（信号与信息处理专业论文）80211n+mac层性能研究与仿真.pdf

北京邮电大学硕士学位论文摘要 8 0 2 ”nm a c 层性能研究与仿真 摘要 无线局域网( w 1a n ) 技术发展迅速，但传输速度慢的缺点始终 是阻碍w i a n 进一步发展的瓶颈。其中m a c 层开销过大是制约吞 吐量提高的重要因素之一。实现更高的传输速率，取得更可靠的性能， 需要全面采用下一代移动通信的关键技术。m e e8 0 2 1 1 n 标准全面改 进了8 0 2 1 1 标准，在物理层引入了正交频分复用( 0 f i ) m ) 与多入多 出( m l m 0 ) 相结合的技术，以及u ) p c 码等先进物理层技术，使传 输速度成倍提高；在媒体访问控制( m a c ) 层采用帧聚合机制、链 路自适应等技术，使数据帧结构锝到优化，m a c 层的性能锝到提升， 网络吞吐能力得到提高。 本文主要对8 0 2 1 1 nm a c 层性能进行研究和仿真。本文内容安 排如下：第一章介绍了w ia n 的历史和发展；第二章介绍了无线局 域网的组成结构；第三章介绍了8 0 2 1 1 基本m a c 协议；第四章分析 了8 0 2 1 1 nm a c 层协议并提出了改善m a c 层执议的毅算法，盎珏分割 聚合的结合，链路自适应算法的选择和改进，波束成型技术的应用等； 第五章首先介绍了n s 2 网络仿真平台，然后对8 0 2 1 1 nm a c 协议和 自己提出的算法进行了仿真并对仿真结果进行了分析，验证了自己的 算法。 关键词8 0 2 1 1 n ，媒体接入控制，分割聚合，链路自适应，n s 2 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ha n ds i m u l 衄o no ft h ep e r f o r l n c e o ft h en 【a cl a y e ro f8 0 2 1 l 珏 t h er a p i dd e v e l o p m to fw h l c 豁h c a la 佗an e 咐o i i 【( w i a n ) h 鹞ty c t b m k c nt h eb o m e c ki h a tt h el o wh 鲫s m i b i o ns p dh i n d e 瑙 t h ef i l r t h e rd c v e l o p m e n t0 fw u 心b u n o w 嫩k e yt e 衄i o l o g i e sf o r n e x t g e n e m “o n脚b i i ec o m m 如i c a t i o n锄s o l v em ep r o b l 锄b y s u p p o r t i n gh i 曲- s p e c dt 瑚s m i s s i o n 阳d 如s u r j n gr e l i a b l ep e 面珊_ a i l c e m e e8 0 2 1 1 nh 鹧m a d eg e n e r a la m e n d m e 毗t 08 0 2 1 1 b 鹬e do ni e e e 8 0 2 1 1 n ，t h et 咖s m i s s i o ns p e c dc 狮b ed o u b l c db yt h ea p p c a t i o no f o 曲o g o 吐if r e q u e n c ) ，d i v i s i o nm u l c i p i e x i i l g ( o f d m ) a 耐m u n i p l ei n p 毗 m u l i i p l e ( 加i p u t ( 加m 0 ) 魄h n o l o 百e s t h ep h y s i c a lj a y e r ；a n dt h e e n h 柚c c dm e d i u ma c c e s sc d n t r o l ( m a c ) s y s t c m p e 响胍a n c c ，叩t i l n i z e d d a t a 丘a 加e 柚di n i p r o v e d e t 、o r kt u g h p u c 伽b ea c h i e v e db yt h e a d 叩i i o no fm 岫ec d n v e r g e ；n c c ，l i n ka d a p t a t i o ni e c h n o l o g i c s 彻i h em a c l a y e r 1 1 l i sa n i d em a i l l l yf o c u s 髂o np e r f o m m n c eo fm a c l a y c fo f8 0 2 1 1 n f i r s i ，w eo v e i e wi h eh i s c o d ra n dd e v e l o p m e n io fw ian s e c o n d l yw e 北京邮电大学硕士学位论文 i n c r o d u c ct b es 劬咖他a n di h eb 勰i c8 0 2 1 1p r o c o 1 n e nw e 卸a l y s e s t h en c w a 1 9 0 f i t h 麟t b a tc 姐矗n p r o v e 娃犯虹o u 曲p u 圭o tw l a n 1 nt h el a s t c h 印c e r ，w e 缸ti n t 州u c et h en e t w d r ks i m u l a l i o n 咖jn s - 2 卸di h s i i l 】吡l a t ea n da n a l y s i st 1 1 ea l g o r i t b m sm e n t i o n e dd b o v e k e yw o r d s 8 0 2 1 1 n ，m a c ，a d 叩t a t i ，a g 伊g a t i ，n s 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： 翌盈亟。 日期： 垒! 马：3 ：! 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。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 北京邮电人学硕i 二学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网的历史与发展m 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，首先是无线计 算机网的历史。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近1 0 几年来 才出现的事情。 无线局域网的发展有两方面的动因，即应用需求驱动和技术驱动，这些分别 导致了无线局域网产品标准和技术标准的标准化活动的活跃。而无线局域网的标 准化活动又与相关的电波法规密切相关。目前，比较活跃的几个无线局域网标准 任务组( 1 g ) 分别代表着无线局域网发展的几个方向。 1 1 1 无线局域网的历史 无线局域网的产生与发展与计算机的应用形态密切相关，而计算机技术的发 展可大致分为三个阶段，即大型机联网阶段、微型机联网阶段和移动计算网络阶 段。 最早出现的无线局域网可认为是夏威夷大学于1 9 7 1 年开发出的、基于封包 式技术的m o h a n e t ，它采用无线电台替代电缆线的原因是为了克服由于地理环 境因素而造成的布线困难。舢o h a n c t 由7 台计算机组成，横跨四座夏威夷岛屿。 o h a n e t 属于中心网络拓扑，设置有上行和下行两个广播信道。主机的数据经 下行信道发往各个用户终端。当计算机用户终端欲发送数据至主机时，终端的无 线收发器( 或集线器) 使用被称为o h a 的信道接入协议，把数据经上行信道发 往朋o h a n c t 中心站，再由该中心站送到主机。上行与下行信道分别使用 4 0 r 7 3 5 m h z 与4 1 3 4 7 5 m h z 频段，数据传输速率为9 6 k b s 。 1 9 7 9 年，瑞士m mr u e s c h l i k o n 实验室的g f c i i 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 p p a l o t o l a b s ) 的f c 玎c n ，从事了一 北京邮j 乜大学硕f ：学位论文第一章绪论 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 t s e q u e n c cs p r e a ds p c c t 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 ) ，这是现有的正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 处获得需要的频段而最终流产。此后的几年问，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 m 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 无线局域网的发展与相关标准化活动 1 ) 第一代无线局域网 1 9 8 5 年，f ( c 颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。它为无线 局域网系统分配了两种频段：一种是专用频段，这个频段避开了比较拥挤的用于 蜂窝电话和个人通信服务的1 2 g h z 频段，而采用更高频率；另一种是免许可证 的频段，主要是i s m 频段，它在无线局域网的发展历史上发挥了重要作用。美 国早期的i s m 频段主要是9 0 2 9 2 8 m h 匕和2 4 0 0 一2 4 8 3 5 g h z ，颁布规则限制发送 功率犀大为1 w ；若采用扩频技术，要求扩频增益不小于1 0 d b ，最大发送功率不 超过1 0 0 l l i l w 。此后几年，许多无线局域网产品陆续上市，如r 加g c l 州的9 0 0 m h z 产品、摩托罗拉的舢t a i r 产品( 工作于1 8 1 9 g h z ) 以及其他的m 技术产品等。 这些产品可以认为是第一代无线局域网产品，它们大都采用了扩频技术。 2 ) 第二代无线局域网 2 0 世纪8 0 年代束期，e e 8 0 2 委员会在正e e 舳2 4 l 任务组下开始了无线 局域网的标准化工作，并于1 9 9 0 年7 月接受了n c r 公司的“c s m a c d 无线媒 体标准扩充”的提案，成立了正e e 8 0 2 1 1 任务组，负责制定无线局域网物理层 及媒体访问控制( m a c ) 协议标准。1 9 9 1 年5 月，i e e e 发起成立了无线局域网 的专题研究小组，并在马基诺塞得伍斯特举行了第一次关于e e 8 0 2 1 1 的专题 会议。1 9 9 7 年6 月2 6 日，正e e 8 0 2 1 1 标准制定完成，并于1 9 9 7 年1 1 月2 6 日 颁布。由a m d 、h a 币s 、3 c o m 、r o 眦t 、i j l c c n i 、n e t 、v a v e 、p r o x j m 等公司发起， 于当年成立了无线局域网联盟w l 州a ( w i r c l e 蟠l o c a i a r c a n e t 、v o r ka l l i a n c c ) ， 并且有越来越多的通信公司加盟。生产厂家在正e e 8 0 2 1 1 标准和联盟协议的基 础上，实现产品的标准化。从1 9 9 8 年开始，许多厂商相继推出了基于e e 8 0 2 1 1 标准的无线局域网产品，它们属于第二代无线局域网设备。第二代无线局域网设 备大都工作在2 4 0 吡2 4 8 3 5 g h z 频段，传输速率为1 2 m b s 。 4 北京邮电人学硕e 学位论文第一章绪论 3 ) 第三、四代无线局域网 正e e 8 0 2 1 1 任务组的研究进展比计划的要慢，而在1 9 9 2 年，由苹果公司领 导成立了一个叫w 玳f o m m 的工业联盟组织，并最终从f c c 处获得了用于个人 通信系统的1 8 9 0 一1 9 3 0 g h z 频段的2 0 m h z 带宽，进行语音的同步传输和数据的 异步传输。同时，欧洲也成立了关于高速局域网( h i p e r l a n ) 的标准化组织， 它获得了5 1 5 巧3 5 g h z 和1 7 1 1 7 3 g h z 两个2 0 0 m h z 频段。1 9 9 7 年完成了 h j p e r l 气n 1 标准的制定，这促使f c ：c 发放了包括5 1 5 巧3 5g h z 和 5 7 2 5 巧8 2 5 g h z 的u n 频段。其中，5 1 5 5 2 5 g i i z 用于室内，配合天线( 必 须的) 后最大输出功率为2 0 0 m w ；5 2 5 巧3 5 g h z 用于校园网，最大输出功率为 2 5 0 m w ，配备天线时可达1 w ：而5 7 2 5 巧8 2 5 g h z 主要用于社区网络，最大输 出功率为1 w ，配备天线时可达4 w 。 由于正e e 8 0 2 1 1 速率最高只能达到2 m b s ，在传输速率上不能满足人们的 需要，因此在不断研究后于1 9 9 9 年9 月又提出了e e 8 0 2 1 1 a 和正e 鹞0 2 1 1 b 标准，传输速率分别可达5 4 m b s 和1 l m b ，s 。2 0 0 2 年通过了正e 踟2 1 1 9 标准， 它允许通过的最大传输速率为5 4 m b ，s ，但仍工作于2 4 g h z 频段，与匝e e 8 0 2 1 1 b 标准兼容。同时h i p e r i n 2 标准也已制定完成，与正e e 8 0 2 1 1 a 类似，工作与 5 g h z 频段，最大传输速率为5 4 m b ，s 。其中，符合压e e 8 0 2 1 1 b 标准的产品已经 较为普及，可以将它归为第三代无线局域网产品：而将符合正e e 8 0 2 1 1 a 、 h j p c r u n 2 和正e e 8 0 2 1 1 9 标准的产品称为第四代无线局域网产品。 1 2 无线局域网的发展趋势田 无线局域网有很多局限性，前面几代无线局域网的发展，主要体现在带宽或 传输速率的提高上。从标准上看，主要是在物理层的改进或扩充方面，如 m e 脚2 1 1 的最大传输速率只有1 2 m b s ，可以采用红外线方式、直接序列扩 频方式或调频( f h ) 方式，并与匝e e 8 0 2 1 1 兼容；e e 8 0 2 1 1 a 、正e e 8 0 2 1 1 9 及 h i 口c r la n 2 的最大传输速率可达5 4 m b s 。 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。无线局域网有以下发展趋势：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 本文所关注的舳2 1 1 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，为达到这一目的，8 0 2 1 1 n 对物 5 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文第一章绪论 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，并提出自己的算法。 6 北京邮l 乜人学硕 ：学位论文第一二章无线局域嗍的纽成原理 第二章无线局域网的组成原理 2 1 无线局域网的组成结构m 无线局域网的物理组成或物理结构如图2 1 所示，由站( s t a t i 咖，s 1 a ) 、无 线介质( w h i e 豁m e d i u m ，w m ) 、基站( b a s t a t i o n ，b s ) 或接入点( a c c c s sp o i n t ， a p ) 和分布式系统( d i s i r i b u t i s y s t e m ，d s ) 等几部分组成。 分 布 式 系 统 无线介质v l v l 图2 1 无线局域网的物理结构 一、站s 1 a ( s t a t i o n ) 站( 点) 也称主机( h o s t ) 或终端( t e 册i i i a l ) ，是无线局域网的最基本组成 单元。网络就是进行站问数据传输的，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、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 问的数字通信，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。 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 c a r e a ，s a ) ， 而把由无线局域网中移动站得无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域 7 北京邮i 乜人学硕j j 学位论文第二章无线局域删的纽成原理 ( 服务区域) 称为基本服务区( b 髂j cs e r v i c e 加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 内彼此之问相互联系、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 s 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 l n l 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 | i i l 。 二、无线介质 无线介质时无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。在 这里指的是空气，它是无线电波和红外线传播的良好介质。 三、无线接入点a p ( a o c c 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 中的不同站自j 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。 四、分布式系统d s ( d i s t m u t i o ns v s t e m ) b s s 2 图2 2 无线分布式系统 一个b s a 所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制。为了覆盖 更大的区域，我们就需要把多个b s a 通过分布式系统连接起来，形成一个扩展 业务区( e x i e n d e ds e r v i c ca r e a ，e s a ) ，而通过d s 互相连接起来的属于同一个 8 北京邮电大学硕i ：学位论文第1 二章无线局域科的组成原理 e s a 的所有主机组成一个扩展业务组( e x t e n d e ds e r v j c cs e t e s s ) 。如图2 2 所 示。 2 2 无线局域网的拓扑结构 、a n 体系结构由几个部件组成，它们之问相互作用而构成了w l 气n ，并 使s 1 a 对上层而言具有移动透明性。 w ia n 的拓扑结构可从几个方面来分类。从物理拓扑分类看，有单区网 ( s j n ec e l l t w o r k ，s c n ) 和多区网( m u l t i p l ec c i ln e 晰o r l 【s ，m c n ) 之分； 从逻辑上看，w l a n 的拓扑主要有对等式、基础结构式和线型、星型、环型等； 从控制方式方面来看，可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；从与外网 的连接性来看，主要有独立w l 气n 和非独立w la n 。 b s s 是、a n 的基本构造模块。它有两种基本拓扑结构或组网方式，分别 是分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑。单个b s s 称为单区间，多个b s s 通 过d s 互联构成多区间。 一一、 丫。v 、 j 嗡 l 9 、 盯m v 文， j 哪。孥_，7 9 北京邮电人学硕i ：学位论文第一二章无线局域m 的组成原理 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。 2 2 2 基础结构集中式拓扑 在r ia n 中，基础结构( 1 1 1 f r 筋t r u c t u r c ) 包括分布式系统媒体( d s m ) 、a p 和端口实体。同时，它也是e s s 的分布和综合业务功能的逻辑位置。一个基础 结构除d s 外，还包含一个或多个a p 及零个或多个端口。因此，在基础结构 w l n 中，至少要有一个a p 。只包含一个a p 的单区基础结构网络如图2 4 所 示。a p 是b s s 的中心控制站，网中的站在该中心站的控制下与其他站进行通信。 有线局域网 图2 4 基础结构( b s s ) 工作模式 与i b s s 相比，基础结构b s s 的抗毁性较差，如果a p 遭到破坏，则整个b s s 就会瘫痪。此外，作为中心站的a p 复杂度较大，实现成本也比较昂贵。 在一个基础结构b s s 中，如果一个站要想与同一个b s s 内的另一个站通信， 必须经过源站到a p 和a p 到目的站的两跳( h 叩) 过程并由a p 进行转接。 2 2 3e s s 网络拓扑结构 e s a 是由多个b s a 通过d s 联结形成的一个扩展区域，其范围可覆盖数公 里。属于同一个e s a 的所有站组成e s s ，如图2 5 所示。在e s a 中，a p 除了 应完成其基本功能( 如无线到d s 的桥接) 外，它还可以确定一个b s a 的地理 位置。 北京邮i u 人学硕i ：学位论文第二章无线局域州的纽j j 笠原理 e s s 是一种由多个b s s 组成的多区网，其中每个b s s 都被分配了一个标识 号( 1 d e n t i f i c r ) b s s i d 。如果一个网络由多个e s s 组成，则每个e s s 也被分配 一个标识号e s s i d ，所有e s s e d 组成一个网络标识n i d ( n e m o r ki d ) ，用以标 识由这几个e s s 组成的网络。( 实际上是逻辑网段，也就是通常所说的子网。) 在图2 - 5 中，b s a l 、b s a 2 和b s a 3 都有一定的重叠( o v e r i a p ) 。实际上， 一个e s s 中的b s a 之间不一定要有重叠。 有线网 图2 5e s s 无线局域网 同样也应当指出，对于e s s 网络，如果没有通过d s 与其他网络( 如有线网) 相连接，则仍然是一种独立的w u 蝌。 2 2 4 中继( r e i a y ) 或桥接( b r i d g i n g ) 型网络拓扑 两个或多个网络( l n 或w l a n ) 可以通过无线中继器、无线网桥或无线 路由器等无线网络互联设备连接起来。如果中间只通过一级无线互联设备，称为 单跳( s i n g l ch o p ) 网络。如果中间需要通过多级无线互连设备，则称为多跳 ( m u l t j p l eh o p ) 网络。 采用中继或桥接型网络拓扑也是一种拓展w l a n 覆盖范围的有效方法。 2 3 无线局域网的逻辑结构 1 1 北京邮i 乜人学硕i 学位论文第二章无线局域叫的组成原理 高层协议层 f 网络层 v n w a n l 数据链路层 i 、1 。a n ii 物理层 图2 6 无线网络逻辑结构 完整的网络结构包括自上而下的各个层次，但无线网络仅仅工作在o s 脉m 的下三层，即通信子网，如图2 6 所示。无线调制解调器( m o d e m ) 或无线电台 只具备物理层的功能：、) l ，ia n 可以包括物理层和数据链路层的功能，只有w w a n 才具有网络层的功能。 2 4l 旺e8 0 2 11 x 无线局域网协议体系 u c 层与其他i e e e8 0 2 局域网一样并共用，而m a c 子层为多种物理层标 准所共用。m e e8 0 2 1 1m a c 子层支持的物理层有以下几种： m e e 8 0 2 1 1 调频( f r c q u e n c yh o p p i n gs p r c a ds p e c t 埘m ，f s s s ) 物理层，在 2 4 g i z 频段上提供1 2 m b s 的传输速率。 m e e8 0 2 1 1 直接序列扩频( d i r e ds e q u e n c cs p f c a ds p e c t n l m ，d s s s ) 物理 层，在2 4 g 频段上提供1 2 m b s 的传输速率。 e e 舳2 n b 物理层，在2 4 g h z 频段上提供l 一1 1 m b ，s 的传输速率。 i e e e 舳2 1 l a 物理层，在5 g h z 频段上提供6 巧4 m b ，s 的传输速率。 i e e e 8 0 2 1 1 9 物理层，在2 4 g h z 频段上提供高达5 4 m b s 的传输速率。 正e e 8 0 2 1 1 红外线( i r ) 物理层，提供1 _ 2 m b s 的传输速率。 正e e 8 0 2 1 1 e 提供q o s 保证。 正e e 8 0 2 1 1 物理层将提供1 0 8 3 4 0 m b s 的传输速率。 在正e e 8 0 2 1 1 系列标准中，通常把相对复杂的物理层又进一步划分为物理层 会聚过程( p h y s i c a l 【丑y c rc 0 n v e r l ，e n c cp m c c d u r c ，p l c p ) 子层、物理媒体依赖 ( p h y s i c a lm e d i u md e p c n d 饥t ，p m d ) 子层和物理层管理子层。p l c p 子层将m a c 帧映射到媒体上，主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的 分组。p m d 子层用于识别相关媒体传输的信号所使用的调制和编码技术，完成 北京邮电人学硕t 学位论文第一二章无线局域叫的组成原理 这些帧的发送。物理层管理子层为物理层进行信道选择和协调。 m a c 层也分为m a c 子层和m a c 管理子层。m a c 子层负责访问机制的实 现和分组的拆分与重组。m a c 管理子层负责e s s 散步管理、电源( 节能) 管理、 以及联结过程中的联结、解除联结和重新联结等过程的管理。 此外，e e 8 0 2 1 l 还定义了一个站管理子层，其主要任务是协调物理层和 m a c 子层之间的交互作用。 北京邮f 乜人学颂j j 学位论文第二三章帅2 l l m a c 层协议 第三章8 0 2 1 1m a c 层协议 3 1i e e e8 0 2 1 1 x 的m a c 协议 在正e e8 0 2 1 1 x 无线网络中，m a c 层功能比较复杂，它主要包括m a c 数 据业务接口、m a c 控制状态机、m a c 管理业务接口、m a c 管理业务机和分布 式业务接口等功能模块。此外，m a c 层的m i b ( m 柚a g c m e n ti n f o 衄a t i o nb 笛e ) 也包含在m a c 的管理功能中，它主要用来存放m a c 的管理信息。 m a c 业务接口从高层或从主机管理实体接收业务请求，根据具体的请求业 务分配到m a c 的数据业务或m a c 管理业务，m a c 数据业务和m a c 管理业务 解释接收到的业务请求，通过相应的信息告状态机( 控制状态机和管理状态机) ， 状态机激发物理层进行有关的业务活动；或者是一个相反的过程。 a p 提供了m a c 分布式系统的接口，主要提供分布式业务。分布式业务从 分布式系统接收业务请求，并将有关的请求传到m a c 控制状态机。与之相反， 分布式业务也从m a c 控制接收指示( i i l d i c a t i o l l s ) 并将其传到分布式系统。 m a c 控制状态机提供分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc 0 0 r d i n a t i o n f u n c t i 仰) 和点协调功能( p o i n tc 0 0 t d i n a t j o nf u n c t i 加) ，提供异步的、无连接的 接入控制，从而有效地利用无线媒体进行通信。 3 2i e e e8 0 2 1 1 xw l a n 的m a c 帧 3 2 1 帧类型 源和目的站之问的状态决定了站之间交换的帧的类型。在正e e8 0 2 1 1 x w i a n 中，定义的帧类型有以下三类： 第一类分为控制帧( 包括r t s 、c r s 、a c k 、c f e n d + a c k 、c f e n d ) 、管 理帧( 包括试探请求、响应、信标、认证、解除认证、广播业务量指示消息( 唧m ) ) 和数据帧三个子类型。 1 4 北京邮i 乜大学硕i ：学位论文 第三章8 0 2 1 1m a c 层协议 第二类帧只有管理帧，包括联结请求响应、重新联结请求响应。 第三类帧分为数据帧、管理帧( 包括解除认证和重新认证) 和控制帧( 主要 是p s p o l l ) 三个子类型。 3 2 2 通用帧格式 每个m a c 帧均由帧头h c a d e r ( 包括帧控制、持续时间，地址和序列控制信 息) 、可变长度的帧体b 0 d y ( 包括特定类型帧信息) 和帧校验序列f c s ( 通常为 3 2 位的c r c ) 等三部分构成，如图3 1 所示。 2266626o 电3 - 24 l 竺兰竺l 竺竺! 竺：! ! i 兰兰! i 兰兰! l 竺竺i ! 型兰竺1 竺竺l 竺竺i 竺13 图3 1 卧c 帧格式 帧控制字段。帧控制字段的格式如图3 2 所示。类型和子类型字段共同标识 帧的功能。在所有的数据或管理类型帧中，后续还有目前的m s d u 或m m p d u 分段时，置多分段字段为1 ，其他时问置为o 。在任何一帧为前面帧重传的数据 或管理类帧中被置为1 ，在其它帧中被置为o 。由于其它字段与本文关系不大， 不再详细介绍。 持续时间i d 字段。 b l b 2b 3 b 7嗨的b 1 0bj i b 1 2 b 1 3b 1 5 比特数： ! ，! - !一! - !- ! ，! - ! ，! ，! - ! ， 图3 2 帧控制字段 地址字段。m a c 帧结构中有四个地址字段，这些字段用于标识b s s l d 、源地 址、目的地址、接收站地址和发送站地址，分别用b s s d 、s a 、d a 、r a 和1 a 表示。 序列控制字段。序列控制字段由分段号和序列号两个子字段构成。分段号从 b 1 到b 3 ，用于标识m s d u 或m m p d u 的每个分段编号。当m s d u 或m m p d u 只有一个分段或在其第一个分段中，分段编号为o ，每个m s d u 或m m p d u 的 后续分段编号以1 递增。序列号从b 4 到b 1 5 ，用以标识m s d u 或m m p d u 的序 号。站发送的每个m s d u 或m m p d u 被分配一个序列编号，序列号由模为4 0 9 6 的计数器得到。序号从o 开始，每个m s d u 或m m p d u 逐个以1 递增。 帧主体字段。该字段长度可变，包含独立类型帧和子类型帧的特殊信息。最 小帧体为o 字节，最大由m s d u 和其它字段长度决定。 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文 第三章8 0 2 1 1m a c 层协议 f ( 葛字段。f c s 字段为b 3 2 的c r c 字段，它由m a c 帧头和帧主体字段计算 得到。 3 2 3 独立类型帧格式 r t s 帧格式。图3 3 定义了r t s 帧的帧格式，其中持续时间单位为微秒， 等于发送的数据或管理帧，外加一个c r s 帧、一个a c k 帧和三个s i f s 间隔所 需的时问。如果计算得持续时间值为分数，则向上取整。 字节数：22664 广1 r 厂t l 竺竺竺l 竺! 竺i 竺i ! l ! l 图3 3 盯s 帧 c t s 帧格式。图3 4 中定义了c r s 的帧格式。其中，c r s 帧的i 认是从前 面r t s 帧的1 a 字段中复制的。持续时间值由前面r t s 帧的持续时间字段减去 发送c t s 帧和s i f s 白j 隔所需的时间。 韩热应叠蓝 l 帧控制l 持续时问lr ai f c s 图3 4c t s 帧 a c k 帧格式。图3 5 定义了a c k 的帧格式。a c k 的r a 由前面直接的数 据、管理或p s p o l l 控制帧的地址2 复制得到。如果前面直接的数据或管理帧的 帧控制字段多分段比特设置为o ，则该持续时间被设为0 ；如果多分段位设置为 1 ，则持续时间值为前面的数据或管理帧的持续时间字段减去发送a c k 及s i f s 自j 隔所需要的时间。 字节数：226 4 l 帧控制l 持续时阃ir a f c s i。ji【一 m a c 帧头 图3 5 c i 帧 其它独立帧格式见参考文献【4 】。 3 2 4 数据帧 数据帧的帧格式与通用m a c 帧格式相同，只是数据帧的格式与子类型无关。 北京邮电人学硕l ：学位论文 第三章8 0 2 1 lm a c 层协议 其中，地址字段的内容取决于t o d s ( 去d s ) 和f 巾m d s ( 来自d s ) 的值，其 定义见参考文献【4 】。若字段的内容为不可用的( n a ) ，则该字段被忽略。 在c f p 期间发送的所有数据类型帧，持续时间字段设为3 2 7 6 8 ，而在竞争期 间发送的所有数据类型帧中，持续时间值按下述规则设置： 如果地址1 字段包含组地址，则持续时间值设为0 。 如果帧的帧控制字段多分段比特为o 且地址1 字段包括独立地址，则持续时 间值设为发送一个a c k 帧外加s i f s 间隔所需的时间。 如果在帧的帧控制字段中多分段比特设置为1 且地址1 字段包括一个独立地 址，则持续时间值设为发送该数据帧的下一个分段外加两个a c k 帧与三个s i f s 间隔所需的时间。 3 2 5 管理帧 管理帧的帧格式也与帧的子类型无关， 其详细格式参见参考文献【4 卜 且地址字段不随帧的子类型而改变。 3 3l e e e8 0 2 1 1 x 的无线媒体接入协议 正e e8 0 2 1 l x 的无线媒体接入协议成为“基于分布式的无线媒体访问控制协 议”( d 刚m a c ：d i s 踊b u t c df u n c t i w i r e l e s s ，m a c ) 。d f 、n i a c 支持a dh o c 和i i l 眈咖c t l i r e 两种类型的无线局域网。 d f w m a c 的基础是c s m c a 。它有两种方式，即分布协调功能d c f ( d i s 砸b u t e dc o o r d i n a t i 彻f u n c t i ) 和点协调功能p c f ( p o i n to r d i n a t i o n f u n d i o n ) 。d c f 是8 0 2 1 1 最基本的媒体接入方式，它的核心是c s m a 。它 包括载波检测( c s ) 机制、帧自j 隔( 1 f s ) 和随机退避( r 锄d o mb a c k o f f ) 规程。 在每一个节点使用c s m a 机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来获取 发送权。d c f 向上提供争用服务，在所有的s 1 a 上都进行实现，用于a dh o c 和i 觚咖c t i i m 网络中。p c f 是可选的( 0 p t i o a 1 ) 媒体访问方法，用于 i l l f r a s t m d u r c 网络结构中。p c f 使用集中控制的接入算法( 一般在接入点a p 实 1 7 北京邮电人学硕j ：学位论文第三章8 0 2 1 1m a c 层悱议 现) ，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各站，从而避免了碰撞的产生。 为了尽量避免碰撞，正e e8 0 2 1 1 x 的m a c 层规定，所有的站在完成发送后， 必须在等待一段很短的时间( 继续监听) 才能发送下一帧。这段时间称为帧间隔 i f s ( i n t e r f h m es p a c c ) 。帧白j 隔的长短取决于该站打算发送的帧类型。高优先 级帧需要等待的时日j 较短，低优先级帧需要等待的时白j 较长。若低优先级的站未 来得及发送而其他站的高优先级的帧已发送媒体，则媒体变为忙态，因而低优先 级的帧只能推迟发送了。这就减少了碰撞的机会。常用的几种帧白j 隔如下： ( 1 ) 短l f s ( s l f s ，s h o r tl f s ) 。s i f s 是最短的帧间白】隔，用来分隔开属于 一次对话的各帧，其长度为2 8 微妙。使用s i f s 的帧有a c k 帧、c r s 帧、过长 的m a c 帧分片后的数据帧，以及所有应答a p 探询的帧和在p c f 方式中a p 发 送出的任何帧。 ( 2 ) p c f 的i f s ( p i f s ) 。p i f s 只能工作在p c f 方式下的站使用，a p 利用 该帧问隔在无竞争时期a 叩( c o n t e n t i o nf r c cp e r i o d ) 开始时获得对媒体访问的 优先权。 为了在开始使用p c f 方式时( 在p c f 方式下使用没有争用) 优先接入媒体， p i f s 比s i f s 要长，它是s i f s 加上一个时限长度( 其长度为5 0 微妙) ，即7 8 微 妙。 ( 3 ) d c f 的i f s ( d i f s ) 。d i f s 由工作在d c f 方式下的站使用，以发送数 据帧m p d u ( m a cp m t o c o ld a t au n i i ) 和管理帧( m m p d u ) 。在网络分配向量 n a y ( n e 细o r k l o c a t i 彻v e d o r ) 和物理载波检测指示媒体空闲后，想发送r t s 帧或数据帧的站监听媒体以保证媒体空闲时间至少达到d i f s 。d i f s 的长度比 p i f s 多一个时限长度，为1 2 8 微妙。 ( 4 ) 扩展的i f s ( e i f s ) 。只要p h y 向m a c 指示帧已开始发送，并且此帧 会引起具有正确f c s 值得完整m a c 帧的不正确接收，那么d c f 就使用e i f s 。 e i f s 的白j 隔不考虑虚拟载波机制，而从检测到错误帧后p h y 指示媒体空闲时开 始。 以上这些帧问隔的长度实际实际上就决定了它们的优先级，即 e i f s d i f s p i f s d 8 p 这里d 是发送台和接收台之间的距离，d 丑p 为衰落模型的转折点，不同信道模型 取不同值。l ，为自由空间衰落模型。 为了评估a - 舢强的性能，我们同时画出理想链路白适应得吞吐量作为基准。 在s 1 a 向远离a p 的方向运动时，由于信号得衰减，到达s 1 a 的信号功率越来 越低，这导致平均s n r 减小，如果固定使用一种m c s ，再s 1 a 距离a p 较近时， 如果m c s 阶数较小，即使p e r 较小，由于受数据速率限制，系统吞吐量也不会 太高。当m c s 阶数较大时，虽然能在距a p 较近时达到较高的吞吐量，但随着 和a _ p 距离增大，由于p e