n dd i s c u s s e st h ew o r k i n g ( t h e o r d e ro ff r a m et r a n s m i s s i o nc o u r s e ) a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e c o o p e r a t i o np c fm e c h a n i s mc a ng e t t h e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n s y s t e mt h r o u g h p u ta n dd e l a y a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h ew h o l es y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r m ，i n c l u d i n ge n v i r o n m e n ts e t t i n ga n ds i m u l a t i o nt h o u g h t a n dt h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r o b l e m sa n dm e t h o d si nt h ep r o c e s so fm a c p r o t o c o ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 1 1m a c c o o p e r a t i o nd c f f p c fe n e r g yf a i r n e s s 主要符号说明( 中英对照) 、ma n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 无线局域网 l 埘( l o c a la r e an e t w o r k ) 有线局域网 d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 分布式协调功能 p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 集中协调功能 p c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ) 集中协调器 p i f s ( p o i n ti n t e r f r a m es p a c e ) 集中协调功能帧问间隔 c s m a c a ( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 载波侦听多址访 问碰撞回避 s t a ( s t a t i o n ) 站点 a p ( a c c e s sp o i n t ) 接入点 b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 基本服务集 i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v e rs e t ) 独立基本服务集 c f ( c o n t e n t i o nf r e e ) 无竞争 c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 无竞争时间 r t s ( r e q u e s t t os e n d ) 请求发送 c r s ( c l e a rt os e n d ) 允许发送 a c k ( a c k n o w l e d g e ) 确认应答 c w ( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 竞争窗口 e i f s ( e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c e ) 扩展帧间间隔 d i f s ( d i s t r i b u t e di n t e r f r a m es p a c e ) 分布式帧间间隔 s i f s ( s h o r tl i n t e r f r a m es p a c e ) 短帧间间隔 i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 帧问间隔 m m p d u ( m a cm a n a g e m e n tp r o t o c o ld a t au n i t ) 媒介访问控制管理协议数据单元 m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ) 媒体访问控制协议数据单元 m s d u ( m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 媒体访问控制服务数据单元 n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 网络分配矢量 p l c p ( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 物理层收敛协议 p p d u ( p l c pp r o t o c o ld a t au n i t ) 物理层收敛协议协议数据单元 s l r c ( s t a t i o nl o n gr e t r yc o u n t ) 站点长重传次数 s s r c ( s t a t i o ns h o r tr e t r yc o u n t ) 站点短重传次数 b e a c o n 信标帧 独创性( 或创新性) 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：幺! ：丕趁、日期：趁翌：墨：! 兰 ， 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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：么! 丕退 日期：銎翌：兰：丝 导师签名： 逊! 盐 日期： 列2 ：! 北京邮i u 人学顾卜学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 局域网按照信号传输介质不同可以分为有线局域网( l a n ) 和无线局域网 ( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 1 1 - 4 j ，而无线局域网其实是使用无线信道 来代替传统线传输介质所构成的局域网网络。无线局域网络是在有线网络的基础上 发展而来，而且它的出能够使网络上的各种终端设备摆脱有线介质连接的束缚，从 而实现设备的移动性，并在有线局域网的基础上产生了各种各样的新应用，且为 w l a n 迸一步向将来发展提供了坚定基础。 无线网络经历了一个从专事用于军事的通信技术网络到现在居民化的通用无线 电网络的过程，这个过程的主要演进和变化表现在工作频率，数据传输速率和物理 层链路层( 主要是m a c ) 技术上。 以太网经历了跳跃式的快速发展，且它的效率也比较高，数据传输速率也比较 快，但是它必须使用物理传输线路作为其传播介质。无线网络则将以太网的可靠性， 高速率性与无线数据网络的优点恰如其分地结合在了在一起。 w l a n 是无线网络与计算机网络相结合的产物，它使用无线信道来支持计算机 之间的连接。近年来，个人便携多媒体终端设备飞速发展，为了满足用户能够在任 何地点，任何时间均能实现数据通信的目的，要求传统的有线通信向无线网络逐步 转变，即固定向移动改变，这必然将促使w i _ a n 的快速发展。 发展到今天，为了能够统一不同厂商无线局域网设备，推动无线局域网的快速 发展，国际标准化组织开始致力于制定一个通用的无线局域网的技术标准。在其发 展过程中，产生了两个体系不同但同样重要的无线局域网系列标准：i e e e8 0 2 1 1 系 列标准【1 i 和欧洲制定h i p e r i _ a n 系列标准。这旱主要集中讨论i e e e8 0 2 1 1 系列标准， 随着无线网络产品逐渐成熟，目前基于i e e e8 0 2 1 l g l 5 】标准的无线局域网，其物理 层速率可达5 4 m b s ，这个速率可以支持一般的数据多媒体业务。为提高无线局域网 系统吞吐、时延等性能【酬，在m a c 层上的研究和算法层出不穷，协作通信技术【7 】 能够获取系统分集增益，提高系统性能，将协作思想引入m a c 协议机制中的研究 北京邮电大学硕上学位论文 第一章绪论 也日趋成熟，本文研究和探讨的基础正是基于协作m a c 。另外，无线局域网可通 过一定设备同有线网络相连接，充分利用现有有线网络资源。可以预见，无线局域 网将会以其较高的数据传输速率和灵活性得到广泛应用。因此，无线局域网中各项 性能参数的改进在m a c 层上将会得到深入研究和分析。 1 2 无线局域网的特征 1 2 1w i _ a n 与l a n 之间的差异 基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网与有线局域网存在很大的不同，主要表现在以 下几个方面l 邳j ： 能量管理和使用方面 l a n 中计算机设备一般是位置固定的，电源通过固定交流电来提供，所以在能 量管理方面与w l a n 有很大的不同。多数的无线网络接口卡采用p c m c i a ( 个人 计算机存储卡国际协会) 制式配备到便携式和可移动的手持设备上来支持无线局域 网络连接。然而这些设备通常需要依赖电池向它们提供电源。这样，为便携式计算 机设备添加无线网络接口卡势必将会加快电池的消耗。鉴于上面必须考虑的因素， i e e e8 0 2 1 1 提出了保存电池电量的一系列方案，这些方案允许无线网卡在没有数 据传输的时候周期性地切换电源到低功耗等待模式，从而一定条件下降低了电池消 耗。 进一步认识，我们可以发现这些方案的具体实施和布置与m a c ( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 紧密相关，可以说，无线局域网中的电源管理是通过处于计算机标准协议 层次中的链路层中的媒体接入控制协议( m a c ) 来实现的。它通过在没有数据传输 的特殊时间或用户自定义的时间周期内把无线电接收装置转入睡眠状态，但这样也 会带来新的问题，如果设备刚好处于睡眠状态，这时若有一些重要的数据需要此设 备来接收，那么无线终端将错失此数据的接收而造成意想不到的损失。i e e e8 0 2 1 1 标准通过设置消息队列缓冲来解决以上问题，该标准要求睡眠的终端设备能够周期 性地被唤醒以接收所有可用的消息。 综上所述，w l a n 与l a n 之间在能量管理方面的不同主要表现为无线便携设 备是能量有限的，这些移动节点依靠电池来提供能量，造成节点生存期由电池电量 决定，最终能量决定了系统整体吞吐量性能表现和公平性表现。 2 北京邮 【1 人学硕l 学位论文第一章绪论 信道特性方面 w l a n 与有线网络的本质区别在于传输信道的不同。有线网络通过双绞线或者 光纤来连接网络中的计算机设备，所以它的带宽比较恒定，且受到的外界干扰噪声 也比较有规律。而无线信道不仅带宽资源缺乏，噪声干扰随机而不稳定，信道状况 随时问不断变化。无线信道中，信号要受到自由空间传播损耗( 大尺度衰落) ，地面 或建筑物反射、多普勒效应等多种衰落效应的影响。目前一般将无线信道模型分为 大尺度衰落模型和小尺度衰落模型。 通信盲点和安全性问题 w l a n 中存在盲点，且在盲点处几乎不能正常通信，对盲点问题的解决可以通 过安装较多的接收天线加以消除。安全问题主要是由于无线网络的通信范围不受到 网络布局限制，只要能够接收到无线网络中的信号，就可以与之进行通信。这将造 成比传统有线网络更为严重的信息安全问题。 更具体一些，由于无线信道共享型的链路环境使得网络很容易受到链路层攻击， 包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏。再者无线网络拓扑和网络节点经 常改变，节点之间的信任关系也将随之变化，因而在设计和维护一个无线局域网时 必须考虑以下几点： 1 ) 数据机密性 使用性能较好的加密算法来对数据实施加密，让加密后的密文只有在拥有对应 解密密钥的接收方才能解密，这样，即使攻击者接收到密文，由于没有密钥将 无法获取相应的明文。 2 ) 身份认证 在无线网络中对身份的认证需要双向认证，也就是无线网络用户和接入点之间 应该实现双向认证。只有双方都经过安全的身份认证，用户才可以对无线系统 进行访问。 3 ) 数据完整性 无线局域网中信息可能发生丢失部分数据或被攻击者修改重新转发数据的情 况，因此在w l a n 中需要对信息的完整性进行认证，包括信息完整性和正确性 两方面认证。 4 ) 密钥管理 构建强健的密钥管理对系统的安全起着决定性的作用，一般要求管理机制提供 动态更新密钥，避免密钥重复和减少密钥管理的通信量，提高效率。 3 北京邮电大学硕十学位论文第一章绪论 1 2 2w l a n 与个人移动通信网络的差异 个人移动通信网络一般指的是现阶段的g s m ，g p r s 和3 g 网络，这些网络是 由基站和用户终端组成，用户与用户之间的通信集中通过基站( 需要专业修建和维 护) 来协调管理，也就是说个人移动通信网络中用户之间不能直接端到端通信，必 须通过基站调度和转发。而w l a n 几乎可以不依靠基础设施来搭建自组织网络，既 可以以a dh o c 方式组成共享网络，也可以构成一个局域网网络再接入其他通用数据 网络。 个人移动通信网络的工作频段也与w l a n 不同，它的通信方式采用用户终端与 基站间直接通信，且用户终端之间的通信是一对一的。对于无线局域网而言，通信 双方可以是网络中的任意两个节点，如果处于同一区域内，则这两个节点之间可以 直接通信，如若处于不同区域内，两节点之间通信则可以通过其它节点的路由服务 来提供。另外，无线局域网还支持组播( m u l t i c a s t ) 和广播( b r o a d c a s t ) 通信方式， 与计算机网络相似。 目前，个人移动通信网络主要提供语音通信业务，采用f d m a ，t d m a ，c d m a 等多址通信方式。而无线网络主要面向数据业务，其多址方式主要有c s m a 和动态 的t d m a ，以满足动态变化的无线信道要求。从技术上来说，w l a n 与个人移动通 信网络都存在各自的优点和弊端，如无线局域网的网络安全问题，个人移动通信网 的速率问题等等。简单来说，两者使用场景不同，大量数据业务应该通过无线网络 来传输，而简短信息通过g p r s ，3 g 等个人通信网络则比较方便。就现阶段技术而 言，w l a n 与个人移动通信网络将同时共存。 1 2 3 无线局域网组织方式 无线局域网可分为二大类：含有基础设施的网络和自组织网络( a dh o e ) 。 基础设施网络依赖固定有线网关( a p ) ，如图1 1 所示。这个网关负责连接有 线网络和无线网络被称为“基站”，移动站点与其所属基站直接通信，这种网络的系 统性能比较稳定，基站a p 受地理环境限制不大；缺点则是由于a p 定决定性作用， 一旦a p 出故障无法工作，整个网络将瘫痪，且a p 的成本费用很高。 自组织网络则如图1 2 所示，无线终端之问直接通信，网络节点自由移动，不 依赖已经建好的网络基础设施，且每个节点都具备路由功能，能够维护和发现通往 其它节点的路径。基于这个特点，网络抗毁性好，建网容易且费用低。当然这种网 4 北京邮i 【1 人学硕上学位论义 第一章绪论 络也有缺点，当网络用户过多即业务量比较高时，系统吞吐，延时等性能下降明显， 甚至可能瘫痪。 图1 - 1 无线基础设施网络 1 3 无线局域网中m a c 层相关问题探讨 图1 2 无线自组织网络 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议为满足不同q o s 服务质量业务其工作方式分为d c f 和 p c f 。而大多数研究集中在d c f 模式上，常用的接入信道控制协议为c s m c a ： 1 3 1 节点接入公平性问题硼 无线局域网中的公平性问题可表述为网络中的节点工作在d c f 模式下由于 c s m c a 协议退避机制而引起的。而且较多的研究集中在退避算法上。 移动无线网络不存在中心控制节点，每个节点都处于公平地位，因此需要m a c 协议来控制接入共享信道的能力。在c s m a c a 随机接入协议中，为了避免再次发 生数据包发生碰撞的情况，当发生数据包碰撞时，发送节点将退避一段时间后再重 新发送数据，这个延迟的时间称为退避时间。退避时间的大小决定了节点接入信道 的能力。退避时间越大，那么它的抢占信道能力越弱。反之，抢占信道的能力越强。 这样如果退避算法赋予个节点的退避时间相差很大，就可能引起公平性问题，严重 的将造成某些节点一直不能接入信道，即造成“饿死”现象。总之，为保证各节点的 接入公平，当采用最优退避算法，使得各节点有相同的退避时间，仅此就能够充分 保证公平性，但如此同时也会带来一个新的问题：如果使得任何节点都拥有相同的 退避时间，以此来确保各节点访问信道的能力相同，但却增加了各节点退避时间减 5 北京邮电人学硕士学位论文第一章绪论 小至o 的概率，从而增大的节点碰撞的可能性。 综上可知，公平性问题也就是如何选择节点退避算法的问题。c s m a c a 协议不 能够完全保证节点接入的公平。 1 3 2 系统吞吐量和时延问题p - 1 2 1 系统吞吐性能是衡量m a c 协议优劣的一个重要指标，高的数据吞吐量能够充 分利用信道的带宽且决定了系统传输数据的速度，设计和改善任何m a c 协议都必 须满足一定的吞吐量性能。时延则反映在业务需求上，即不同q o s 服务的对时延的 要求也不相同。无线局域网中设计任何m a c 协议都必须考虑这两个性能指标，故 此这方面的研究最多。本文将在下面章节讨论的协作m a c 机制就是基于提高系统 吞吐量的。 1 3 3 能量消耗问题【1 3 1 无线局域网中由于终端设备的移动性等因素，一般这些设备的电源由能量有限 的电池来提供。所以为维持整个网络系统的寿命( 可用性) ，必须考虑设备的能量消 耗问题。 无线节点的能量消耗可分为网络通信消耗、计算能量消耗和外围设备能量消耗 三部分，降低计算能量消耗和外围设备能量消耗主要依靠硬件层次技术，如低功率 c p u 、显示器和低能量消耗的算法等，而网络通信消耗是指无线网络端口( 网卡) 消耗的能量，这里主要研究的也是网络通信能量消耗问题。且能量消耗问题涉及到 无线局域网中的各个层次，应用层和传输层经常考虑降低能耗与服务质量之间的平 衡。网络层考虑最优路由协议则包括最低能量消耗或网络生存期性能指标。而m a c 层媒体接入控制协议定义了网络接口的各种状态，控制了物理层的功率消耗，同时 也是降低能量消耗关键的一层。在w l a n 中，无线移动节点一般可处于发送、接收、 空闲三种通信状态，而且从功耗角度考虑，空闲状态可分为空闲苏醒状态和空闲睡 眠状态。为了节省节点能量，m a c 协议定义了省电模式，使得无线网卡能够在空 闲状态进入低功耗休眠状态。本文讨论了一种基于协作m a c 协议的能量公平机制， 没有考虑通过减少空闲侦听和数据发送碰撞概率等措施来降低能量消耗，而引出并 解决由于协作通信而造成的能量消耗不公平等问题。 6 北京邮电火学硕卜学位论文第一章绪论 1 3 4m a c 协议工作方式 上文已提到根据业务不同将i e e e8 0 2 1 1m a c 协议工作方式分为d c f 和p c f 。 d c f 分布式协调方式作为基本的信道访问机制，采用载波侦听多址访问碰撞回避 ( c s m c a ) 协议接入信道；p c f 模式工作在它的基础之上，工作于含有a p ( 接 入点) 的基本服务集中( b s s ) ，依靠a p 内点协控制器( p c ) 依次轮询想发送数据 的站点，避免站点竞争信道资源。也就是说p c f 机制在m a c 协议中是可选的，并 且也可以与d c f 机制并存。本文第二章将研究i e e e8 0 2 1 1 基于d c f 模式下m a c 协议各种性能，在第三章研究的协作能量公平机制也将基于d c f 模式，最后在第四 章讨论p c f 模式下的协作m a c 机制并分析系统性能。 1 4 论文主要工作与结构安排 本论文主要讨论和研究i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议机制，在此基础上引 入协作机制，继而介绍和讨论协作m a c 机制，这罩主要分析和研究的协作m a c 协议称为c o o p m a c 。基于此协作m a c 协议本文提出一种能量消耗公平机制，之后 还将这种协作思想融入p c f 工作模式并讨论其性能特征，最后介绍本文仿真平台的 搭建步骤和思想。内容具体安排如下： 1 、综述无线局域网研究现状与背景，并与有线网络和个人移动通信网进行比 较，本文重点讨论i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网标准，对无线局域网m a c 协议相关研究热点和问题简要分析和说明。 2 、综述现有i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议，详细介绍基于d c f 模式下的 c s m c a 信道访问机制，仿真说明影响其吞吐量性能、时延特性和能量公 平性的主要原因。 3 、 将协作通信概念引入m a c 机制中，分析并仿真说明一种基于i e e e8 0 2 1 1 d c f 模式的协作m a c 协议( c o o p m a c ) ，讨论与i e e e8 0 2 1 1 标准m a c 协议之间的吞吐等性能差异，最后基于移动节点能量有限和c o o p m a c 协 议中的协作节点选择机制提出一种协作能量公平机制( 改变选取协作节点 策略) ，这种机制以减小部分系统吞吐量的代价换取系统存活时间，并仿真 说明。 4 、 第三章中讨论了基于d c f 工作模式的协作m a c 机制，本章讨论工作于p c f 模式下的协作m a c 机制。占先介绍i e e e8 0 2 1 1p c f 机制工作原理，然后 7 北京邮电大学顾_ ：学位论文 第一章绪论 将协作思想引入此工作模式并通过仿真比较说明前后两种机制在吞吐性能 上的差异。 5 、本文仿真平台的搭建采用m a t l a b 工具，以离散事件驱动时间进行仿真。 本章主要介绍m a t l a b 仿真m a c 协议的主要过程和方法，为上述章节中 仿真结果的正确性提供保障 8 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 2 1m a c 协议概述 i e e e8 0 2 1 1m a c 剧】的功能是为了用户可以在不可靠的信道环境上提供可靠 的数据传输，通过设计合适m a c 帧交换协议实现对共享媒介访问公平控制。总体来 说，研究m a c 层从根本上讲就是要设计一种有效的接入信道控制协议，即多址方式。 无线局域网中m a c 子层常用的多址机制可分为随机竞争类、按需分配类、固定分配 类三种方式。按需分配方式为用户保留了带宽，当用户需要发送数据时，且中央控制 器轮询到此用户时，将为其分配带宽开始数据传输，i e e e8 0 2 1 1m a c 层中以p c f 工作模式来实现；固定分配方式是将固定的信道资源划分为不同的子信道分配给不同 的用户，适用于语音业务，这种方式有可能浪费信道资源；随机竞争方式适用于突发 性业务，也是本章研究的主题，i e e e8 0 2 1 1m a c 层多址方式为虚拟载波侦听多路访 问冲突避免( c s m c a ) 协议。 m a c 子层与逻辑链路控制子层( u ：l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 共同组成i e e e8 0 2 1 1 系列标准的数据链路层。传统有线以太网在m a c 层定义对传输介质的访问控制方式 为载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ： c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 。此访问媒介协议分为两部分：载波侦听多路访问和碰撞发现。载波侦听 多路访问即为站点发送数据之前必须监听信道中的载波，然后决定是否发送；碰撞就 是由于网络中同时存在要发送数据的多个站点。c s 眦d 协议的基本过程就是网络 中所有节点在发送数据之前都必须首先对数据传输信道进行侦听。如果此时检测到有 其他节点正在传输数据的话，那么该节点将会等待一段时间然后再重新尝试发送。只 有当检测到介质空闲时，该节点才会发送数据。此外，当网络中存在多个节点同时监 听到信道空闲并想发送数据时则将会发送数据碰撞，致使数据发送失败。此时冲突检 测功能将起作用，一段检测到冲突的存在，此节点将等待一段时间后再重试，等待时 间按照退避时问算法决定。 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 使用与i e e e8 0 2 3 相同的l l c 层，且使用相同的4 8 位m a c 地址，这些特点为无线局域网和传统有线局域网的相互连接提供了便利。 9 北京邮电人学硕十学位论文第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 这两个标准在m a c 层的定义十分相似，相同点就是在一个共享的介质上支持多个 终端用户对其资源的共享，由此而引起的工作站无序竞争信道资源等问题就必须得 到解决，m a c 协议就是为了解决这个问题而产生的。i e e e8 0 2 1 1m a c 协议作为无 线局域网中的关键技术之一决定了系统网络吞吐量、延时等性能。该功能通过两种 访问机制来实现：基本访问机制，称为分布式协调功能( d c f ) ；集中控制功能，称 为集中协调功能( p c f ) 。从图2 - 1 可以看出，p c f 依赖d c f 而存在，d c f 是整个 m a c 协议的基础。因此，改善无线局域网系统性能就必须完善或改变基于d c f 模 式的接入控制协议c s m c a 。 图2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 体系结构 鉴于上面分析，研究i e e e8 0 2 1 1m a c 协议就是研究接入控制协议c s m c a ， 上面简要分析了应用于总线型有线局域网中的m a c 控制协议c s m c d ，它与 c s m c a 的主要区别在于c s m a c a 应用于无线局域网中，由于信道环境的复杂 性造成的无线系统无法同时接收数据信号和发送数据信号( “远近“现象) ，故无法 像有线网络环境中c s m a c d 协议那样当发生数据碰撞时，发送节点能够同时检测， c s m a c a 不能够检测碰撞只能尽量避免冲突。这也说明了无线局域网中的接入控 制协议要比有线网络复杂得多。 对i e e e8 0 2 1 1m a c 层c s m a c a 接入控制协议有了基本了解后，除了上述介 绍的“远近“( n e a r f a r ) 现象，处于无线局域网环境下还必须考虑另外两个特殊的 现象：隐藏终端【1 4 j 和暴露终端问题。 隐藏终端和暴露终端问题是影响基于竞争的c s m a c a 协议的主要原因，隐藏 终端问题增加了节点碰撞的概率，严重浪费的有限的信道资源；而暴露终端问题则 影响了信道的空间重利用率。 1 0 北京邮哇三人学顾i ：学位论文第一二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 图2 - 2 隐藏终端问题 图2 2 给出了发生隐藏终端问题的场景，由于无线网络中站点的发射和接收数 据范围是有限的，这里假设s t a 4 和s t a 2 位于站点s t a l 的覆盖范围，同样s t a l 与s t a 3 位于站点s t a 2 覆盖的范围。如图所示，当s t a l 向s t a 2 发送数据的过程 中，由于s t a 3 监听不到s t a l 向s t a 2 发送的信号，所以在s t a l 向s t a 2 发送数 据的同时有可能s t a 3 也向s t a 2 发送数据，将会发生碰撞，降低系统吞吐量性能， 这就是隐藏终端问题。 c s m a c a 协议采用r t s c r s 握手机制来克服隐藏终端问题，具体协议过程在 本章第二节中介绍i e e e8 0 2 1 1d c f 接入控制机制时将介绍并分析r t s c t s 握手机 制的几种缺陷。 暴露终端问题就其本质来说其实是隐藏终端问题或者c s m c a 协议本身机制 导致的。在单播无线环境中，保证站点无冲突接收数据必须满足两点： 1 、发送数据站点一跳范围内只能有一个站点接收数据，以此保证发送数据站 点在发送数据时不与接收数据站点冲突。 2 、接收数据站点在一跳范围内只能有一个发送数据站点，以此保证接收站点 接收数据时不冲突。 图2 - 3 暴露终端问题描述 北京邮电人学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 图2 3 所示，从站点覆盖区域上看，站点s t a 4 向s t a 5 发送数据、s t a l 向s t a 2 和s t a 6 向s t a 3 发送数据，这三条数据链路同时传输数据的情景满足上面所讲两 条条件，故在无线局域网上上面的传输过程是不会发生数据冲突的。但是根据 c s m 似协议中规定的帧交换过程d a t a a c k 机制和为减缓隐藏终端问题的而提 出的r t s c t s 帧交换过程r t s c t s d a t a a c k 机制，由于s t a 4 暴露于s t a l 的 覆盖范围内，s t a 4 接收到s t a l 发送的数据帧或者r t s 帧，在一段时间内s t a 4 将不能发送数据( s 1 = 斛s 1 = a 5 ) ；同样s t a 3 暴露于s t a 2 的覆盖范围内，当s t a l 向s t a 2 发送数据时，采用i 汀s c r s 握手机制，s t a 3 接收到s t a 2 发送的c t s 控 制确认帧后将不会发送数据，所以也不会对s t a 6 向s t a 3 发送的r t s 帧发送c t s 帧进行确认建立通信。 采用c s m c a 接入控制协议将不可能彻底解决暴露终端问题，目前提供并行 传输的方法是让多条并行传输在时间上同步，并行站点同步发送r t s 帧和数据帧， 同步接收c t s 和a c k 帧，本文对此仅作了解。 2 2i e e e8 0 2 1 1d c f 工作机制1 】 i e e e8 0 2 1 1m a c 的基本工作机制就是d c f ，也就是上面概述中的c s m a c a 协议，无线网络中所有站点必须实现d c f ，无论在独立基本服务集( i b s s ) 还是在 基本服务集( b s s ) 中，站点都把d c f 作为基本访问方式。 d c f 作为媒介基本访问方式，它允许兼容的物理层之间通过使用c s m c a 和 无线媒介忙条件下的随机退避定时来自动进行媒介共享，适用于分布式网络，传输 具有突发性和随机性的普通分组数据，且支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业 务。 2 2 1 载波侦听机制 载波侦听包括物理机制载波侦听和虚拟载波侦听机制。物理载波侦听机制由物 理层规范定义不属于本文的研究范围，这里主要探讨的是虚拟载波侦听机制。虚拟 载波侦听机制通过发布强制使用媒介的预留信息来实现，具体通过网络分配矢量 ( n a v ) 实施，n a v 中包含对媒介上将进行的通信的预留信息。若采用l 玎s c t s