（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80211的qos机制性能仿真评估.pdf

华中科技大学项士学位论文 攘要 、( 无线局域网( w l a n ) 与传统的以太网相比，更灵活、更廉价并且易于扩展，是 计算机网络与通信技术相结合的产物。目前高速和移动性是局域网发展的主要方 向，作为基础物理接口的无线局域网技术将是实现计算机网络与个人通信服务 ( p c s ) 相结合的关键技术之一。它能够满足各种便携式设备的接入、计算机局域网 的远程接入，还能实现声音、图文以及电子邮件的传输。i e e e8 0 2 1l 协议是无线 局域网协议中的主要代表，它对0 s i 参考模型中的物理层( p h y ) 与数据链路层中的 信道访问控制( m a c ) 子层进行描述：7 本文首先概要介绍了m e e 8 0 2 1 l 的相关技术，然后重点分析了其q o s 机制的 实现，即它的m a c 层数据服务机制分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 两种媒体接入机制。并且介绍了最新提出且尚未定入标准的提高d c f 方式( e d c f ) ， 一种针对d c f 的改进算法。文中描述了几种接入方式的实现机制和异同。本文的 第一此仿真工作使用8 0 2 1 1 的两个基本q o s 机制加入e d c f ：首先采用网络仿真器 o p n e t 设计了一个w l a n 场景对d c f 和p c f 以及e d c f 的实时数据传输的网络性 能进行了仿真，从吞吐量和接入时延两个方面得到结果，并分析结果和评估两种 基本q o s 机制的优劣以及e d c f 的提高之处。然后，针对目前几种非e e8 0 2 1 1 标 准的d c f 改进算法和p c f 同时建模仿真，即针对d c f 、e d c f 、d f s ( 分布式事件机 制) 以及b l a c k b u r s t 共四种网络服务的仿真结果展开分析研究。针对它们的吞吐量、 接入时延的仿真曲线对其各自的性能进行了详尽的分折并得出结论。 关键字：i e e e8 0 2 1 1 ，q o s ，w l a n ，仿真，m a c ，d c f ，p c f ，e d c f 华中科技大学项士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sl a ni sm o r e f l e x i b l e ，c h e a p e ra n d e a s i e rt oe x p a n d c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a le t h 豇 n e t ，a n di ti st h e p r o d u c to f t h ec o m b i n a t i o no f c o m p u t e rn e t w o r ka n d t e l a c o m m a n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s p m s c n f l y ，l t i g h - s p c o da n dm o b i l i t y a r et h em a i n d i r e c t i o n st h a tl a n sd e v e l o pt o w a r d i tw i l lb eo n eo f t h e k e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z e t h ec o m b i n a t i o n o f c o m p u t e r n e t w o r ka n d p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e i tc a nn o t o n l ys a t i s f yt h en e t w o r k a c c e s so f m a n yk i n d so f p o r t a b l e e q u i p m e n t s ，b u t c a na l s o r e a l i z em a n yf u n c t i o n ss u c ha sf a r - o f f a c c e s s ， c h a r a c t e r s p i c t u r e st r a n s m i s s i o na n d e m a i l ss e n d i n go f f a r - o f f l a n i e e e8 0 2 1li st h em o s t r e i x r e $ e n t a t i v ep r o t o c o la m o n g t h o s ew l a no n e s i td e s c r i b e sp h y l a y e ra n dm a cs u b l a y e ro f d a t a l i n k l a y e r a c c o r d i n g t oo s ir e f e r e n c em o d e l t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e l a t i v et a c h n o l o g i c so f i e e e8 0 2 11a tf i r s t i n t h ef o l l o w i n gc h a p t e r ，t h er e a l i z a t i o no f i t sq o sm e c h a n i s m sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ， i e ，t h ec o m p o s i t i o na n dd a t as e r v i c e so f i t sm a c l a y e r m a cl a y c t i sc o m p o s e d 、衍t i l d c fa n dp c fm e d i aa c c e s sm e c h a n i s m s a ne n h a n c e d d c f ( e d c f ) m e c h a n i s m i s a l s od e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r f i r s t l y ，w ed e s i g nas c e n a r i ot oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c e so f d c f ，p c f a n de d c ff r o mt h et h r o u g h p u ta n da c c e s sd e l a y t h r o u g h o p n e t a d d i t i o n a l l y ，t h i st h e s i sa d d sd f s ( d i s t r i b u t e d f a i rs c h e m e ) m o d e la n d b l a c k b u r s tm o d e lt ot h ee x i s t i n gm o d e l st or e s e a r c h a f t e rm o d e l i n g ，w e d e s i g n e d a n o t h e rs i m l l l a t i o n9 科m 嘲a n ds i m u l a t i o n p m - a n l e t e r s t oe v a l u a t eq o so f t h ef o u r m o d e l s t h el a s tp a r te v a l u a t e st h e i rn e t w o r k l 笼r f o r m a n c e sa n d d r a w sc o n c l u s i o n s t h r o u g ha n a l y z i n g t h es i m u l a t i o nc u r v e so f t b e t h r o u g h p u t a n dt h ea v e r a g ea c c e s s d e l a y k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1 l ，q o s ，w l a n ，s i m u l a t i o n ，m a c ，d c f ，p c f ，e d c f 1 、绪论 1 1 无线局域网发晨概况： 1 1 1 分类及结构 无线网络是融合了几种不同的网络技术、通信范围和传输带宽的一种网络。它 涉及互联网、城域网( m a n ) 、局域网( l 以及最近的无线个域g ( w p a n ) 。 无线局域网是指集中在小范围内的无线网络。它采用射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术，代替了传统的双绞铜线( c o a x i a l ) 所构成的局域网络。现在使用最为广泛的协 议是正e e8 0 2 1 1 协议，其他还有诸如i - i i p e r l a n 2 和h o m e r f 等，但它们的使用范 围小于8 0 2 1 1 。目前无线局域网运用的通信技术主要可分为三大类：窄频微波 ( n a r r o w b a n dm i c r o w a v e ) 技术、扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术及红外( i n f r a r e d ) 技术，其 中以扩频技术为主。采用扩频技术的无线局域网的主要依据是美国联邦通信委员会 ( f c c ) 规定的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l ) 频段u l 。其规定的频率范围是 9 0 2 m 9 2 8 z 及2 4 g 2 4 8 4 g h z 两个开放的频段，即没有授权的限制。而 h i p e r l a n 2 和8 0 2 1 l a 在5 g i - i z 频段工作，它们的传输速度更高但是传输范围更小。 无线局域网包括三种基本的网络结构：i b s s 0 n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t 独立 基本服务集) 、b s s ( b a s i cs e r v i c es e t 基本服务单元) 以及e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t 扩展服务集) ，它们的关系如图1 1 所示。所有这些配置都支持m a c 层。在i e e e 8 0 2 1 l 标准中定义了两种模式：无中心模式a dh o c a b s s ) * 0 中心模式岫c t u r e ) 。 a d h o c 网络类似于点到点的小型网络，它的每个结点是对等的，都可以充当服务器 的功能。i b s sw i a n 是由一些能够相互之间使用无中心或者中心方式连接的结点 ( 无线站) 组成的网络，这些结点构成了一个全网络或者局部网络结构的拓扑。通常 说来，a dh o c 网络所覆盖的小范围无法和大型网络连接。如果使用有中心结构的组 网方式，那么该无线网络中至少包括了一个连接到有线雕和无线终端站的a p ，这种 配置就被称为b s s 。由于大部分w u 、n 需要接入到有线网中以求得到一些服务，所 以它们必须按照有中心结构组阙，并且每一个w l a n 单元或者信道必须依赖一个 a p 作为逻辑服务器。侧如，a 结点和b 结点之间的通信，其实过程是数据从a 流 向a p 然后从a p 再流向b 。也就说a p 执行了网桥的功能，连接了多个w l a n 单 元或者信道。通过这种方式，由很多b s s 就组成了e s s ( 扩展服务集合) 。也就是说， l 华中科技大学项士学位论文 e s s 的配置包括多个可以通过有线或者无线骨干网连接的b s s 单元。i e e e8 0 2 1 1 支持在e s s 中，多个单元共用信道，并且使用不同的信道来增加总体吞吐量。 图1 1 扩展服务集合( e x t e n d e ds e r v i c es e 0 1 1 2 现有标准 目前无线局域网标准主要有i e e e8 0 2 1 l 、h o m c r f 、h i p e r l a n 2 以及蓝牙技术 等，它们各有其特点，其应用领域也不尽相同【5 1 。 1 、i e e e8 0 2 1 l 标准：i e e e8 0 2 1 1 标准定义了物理层和媒质访问控制( m a c ) 层的规范，允许w l a n 及无线设备制造商建立互操作网络设备。物理层r f 传输 采用了跳频扩频( f s s s ) 和直接序列扩频( d s s s ) 两种方法，工作在2 4 2 4 8 3 5 g h z 频 段。m a c 层的多点接入采用分布协调功能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 ) 、 点协调功能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 ) 以及两者的结合。i e e e8 0 2 1 l 同时还提 供了带确认帧a c k 的载波侦听多路接a 冲突检测( c s m a c a ) 机制。 2 、h o m e r f 标准：是由h o m e r f 工作组开发的，用于家庭区域范围内在p c 机 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放工业标准。 3 、h i p e r l a n 2 标准：高性能局域网( i - i i p e r l a n 2 ) 是e t s 制定的目前最为完善 的w l a n 协议。h i p e r l a n 2 标准是对目前对无线接入系统的补充，其物理层速率 最高可达5 4 m b i t s ，第三层可达2 5 m b i t s 。它的协议包括物理层、数据链路层( d l c ) 和汇聚层f c l ) 。 4 、蓝牙标准( b l u e t o o t h ) ：它是一个针对无线数据与语音通信的开放性全球规范， 它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一种特别连 2 接此标准工作在全球通用的2 4 g m a s m ( 即工业、科学、医学) 频段。蓝牙支持点 对点和点对多点连接。 这些标准都没有具体给出网络层的协议，因此w l a n 的组网方式并没有确定的 标准。目前，8 0 2 1 1 系列和h i p e r l a n 中采用的都是基于接入点c a p ：a c c e s sp o i n t ) 的集中式组网方式。而蓝牙和h o m e r f 主要采用的是自组建网( a d b o c ) 方式。从市场 方面来看，i e e e8 0 2 1 1 系列是发展最快的标准，另外蓝牙和h i p e r l a n 也被看好， 其中蓝牙所涉及的组网区域和组网特点与i e e e8 0 2 1 1 可以互补。 1 2i e e e8 0 2 1 1 概述 1 2 1 发展简介 i e e e8 0 2 “是正e e 8 0 2 协议族的一员。i e e e 8 0 2 协议族主要是关于局域网技术的说 明。和其他族成员一样，基本的8 0 2 1 1 标准主要包括8 0 2 1 1 m a c 层和两个物理子层： 跳频扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 物理子层和直接序列扩频 d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 物理子层。8 0 2 n 是第一个使得各个厂商产品的 互操作性成为可能的无线局域网标准。该标准在i s m 频带的s 频段使用扩频技术将数据 速率提高到2 m b p s ，并且保证了一定的q o s ，其媒体访问控制( m a c ) 支持鉴权、扰码、 频率管理和功率限制功能，这些是以前8 0 2 标准的m a c 层无法提供的1 2 】。 i e e e8 0 2 1 1 第一个协议于1 9 9 7 年获得批准( 该标准目前已经废止) 。1 9 9 9 年，i e e e 修正了9 7 年版中的一些错误，并使其符合j t c l 要求，从而形成统一的j t c l i e e e 标准， 称为i e e e8 0 2 1 l 的9 9 年版。由于8 0 2 1l 速率最高只能达到2 m b p s ，不能满足高速传输 的需要，正e e 于1 9 9 9 年又推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个扩展标准。 在8 0 2 i l a 中加入一个基于正交频分多路o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术的物理层描述，8 0 2 1 1 a 还增加了高速数据传输内容，速率可达5 4 m b i t s ， r f 工作在5 g i - i z 频段；i e e e8 0 2 1 l b 工作于2 4 g h z 频段，传输速率最高可达11 m b p s p j ， 用补偿码键控( c k k ) 调制方法，在8 0 2 1 l b 中加入了一个咖s s s ( 即h i g h - r a t ed s s s ) 物 理层的描述。由于8 0 2 1 l b 的m i b 定义存在缺乏互操作性的不足，所以于2 0 0 1 年1 0 月 获得批准的8 0 2 1l b c o r l 标准，目标是修正这些不足。 此外，8 0 2 1 1 还有一些其他的扩展规范如：8 0 2 1 1 c 8 0 2 1 l i ，它们是上述规范的一 些修正，或者是为了扩大上述规范的应用场合。其中，8 0 2 1 l c 于1 9 9 8 年获得批准，目 的是向8 0 2 i d 提供所需的8 0 2 1 1 标准信息；8 0 2 1 l d 主要针对的是不同国家和区域之间 2 4 g h z 频段w l a n 的互操作性，于2 0 0 1 年6 月获得批准，它将8 0 2 1 l b 扩展到目前不 一一 3 华中科技大学项士学位论文 _ _ _ _ _ l l _ l _ _ _ l i i i _ - l i _ _ _ _ l l _ _ _ l - - 能用的国家和地区； 8 0 2 1l e 则针对的是w l a n 的安全问题，提出了优于传统w e p 算法的a e s ( a d v a n c e d e n c r y p t i o ns y s t e m ) 安全算法，目的是增强m a c 层以扩展支持q o s 应用，并考虑增强分 布式协调功能d c f 和接入点协调功能p c f 的效率； 8 0 2 11 f 目的是开发接入点互联协议( i a p p ) 的可操作性，该协议可以使不同厂家的多 个接入点通过一个支持8 0 2 1 l 无线局域网链路的分布式系统互操作： 8 0 2 1 1 9 目的是探讨扩展i e e e8 0 2 1 1 b 的物理层标准，使物理层最高数据传输速度 从目前的1 i m b p s 提高到2 0 m b p s 以上，i e e e8 0 2 1 l g 标准同i e e e8 0 2 1 l a 一样，采用 o f d m 调制技术，该标准可以提升家庭、公司和公共场所的无线互联网接入速度，使无 线网络的传输速度达到5 4 m b i t s ，与9 0 2 1 1 b 兼容并且比8 0 2 1i b 的传输速度快5 倍，但 使用的频带和过去的一样仍是2 4 g k 频带； 8 0 2 1 1 h 目的是增强8 0 2 1 l 的m a c 层和$ 0 2 1 l a 的物理层，主要功能是网络管理以 及对5 g h z 频段的频谱和传输功率管理，目的是使欧洲的管理机构认可8 0 2 1l 的5 g h z 产品； 8 0 2 1l i 目的则是增强8 0 2 1 l 的m a c 层以增强安全和认证机制。 匝e e8 0 2 1 1 的常用几种协议发展过程见表1 1 表1 1 】巳e8 0 2 1 1 发展过程一览表 年中科技大学顼士学位论文 1 2 2 网络组成 图1 2 e e8 0 2 1 ll a n 的结构示意图 i e e e8 0 2 1 l 的网络包括四个主要的物理组成，如图1 2 所示； 站( s t a t i o n 卜一8 0 2 1 l 定义的无线站通常指装备了n i c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 的计算机设备。一般来说，无线终端站可以是8 0 2 11 p c 卡、p c i 或者i s a 的n i c 以及 非p c 类型的嵌入式终端( 倒如，基于8 0 2 1 1 的电话等手持式设备) 。 接入点( a c c 姻ap o j n 缸 r 以下简称a p ，它是w l a n 与有线网的区别之处，也是 w l a n 的重要组成部分。一个a p 通常由一个无线电台、一个有线网络接口和对应的网 桥软件构成，它将8 0 2 1l 网络的帧转换成其他网络支持的帧格式，在无线网中充当基站， 将多个无线站接入有线网，其实就是完成网桥功能。 无线信遒( w i r e l e s sm e d i u m 卜通过无线信道可以实现帧在站间传输，它定义了不 同的物理层来支持8 0 2 1i m a c 层，例如射频( 啪和红外方式，其中前者更为常用。 分布式系统( d t s t r t b a t i o as y 咖岫卜一几个a p 点通过连接从而覆盖了一定的区域， 这个区域中的a p 点能够相互通信并且跟踪移动站的行踪。也就是说，分布式系统完成 8 0 2 1 1 中a p 点间的帧中继功能。在很多商用产品中，分布式系统通过网桥和分布式信 道来实现，所以也被称为骨干网嗍。分布式系统在8 0 2 11 的定义中就是多个b s s 通过相 应的a p 构成的e s s 系统。 8 0 2 1 1w l a n 是单元状结构的，每个单元( 即b s s ) 通过a p 连接到基站。所有a p 以有线和无线的方式连接到类似骨干罔的分布式系统。8 0 2 系统中所有的组成部分都遵 从o s i 标准，例如e s s 。需要说明的是，8 0 2 1 l 标准没有限定分布式系统的组成。因此， 它可以遵从8 0 2 的标准也可以不遵从闭。如果有数据帧需要在i e e e8 0 2 1l 局域网和非 i e e e8 0 2 1 l 局域网之间传输时，那么这些数据帧都需要通过一个逻辑端口( p o r t a l ) 进出， 这个端口提供8 0 2 1 1 l a n 和有线l a n 之间的逻辑连接。当分布式系统是遵循8 0 2 标准 的时候，则端口功能和a p 是一样的，也就是起到帧转换的网桥作用。分布式系统通过 华中科技大学项士学位论文 地址映射和b s s 的无缝连接提供逻辑服务，从而支持8 0 2 “的移动性。同时，a p 是一 个可设定地址的站，它为不同的b s s 提供到达分布式系统的接口。独立的b s s 和e s s 对于l l c 层都是透明的【3 】。 1 2 3 相关技术 a 、物理层： i e e e8 0 2 1 1 定义了三种传输方式：红外( m 丘眦d ) 、f h s s 和d s s s 。另外8 0 2 1l a 使 用的是o f d m 技术，并且用在5 g h z 的频率上【l 】闭【4 胴。红外物理层需要通信的结点相互 之间是无障碍的，因此不适用于大型的网络，但是可以使用在小型的会议或者房间里， 或者是两个结点之间直接的通信。8 0 2 1 l 把p h y 层分为两个基本组成：p l c p ( p h y s i c a l l a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ：主要是将m a c 帧映射到信道上) 子层和p m d ( p h r s i c a l m e d i u md e p e n d e n t ：主要用来传输上述帧) 予层；其中p l c p 跨越m a c 层和p h y 层。它 采用以下三种主要的物理层技术： 1 、跳频技术f i i s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 由于跳频技术内在的强壮性和抗毁抗干扰能力，它被应用于在许多无线领域。跳频 的传输方法是短时间内在某一个频率点接收然后跳到另外一个频率，跳频方式是基于某 种伪随机算法。 i e e e8 0 2 11 将i s m 波段分成一系列1 m 的频段。由于频率在一秒钟内跳好几次，所 以偷听者很难监听到传输内容。但是，收方和发方必须同步，这样才能保证收方能够始 终监听到发送方的频率。在跳频系统中，频率是依赖于时间的，而非固定。每个频率所 占的时隙称为滞留时f 司( d w e l l t i m e ) 3 】。8 0 2 1 1 f h 系统采用的滞留时间是3 9 0 个时间单位 ( i 1 0 0 0 s ) ，也就是差不多0 4 秒。 2 、直接序列扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 在相同的吞吐量的时候，d s s s 比f h s s 需要更大的功率，但是d s s s 适用于比f h s s 更高速的网络。d s s s 通过一个扩展因子或者代码和原始数据异或( x o r ) 。得到的结果使 得原始数据的比特变成更小的子比特或者用0 ，l 表示的码元。这些码元通过比通常使用 的数据流更宽的频带传输。接收方必须具有相同的码钥，它接收到被传输的码元后通过 解码来重新获得原始数据。这也就说和f h 相比，d s s s 支持更大的数据传输率，当然这 是以更小规模的网络为代价的。如果在使用者密集的区域，使用f h 是一个更好的选择。 3 、正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 这种技术用在i e e e8 0 2 1l a 的5 g i - i z 频段。它的基本思想是产生一个宽带来实现高 速数据传输速率。在o f d m 中数据被分为几个相互交织的比特流，其中每个比特流调制 6 华中科技大学硕士学位论文 一个独立的载波。通过这种调制方式，每个频段的频率被分为几个独立的子频段。 b 、m a c 层【6 】1 7 1 i s 【9 】： m a c 层的主要功能是用m a c 状态机将l l c 层来的请求转换成输入信号，同样也 将自己的信号转换成服务指令给l l c 。m a c 层分为分布式协调功能d c f 和点协调功能 p c f 。协调功能( c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 是用来实现信道共享的，它是决定在b s s 内工作 的某个站何时可以发送和接收协议单元的逻辑功能。i e e e8 0 2 11 规定的m a c 子层有两 种接入方式，d c f ( d i s t r i b u t c dc o o r d i n a t o rf u n c t i o n 分布式协调功能) 和p c f f p o i n t c o o r d i n a t o r f u n c t i o n 点协调功能) 。因此它的结构就是这两者共同组成。如图1 3 所示： r e q u i r e df o rc o n t e n t i o d f r e es e r r i c o sl 图1 3 m a c 层结构 1 、分布式协调功能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 ) d c f 是i e e e8 0 2 1 lm a c 协议的基本媒体访问方法，使用c s m a c a ( c a n i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e 载波多址接入，冲突避免) 算法来调节共享信道的接 入。在d c f 方式下，每个想要发送数据包的站点都要通过竞争获得信道。它作用于基本 服务群和基本网络结构中，可在所有站实现，同时还支持竞争型异步业务，以“尽最大可 能交付”的方式传输异步的数据帧。它允许多个独立站可以在无中心控制的情况下相互通 信，所以既可以用在有中心网络也可以用在无中心网络中。 2 、点协调功能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 ) 为了保证一些对于时间比较敏感的业务，比如分组话音，8 0 2 11 定义了点协调功能 p c f 。它由一个类似于群首的a p 执行，支持面向连接的、实时性要求很高的m a c 服务 数据单元的传输。在p c f 模式下，媒体的接入控制可以在竞争期c p ( c o n t e n t i o np e r i o d ) 和无竞争期c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 之间切换。它的竞争期是和d c f 方式一样，而在 无竞争期，由a p 通过对各个站点轮询的方式来控制信道，各个站点无须竞争信道。p c f 7 f 嬲e 华中科技大学硕士学位论文 是8 0 2 11 的一个可选部分。 1 3 本文的主要研究内容 i e e e8 0 2 1l 是目前国际上最具发展前景的无线局域网标准，它现在仍在不断的补充 新的内容和改进现有方法，因此对其展开研究是一项很有意义的工作。本文在对国内外 现状进行研究的基础上，在如下四方面展开了一定的研究工作： 1 研究了无线局域网和i e e e8 0 2 11 的结构和发展概况。 2 介绍了其网络结构和相关技术，对其m a c 层的媒体接入机制进行了详述。 3 对i e e e8 0 2 11 原有的两种媒体接入机制进行了实时业务的性能比较，然后加入了 改进的d c f 方式即e d c f 机制和另外两种非8 0 2 1 l 标准的d c f 改进机带t j - - d f s 和 b l a c k b u r s t ，选择合适的场景和参数对其q o s 进行仿真比较。 4 分析仿真曲线，比较各机制的性能。 全文共由五章组成。各章内容组织如下： 第一章：绪论：阐述了无线局域网的分类和结构及i e e e8 0 2 11 的发展概况和相关 技术，并且简单介绍了目前无线局域网的几种标准及其相关技术，对相关研究工作和文 献进行了综述，并归纳了本文所要研究的主要的内容。 第二章：i e e e8 0 2 “q o s 机制的实现：详细分析了影响i e e e8 0 2 11 的q o s 机制， 从影响q o s 的因素入手，主要阐述了i e e e8 0 2 1 1 m a c 层的基本媒体接入机制d c f 和 p c f 和改进的e d c f 机制。 第三章：网络仿真设计：用o p n e t 设计了d c f 、p c f 、e d c f 的仿真场景及仿真标 准用以比较它们在实时业务时的性能。另外加入了d f s 和b l a c k b u r s t 机制和e d c f 及p c f 建立模型进行仿真比较，。 第四章：结果分析：对整个仿真结果进行了分析。 第五章：结束语：对全文小结。 华中科技大学项士学位论文 2 、i e e e8 0 2 1 l q o s 机制的实现 局域网中的q o s 技术大致分为两类，一类是对帧进行分类，按照不同的类别在网络 中进行优先程度不同的处理：另一类则是对m a c 层的信道访问方法进行改进【1 0 1 。优先 权控制的工作方式是为传输的数据分出优先级别，然后根据标明的权值进行不同程度的 优先处理。它包括对包的分类和标识、包按标识进入不同的缓存队列、以及队列的优先 调度算法。确定对包进行分类和标识的依据，是优先级标识的熏要基础。采用这种方法 或多或少会带来时延。另一种方法是改进信道访问方法，这种改进就是针对网络时延的 改进，它是针对共享信道的网络设计的。 在8 0 2 1 1w l a n 中的传统的接入方法是为移动终端使用一个有线网作为接入网。移 动终端就通过a p 点接入，但是实际网络中的媒体流对于数据包延时和网络的有效带宽 都是很敏感的。现在还没有具体为w l a n 的提供的商用q o s 解决方案。由于w l a n 是 一个共享信道，当多个结点同时准备发送数据的时候就可能由随机退避机制产生的冲突。 因此需要引入特殊的媒体控制机制来保证网络服务质量。 2 1 影响q o s 的因素： 2 1 1r f 的链接质量 无线链接和传统的物理链接的稳定性相差很 大，特别在使用免费的i s m 频段所提供的频率时。 这个频段的信号比一般的窄带信号更容易受到噪音 和其他干扰。除此以外，多径衰落也是一个很重要 的问题。因此在i e e e8 0 2 1 1 中引入了肯定确认机制 ( p o s i t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ) 如图2 1 所示：所有传送 帧都需要被确认，如果帧有部分损失，都要被认为 帧丢失。如图所示的顺序叫做a t o m i c 操作【2 】8 0 2 11 允许站在这个操作的过程中将竞争排除在外，所以 这种a t o m i c 操作在传输过程中不会被其他站打扰。 图2 1 数据传输的肯定确认 2 1 2 隐藏终端和暴露终端问题； 如图2 2 ( a ) 所示，a 和a p ，b 和a p 之间能够相互通信，但是a 和b 之间却不能直 9 华中科技大学硕士学位论文 接通信，对于a 来说，b 就是一个“隐藏结点”。如果a 向a p 发送数据。由于b 监听不 到a 发送的信号而错误地认为信道空闲，因而b 开始发送数据给a p 。此时同时收到a 和b 的数据产生冲突，a 发送的有效信息帧被破坏，这种未能检测出信道上已存在信号 的不利情况称为隐藏终端问题。由于无线网络中的接收机一般是半双工的，这样冲突更 容易产生【l o l 0 1 1 1 2 】。 另一种不利情况如图2 2 ( ，在站b 向a 发送数据的过程中，c 也准备向d 发送数 据，但c 监听到信道中有信号存在，则c 认为信道忙而不能发送。实际上b 对a 发送 数据并不对c 对d 发送数据产生干扰，这种情况称为站点暴露问题。 无线信道由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发送站无法 使用冲突检测的方法来确定是否发生了冲突。因此，无线局域网不能使用有线l a n 的介 质访问方法c s m mc o ( 载波监听多路访问冲突检测) ，而采用c s m a dc a ( 载波监听多 路访问，冲突避免) 协议。c s m a c a 可与c s m a c d 实现无缝连接，它们的不同之处 在于引入了随机退避迟延机制并利用了对网络流量的统计信息。8 0 2 1 1 同时提供了可选 的带确认帧a c k 的c s m mc a ，使冲突一旦发生，a c k 能保障在m a c 层对帧丢失 予以快速检测与重发。为了进一步减小冲突概率，特别是在传送大容量文件需解决“隐藏 终端”问题时，可以启动请求发送帧允许发送帧即r t s c t s ( r e q u e s t t os e n d ) c t s ( c l e a r t os e n d ) 握手协议。如果站l 要发送帧，它首先发送一个r t s 帧，便于为传输数据建立 无线链接；如果目的站2 收到r t s 就答复一个c t s 。r t s c t s 交换一旦建立，1 就能不 用考虑隐藏和暴露终端的问题，直接给2 发送数据。由于r t s c t s 传输过程消耗大量网 络空间，而且引起不必要的延时，所以它一般只用于高容量或者需要高质量保证的网络。 可以通过设置r t s 门限值来适当减小这个问题，大于门限值的帧需要通过建立r t s c t s 交换来传输，而小于门限的帧可以直接传送【1 2 1 1 3 】 1 4 1 。 2 2q o s 机制的具体实现 i e e e8 0 2 1 1 所采用的网络q o s 机制主要体现在m a c 层的接入机制。无线信道的接 入主要是由协调功能来控制。无线终端都在分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 或者点协调功能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 ) 控制下组成b s s 。d c f 一般负 责对时间不敏感的业务( 如e m a i l 、f l p ) ，主要用于a dh o e 网络模型( 其实相当于将a p 作为 普通工作机0 ，i e e e8 0 2 1 l 中的d c f 又分为基本d c f ( c s m a c a ) 和带r t s c t s 机制的 d c f ：p c f 是8 0 2 i l 中的可选部分，负责时间敏感业务( 如实时的视频、音频传输) 并且 和d c f 相结合使用【1 5 。p c f 用于将a p 作为接入点的i b s s 模式。因为d c f 是分布式算 法，所以在每个站都执行；另外p c f 是集中式算法，所以在a p 内执行【j6 】。 2 2 1 信道状态的检测机制 使用载波检测是通过判断信道的状态是遇忙还是空闲来决定信道当前是否可用： 8 0 2 1 1 中规定了两种检测方式：物理载波检测( p h y s i c a l m e d i u m d e p e n d e n t ) 和虚拟载波检 测( v i r t u a lc a r r i e rs e n s e ) 【i 】闭。其中任何一种载波检测方式检测到信道忙，m a c 层就要向 更上层汇报。 _ 物理检测： 由物理层发出询问信道请求，检测方式由信道和调制方式决定。由于物理检测是基 于r f 的硬件，而且必须要求收发双方都同时使用这种昂贵的设备，加上网络中还存在 隐藏终端的问题，所以物理载波检测不足以提供足够的信息。 b 虚拟检测机制： 虚拟载波检测由网络分配矢量n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 提供。8 0 2 11 的大部 分帧格式中带了d u r a t i o n 域，可以用来预定信道一段时间。因此n a v 就是预留时间的 计时器。需要占用信道的站将n a v 设置为它们想要占用信道的时间。其他站就从n a v 开始倒计时一直到0 。也就是说n a v 非0 时，虚拟载波检测显示信道忙，否则表示信道 空闲。事实上，在前面讲到隐藏结点时提到的在发送数据前交换r t s 和c t s 就是这种 分配方式的一种。其中r t s 中已经包括了源、目的以及持续时间等信息。如果目的站应 答了一个c t s 包含了同样的持续时间信息。所有收到了r t s 或者c t s 的站就设置它们 的n a v 为一定的持续时间，并且将这些信息与物理载波检测结合起来检畏l 信道状态。 其实这种方式如前所述，减少了冲突而且避免了隐藏终端等问题。 华中科技大学硕士学位论文 i l l - 自_ _ = i i i i _ l _ - _ - _ _ _ _ i _ i - - _ _ l - _ _ _ i _ - - - i - l _ _ _ _ _ _ l i _ _ _ _ l _ - - - _ 2 2 2 数据帧处理与优先级区分： a 、m a c 帧结构与处理： 由于无线链接时具有较高的误码率，数据包越大，其受损的概率及程度就越大。而 且在数据包受损的情况下，数据包越小，重传的花费越小。特别是在f h s s 中，信道由 于跳频要被周期性的打断，所以数据包越小，传输被延时的概率就更小。基予以上种种 原因，无线局域网的数据包比传统以太网的数据包小很多【2 】。 但是，如果一种协议只能使用小数据包，那么这个协议使用价值就不大，因此在 m a c 层中加入了简单的分段，熏组机制，即一种简单的发送等待算法) ：为了增加发送和 接收数据的可靠性，可以将原始的m s d u ( m a cs e r v i c ed a t au n i t ：m a c 服务数据单元1 或者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 ：m a c 管理协议数据单元) 分成更小的 m a c 层的帧即m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ：m a c 协议数据单元) ，这就是分段。分段 是由发送站完成的，反之，在接收站将m p d u 还原成原始的m s d u 或m m p d u 就是重 组机制。( 注：只有具有单播目的地址的m s d u 才能被分段，广播和组播的帧不论多长， 都不能被分段。) 当m s d u 或者m m p d