（控制理论与控制工程专业论文）无线网络的phymac跨层设计技术研究.pdf

文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： ? 坤 年月日签字嗍滞b 月步日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着通信技术的发展，无线通信倍受人们关注，这主要是因为无线网络具有很 多优点，它是传统有线网络的补充和改进。但是无线网络通信也存在很多的缺点： 无线随机接入机制容易使数据帧发生碰撞而导致帧的丢失；无线局域网因为i s m 通信频段的使用而出现争夺频率资源的情况，等等。这些都将影响无线通信性能。 基于无线网络的这些缺点，人们提出了很多行之有效的解决方案。跨层设计是 其中很有代表性的方案。基于此，本文着重研究跨层设计。首先介绍了跨层设计 的基本概念和思想，并讨论了一些已有的跨层设计方法；分析了m a c 层协议中提 出的几种媒体接入控制算法，如d c f 算法、p p s 多包接收技术；接着分析了两种 与多包接收相关的跨层设计方案：网络辅助分集多接入算法，m p r p 算法。 接着分析了自己所设计的一种跨层设计方案一数字喷泉方案。此种方案无需跨 层交互甚至可以不需要反馈信道就可以实现可靠传输的目的，数字喷泉编码可以 灵活地应用于物理层或m a c 层，因而是一种比较好的“跨层设计”。为此，本文 重点分析了基于喷泉编码的设计方案，讨论了使用喷泉编码的可靠单播和多播方 法。详细研究了数字喷泉方式的基本原理，介绍了几种实际的喷泉编码，提出了 一种基于r s 码的喷泉编码及喷泉迭代译码算法，使用理论分析和仿真的方法研究 了r s 喷泉码的可靠单播和可靠多播的性能。 跨层设计的基本思想是层间联合优化以达到优化整个系统的目的。广义地讲， 对某一层单独进行优化，提高整个系统性能也属于跨层设计的范畴。因此，本文 还研究了多用户系统物理层优化的一种方法：多用户发送分集技术。提出多用户 联合编码发送的方法，通过仿真将提出的方案与传统的各用户独立发送的方法作 了分析比较，验证了所提出的方法的有效性。 关键词：综合性能，跨层设计，数字喷泉码，多用户发送分集 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to ft h ec o m 删c a t i o nt e c h n i q u e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h a v e 甜a c h e dm o r e 锄dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s et l l e yh a v em 锄ya d v a i l t a g e sc o m p a r e d 、析t h 、析r e dc o 埘【1 1 1 u n i c a t i o n h lf a c t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 锄et h en a t u r a le x t e n s i o n s o f 谢r e dc o m m u l l i c a t i o i l s t h e ya r em o r ef l e x i b l et h a n 、i r e dc o m m u n i c a t i o l l sb e c a u s e t l l e yc a i ls e r v eu s e r sa l l yt i m ea n da i l ”m e r e h o w e v e r 州r e l e s sc o i m u l l i c a t i o n sa l s o h a v ea1 0 to fd i s a d v a i l t a g e s f i r s t0 fa l l ，d u et ot 1 1 eb r o a d c a s t i n gn a t u r eo fr a d i o p r o m u l g a t i n g ，t h es i g n a lf r o mo n eu s e rw i l lb ei n t e 疵r e db yt h es i g n a l sf r o mo t l l e ru s e r s w o 凼n g a tt h es 锄e 行e q u e n c yb a n d i na 啪d o ma c c e s ss y s t e m ，t 1 1 i si n t e r f e r e n c e sl e a d t oc o l l i s i o n s 锄dc a u s et h el o s so ff r 锄e s s e c o n d l y ，r a m os p e c t m mr e s o u r c e sa r em u c h c o s t l yt h a n 、v i r e ds p e c t l l 埘b e c a u s ei n e v e nal o c a la r e 如al o to fr a d i oe q u i p m e n t s c o e x i s t t h e s ee q u i p m e n t sm a yc o m p e t ef o rs p e c 仇肛nr e s o u r c e s t h u si nam u l t i u s e r e n v i r o 砌e n t ，i n t e 疵r e n c e s 锄dc o l l i s i o n sm a yr e d u c et l l eb e r 锄db l e rp e 墒姗a n c e o rd e c r e a s et l l ea c c e s st h r o u 曲p u t r e g a r d i n gm ed i s a d v 锄t a g e si n 而r e l e s sn e t w o r k ，m a i l yr e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e d l o t so fu s e 如ls o l u t i o n s i n 竹l i sw o r k ，w ef o c u so nt h ec r o s s l a y e rd e s i g n i np a r t i c u l 鸩 s e v e r a la c c e s sc o n 仃o la r i t l 埘e t i ci nm a c - l a y e rp r o t o c o l ，l i k ed c f 撕t l 皿e t i ca n dp p s m u l t i - p a c k e tr e c e i v i n gt e c l l i l i q u ea r e 舡l a l y z e d m o r e o v e r ，t v 旧c r o s s - l a y e rd e s i g n s c h e m e sb a s e do np p sm u l t i p a c k e tr e c e i v i n gt e c m q l l e ，t h a ti sn d m aa n dm p r - p 撕t h m e t i c a r ec o n s i d e r e d a l t h o u 曲e x i s t i n gc r o s s - l a y e rd e s i 驴t e c l l l l i q u e sa r ea b l et 0i n c r e a s et h e 廿u o u g h p u t 0 ri m p r o v e 廿1 et r a n s m i s s i o nq u a l i 够i ns o m ed e 伊e e ，t h e ya r eu s u a l l yt o oc o i n p l i c a t e dt 0 b ea c c e p t e df o rp r a c t i c a lu s e m o r e o v e r b e c a u s em eb a s i ci d e ao fc r o s s - l a y e rd e s i 印i s c o i l f l i c t 、析mt l l et r a d i t i o n a ls e v e n - l a y e ro s im o d e l ，c r o s s - l a y e rd e s i g ni sn o te a s yt 0b e a c c 印t e df o rs t a i l d a r d i z a t i o n m sw e c o n s i d e rm er e c e n th o tt o p i c ，d i g i t a lf o u i l _ t a i l l 1 k f 0 眦a j nc o d e sw i t ha p p l i c a t i o i l st o 丽r e l e s sc o m m u l l i c a t i o na r es t u d i e di i lm i s d i s s e i r t a t i o 玛a i m i n ga tr e l i a b l em u l t i c a s t 锄du n i - c a s t i l lt i l i sd i s s e r t a t i o i l d i g i t a l f o u i l t a j n 矗l d a n l e n t a lp r i n c i p l ei nd e t a i li sd i s c u s s e da 1 1 ds e v e r a lf 0 u n t a i nc o d e da r e i n n o d u c e d r e e d - s o l o m o nf o u l l 协i nc o d e sw 曲a ni t e r a t i v ef i o 眦a j nd e c o d i n gp r o c e s s a r ed e d u c e da i l da 1 1 a l y z e du s i n gb o t ha 1 1 a l y t i c a lm e n l o da n ds i m u l a t i o n s i nt 1 1 i sd i s s 哪a t i o n ，a m l t i u s e rt r a i l s m i td i v e r s 蚵m e t h o di sp r 叩o s e d 讲l i c hc a i lb c i i u s e dt oi m p m v et h et r a i l s m i s s i o np e r f b 加锄c ef o rm u l t i u s e rw i r e l e s se n v i r o i l l i l e n t n e p e r f o n l l a i l c eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dp e 面n n a l l c e ，c r o s s l a y e rd e s i 印，d i g i t a lf o u n t a i nc o d e ， m u l t i - u s e r 饷n s m i s s i o nd i v e r s i 够 i i i 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c ti i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 跨层设计1 1 1 2 数字喷泉3 1 1 3 分集技术4 1 2 本课题的研究意义4 1 3 本论文的结构和内容5 1 4 本章小结6 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究7 2 1 跨层设计的必要性7 2 2 跨层设计的基本原理8 2 2 1i e e e8 0 2 11 协议8 2 2 2 无线网络的接入技术分析。1 1 2 2 3 无线网络的p h y - m a c 层的跨层设计方案分析1 2 2 3 跨层设计所面临的问题1 5 2 4 本章小结1 6 第三章数字喷泉方案的研究1 7 3 1 引言1 7 3 2 数字喷泉码1 7 3 2 1 数字喷泉的概念17 3 2 2 数字喷泉码的构成1 8 3 3 数字喷泉码的编译码方法2 2 3 3 1r s 码的喷泉编码2 4 3 3 2r s 码的喷泉迭代译码2 5 3 4 喷泉码在单播和多播通信情况下的性能仿真分析2 6 3 4 1 数字喷泉的可靠单播2 7 3 4 2 数字喷泉的可靠多播3 2 3 5 本章小结3 6 i v 重庆邮电大学硕士论文 第四章多用户发送分集技术研究3 7 4 1 引言3 7 4 2 改进的一种多用户发送分集技术3 7 4 2 1 多用户发送分集信号分析3 8 4 2 2 多用户分集接收信号的格型码表示及译码研究3 9 4 3 仿真及其结果分析4 0 4 4 本章小结4 1 第五章结论及未来的工作4 3 5 1 研究工作总结4 3 5 2 未来的工作4 4 致谢4 5 参考文献4 6 附录a 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果4 9 附录b 群和有限域5 0 v 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 目前，在无线通信系统中，最受人们关注的网络是w l a n ( 无线局域网) 。 w l a n 不仅可以满足缺乏线缆资源情况下部署通信网络的需要，还可以满足用户 在移动状态下获取信息的需求。在商业上，w l a n 广受重用的最大因素，莫过于 其投资报酬i 的i ，主要是因为w l a n 提升了效率与机动性，甚至无形中助长了生 产力，使得投资报酬率升高，也让企业对w l a n 的应用与发展寄予了厚望。因此， 近些年来w l a n 已成为通信技术市场的亮点。 无线局域网是对传统有线网络的补充和改进，它与有线网络相比存在很多优 点。如：安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩张等。但是，无线局域网也存 在不少缺点，例如：( 一) 无线信号传播具有天然的广播特性，因此，在一个多用 户网络中，用户可能会因为争夺同一资源发生资源碰撞，造成资源的浪费和资源 利用率的下降。( 二) 无线局域网的通信频段是i s m 频段，由于i s m 频段的免费 使用，在同一地域有多个网络( 这些网络可以采用相同或不同的局域网标准) 共 存时，这些网络会争夺频率资源，导致资源冲突和碰撞。( 三) 由于i s m 频段是对 所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段的系统都会遇到不可预 测的干扰源。( 四) 无线局域网的广播通信方式，使通信数据的安全性明显低于有 线通信。 基于无线局域网的这些缺点，人们提出了很多行之有效的解决方案。例如，跨 层设计技术就是其中一种比较典型的方法【l 巧】。因此，在本文中，首先分析了跨层 设计基本原理。进而，在本文中提出了另一种能较好地实现跨层设计的方法，即 利用喷泉码通过数字喷泉方式来实现跨层设计方案。最后，还研究了一种在物理 层的层间优化技术，即提出了一种新的多用户发送分集技术进行研究。下面，将 分别对跨层设计、数字喷泉、分集技术及其发展现状作简单介绍。 1 1 1 跨层设计 为了减少协议设计的复杂性，网络体系结构设计大多采用分层的方法。网络被 划分为几个层次，各层独立设计，上层建立在下层之上，每一层向它的上层提供 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。该思想一直得到 了人们很好地接受与认可，也已为通信系统服务多年。于是，人们已经习惯于o s l 分层网络设计的思想。 在过去，分层的开放系统互连( o s i ) 设计方法应用得很好，直到2 0 世纪9 0 年代末，随着无线技术的发展、多媒体需求的增长，日益演进的无线网络就开始 挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其 服务质量要求，并支持网络拓扑结构的变化。如何将分散在网络各个子层的特性 参数协调融合，以提升整体网络的性能，这些就对网络设计提出了新的挑战。 而且，在无线网络领域，人们在研究各网络、各层性能优化的同时，更多的是 要关注物理层，数据链路层或网络层以及上层之间的互相协调配合以对网络性能 的影响。 于是，一些研究人士便提出了跨层设计的思想( 如图1 1 所示) 。跨层设计就 是淡化传统的网络分层的层次界限，网络各子层共享与其它层相关的信息，对无 线网络进行整体设计。它并不是完全否定了传统无线网络的七层模式，而是模糊 严格的层间界限，将分散在网络各个子层的特性参数协调融合。因此，所有层间 可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的q o s 和网络状 况的变化，并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化，实现对网络资源 的有效分配，从而提高网络的综合性能。 图1 1 跨层设计的思想 跨层设计的优势主要体现在能提高吞吐量或传输性能，但它也存在显而易见的 缺点：标准化工作难，不容易被人们所接受；工作量大，技术复杂。要解决诸如 此类的问题，数字喷泉方式是目前最好的一种解决方法。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 2 数字喷泉 在无线通信和工业控制网络中，有许多网络是基于t c p 协议( 传输控制协议) 进行通信的【6 1 。在t c p 协议中，发送端把数据做成一系列排列有序的包，并按顺 序进行发送，一旦其中一个包被接收错误或丢失，则发送方暂停发送紧接的包， 而去重传这个丢失的包，直至收到确认正确接收信号后，才继续发送紧随的包。 从接收端看来，t c p 是通过重传机制来保证所有的包都是按照顺序接收的。 因此，在许多应用中，t c p 的这种有序的顺序发送和接收方式，虽然可靠性比 较高，但实用时其流量受到目标系统的反馈重传机制的限制，难以达到非常高的 吞吐率。解决这个问题的一种可行的方式是应用数字喷泉方式【9 1 。数字喷泉的基本 思想来源于实际生活中真正的喷泉：当你用杯子接水的时候，你不用关心你的杯 子到底是被哪些水滴充满的，只要杯子装到足够的水就可以了。对数字喷泉方式 来说道理一样：一个c l i e m 从一个或多个s e n ，e r 接收已编码的数据包，一旦有足 够的包被正确接收，c l i e n t 就能从接收的包里恢复出原始文件来。 更详细地说，理想化数字喷泉应具有以下特征： 存在一个源，它能把原始数据编码成无穷个编码数据包序列。 在接收端，对于一个消息，如果用t c p 方式则需要发送k 个包，且k 个包必须按照顺序并都是被正确接收到，这个消息才算被正确接收。而 在数字喷泉方式中，只要接收方一旦接收到任何k 个编码的包，接收端 都能正确重构出这个消息。这个重构速度也是非常的快，完全与k 成正 比关系。 实际上，数字喷泉只是一种理想化。但是，通过放宽一些要求可以达到它的近 似情形。例如：编码包的数量可能是有限的：编码或译码的时间可能会慢一些： 编码的包的数量可能比k 稍大一些等等。数字喷泉其近似情形的实用性可根据具 体的目标应用而采取相应措施以达到。 数字喷泉的实现或近似实现可通过数字喷泉码来达到。喷泉码的概念由 m l u b y 等人于1 9 9 8 年首次提出【lo 】但当时并没有给出现实可行的喷泉码设计方 案。2 0 0 2 年，m l u b y 提出了第一种现实可行的喷泉码一l t 码。在学术理论日 渐完善的同时，喷泉码也日益受到产业界的关注，获得了越来越多的实际应用。 1 9 9 8 年，m l u b y 、a s h o k r 0 1 l a h i 等人联合创立了d i g i t a lf o u m a i n 公司，以推 广数字喷泉概念的实际应用。目前，一种由d i g i t a lf o u i l t a i n 公司设计的系统r a p t o r 码也已经被d v 洲标准和3 g p p 组织的m b m s 标准采用，并且正在参与其他多 项国际标准的制定。 3 术措施。 在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会 产生时间选择性衰落和频率选择性衰落l l2 1 3 】。信道的时变特性引起信号频谱的展 宽，导致d o p p l e r 效应，造成信号随时间呈选择性衰落。信号的多径传播引起信号 在时间上的扩展并带来频率选择性衰落。信号经过衰落后，传输性能变得很差。 同时，这种信号的信噪比的提高不能简单通过提高发射功率或额外增加信号带宽 来获得。对于无线衰落信道，需要寻找其它方法来提高传输的可靠性【1 4 1 。分集技 术便是解决该问题的一种十分有效的方法。 分集技术的基本方式很多，包括发送分集、接收分集、空间分集等等。分集的 基本原理是在发送端将信号分成不同时间、频率或空间等上的多个副本，在接收 端将接收到的多个副本按一定规则合并起来，使得组合后得到的有用信号得到增 强，达到优化接收端性能的目的。对数字系统而言，使接收端的误码率最小；对 模拟系统而言，提高接收端的信噪比。 如果不采用分集技术，在噪声受限条件下，发射机必须提高发射功率，才能保 证信道情况较差时，链路能够正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电 池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的发射功率也非常有限。采用分集技 术可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。蜂窝网络系统的容量大多数情 况下都会受到干扰限制，因此通过采用分集技术对抗信道衰落就意味着：分集技 术可以减小载波干扰比( c i ，c a i t i e r t o i m e r f e r e n c er a t i o ) 的可变性，反过来说就 是c i 的容限较低，这样就可以提高复用系数，进而提高系统容量。 1 2 本课题的研究意义 计算机和通信系统的分层结构要求各层相对独立，因而各层可以相对独立地进 行设计。使用这样的模型，设计人员只需要具备某一层的知识，即参与网络的设 计工作。这样的模型易于标准化。计算机和通信网络发展到今天的普及程度，应 4 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 该说，与使用分层模型的思想和结构具有密不可分的关系。 无线通信网络是有线通信网络的补充和改进，但无线通信系统与有线通信系统 相比，其带宽资源显得十分珍贵。无线通信系统天然的广播特性使无线频率资源 尤为珍贵。使用各层独立的设计模型的无线通信系统，特别是多用户系统，层间 不进行适当的交互往往带来带宽的浪费。因此，人们考虑对各层适当地进行联合 优化。联合优化的工作一般限于m a c 层数据链路层与物理层，适应无线传输的 要求。为此，本文以跨层设计作为选题，研究跨层设计的基本方法。同时，考虑 数字喷泉编码可以灵活地应用于物理层或m a c 层，无需跨层交互甚至可以不需要 反馈信道就可以实现可靠传输的目的，是一种天然好的“跨层设计”，因此，着重 讨论了基于喷泉码的跨层设计方案。这种方案具有易于标准化的优势。本文还讨 论了多用户系统的发送分集物理层优化方法，以进一步提高整个系统的传输性能。 1 3 本论文的结构和内容 随着新技术的迅猛发展和个性化通信需求的迅速增长，无线通信网络以其独特 的优势成为了通信技术市场的亮点，也被广泛运用于工业控制网络中。为了使无 线通信网络在可靠性、实时性、吞吐量、传输质量等方面有所提高，于是一些新 的研究技术便慢慢诞生。本文将对这些新的技术做详细研究。本文共分为五章， 各章内容安排如下： 第一章：绪论，主要介绍选题背景及本论文主要工作。对跨层设计、数字喷 泉、无线多用户发送分集技术的研究情况作了简单分析介绍。 第二章：无线通信系统中的跨层设计技术研究。具体分析跨层设计的基本原理、 无线接入技术机制，详细研究几种跨层设计方案的思想和优劣性能。 第三章：数字喷泉方案的研究。提出数字喷泉方式是一种不需要数据反馈重传 机制的跨层设计方案。研究了基于r s 码的喷泉编码和喷泉迭代译码算法，并用理 论及仿真结果分析了数字喷泉的可靠单播和可靠多播通信性能。 第四章：多用户发送分集技术研究。提出了一种在无线通信中基于物理层的跨 层优化技术。分析了将多用户发送分集信号进行联合编码送入信道，在接收端将 接收到的联合编码信号表示成格型码形式进行译码，以降低复杂度。并用仿真结 果分析此技术性能。 第五章：结论及未来的工作。对全文进行总结，并说明了本课题进一步需要完 成的工作。 5 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 2 1 跨层设计的必要性 为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都组织成一堆相互叠加的层，每一 层都建立在其下一层的基础之上。不同的网络，其层的数目、各层的名字、内容 和功能也不尽相刚1 6 1 。在传统的网络体系中，比较通用的两种模型是o s i 参考模型 和t c p i p 参考模型，如图2 1 所示。而在无线网络中，网络设计基本都是参照o s i 参考模型，只是在网络层以下的层有所改进。 o s i 参考模型t c p i p 参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 网络互联层 主机到网络层 图2 1o s i 参考模型与t c p i p 参考模型 传统的基于o s i 或t c p i p 的网络协议栈将各个协议层独立开来，相邻层之间通 过良好的层间接口进行直接通信，而非相邻层之间不允许进行直接通信。每个协 议层专注于完成本层内部的全部功能，而不必去关心其它层的功能实现。这样做 的好处在于，设备厂商内能够专注于某一协议层的网络设备的开发，进行功能优 化与添加，只要保证层间接口的标准化，就不会影响到整个网络的互通。这一理 念鼓励了设备厂商的技术创新，使得市场上不断出现质优价廉的产品和服务，促 成了全球互联网h l t e m e t 的飞速发展。但是，对于无线动态网络和有线、无线混合 异构网络来说，严格的分层限制了信息获取的灵活性，使得网络设计者无法根据 7 重庆邮电大学硕士论文 无线网络的动态特性做出自适应优化， 栈在上述网络中无法高效运行【1 5 1 7 1 。 在一个典型的无线移动自组织网络 性，使得链路的断开、路由的改变频繁发生，要维护网络的正常运行，就要及时 发送网络控制信息，这就会给低带宽的无线链路带来很大的开销。在某一层次的 性能优化也许还会导致全局协议栈的性能的降低【1 8 】。同时，基于严格分层的协议 栈使得高层协议希望直接得到的网络底层信息需要经历几个中间协议层才能得 到，信息的更新带有明显的迟滞性【l9 1 。针对无线网络的特点及问题，许多研究人 员提出，打破基于t c p i p 或o s i 协议栈的严格分层限制，使得相关协议层次能够直 接进行信息的交互，从而极大提高网络的传输性能【1 7 2 0 1 。于是，一种新的技术， 即跨层设计技术便应运而生。 所谓跨层设计，其主要目的就是打破传统网络的严格分层限制，实现网络协议 栈各层协议之间的相互协调配合，实现网络的综合优化，从而保证系统的高效运 行，提高网络的综合性能。 2 2 跨层设计的基本原理 2 2 1i e e e8 0 2 1l 协议 1 9 9 0 年，i e e e8 0 2 标准化委员会成立i e e e8 0 2 1 1 w l a n 标准工作组。i e e e 8 0 2 1 1 ( 别名：、m - f i ( w 讹l e s sf i d e l i t ) ，) 无线保真) 是在1 9 9 7 年6 月由大量的局域网 以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体访问控制( m a c ) 规范。 i e e e 8 0 2 1 l 协议【2 l j 于1 9 9 9 年成为正式的无线局域网标准。其中，8 0 2 1 1 a 工作在 5 g h z ，最高速率可达5 4 m b p s ，8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z ，最高速率可达1 1 m b p s ，8 0 2 1 1 9 工作在2 5 g h z ，最高速率可达2 0 m b p s ，8 0 2 1 1 n 工作在2 4 g 5 g h z ，最高速率可达 3 2 0 m b p s 。i e e e 8 0 2 1 1 协议媒体访问控制( m a c ) 子层称为d f w m a c ( 分布基础无线 媒体访问，d i s t r i b u t e df o u n d a t i o nw i r e l e s sm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ，有两种访问控 制方式，即为p c f ( 点协调功能，p o i n tc o o r d i n a t i o n 胁c t i o n ) 和d c f ( 分布协调功能， d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n 胁c t i o n ) 两种方式。d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 标准中m a c 协议的基 本媒体访问方法，必须在所有节点实现，主要支持有竞争的业务，延迟比较大。 d c f 基本上继承了从m a c a 和m a c a w 协议定义下来的框架，各个节点以 c s m a c a 为基础自发的竞争信道，使用r t s c t s d a t - a a c k 的握手信号。 d c f 的核心是c s m c a ，包括载波侦听( c a r r i e rs e n s i n g ) 机制、帧间间隔 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 ( i n t e r f 眦l es p a c e ) 和随机退避( m d o mb a c k - o 协议砼别。8 0 2 1 1 根据无线介质的特点 提出了两种载波检测方法。一种是基于物理层的载波检测，从接收射频或天线信 号根据空闲信道评估算法( c l e a rc h 锄e la s s e s s m e n t ) 来估计信道的忙闲状态：另一 种是虚拟载波检测方式，通过m a c 层头部的网络分配矢量( n a v ，n e t w o r k 础l o c a t i o nv e c t o n 来实现。网络分配矢量以字节数为单位，表示下一个传送的数据 包文的大小，要求收到该信息的其他节点在下一个数据包文传送结束以前保持静 默。对其他节点来讲，这段时间相当于检测到信道中有载波存在，所以称为虚拟 载波检测。 帧间间隔包括四种，d c f 帧间间隔( d i f s ，d c fi n t e r f r 撇es p a c e ) ，p c f 帧间间 隔( p i f s ，p c fi n t e r f r 锄es p a c e ) ，短帧间间隔( s i f s ，s h o r ti m e r f r 锄es p a c e ) 和扩 展帧问间隔( e i f s ，e x t e n di n t e r f r 锄es p a c e ) 。这几种帧间间隔应用于不同的场合。 随机退避协议主要是二进制退避算法，与以太网中的冲突解决方法类似。 d c f 使用的是一种竞争算法，这种算法在竞争窗口的范围内选择一个退避时 间，节点在发送数据之前必须等待这个退避时间。在等待的这段时间内，节点必 须不断监测网络是否处于空闲状态。若网络变为忙时，则暂停退避时间计数器。 节点a 发送完数据帧以后，经过d c f 帧间间隔d i f s 长的时间，开始了竞争窗口，在 这个窗口里，第一个退避时间计数器结束并发送帧的节点就可以令其它节点保持 静默，保证自己的帧能够被完整接收。d c f 的基本工作流程如图2 2 所示。在图2 2 中节点c 的退避时间计时器第一个计时结束，然后开始发送帧。这时节点b 和d 的 a 8 b 0ac 口0d d i f s 圈c o n l e n t 0 n w n d o w 圈 f 陷m e b a c k 甜 豳圜圈 隧豳 一 鬣豳 ii 豳圈 图2 2d c f 的基本工作流程 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 退避时间计时器就会暂停，等待节点c 发送完才继续计时。当节点c 发送完毕时， 又开始一个新的竞争窗口。在这个竞争窗口中，节点b 的退避时间计时器先结束， 开始发送，节点d 只好等到节点b 结束传送以后才有机会发送。这种方法有利于提 高无线网络的效率。 若节点在等待过程中不检测信道，退避时间结束以后就马上发送，可能其它节 点正在发送，很有可能发生碰撞。而节点的退避时间计时器在信道忙时暂停，信 道空闲时继续，这一性质保证了网络的公平性。无论一个节点计算出来的退避时 间有多长，也不会无休止的等待下去。在经过一定时间后，其退避时间计时器剩 下来的时间总会比最好优先级的信息的退避时间还要短，这时就会争取到信道发 送信息。 在一帧中的握手过程如图2 3 所示，源节点在退避时间计时器结束以后，等待 d i f s 后发送r t s 帧，通知目标节点接收数据帧乜引。目标节点收到r t s 帧后等待s i f s 短帧间间隔后发送c t s 帧，表示准备好接收，并起到防止隐藏节点的问题。收到 i 玎s 或c t s 帧的其他节点则启动虚拟载波检测，在r t s 或c t s 指定的时间内保持静 默。源节点收到c t s 帧以后等待s i f s 则开始发送数据帧，目标节点在收到数据帧后 等待s i f s 则回复a c k 帧。竞争窗口在a c k 帧结束以后经过d i f s 后启动，开始下一 轮的信道竞争。 d i f s r t sd a t a 一 l i ：l o n s i f s 虱心b i 一 - l 1 6 i f n a v ( r t s ) n a v ( c t s ) 1r n 4 f k ta ， 4 0 0 图2 3r t s c t s 握手过程 但d c f 或p c f 都不支持任何形式的数据优先次序。于是，随着语音和多媒体应 用的不断发展，i e e e8 0 2 1 1m a c 协议有必要增加保证q o s 条款的一套标准，即制 定了8 0 2 1 1 e 标准，包括e d c a 和h c c a 两种接入技术。其中，e d c a 是对d c f 功能 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 的扩展，它指定了四种访问类型，每一种访问类型对应一类数据：语音业务、视 频业务、背景业务和尽力而为业务。为用户提供了8 种优先级，分别对应这四种访 问类型。每一种访问类型配置了四个参数：c w m i i r 最小竞争窗口：c w m a x 一 最大竞争窗口；t x o p 一发送机会限制；a i f s 一仲裁帧间间隔。对于不同的访问类 型，信道空闲的时间也不一样，这个时间为a i f s 。e d c a 的优势体现在：可以为不 同的数据业务提供不同的接入信道参数，实现为用户提供不同优先级的服务。 h c c a 是p c f 的功能扩展，是在p c f 功能的基础上加入了q o s 功能。它可以根据各 终端的数据发送请求来控制发送权和根据数据类型来调整数据发送时间。 2 2 2 无线网络的接入技术分析 由上述可知，无线局域网标准中定义了两种媒体接入控制算法，一种是基本的 d c f 算法，另一种是请求发送允许发送握手d c f ( i 汀s c t sh a n d s h a b n gd c f ) 算法。基本d c f 算法用于短数据帧的传送，r t s c t s 握手d c f 算法则用于长数据帧 的发送。 与其它媒体接入控制算法类似，d c f 算法的主要思想也是避免碰撞。为了降低 碰撞发生的概率，d c f 算法定义了很多机制来避免碰撞，比如，定义了物理载波 侦听、网络分配矢量( n a v ，n e 咖r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 设置、二进制指数退避( b e b ， b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 算法和r t s c t s 握手预留信道等。 但d c f 算法仍然存在一些问题： 1 ) 该算法没有充分利用物理层的潜力，即d c f 算法只是利用了物理层载波侦 听的信息，实际上物理层可以提供更多的能够用于避免碰撞的信息，而d c f 算法 并没有充分考虑这一点。 2 ) d c f 算法使用的二进制指数退避( b e b ) 算法并不能很好地避免碰撞，比 如，在网络节点较多的情况下，即使使用了b e b 算法，多个节点还是可能会因选 择同样数目的退避时隙而导致碰撞。 3 ) i 玎s c t s 帧本身也会发生碰撞，因此d c f 算法定义的i 盯s c t s 握手预留信 道，也并不能保证数据帧被不受干扰地传输。 4 ) 当碰撞发生时，d c f 算法没有任何措施来解救，也就是说，如果发生了碰 撞，就一定意味着数据帧的丢失。 鉴于上述d c f 算法的缺陷，业界还提出了多包接收技术( m p r ，m u l t i p l ep a c k e t r e c 印t i o n ) 。该技术改变了传统的“碰撞等于帧丢失 的物理层模型，能够大大提 高无线随机接入网络的性能，因而是一种非常有前途的技术。目前最被关注的m p r 技术是基于多项相位序列( p p s ，p o l y n o m i a lp h a s es e q u e n c e ) 的多包接收技术。 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 p p s 多包接收技术的主要思想是：每个节点都存储一个公共的码书，码书中包含若 干个特征序列，如果节点有数据需要发送，则随机地从公共码书中选择一个特征 序列来标识其发送的信号。在接收时，接收节点则对公共码书中的所有特征序列 进行穷举搜索，以确定接收到的信号中所含有的特征序列，并根据所确定的特征 序列对多个发射节点发送来的信号进行分离。 对于p p s 多包接收技术来说，虽然其思想是为每个发射节点设置不同的特征序 列，但还是可能会出现不同的发射节点选择同一个特征序列的情况。显然，如果 不同的发射节点选择了不同的特征序列，接收节点则可以通过信号处理方法进行 不同发射节点的信号分离。而如果多个发射节点选择了同一个特征码字，则接收 节点无法根据该特征码字恢复这些节点所发送来的所有信号。 此外，该p p s 多包接收技术还存在其它一些问题： 1 ) 接收节点需要从公共码书中通过穷举搜索的方法确定接收到的信号中所含 有的特征序列，因此计算复杂度极高。并且为了降低多个节点选择同一个特征码 字的概率，p p s 多包接收技术要求公共码书的大小应为节点总数的8 倍。如果网络 中节点数目很大，则公共码书就会非常大，这就使得接收节点的复杂度非常高， 甚至达到不可忍受的地步。 2 ) p p s 多包接收技术要求从同一个节点发送的帧之间的间隔大于接收节点的滑 窗窗口长度，该长度通常为帧长的两倍，而对于媒体接入控制层协议来说，c t s 、 a c k 之类的控制帧需要在很短的时间间隔内及时响应，因此该技术不适合与目前 的媒体接入控制层协议集成。 2 2 3 无线网络的p h um a c 层的跨层设计方案分析 在无线通信系统中，如果多个移动终端同时发送信号，则很可能会因碰撞而导 致帧的丢失。显然，帧的丢失会影响移动终端的数据传输。 图2 4 无线随机接入 1 2 重庆邮电人学硕七论文第二章无线通信系统中的跨层设计技术研究 如图2 4 所示，在无线随机接入网络中，数据包的冲突是个非常严重的问题， 而且不可避免的。传统上，解决冲突的方法是采用m a c 协议控制数据包接入信道 和冲突后的重传管理。当前，虽然m a c 协议是解决数据包碰撞的主要技术，但仍 是不够的，因为当前的m a c 协议还是不能完全解决碰撞问题，尤其是在重业务负 载时碰撞还经常地发生。如果尽力去避免所有可能发生的碰撞问题则会使系统性 能大大降低。 于是，业界人士设计了一个跨层设计方案来解决碰撞问题，以提高系统性能。 由图2 5 可知，在传统的没有跨层设计的网络中，p h y 层和m a c 层通信