（通信与信息系统专业论文）多速率无线网络的跨层设计研究.pdf

摘要 摘要 随着无线移动通信的飞速发展，无线移动网络和设备变得越来越流行，因为 它们能够在任何时候和任何地点为用户访问信息和通信提供便利。无线局域网采 用无线传输媒质在局部区域对计算机进行组网，它能在难以布线的区域进行通 信，并提供安装、使用、管理的便利。 i e e e8 0 2 1 1 协议是无线局域网m a c 层和物理层的标准协议。在过去的网络 研究中各站点只能采用一种传输速率进行通信。近年来，通过使用不同的调制和 编码方法，i e e e 8 0 2 1 1 在物理层开始提供多种传输速率，所有控制帧及广播，多 播帧以基本速率传输，数据帧可以根据信道状况选择不同的速率。从多速率机制 有助于提高网络吞吐量和节省能量消耗的角度来看，对多速率问题进行研究具有 重大的意义。其中，如何根据信道状况选择合适的传输速率一直是近几年来多速 率问题研究的主要方向之一。本文结合了网络协议栈跨层设计的思想所谓跨 层设计，是指在网络协议的分层设计方法中，打破层次之间固有的独立性，加强 层间的协同与数据交互，优化整体网络的设计方法通过应用层和m a c 层的 信息交互，设计了一种跨层自适应速率调整算法，并通过仿真验证提升了网络的 整体性能。 同时本文分析了原有的i e e e8 0 2 11 d c f 指数退避机制在多速率环境下存在 的吞吐量异常及信道接入的公平性问题。因此在设计新的速率自适应算法的同时 也应配合改进原始的信道接入协议，才能全面优化网络的性能。针对这一问题， 本文分析了多速率环境下d c f 信道接入协议方式的不公平性，提出了一个基于最 小竞争窗口调整的信道接入协议t f m m a c ，有效地提高了多速率环境下信道接 入的公平性。 本文的主要研究内容与贡献如下： ( 1 ) 分析现有的速率自适应调整算法，结合网络跨层设计的思想，设计出一种 支持跨层信息交互的速率自适应方案，该方案结合了上层的应用需求以及下层的 时间限制，通过应用层与m a c 层速率匹配的思想和参数传递，有效地提升了网 络性能。 ( 2 ) 针对传统的信道接入协议在多速率环境中存在的公平性问题，结合多速率 网络特性，分析了传输速率，数据大小，错误率等对网络吞吐量的影响，通过动 l 摘要 态调整最小竞争窗口实现多速率环境下信道接入的公平性。 ( 3 ) 搭建了模拟实验环境，通过模拟实验验证了本文方案的有效性。 关键词：无线局域网，公平性，跨层设计，多速率 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s sm o b i l e n e t w o r k sa n dd e v i c e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r , a st h e yc a l lf a c i l i t a t e i n f o r m a t i o na c c e s sa n dc o m m u n i c a t i o na ta n yt i m ea n da n yp l a c e w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k su s ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e d i u m st of o r ml o c a la r e an e t w o r k s f o ra r e a s w h e r ew i r i n gi sd i f f i c u l t ，t h e yc a l lp r o v i d ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t i e sa n df a c i l i t a t e i n s t a l l a t i o n ，u s ea n dm a n a g e m e n t t h ei e e e8 0 2 11p r o t o c o li st h es t a n d a r dp r o t o c o lf o rw i r e l e s sl a nm a cl a y e r s a n dp h y s i c a ll a y e r s i nt h ep a s t ，i e e e8 0 2 11 o n l yp r o v i d e dat r a n s m i s s i o nr a t e i n r e c e n ty e a r s ，t h r o u g ht h eu s eo fd i f f e r e n tm o d u l a t i o na n dc o d i n gm e t h o d s ，i e e e8 0 2 11 h a sb e g u nt op r o v i d eav a r i e t yo ft r a n s m i s s i o nr a t e si np h y s i c a ll a y e r s c o n s i d e r i n gt h a t m u l t i r a t e sh e l pt o i m p r o v en e t w o r kt h r o u g h p u ta n di m p r o v es a v i n g si ne n e r g y c o n s u m p t i o n ，r e s e a r c h i n gm u l t i r a t ep r o b l e m si s o fg r e a ti m p o r t a n c e f o ri n s t a n c e ，a m a j o rd i r e c t i o no fr e s e a r c hi nm u l t i - r a t ep r o b l e m si sh o w o n e c a nc h o o s ea na p p r o p r i a t e r a t ea d j u s t m e n ta l g o r i t h mi na c c o r d a n c et oc h a n n e ls t a t u s t h i sp a p e rc o m b i n e st h i n k i n g o nn e t w o r kp r o t o c o ls t a c kc r o s s l a y e rd e s i g n m s o c a l l e dc r o s sl a y e rd e s i g nr e f e r st o b r e a k i n gi n h e r e n ti n d e p e n d e n c ei n l e v e l si nn e t w o r kp r o t o c o lh i e r a r c h i c a ld e s i g n s ， s t r e n g t h e n i n gi n t e r - l a y e ri n t e r a c t i o na n dd a t ac o l l a b o r a t i o n ，a n do p t i m i z i n gt h eo v e r a l l n e t w o r kd e s i g nm e t h o d t h r o u g hi n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r a n dt h em a c l a y e r ，ak i n do fc r o s s - l a y e ra d a p t i v er a t ea d j u s t m e n ta l g o r i t h mi sd e s i g n e d ， a n do v e r a l ln e t w o r kp e r f o r m a n c ei se n h a n c e dt h r o u g hs i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eo r i g i n a li e e eu n d e rm u l t i - r a t e e n v i r o n m e n t i nt h e8 0 2 11d c fe x p o n e n t i a lb a c k o f fm e c h a n i s mf a i m e s si s s u e ss u c ha sl o w u t i l i z a t i o nr a t e si nn e t w o r k sa n dt h r o u g h p u ta n o m a l i e se x i s t t h e r e f o r e ，a sn e wr a t e a d a p t i v ea l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d ，t h e ys h o u l db em a d ei nl i n ew i t ho r i g i n a lc h a n n e l a c c e s sp r o t o c o l si no r d e rt of u l l yo p t i m i z en e t w o r kp e r f o r m a n c e i nr e s p o n s et ot h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef a i m e s so ft r a d i t i o n a lc h a n n e la c c e s sp r o t o c o l su n d e r t h em u l t i r a t ee n v i r o n m e n t ，p r o p o s i n ga na c c e s sc h a n n e lm e t h o db a s e do nm i n i m u m i i i a b s t r a c t c o n t e n t i o nw i n d o wa d j u s t m e n t ，e f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h ef a i r n e s so fc h a n n e la c c e s s u n d e rt h em u l t i r a t ee n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n ta n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a na n a l y s i so fe x i s t i n gr a t ea d a p t i v ea l g o r i t h m st h a tc o m b i n e sd i f f e r e n t t h i n k i n go nn e t w o r kc r o s s l a y e rd e s i g n ，c r e a t i n gak i n do fr a t ea d a p t i v ep r o g r a mt h a t s u p p o r t sc r o s sl a y e ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e s t h i sp r o g r a mc o m b i n e st i m er e s t r i c t i o n s o nu p p e ra n dl o w e ra p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n d ，t h r o u g ht h em a t c h i n ga n dp a r a m e t e r t r a n s m i s s i o no fm a cl a y e r sa n da p p l i c a t i o nl a y e r s ，e f f e c t i v e l yi m p r o v e sn e t w o r k p e r f o r m a n c e ( 2 ) r e g a r d i n gt h ef a i r n e s si s s u ei nt r a d i t i o n a la c c e s sp r o t o c o l si nt h em u l t i r a t e e n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rc o m b i n e sm u l t i - r a t en e t w o r kf e a t u r e s ，a n a l y z e st r a n s f e rr a t e s ， d a t as i z e ，e r r o rr a t e s ，a n do t h e rf a c t o r st h a te f f e c tn e t w o r kt h r o u g h p u t i ta c h i e v e s c h a n n e la c c e s sf a i r n e s su n d e rt h em u l t i r a t ee n v i r o n m e n tb yd y n a m i c a l l ya d j u s t i n gt h e m i n i m u mc o n t e n t i o nw i n d o w ( 3 ) i tb u i l d sas i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta n d , t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， v e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o g r a mp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ，f a i r n e s s ，c r o s s - l a y e rd e s i g n ，m u l t i - r a t e 图目录 图目录 图2 一l 无线局域网的拓扑结构4 图2 2c s m c a 媒介访问机制7 图2 3 基本访问方法1o 图2 - 4r t s c t s 二次握手机制1 1 图2 5o s l 分层模型1 2 图3 1m a c p h y 跨层设计框图2 0 图4 1c b r c 时间块模型2 5 图4 2c b r c 跨层设计框架2 9 图4 3 跨层优化器模型3 0 图4 4 基于视频流的跨层模型3 1 图5 1 理论分析模型3 5 图5 2 离散马尔可夫模型状态转移图3 6 图5 3t f m m a c 设计框架4 0 图6 1 采用一体包安装方式的n s 2 仿真工具目录结构。4 4 图6 2 分裂对象模型示意图4 7 图6 3 修改后的移动节点结构图4 8 图6 4 ，吃，的变化曲线4 9 图6 5 不同节点数对传输速率的影响。4 9 图6 - 6c b r c 在不饱和流量下性能表现5 0 图6 7 竞争窗口大小对节点吞吐量的影响5 1 图6 8 不同竞争窗口下的节点的总吞吐量5 2 图6 - 9 数据包大小对节点吞吐量的影响5 3 图6 1 0 不同包大小下的总吞吐量5 4 图6 1 1p e r = 0 两种算法吞吐量比较。5 5 图6 12p e r = 0 2 5 两种算法吞吐量比较5 6 图6 1 3p e r = 0 7 5 两种算法吞吐量比较5 7 图6 1 4p e r = 0 理论值与仿真值对比5 9 图6 1 5p e r = 0 2 5 理论值与仿真值对比6 0 v 表目录 表目录 表2 1i e e e 8 0 2 1 1 系列参数对比6 表2 2 不同调制方式下的竞争窗1 2 1 值9 表6 1 不同参数下单个数据流的理论吞吐量( m b p s ) 一5 8 v i 缩略词表 m a c b e r a c k r t s c t s 嫩 o a r r b a r c s i d c f c b r c m e d i aa c c e s s b i te r r o rr a t e a c k n o w l e d g e r n e n t r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d a u t or a t ef a l l b a e k 缩略词表 o p p o r t u n i s t i ca u t or a t e r e c e i v e r - b a s e da u t or a t e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 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 c r o s s - l a y e r b a s e dr a t ec o n t r o l t f 【m a ct i m ef a i r n e s sm u l t i r a t em e d i aa c c e s sc o n t r o l p e rp a c k e te r r o rr a t e i x 介质访问控制 误码率 确认帧 请求发送 允许发送 自动速率反馈 机遇式自适应速率 基于接收端的自适应速率 信道状态信息 分布式集中协调功能 跨层速率自适应 时间公平的媒体接入控制 丢包率 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名： 弪违日期：五4 年上月上日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 彳、 签名：2 左，宝导师签名：盟 日期：年月日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着无线移动通信的飞速发展，无线移动网络和设备变得越来越流行，因为 它们能够在任何时候和任何地点为用户访问信息和通信提供便利。无线局域网采 用无线传输媒质在局部区域对计算机进行组网，它能在难以布线的区域进行通 信，并提供安装、使用、管理的便利。作为一种灵活的数据通信系统，无线局域 网是有线网络的延伸，在某些环境还可以替代传统的有线网络。与有线网络相 比，w l a n 有着诸多的显著益处：支持移动性，网络构架灵活、快捷，投资少， 扩展能力强等。 i e e e 8 0 2 1 1 协议是无线局域网m a c 层和物理层的标准协议，同时也是无线 局域网最常用的协议之一。在最初的标准i e e e8 0 2 1 1 1 中，所有的帧都以单一 的速率发送。随着无线局域网物理层开始提供多速率能力，越来越多的标准开始 支持多速率传输。而后续协议版本i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1l b 3 1 在物理层都提 供多速率能力，其规定所有控制帧及广播、多播帧以基本速率发送，而数据帧可 以根据信道状况选择不同的速率：当信道具有高信噪比时可以选择高速率发送数 据；在i e e e8 0 2 1 1 b 中，允许使用的速率有1 ，2 ，5 5 和11 m b p s ；在 i e e e 8 0 2 1 l a 2 1 中，允许使用的速率有6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 。 目前，对于多速率问题的研究内容主要包括两个方面：一方面，当信道的条 件能保证信噪l e , ( s n r ，s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 足够大时，尽量选择较高的速率来提 高网络的吞吐量。另一方面，传输速率越高，b e r ( b i te r o rr a t e ) 越大，因此需要 更高的传输功率来保证b e r 达到一个可以接收的数值。 1 2 研究现状与意义 为了充分利用物理层提供的多速率能力，提高网络的吞吐量，需要设计一种 速率调整的机制。速率调整指的是根据无线信道的状况自适应地选择传输速率。 当信道状况较差时，选择较低的传输速率；反之，当信道条件较好时，选择较高 的传输速率。速率调整包括两个方面：信道质量估计和速率选择。信道质量估计 电子科技大学硕士学位论文 是根据无线信道当前状态来预测它将来的质量。研究的问题包括测量信道质量的 标准，例如信噪比，信号强度( s i g n a ls t r e n g t h ) ，符号错误率( s y m b o le r r o r r a t e ) ，位出错率( b e r ) 等，以及长期预测还是短期预测等。速率选择是根据 对信道状况的估计来选择合适的传输速率，一种常见的方法是阙值选择法。尽管 近几年有众多学者针对无线网络的速率选择提出了各种算法，但不难发现现有的 速率调整算法大都遵循以下模式：估计信道状况得出结论，根据结论采取行动。 随着无线局域网( w l a n ) 技术的发展及支持多速率的i e e e 8 0 2 1 1 新标准的推 出，传统分布式协调功能( d c f ) 的指数退避机制在多速率环境下存在网络利用率 不高、吞吐量异常及公平性等问题。当有一个站点出现信道恶化、降低发送速率 时，其它高速率站点的吞吐量也跟着下降，下降到与低速率站点相当的吞吐量。 这是由于d c f 接入方式是针对单一速率而设计的，实现的是一种接入次数公平 性，对于同样的分组长度，高速率站点只能获得与低速率站点相当的吞吐量。而 高速率站点发送一个分组所需要的时间短，因此在一段时间内高速率站点占用信 道的时间将小于低速率站点所占用的时间，这显然是不公平的。在多速率环境 下，理想的公平性应该是时间公平性，即不同速率的站点占用信道的时间都一 样。这样，信道条件好的高速率通信站点就能获得相对高的吞吐量，体现高速率 的优越性。多速率环境下的基于信道状态和节点速率的退避算法以及竞争窗口的 调整，都将是需要研究的课题。 因此，如何选择合适的传输速率以及如何保证多速率机制下的信道公平接 入，仍然是无线网络研究的重要方向。 针对以上问题，本文提出了一种以应用层，m a c p h y 层为主的跨层速率自 适应算法，使应用层的流量速率和物理层的发送速率相匹配，并设计了一种可参 考的跨层协议栈模型。其意义在于打破了通过信道状况参数( s n r ，b e r 等) 进行 速率调整的传统思维，结合了上层的应用需求以及下层的时间限制，首次提出了 一种支持跨层q o s 保障的速率调整方案。同时，本文配合新的速率调整模型， 设计了一套适用于多速率机制的信道接入协议( t f m m a c ) 替代原有的 i e e e 8 0 2 1 1 d c f 机制，使得多速率网络的性能得以全面提升。 1 3 论文的组织结构 全文共分为七章，第一章为引言，介绍了本课题的研究背景及问题的提出。 第二章以无线局域网为立足点，介绍了其拓扑结构，i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议和多速 2 第一章引言 率机制，为后续问题的分析打下了基础。介绍了无线网络跨层设计的研究背景和 现状，为研究提供了基本的理论基础。 第三章具体分析了多速率机制的研究现状，比较了现有速率调整算法的原理 和不足，指出了将速率自适应与跨层设计结合的优势和必然性，同时分析了在多 速率环境下i e e e 8 0 2 1 1 d c f 机制的公平性问题，指出速率自适应的研究应考虑到 站点接入信道的公平性。 基于上述的分析研究，本文第四章提出了一种以应用层，m a c p h y 层为主 的跨层速率自适应算法，使应用层的流量速率和物理层的发送速率相匹配，并设 计了一种可参考的跨层模型。 现有的速率自适应算法如a r f ，r b a r 等都能利用物理层的多速率能力，并 在定程度上提高了网络的总吞吐量，但它们采用的接入方式仍然是i e e e 8 0 2 1 l 中原始的d c f ，这在多速率环境下必然会导致不同速率节点接入信道的不公平。 因此，本文第五章在提出跨层模型的基础上，增加考虑了这一因素，提出了一套 适合多速率这一特殊环境的基于时间公平的信道接入协议t f m m a c ( t i m e f a i r m u l t i r a t em e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ，该协议通过动态地调整竞争窗口的最小值，有 效的保证了在多速率网络中站点接入信道的时间公平性。 第六章是方案的验证部分，对本文提出的方案进行了具体描述，并根据放仿 真结果对方案进行了评价。 第七章对整个研究过程进行了回顾，并对以后的工作进行了展望。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章多速率无线局域网概述 2 1 无线局域网的优点和拓扑结构 无线局域网是在局部区域内以无限媒体或介质进行通信的无线网络，是一种 灵活的数据传输系统。与有线网络相比，w l a n 具备通信可靠，成本低，支持可 移动性，组网灵活，快捷，可伸缩性高以及投资少等诸多优点。 无线局域网能配置成不同的拓扑结构来满足具体的应用和安装需要。从逻辑 和控制方式来看，w l a n 的拓扑结构可分为两类：分布对等式( i n d e p e n d e n t m o d e ，也称为a dh o c ) 和中心式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 拓扑，见图2 1 。分布式 对等网络是一种典型的，以自发方式构成的单区网，站之间的关系对等，在可以 直接通信的范围内，任意站之间可以直接通信无需a p 转接。中心式拓扑中的a p 用于实现站点通信的转接，控制站点对网络的访问。分布式对等网络适合小规 模，小范围的w l a n 系统，而中心式网络可服务于大量用户。 移动终 固定终端 同固定终端同 茵筐0 ，- 矗f 7 _ l 以太网群a p 向囤 皂h罡 端 昼 a i n d e p e n d e n tm o d e 示意图 b i n f r a s t r u c t u r em o d e 图2 - 1 无线局域网的拓扑结构 2 2 无线局域网的相关标准 近年来一系列标准的推出，大大地促进无线局域网的研究与发展。目前，无 线局域网的标准有很多，主要包括电子电气工程师协会( i e e e ) 制定的8 0 2 1 1 系 4 昼 第二章多速率无线局域网概述 列和欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定的高性能无线局域网( h i b e m a l ) 标准， 另外还有面向近距离个人区域网络( p a n ) 的蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准和面向家庭 应用的h o m e r f 。 蓝牙( b l u et o o t h ) 技术是一种支持点到点，点到多点语音和数据业务的短 距离无线通信技术，自1 9 9 8 年以来，推出了1 0 a ，1 0 b 标准并将推出2 0 标 准。它极大地推动了个域网( p a n ) 技术的发展，i e e e 专门成立了i e e e 8 0 2 1 5 小组负责研究基于蓝牙的p a n 技术。h o m e r f 由h o m e r f 任务组开发，是在家 庭区域内，p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放式工业标准。它工 作在2 4 g h z 频段，支持语音和数据，语音通信采用d e c t 标准，数据通信采用 t c p i p 协议。i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 是目前无线局域网领域使用最广泛的两个 典型标准，下面本文将对这两个标准做详细介绍。 2 2 1i e e e 8 0 2 1 1 系列 i e e e8 0 2 1 1 系列是指由i e e e 8 0 2 1 1 标准任务组提出的协议族，是目前应用 最为广泛的w l a n 标准。1 9 9 7 年6 月，该工作组推出了第一代w l a n 标准 i e e e 8 0 2 11 ，1 9 9 9 年推出了改进版本，该标准定义了物理层和媒介访问控制子层 ( m a c ) 的技术规范。在随后的几年中，又陆续提出了一系列修改后的 i e e e 8 0 2 1 1 规范，旨在在数据速率，安全性，移动性等方面加强w l a n 的性 能。i e e e8 0 2 1 1 系列标准中支持的物理层有i e e e 8 0 2 1 l ，i e e e 8 0 2 11 b ， i e e e 8 0 2 1 l a ，i e e e 8 0 2 1 1 9 四个标准。这四个标准的工作频段、信号调制方式以 及支持的数据发送速率都不尽相同：i e e e 8 0 2 1 1 采用的物理层技术有直接序列扩 频( d s s s ) 、跳频扩频( f h s s ) 、红外线( i r ) ，传输速率1 - 2 m b p s ，工作频 段为2 4 g h zi s m 。为了提高数据通信速率，i e e e 8 0 2 1 1 b 增加了补码键控 ( c c k ) 调制，在i e e e 8 0 2 1 1 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和 11 m b p s ；i e e e 8 0 2 11 a 工作在5 g h z u - n i i 频段，通过正交频分复用( o f d m ) 技 术进一步将通信速率提高到5 4 m b p s 。i e e e 8 0 2 11 9 是为了方便用户从 i e e e 8 0 2 1 1 b 向i e e e 8 0 2 1 1 a 过度而发展的规范，它构建在既有的i e e e 8 0 2 1 1 b 物 理层与介质层标准基础上，采用o f d m 调制技术，工作在2 4 g h z 频段，可提供 5 4 m b p s 的传输速率。为了兼容i e e e 8 0 2 1 l b ，i e e e 8 0 2 1 1 9 保留了8 0 2 1 1 b 中的 标准模式，如补码键控( c k k ) 等。i e e e 8 0 2 1 1 n 将提供1 0 8 3 4 0 m b p s 的传输速 率。其参数对比见表2 1 。 5 电子科技大学硕士学位论文 表2 1i e e e 8 0 2 1 1 系列参数对比 8 0 2 1 l8 0 2 1 1 b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 l g 物理层 d s s s ，f h s s ，i r d s s so f d mo f d m m a c 层 c s m a c ac s n w c ac s m l c ac s n 眦a 频带 2 4 g h z , 9 0 0 m h z2 4 g h z ,5 g h z ，2 4 g h z , 1 ，2 ，5 5 ，6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，最高可达 传输速率 1 ，2 m b p s 1 1 m b p s 4 8 5 4m b p s 5 4 m b p s g f s k ( f o rm - i ) d b p s kb p s kq p s k 编码调制 c c k d p s k ( f o rd s )d q p s kc c kq a m 此外，i e e e8 0 2 1 1 还有多个扩展版本，旨在不同方面加强w l a n 的性能， 如i e e e 8 0 2 11 e 的目的在于为用户提供q o s 保障，i e e e 8 0 2 1 1 f 改善了 i e e e 8 0 2 1 1 协议的切换机制，i e e e 8 0 2 1 1 i 则重在加强网络安全性，使用户能够 在不同的无线信道或接入设备间漫游，正在制定中的8 0 2 1 1 n 将提供最高达 3 2 0 m b p s 的传输速率以及更加完善的q o s 管理。 2 2 2h i p e r l a n 系列 i e e e 8 0 2 11 无线局域网可以认为是美国工业化的代表，它代表的是无连接的 w l a n 标准。成功的欧洲产业标准的代表是以h i p e r l a n 为典型的宽带无线接入 网。h i p e r l a n 由e t s i 提出，是以无线a t m 为基础的面向连接业务的标准，其 系列包括四种：h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 、为固定户外应用访问有线基础设施而 设计的h i p e r a c c e s s ，以及设计用于户内无线骨干网的h i p e r l i n k 。h i p e r l a n 中是 w l a n 的有两种：h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 ，目前较有影响的是h i p e r l a n 2 。 h i p e r l a n 2 是一种支持q o s 控制的先进的w l a n 标准，在标准制定过程中与 i e e e 8 0 2 1 1 进行了紧密合作。它包含三个基本的层：物理层( p h y ) ，数据链路 层和汇聚层；工作在u - n i i 频段，采用动态t d m a t d d 的m a c 层协议和 o f d m 物理层，提供高达5 4 m b p s 的传输速率。h i p e r l a n 2 与i e e e 8 0 2 1 1 a 的主 要区别在m a c 子层。 h i p e r l a n 2 标准采用了很多的先进技术，如面向连接的数据链路层、自动频 率管理、节能管理、q o s 支持、安全性和移动性支持。然而，h i p e r l a n 只是在 6 第二章多速率无线局域网概述 欧洲得到业界的大力支持，加之产品推出较慢，影响不如i e e e8 0 2 1 1 系列。 2 3i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议 i e e e8 0 2 1 1 系列标准规定了两种m a c 模式：分布式协调功能( d c f ) 和集 中协调功能( p c f ) ，两者均基于载波侦听多址访问冲突避免( c s m a c a ) 机 制。d c f 是i e e e 8 0 2 11 m a c 层协议规定的基本访问方法，p c f 则是可选媒介访 问方式。分布式协调功能所采用的c s m a c a 媒体访问机制如图2 2 所示，在无 线网络中站点a e 共享信道，a 成功发送数据后，b 、c 、d 都监听到信道空 闲，便启动退避计数器；其中站点c 的退避计数器首先减至零而获得信道开始发 送数据；此时b 、d 将退避计数器悬挂不予计数，直至站点c 的数据发送完毕 后，退避计数器重新计数以竞争信道。当站点e 准备发送数据时，为了避免冲突 和恶性竞争，需要产生一个随机退避值，当退避计数器递减到零信道仍然空闲 时，才发送数据。 终端a 终端b 终端c 终端d 终端e d i f s f r a m e 1 , 5 w 。1 d e f e l 。b a c k o f f 一f r a m ei 1 1 j p e f e c w 1 1 l f r a m e 。d e f e r 。c w r - - tf r a m e d e f e r c w 卜一 1 1 一f r a m e1 c w ：竞争窗口 口回退 f r a m e ：帧 匕= 剩余回退 图2 - 2c s m a c a 媒介访问机制 d c f 采用物理虚拟载波侦听、帧间间隔区分，退避机制以及r t s c t s 握手 等技术，来保证数据可靠、有效地在无线媒介上传输，以减少碰撞，提高网络性 能。结合目前协议标准的应用情况，本文把i e e e8 0 2 1 1d c f 作为研究分布式无 线局域网m a c 机制的基础，并在后面的章节对d c f 采用的一系列技术进行介 绍。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1i e e e 8 0 2 11 的多速率机制 在最初的无线局域网标准i e e e8 0 2 1l 中，所有的数据帧都以单一的速率发 送。而在后续协议版本i e e e 8 0 2 1 1 a ，i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 n 中物理层都提 供多速率能力。i e e e 8 0 2 11 b 中允许使用的速率有1 ，2 ，5 5 和11 m b p s ； i e e e 8 0 2 1 l a 2 】中，允许使用的速率有6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4 m b p s 。 下面以i e e e 8 0 2 1 1 b 为例来介绍其多速率机制。 i e e e 8 0 2 1l b 3 是当前无线网的主流标准。它规定采用2 4 g h z 频带，调制方 法采用补码键控( c k k ) 。c k k 来源于直接序列扩频技术，多速率机制的媒体接入 控带w j ( m a c ) 确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时，传 输速率能够从1 1 mb p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技术调整到 2 m b p s 和1 m b p s 。i e e e8 0 2 11 a 是i e e e8 0 2 1 1 标准的另一个扩充，它工作在 s g h z u n h 频带，采用正交频分复用( o f d m ) 扩频技术。传输速率范围为6 m b p s 一 5 4 m b p s 。支持语音、数据、图像业务；提供移动接入动态视频系统和其他多媒体 内容的功能，并且可以转换大量文件，支持高密度用户环境。 i e e e 8 0 2 1l b ，a 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e8 0 2 1 1 标准定 义，它们只影响i e e e8 0 2 1 1 标准的物理层，增加了更高的数据传输速率和更健 全的连接性。从技术角度，i e e e 8 0 2 11 a 比i e e e 8 0 2 1 1 b 在整体上具有更高的性 能。本文的研究则是以该i e e e 8 0 2 1 1 b 协议为模型进行分析。 2 3 2 载波侦听机制 i e e e 8 0 2 1 1 基本媒介访问控制方法是基于二进制指数退避策略的载波侦听多 址访问碰撞接入( c s m a c a ) 机制。c s m a c a 是一种先听后说的机制。在该 类型的访问机制中，站点在开始新的发送前必须首先监听媒介。如果媒介上已有 信息正在传输，则该站点将不会发送本地信息。此即载波侦听的多址访问部分 c s m a ，是在物理层p h y 提供的物理载波检测基础上实现的。 因为无线设备不能同时发射和接收，在实际中为了避免单纯依靠物理层机制 可能带来的不确定问题( 比如会受到阴影效应的影响) ，i e e e 8 0 2 1 1 采用被称为 虚拟载波侦听的机制，即碰撞回避策略。虚拟载波侦听是通过网络分配矢量 ( n a v ) 来实现的。n a v 是表示媒介空闲剩余时间的值，具备网络中媒介传输 协调安排的最新信息，它是避免冲突产生的备用