（信号与信息处理专业论文）无线局域网中高能量效率协作mac协议研究.pdf

l i ， i 、 一 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：型垒盏日期： 兰! z ! ： 笸 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：丝量 日期： 导师签名：盘垒至盘 日期： z b t ，；似 2 j 一弓 ， 1 v 北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 无线局域网中高能量效率协作m a c 协议研究 摘要 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 的媒介访问控制( m a c ) 协议对 无线网络的性能起着至关重要的作用。本文围绕系统能量消耗、能量效 率等问题，主要完成了以下几个方面的工作： 首先，在分析i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准的基础上，主要研究i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议中的d c f 分布式机制，详细介绍了d c f 分布式协调机制的c s m a c a 载波监听机制、r t s c t s 四次握手机制和 二进制指数退避算法，分析了基于i e e e8 0 2 1 l d c f 的协作m a c 协议。 接下来，文章分析了i e e e8 0 2 1 l d c f 的能量效率，并研究了p a m a s 和p s m 两种节能机制。针对现有协作m a c 协议存在的问题，在其基础 上对其进行改进。本文重点研究了r d c f 协作m a c 协议，研究表明r d c f 协议存在明显的缺陷：记录协作表的过程需要每个节点监听整个网络， 而获取整个网络拓扑结构的过程将产生巨大的开销；对最佳中继的频繁 使用会导致其能量降低，甚至退出协作，进而降低系统的整体吞吐量。 本文设计新的协作表、对能量与传输速率进行折中处理( 避免对高速节 点的大量使用造成该节点能量透支) 、引入“信誉值，保证传输机会 的公平性。 最后，借鉴双忙音多址接) k ( d b t m a ) q b 忙音的使用方法，在协作中 继m a c 协议中增加忙音功能( b c r m a c ) 。b c r m a c 协议重点研究了 最佳中继的选择方法，忙音的长度可变并体现中继的转发能力。新方法 不限定中继彼此监听，扩大了中继选取范围且避免冲突，能够保证当前 的中继是最佳中继。b c r m a c 协议不需要源节点记录任何协作表，起 到了提高能量效率的作用。仿真表明，b c r m a c 协议的能量消耗几乎 不随节点的增加而增加，明显优于r d c f 协议，降低了能量消耗，是一 种高能量效率的协作m a c 协议。 关键字：i e e e8 0 2 1 1 ，d c f ，协作m a c ，能量效率 北京邮i 乜大学硕i ：研究生学位论文 摘要 2 卜 冬 基妒 、 ， _ t 北京邮电人学硕上研究生学位论文 英文摘要 r e s e a r c h0 nt h eh i g he n e r g y e f f i c i e n t c o o p e r a t i v em a cp r o t o c o lf o rw i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k s a b s t r a c t i e e e 8 0 2 1 1w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lp l a y sav i t a lr o l ef o rw i r e l e s sn e t w o r kp e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e lf o c u s e s o n s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n e r g y s a v i n g m e c h a n i s m sa n do t h e ri s s u e s m a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n gt a s k s ： f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fi e e e8 0 2 1 1w i r e l e s s 圳s t a n d a r d r e s e a r c h e si e e e8 0 2 11w i r e l e s si 气nm a c p r o t o c o li nd c fd i s t r i b u t e d m e c h a n i s m ，e s p e c i a l l y d e t a i l so ft h ed c fd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n m e c h a n i s mi n c l u d i n gc s m a c ac a r r i e rs e n s em e c h a n i s m r t s c t sf o u r t i m e sh a n d s h a k em e c h a n i s ma n dt h eb i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko f fa l g o r i t h m a n a l y z e st h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fi e e e8 0 2 1 1 d c fa n ds t u d i e st h ep f 姐讧a s a n dp s mw h i c ha r et w ok i n d so fe n e r g y s a v i n gm e c h a n i s m n e x t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o n c e p to fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ， p r o p o s e da ni m p r o v e dm a cp r o t o c o lb a s e do nt h ep r o b l e m so fe x i s t i n g c o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er d c fc o o p e r a t i v e m a c p r o t o c 0 1 s t u d i e ss h o wt h a tt h e r ee x i s t sa no b v i o u sf l a wf o rr d c f ：t h e p r o c e s so fr e c o r d i n gc o o p e r a t i v et a b l er e q u i r e se a c hn o d eo ft h et a b l e l i s t e n i n gt h ee n t i r en e t w o r k ，a n da c c e s st ot h ec o u r s eo ft h ee n t i r en e t w o r k t o p o l o g yw i l lh a v eah u g eo v e r h e a d ；t h eo v e r u s eo ft h eb e s tr e l a yl e a d si t s e n e r g yt or e d u c e ，o re v e nw i t h d r a wf r o mc o l l a b o r a t i o n ，t h u sr e d u c i n gt h e o v e r a l lt h r o u g h p u to ft h es y s t e m t h i sc o o p e r a t i v ed e s i g no ft h en e wf o r m s f o rt h ee n e r g ya n dt r a n s m i s s i o nr a t ef o rac o m p r o m i s ed e a lt oa v o i dal a r g e n u m b e ro fh i g h - s p e e dn o d e ，t h en o d ec a u s e db yt h eu s eo fe n e r g yo v e r d r a f t i n t r o d u c t i o no ft h e ”c r e d i tv a l u e ”t oe n s u r et h ef a i r n e s so ft r a n s m i s s i o n 1 北京邮i 乜人学顾：i ：研究生学位论文 英文摘要 o p p o r t u n i t i e s f i n a l l y , d r a w i n go nd u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ( d b t m a ) t ou s e i nt h eb u s yt o n e ，b u s yt o n ef u n c t i o ni s p r o p o s e db a s e do nt h ec o o p e r a t i v e r e l a ym a cp r o t o c o l ( b c r m a c ) t h ep r o t o c o lf o c u s e so nt h em e t h o do f o p t i m a lr e l a ys e l e c t i o n ，i n t r o d u c e st h eb u s yt o n e ，t h el e n g t ho fw h i c hc a nb e c h a n g e d w h e n e v e rt h es o u r c ew a n t st os e n dd a t a ，r e l a ys t a r t sc o o p e r a t i o n b ys e n d i n gb u s yt o n e t h el e n g t ho fb u s yt o n ei sc o n n e c t e dw i t hr e l a y s c a p a b i l i t yo ff o r w a r d i n g ，s o u r c ej u d g e sl e n g t ho fb u s yt o n e sa n dd e t e r m i n e s t h eo p t i m a lr e l a ya c c u r a t e l y t h es e l e c t e do p t i m a lr e l a yi su s e dt of o r w a r d d a t af r o ms o u r c et od e s t i n a t i o n r e l a y sa r en o tl i m i t e dt oh e a re a c ho t h e ri n t h i s m e t h o d ，w h i c hm e a n st h es c o p eo ft h e r e l a y s e l e c t i o nc a nb e e x p a n d e d t h i sm e t h o di ss i m p l ea n dw o r k a b l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ， b c r m a ca g r e e m e n ta l m o s tn oe n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e sw i t ht h e n o d e s ，m u c hb e t t e rt h a nr d c fp r o t o c o l ，r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i s ah i g he n e r g ye f f i c i e n c yc o o p e r a t i v em a c p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 11 ；d c f ；c o o p e r a t i v em a c ；e n e r g ye f f i c i e n c y 2 i “ p ( 矿 、 北京邮电人学硕卜研究生学位论文主要符n 说明 主要符号说明( 中英对照) 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 ) 无线局域网 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 ) 集中协调功能帧间间隔 c s m a c a ( c a r r i 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 ) 载波监听多址访 问冲突回避 s t a ( s t a t i o n ) 节点 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 tt os e n d ) 请求发送 c t 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 ti i n t e f f r a m es p a c e ) 短帧问间隔 i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 帧间间隔 m m p d u ( m a c m 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 ) 节点长重传次数 s s r c ( s t a t i o ns h o r tr e t r yc o u n t ) 节点短重传次数 b e a c o n 信标 1 北京邮i 也人学硕i ：研究生学位论文 主要符吁说明 2 o r 0 北京邮电人学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 无线局域网及i e e e8 0 2 1 1 标准1 1 3 协作通信技术4 1 4 论文主要工作与结构安排6 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议分析7 2 1m a c 协议标准概述7 2 1 1 基本结构和服务种类7 2 1 2m a c 层帧结构8 2 1 3m a c 层帧间隔1 0 2 2i e e e8 0 2 1 1d c f 分布式协调机制1 1 2 2 1c s m a c a 载波监听机制1 2 2 2 2r t s c t s 四次握手机制1 4 2 2 3 二进制指数退避算法1 5 2 3 基于i e e e8 0 2 1 1d c f 的协作m a c 协议1 7 2 4 本章小结1 8 第三章一种改进的高能效协作m a c 协议1 9 3 1i e e e8 0 2 1 1d c f 的能量分析一1 9 3 1 1d c f 能量效率分析1 9 3 1 1d c f 节能机制研究2 3 3 2r d c f 协议的研究。2 5 3 2 1 系统模型与通信过程2 5 3 2 2 能量分析一2 7 3 3r d c f 协议的改进3 0 3 3 1 通信过程3 1 3 3 2 最佳中继的选取与使用3 2 3 4 改进协议的仿真性能分析。3 3 3 5 本章小结3 6 第四章一种新的基于忙音功能的协作m a c 协议3 7 4 1 忙音在m a c 机制中的应用3 7 4 1 1 隐藏终端和暴露终端问题3 7 4 1 2 双忙音多址接入( d b t m a ) 的工作原理3 9 4 2 基于忙音功能的协作m a c 协议4 1 4 2 1 系统模型4 1 4 2 2b c r m a c 协议概述4 2 4 2 3 忙音的设计4 3 4 2 4 能量分析4 5 4 3b c r m a c 协议的仿真性能分析4 5 4 4 本章小结4 9 1 北京邮电人学顾l ：研究生学位论文 日录 第五章总结与展望5 0 5 1 论文总结5 0 5 2 展望5 1 参考文献5 2 致谢5 5 攻读学位期间发表的学术论文5 6 r 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 弟一早三百t 匕 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 】作为主流的无线宽带接入 技术之一，具有移动性强、保密性高、抗干扰能力强、安装方便和维护容易等优点。 无线局域网可以在传统有线网络难以实施的场所进行网络覆盖，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。由于具有众多优点，无线局域网获 得了成功和迅速的发展，并超越了如蓝牙技术和h o m e r f 技术【2 】等很多技术，成为 无线局域网领域最有潜力的解决方案。 在无线局域网中，任何形式的干扰都会降低网络吞吐量、延长反应时间，导致 通信质量降低1 5 】。通过多路独立信道传输同一信号的多个拷贝，即分集技术【6 。7 l ，可 以有效地减轻衰落效应的负面影响。协作分集技术是通过无线网络中，源节点周围 的中继节点帮助源节点转发数据，在目的节点周围形成了多径传输，取得了空间分 集所带来的增益。而为了提高无线局域网的系统吞吐量、网络时延等性能，在m a c 层设计上提出的算法不胜枚举，协作通信技术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 协议机制中的研究也日趋成熟，但现有的适用于w l a n 网络的协作m a c 协议，均存在丌销过大、能量效率低的问题。 在本毕业论文中，主要关注无线局域网中协作m a c 协议的能量效率问题，改进 现有的协作m a c 协议，降低能量消耗，并且提出一种新的基于忙音功能的协作m a c 协议来提高系统性能。 1 2 无线局域网及i e e e8 0 2 1 1 标准 无线局域网的分类【l l ： 无线局域网可以看做是计算机网络技术与无线通信技术的融合，按照传输媒质 的不nn - - 1 分为两种工作方式：红外线和射频( r f ：r a d i of r e q u e n c y ) 电波。 采用红外线技术的无线局域网最大的优点是使用不受无线电管理部门的限制， 窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰。 北京邮i 乜大学顾l ：研究生学位论文 第一章绪论 采用射频技术的无线局域网按照调制方式又可分为：窄带调制方式和扩频调制 方式。采用窄带调制方式时，将基带信号的频谱直接搬移到射频前端，并发射出去。 此方式的优点是频带占用少，频带利用率高。采用扩频方式时，首先将基带信号的频 谱展宽至几倍或几十倍然后再发送到射频前端。此方式通过牺牲带宽来提高了抗干扰 性、抗噪声性和安全性能。 无线局域网的主要优点1 8 j 是： 移动性强 无线局域网为用户提供了无处不在的网络接入功能，通信终端能够在网络覆盖 的范围内自由移动。终端的移动性分为：不移动固定、半移动和全移动。半移动是 指终端可在网内移动，但只能在静止状态下与网络进行通信；全移动还可细分为慢 速移动和快速移动，是指终端可在移动状态下保持与网络的通信。目前，无线局域 网一般只支持固定、半移动和全移动中的慢速移动。 安装方便 传统的有线局域网建设施工周期长、对周边环境影响也比较大。而无线局域网 最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作，一般只要安装一个或多个接入点设 备，就可建立覆盖整个楼宇或地区的局域网络。 适应能力强 无线局域网非常适合于一些布线比较困难的场合，例如危险区和古建筑中，不 仅布线简单，而且极大地降低了布网费用。在一些临时需要网络的地方，无线局域 网可以快速实现。 扩展容易 无线局域网可根据需要灵活选择多种配置方式。它能够胜任从只有几个用户的 小型局域网到上千用户的大型网络。 由于无线局域网具有多方面的优点，所以发展十分迅速。在最近几年里，无线 局域网已经在医院、商店、工厂和机场等不适合有线网络的场合得到了广泛应用， 并且应用的范围正在不断扩大。当然，无线局域网技术远没有达到完美的程度，在 使用中也面临着一些局限性，如：数据传输速率较低，最高传输速率只能够达到 5 4 m b p s ；安全性有待提高；设备的节能管理也需要改进。 目前流行的无线局域网技术主要有美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 推出的 标准i e e e8 0 2 1 1 1 ，本文将对i e e e8 0 2 1 1 做重点研究。 i e e e8 0 2 1 1 采用单元结构，整个系统分成多个单元，每个单元称为一个基本服 务集( b s s ：b a s i cs e r v i c es e t ) ，b s s 有以下两种基本组成方式： 2 北京邮电人学硕- l 研究生学位论文 第一章绪论 分布式：无中心拓扑的网络结构，b s s 中任意两个移动终端可直接对等地相互通 信，无需接入点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 转接。该被称为自组织网络( a dh o c 网络) ， 如图1 - l 所示。a dh o c 网络具备以下优点：拓扑结构简单，维护方便，网络的健壮性 和自愈性强( 某一个节点的故障或退出不会影响整个无线网络的运行) 。但是，由于 工作在同一自组织网内的无线设备均采用相同的无线信道，因此这种方式更适合于无 线设备较少、网络覆盖面积较小的网络。与此相对，对于无线设备众多、网络覆盖范 围广的大规模无线局域网，则通常会采用如图1 2 所示的基础设施形式。 图1 - 1 自组织网络( a d h o c ) 集中控制式：以a p 为中心，网络中的移动终端在a p 的控制下进行通信，被称为 基础设施网络，如图1 2 所示。基础设施网络的特点是：无线设备通过接入节点接入 网络，接入点可完成m a c 控制、信道分配、接入控制和加密认证控制等功能。采用 基础设施网络结构，具有网络管理简单、维护费用低的优点；支持用户在相同扩展服 务集( e s s ：e x t e n d e ds e r v i c e ss e t ) 内的各a p 间进行漫游。利用相关技术可以实现 不同a p 间的对空间和频率的复用，从而大大改善了大规模无线局域网的性能和效率。 因此，尽管在健壮性和自愈性方面基础设施形式不j t h a dh o c 网络理想，但它已成为 目前应用范围最广的大规模无线局域网的组网方式。 图1 - 2 基础设施网络 3 y 而 北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论义 第一章绪论 图1 3 无线局域网协议标准的层次 如图1 3 所示，i e e e8 0 2 1 1 标准分为两个组成部分，分别对应了o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 模型中的物理层( p h y ) 并l 1 数据链路层中的m a c 子层。 i e e e8 0 2 1 1m a c 层与逻辑链路控制层( l l c ：l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 一起构成了数 据链路层。i e e e8 0 2 1 1m a c 协议详细规定了节点访问传输媒质而不致发生冲突的基 础协议。与有线网络不同，无线局域网中的节点在发送信号时，能量会泄露到接收通 道形成自干扰，无法在发送的同时完成接收监听，因此i e e e8 0 2 1 1m a c 协议采用了 载波监听多址接入冲突避免( c s m a c a ) 技术，每个节点在发送数据前需要退避一 个随机时间值。每个节点维护一个网络分配矢量( n a v ：n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) ， 用来指示网络的空闲状态，以进一步降低数据发送冲突的概率，只有当物理载波检测 显示网络空闲，且本地n a v 值为0 时，节点才可以发送数据。n a v 的更新是节点通过 接收其它节点发送的数据帧中的n a v 值来实现的，例如当接收到的n a v 值大子本地 n a v 值，则更新本地n a v 值为接收n a v 值。 1 3 协作通信技术 协作通信的使用主要有两方面的因素：网络中存在可用资源和协作通信带来的协 作增益。 网络中存在可用空余资源1 9 j ： 在某一时i 日j 段内，无线局域网中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中 其他的移动终端处于空闲状态，传统的无线局域网将所有移动终端看成是互不协作的 个体，从而浪费掉这部分空闲的可用资源；另一方面，无线局域网中的移动终端多种 多样，一部分移动终端因硬件技术的快速发展而具有较强的计算处理能力，而另一部 分移动终端的计算处理能力则相对较差；距离接入点较近的移动终端具有较好的通信 能力，而距离接入点较远的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看 成是一个可以相互( 或部分相互) 协作的整体，则具有可用资源的空闲终端可协助其他 4 北京邮电人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 终端完成通信，从而有利于整个通信系统性能的提高。如何利用这些可用空余资源来 帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。 协作通信增益1 1 0 j ： 大容量和高速率的移动通信系统随着日益增长的多媒体业务，越来越受到人们 的关注，但是由于移动信道具有的多径衰落效应严重地阻碍了信道容量的增加和服务 质量的改善，因此如何有效地对抗移动信道中的多径衰落一直都是科研热点。m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多根天线，形 成m i m o 信道结构，从而充分利用了空间资源，大幅度提高了信道容量。尽管传统多 天线传输凭借其明显优势逐渐被新一代无线通信系统的主流协议采纳，但对于移动终 端而言仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线一般都安置在基站端，而移动终端则 很难安置多天线。这主要有两方面的原因：一方面，移动终端因自身的局限性，对体 积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多；另一方面，理想的m i m o 多天线系统要求 相邻天线之间的距离远大于载波波长，以此保证收发天线之间的无线传输信道相互独 立，而移动终端由于体积的限制很难做到这一点。 图1 - 4 在协作通信中，每个移动终端既是用户也是中继 如何解决移动终端无法采用传统m i m o 技术的问题，协作通信技术如图1 4 所示， 给出了答案。使用带有一根天线的移动终端，在多用户环境中可以共享其他移动终端 的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善移动通信系 统的性能。因此，协作通信技术融合了分集与中继传输的技术优势，在传统通信网络 中获取了多天线与多跳传输的性能增益。通过移动终端间的协作通信和资源共享，以 分布式方式形成虚拟的多天线传输，克服波长相干距离的限制等问题，在不增加天线 数目的基础上，在移动终端实现了多天线传输增益。 5 北京1 1 1 1 9 乜人学硕l ： i j f 究生学位论文 第一章绪论 1 4 论文主要工作与结构安排 本文主要讨论和研究i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议中的d c f 分布式机制， 探讨协作通信技术的优势，并分析现有协作m a c 协议，本文重点研究的协作m a c 协议称为r d c f ( r e l a y e n a b l e dd 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 ) 1 1 j 。基于此协作m a c 协议本文提出一种改进的高能效协作m a c 协议，最后提出一种基于忙音功能的协 作m a c 协议。内容具体安排如下： 第一章主要介绍了无线局域网的研究背景，重点讨论i e e e8 0 2 1 1 系列无线局 域网标准，对协作通信技术带来的增益进行分析和说明。 第二章主要综述现有i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议标准，详细介绍基于 d c f 分布式协调机制下的关键技术，并将协作通信概念引入m a c 机制中，分析了 基于i e e e8 0 2 1 1d c f 的协作m a c 协议。 第三章，对d c f 的能量效率和节能机制进行分析，重点研究- 7 中基于i e e e 8 0 2 1 1d c f 模式的协作m a c 协议( r d c f ) ，针对其存在的问题，对r d c f 协议进行 改进，并进行仿真分析。 第四章在协作m a c 协议中增加忙音功能，从吞吐性能、能量消耗、适应节点 移动性的角度进行了仿真分析。 第五章对论文工作进行了总结，并对今后工作进行展望。 6 北京邮电大学硕：卜研究生学位论文第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 卧议分析 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议分析 本章介绍i e e e8 0 2 1 1m a c 协议以及相关研究进展，详细介绍了d c f 分布式协 调机制的工作原理和关键技术，并分析基于i e e e8 0 2 1 1d c f 的协作m a c 协议。 2 1m a c 协议标准概述 2 1 1 基本结构和服务种类 如图2 - 1 所示，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层包括两个子层【5 1 。上面的子层叫做集中 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 ) 。下面的子层是分饰式协调功能 ( 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 ) 。 髭供髭毙爹服务 m a c , i z ； l p ( fl 一 | 提留；琵争j j | _ i 嚣 1 ) ( h c s m a 踅：a ) 图2 - 1i e e e s 0 2 1 1m a c 协议结构 p c f 是可选的，当工作在a dh o c 网络下，网络就没有p c f 子层。p c f 使用集 中控制的接入算法( 一般通过接入点a p 来实现集中控制) ，用类似于探询的方法将 发送数据权轮流赋予各个终端节点，从而避免了冲突的产生，适合于如分组语音 视频等时间敏感业务。 d c f 通过在各个终端上使用c s m a 机制的分布式接入算法，让各个终端竞争信 道来获取发送权，因此d c f 向上提供竞争服务( c s ：c o n t e n t i o ns e r v i c e s ) ，适用于 对传输时延不敏感的数据业务。 d c f 和p c f 可以在同一个b s s 内交替使用，并不相互排斥。这种情况下，终端 的接入方式可以在竞争周期( c p ：c o n t e n t i o np e r i o d ) 期间工作在d c f 模式下，而 在非竞争周期( c f p ：c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 期间切换到p c f 模式下。 7 北京邮i u 人学硕士研究生学位论文第- 二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议分析 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层提供的服务有： 1 、m s d u ( m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 排序服务：为了减小无线信道中数据传输 的错误，允许发送节点将过长的m a c 业务数据单元( m s d u ) 或m a c 管理协议数 据单元( m m p d u ：m a c m a n a g e m e n tp r o t o c o ld a t au n i t ) 分解成更小的帧m a c 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 ) ，每个m a c 协议数据单元分别发 送。接收端将收到的所有m a c 协议数据单元按照报头提供的信息进行排序，恢复 出原来的m s d u 或m m p d u 。值得说明的是，只有单播接收地址的m s d u 或 m m p d u 才可被分段，而广播或多播地址帧是不能被分段的。 2 、安全服务：包括与管理层函数相联系的访问控制、加密、链路验证和鉴别， 服务提供的范围仅限于站与站之间的数据交换。 3 、数据服务：为对等l l c 层( 逻辑链路控制层) 函数提供了交换m s d u 的能 力。发送端的m a c 层利用p h y 层提供的服务将m s d u 传输到接收端的m a c 层， 然后再交由l l c 层处理。由于无线物理信道的特点，这种数据服务无法保证数据总 是能够被成功传输，但是可以通过m s d u 排序服务提高数据成功传输的概率。 2 1 2m a c 层的帧结构 i e e e8 0 2 1 l m a c 层规定了三种类型的帧：数据帧、管理帧和控制帧。数据帧用 于在节点之间传递数据消息；管理帧为节点问安全、有效、可靠的数据传输提供服 务；控制帧用于控制管理和数据消息的有序传递。 其中，控制帧用于无线终端与a p 之间建立连接和认证后，为数据帧的发送提 供辅助功能，如图2 2 所示。 酶j ：誓j 芝 确哦犍毫 援戳曩穗 图2 - 2 控制帧提供源节点和目的节点之间的同步 控制帧的子类型如下： ( 1 ) r t s ( r t s ：r e q u e s tt os e n d ) 帧：源节点向目的节点发送数据之前将发送 r t s 帧，请求发送数据帧。 8 北京邮电人学硕：t ：研究生学位论文第二二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域1 4m a c 协议分析 ( 2 ) c t s ( c t s ：c l e a rt os e n d ) 帧：目的节点收到r t s 后将向源节点返回一个 c t s 帧以确认源节点有发送数据帧的权利。 ( 3 ) a c k ( a c k ：a c k n o w l e d g e ) 帧：目的节点正确收到数据帧后，将向源节点 发送a c k 帧以确定该帧被正确接收。 ( 4 ) p s p o l l 帧( 节能轮询帧) ：当节点收到节能轮询帧后，会更新n a v 。 ( 5 ) c fe n d 帧( 无竞争期结束帧) ：接入点发送此帧用来表明中心网控方式下无 竞争期的结束。 ( 6 ) c f _ e n d + c f _ a c k 帧( 无竞争期结束应答帧) ：目的节点收到c f e n d 帧后， 向接入点发送此帧，表示已经正确收到c fe n d 帧。 每种m a c 帧均有帧头( h e a d e r ) ，包括帧控制字段、持续时间字段、地址字 段和序列控制信息字段；可变长度的帧体( b o d y ) ，包括特定类型帧信息；帧校验 序列( f c s f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 三部分，如图2 3 所示： f r 传r u em r a f i o ns c o u 甜 c o a d d r e “f r a m e ，毛_ s c 班：dl d d ：r c * k ：a d d r e 、：a d d r c - 鼻3 ( i ) 1 1 7 0 t 转y t e 8 、t e矗b y t e6 转y t e b o d y 4 b y 了艇 2 l y 1 e2 耋 y 1 f2 f 专y 1 f 。7 p 狮州 t y p e & l 0 1 ) ki j t o n ld km t , r e f t