（信号与信息处理专业论文）wlan上的多媒体业务质量研究.pdf

摘要 w l a n 上的多媒体业务质量研究 摘要 随着无线局域网的迅速发展，网络上的业务流量与日俱增，如何 保证无线局城网实时业务服务质量的问题也越来越突出。 文章简单介绍无线局域网和服务质量基本概念后，指出在i e e e 8 0 2 1 1 协议上改进机制以支持q o s 的重要性。通过深入研究和分析 i e e e8 0 2 11 协议中的d c f 机制后，针对其模式没有任何措施来支持 q o s ，所有的数据业务都是以先进先出、尽力而为的方式进行服务的 缺陷，研究了两种支持多优先级的算法改进支持多优先级的随机 回退机制参数改进和支持多优先级的帧间间隔参数改进。同时又着重 研究8 0 2 1 l e 中e d c f 机制对支持q o s 所作的改进工作。 文章采用软件仿真的方式，对比了各机制下仿真得出的四个性能 参数指标一一有效带宽、平均时延、时延抖动和丢包率，论证了本文 研究的两种改进机制相比传统的d c f ，对高优先级业务在各方面的 性能均有不同程度的提高。而8 0 2 1l e 的e d c f 机制通过抑制低优先 级站点的服务来提升高优先级站点的服务能力确实实现了对q o s 的 支持。 关键词：无线局域网；8 0 2 11 ；8 0 2 1l e ；分布协调功能；增强型分布 协调功能 a b s t r a c t r e s e a r c hp r o j e c t o nt h eq u a l i t yo fm u l t i - m e d i as e r v i ces o nw l a n a b s t r a c t a st h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) t e c h n o l o g i e sa r e i m p r o v i n gr a p i d l ya n dt h es e r v i c ef l o wg r o w i n ge v e r y d a y ，h o wt oe n s u r e t h eq u a l i t yo fs e r v i c e sb e c o m e st h ef o c u so fw l a nr e s e a r c h e s a f t e rb r i e f i n go nb a s i cc o n c e p t so fw l a na n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h ei m p o r t a n c eo fm o d i f i c a t i o n sb a s e do n p r o t o c o l so fi e e e8 0 2 11 s t a n d a r dt os u p p o r tq o s a n a l y s i ss h o w st h a t 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 ) c a n n o ts u p p o r tq o ss i n c ea l li t s s e r v i c e sa r ed o n eb yt h ew a yo fb e s t e f f e c t t od e a lw i t hs u c hd e f i c i e n c y ， t h ep a p e rr e s e a r c h e st w ok i n d so f p a r a m e t e r sc o n f i g u r a b l et od i s c r i m i n a t e p r i o r i t i e so fd i f f e r e n ts e r v i c e s - - r a n d o mb a c k o f fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d i n t e rf r a m es p a c e ( i f s ) p a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h e i m p r o v e m e n t s i ne d c f ( e n h a n c e d 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 ) 一- 8 0 2 1lem a c l e v e lp r o t o c o l s a b s l c t s o f t w a r es i m u l a t i o ni s a d o p t e d a n df o u rp a r a m e t e r s - - - e f f e c t i v e b a n d w i d t h ，d e l a yt i m e ，j e t t e ra n dl o s sr a t i o 一一a r ec o m p a r e dd u r i n ge v e r y m e c h a n i s m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ld c f ，t h et w ow a y so fs u p p o r t i n gs e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o na r e m o r ee f f e c t i v em i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fh i 曲p r i o r i t ys e r v i c ea n d e d c fd o e ss u p p o r tq o sb yi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fh i g hp r i o r i t ys e r v i c e w h i l er e s t r a i n i n gt h eq u a l i t yo fl o wp r i o r i t ys e r v i c e k e yw o r d s ：w l a n ；8 0 2 11 ；8 0 2 1l e ；d c f ；e d c f 2 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：给黍苞日期：伽8 ：i 仉 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：兰金查望 导师签名： 日期：塑墨：墨：羔兰 日期：丝：多：! 一 第一章绪论 第一章绪论 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化，对社会的文明与 进步产生着深刻的影响。近年来，信息技术有了长足的进步，它正以主力军的姿 态引导着科技日新月异的发展，推动信息时代的到来，并j 下迅速地改变着人们周 围的一切。无线局域网，也被称为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 ) ，正在以 它的高度灵活性、移动性、低成本和日益提高的传输能力发挥着越来越重要的作 用，成为未来网络发展的主流形式之一。 本章首先介绍了本课题的研究背景和选题目的，之后列举了本文的主要研究 工作，最后给出了全文的内容安排。 1 1 研究背景 近年来，i n t e m e t 在全世界得到了极为迅速的发展，以其为载体的各种应用 越来越多。除了传统i n t e m e t 应用如w w w ，f t p 、电子邮件、d n s 应用等，各 种关于多媒体方面的新兴应用也在不断涌现，得到越来越多的关注。像视频点播、 远程教学、远程医疗、网上直播、交互游戏、虚拟世界、v o l p ，i p t v 等应用在 i n t e r n e t 上迅速得到推广。因此在整个网络中保证这些实时多媒体业务的传输质 量有詹广泛而迫切的需求。 所谓服务质量( q o s ) 是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，即 i p 包在一个或多个网络传输过程中所表现的各种性能，这些性能可通过一系列 可度量的参数来描述，具体可以量化为传输时延、时延抖动、丢包率、带宽、吞 吐率等指标。其最终目的就是要为各种业务( 包括数据、图像、多媒体及语音业 务等) 提供可靠的端到端q o s 保证，以提高网络资源利用率。 由于各种异构网络的存在，在整个互联网中保证服务质量的技术主要是在i p 层。i e t f 组织在这面的研究走在前列，起草了很多有关保证q o s 的建议并标准 化了很多服务模型和机制【i 】。其中比较常见的有：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s i n t s e ) 、区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s - d i f f s e r v ) 等。 互联网是由各种不同的网络组成的，如以太网，令牌环网，各种无线局域网 等，要想使整个互联网络有效支持服务质量保证，它们必须在数据链路层有效支 持服务质量技术，否则i p 层的服务质量保证技术是无意义的。例如以太网络是 在原有的二层v l a n 帧中定义了优先级信息，使得以太网络在一定程度上支持 了服务质量保证技术。 f 2 1 当然，无线局域网也不例外。无线局域网使用的频点是2 4 g 和5 4 g ，该 频点处于公用频段中，所以它很容易受到外界的干扰，包括某些雷达，所以无线 局域网和有线网相比，传输时延、抖动都比以太网大很多，对传输多媒体业务， 特别是语音业务无法保证传输质量，所以在无线局域网的m a c 层实现服务质量 第一章绪论 保证更加重要。 1 2 选题目的 无线局域网技术是目前实现无线互联网的一项热门技术。对于无线局域网上 的q o s 机制的研究也是目前的一个热点。无线局域网上实现q o s 机制的关键在 r 3 1 于m a c 层上对q o s 的支持。作为应用最为广泛的i e e e8 0 2 1 1 标准，对q o s 的支持十分有限，不能适应未来网络发展的需求，必须进行改进。 目前，很多科研人员都在从事对i e e e8 0 2 1 1 关于q o s 支持的改进机制的研 究工作，并且已经取得了十分显著的成绩。但是，大多数工作人员都将注意力集 中在对网络吞吐量的研究和改进上，而对网络中另外三个非常重要的性能参 数一一时延、时延抖动和丢包率一一关注较少。 针对这一现象，本文作者在较全面地研究了基于i e e e8 0 2 1 1 的各种q o s 机 制的基础上，对i e e e8 0 2 1 1 的d c f 机制做了改进，试图为实时业务提供较好的 q o s 支持，并专门采用仿真手段，分析了有效带宽、平均分组时延、时延抖动和 丢包率的改善情况。 1 3 论文工作 本文的主要工作是简单介绍无线局域网和服务质量基本概念后，指出在 i e e e8 0 2 1 1 协议上改进机制以支持q o s 的重要性。通过深入研究和分析i e e e 8 0 2 1 1 协议中的d c f 机制后，针对其模式没有任何措施来支持q o s ，所有的数 据业务都是以先进先出、尽力而为的方式进行服务的缺陷，研究了两种支持多优 先级的算法改进支持多优先级的随机回退机制参数改进和支持多优先级的 帧间间隔参数改进。同时又着重研究8 0 2 1 1 e 中e d c f 机制对支持q o s 所作的改 进工作。 鉴于实验条件的限制，作者将各种传统和改进算法在n s 2 的仿真环境中进 行性能测量。通过软件仿真，对各机制的性能参数指标做了比较。对仿真结果的 分析表明，本文研究的两个改进机制在有效带宽、平均时延、时延抖动、丢包率 等方面相比传统的d c f 都有了不同程度的提高。而8 0 2 1 1 e 的e d c f 机制通过抑 制低优先级站点的服务来提升高优先级站点的服务能力确实实现了对q o s 的支 持。 1 4 论文结构 本论文共分为七个章节。 第一章，绪论：介绍了本论文的研究背景和选题目的，阐明本文的研究工作。 第二章，无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现： 2 第一章绪论 分为三个部分，第一部分简单概述无线局域网的概念，网络特点，拓扑结构以及 主要标准；第二部分给出服务质量的定义，然后介绍无线互联网的服务质量机制， 最后概括的描述i e e e 8 0 2 1 1 x 无线局域网的服务质量机制；第三部分主要就本论 文采用的仿真工具- n s 2 的特点，主要模块和网络模拟方法和过程做简单介 绍，并且针对i e e e8 0 2 1 l 协议在n s 中的实现做具体阐述。 第三章，传统w l a nm a c 协议：首先简要介绍i e e e 8 0 2 1 1m a c 层协议的 架构，之后重点介绍d c f 协议工作原理，以便引入必要的参数，而对于另一种 访问机制一- - p c f 则作简单介绍。采用马尔可夫( m a r k o v ) 分析模型研究d c f 信 道接入方式，讨论影响d c f 性能的关键参数。通过模型分析进行仿真建模，给 出仿真结果和分析，得出结论。 第四章，支持多优先级的d c f 算法改进：作为第三章的自然推广，研究支 持多优先级的d c f 算法改进，首先分析传统d c f 机制中存在的缺陷，然后研究 两种改进措施支持多优先级的随机回退机制参数改进和支持多优先级的帧 问间隔参数改进，并通过仿真手段取得验证结果。 第五章，i e e e8 0 2 1 l em a c 协议：围绕8 0 2 1 l e 的m a c 层机制展开讨论。 首先给出i e e e 8 0 2 1 l em a c 层协议的架构，然后重点介绍e d c f 协议工作原理， 并简单介绍了另一种访问机制一- - h c f 。之后对e d c f 协议进行仿真建模，给出 仿真结果和分析。对比传统d c f 仿真结果，体现8 0 2 1 1 e 标准对m a c 层所做的 改进。 第六章，其他无线局域网的q o s 技术：主要介绍无线局域网上另外两种q o s 技术h i p e r l a n 2 中的q o s 技术和蓝牙系统中的q o s 技术。 第七章，总结与展望：首先总结全文，然后指明下一步工作的研究方向。 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n 8 2 仿真工具 介绍与实现 信息技术的飞速发展，使得人们对网络通信的需求也随之不断提高，希望打 破不同的地域或客观条件的制约，能够“实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时候 ( w h e n e v e r ) 的任何地方( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式 ( w h a t e v e r ) 的通信”的目标。作为个人通信的一个重要的组成部分，无线局域 网已经掀起了移动计算的新浪潮，在现实及未来的社会生活中将得到广泛的应 用。与此同时，人们对不同的多媒体业务丌始有了不同的服务质量要求，这就要 求网络应能根据用户的要求进行分配和调度资源。因此，传统采用的“尽力而为” 转发机制，已经不能满足用户的要求。业界呼唤更加先进的机制来保证不同业务 的不同服务质量需求。 本章分为三个部分：第一部分将就无线局域网的概念，网络特点，拓扑结构 以及主要标准做相应介绍；第二部分给出服务质量的定义，然后介绍无线互联网 的服务质量机制，最后概括的描述i e e e 8 0 2 1 1 x 无线局域网的服务质量机制。第 三部分介绍本实验采用的仿真工具n s 2t 1 6 】。 2 1 无线局域网概述 2 1 1 无线局域网概念 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) t 4 1 ，顾名思义，就是在局 部区域内利用无线方式，提供无线对等( 如p c 对p c 、p c 对集线器或打印机对集 线器) 和点到点( 如l a n 到l a n ) 连接性的数据通信系统。w l a n 代替了常规l a n 中使用的双绞线或同轴线路或光纤，通过电磁波传送和接收数据。w l a n 执行 像文件传输、外设共享、w e b 浏览、电子邮件和数据库访问等传统网络通信功能。 与有线局域网相比较，无线局域网可实现“任何人在任何时问、任何地点以 任何方式与任何人通信”，弥补了传统有线局域网的不足。随着无线网标准的制 定和推行，无线局域网的产品将更加丰富，不同产品的兼容性将得到加强。现在 无线网络的传输速率已达到和超过了1 0 m b p s ，并且还在不断变快。随着无线通 信技术的发展和对无线局域网通信速率要求上的不断提高，无线局域网的标准也 在不断发展，总的趋势是数据速率越来越高、安全性越来越好、服务质量越来越 有保证。 4 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真t 具介绍与实现 2 1 2 无线局域网的网络特点 无线局域网相较于有线网络，有其自身独特的优势，当然也有它局限性的一 2 121 无线局域网的优点 无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统 有线网络的延伸、补充或替代。相比较而言，无线局域网具有以下许多优点： 1 移动性( m o b i l i t y ) “无线”就意味着可以移动，无线局域网最明显的优点就是提供了移动性。 通信范围不再受环境条件的限制，这样就拓宽了网络传输的地理位置，能够为用 户提供实时的无处不在的网络接入功能，使得用户可以很方便地获取信息。 2 灵活性( f l e x i b i l i t y ) 安装容易，使用简便，组网灵活，无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连 接的地方，并可以方便地增减、移动和修改设备。无线局域网的组网方式灵活多 样，可以通过基础结构( i n f r a s t r u c t u r e ) 接入骨干网( b a c k b o n e ) ，也可以自组网 ( a dh o c ) ；可以组成单区网和多区网，还可以在不同网问进行移动。 3 可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 在适当的位置放置或添加接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或扩展点( e x t e n dp o i n t ， e p ) ，就可以满足扩展组网的需要。 4 经济型( s a v i n g ) 无线局域网可用于物理布线困难或不合适进行物理布线的地方，如危险区和 古建筑等场合，节省了缆线及其附件的费用；省去布线工序，可快速组网，可以 节省人员费用，并能将网络快速投入使用，提高了经济效益；对于临时需要网络 的地方，无线局域网可以低成本地快速实现；对于需要频繁重新布线或更换地方 的场合，无线局域网可以节省长期费用。 2 1 2 2 无线局域网的局限性 无线局域网并非完美无缺，也有许多面临的问题需要解决，这些局限性实际 上也是无线局域网必须克服的技术难点。 1 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 有限局域网的信道误比特率可优于1 0 一，这样就保证了通信系统的可靠性和 稳定性。无线局域网采用无线信道进行通信，而无线信道是一个不可靠信道，存 在着各种各样的干扰和噪声，从而引起信号的衰落和误码，进而导致网络吞吐性 能的下降和小稳定。此外，由于无线传输的特殊性，还可能产生“隐藏终端”、 “暴露终端”和“插入终端”等现象，影响系统的可靠性。 2 带宽和系统容量 由于频率资源有限，无线局域网的信道带宽远小于有线网的带宽。由于无线 信道数有限，即使可以复用，无线局域网的系统容量通常也要比有线网的容量小。 因此，无线局域网的一个重要发展方向就是提高系统的传输带宽和系统容量。 3 兼容性( c o m p a t i b i l i t y ) 与共存性( c o e x i s t e n c e ) 兼容性包括多个方面：无线局域网要兼容现有的有限局域网；兼容现有的网 络操作系统和网络软件；多种无线局域网标准的兼容；不同厂家无线局域网产品 第二章无线局域嘲概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 间的兼容。 共存性也包括多个方面：同一频段的不同制式或标准的无线网的共存；不同 频段、不同制式或标准的无线网的共存( 多模共存) 。 4 覆盖范围 无线局域网的低功率和高频率限制了其覆盖范围。为了扩大覆盖范围，需要 引入蜂窝或微蜂窝网络结构，或者通过中继与桥接等其他措施来实现。 5 干扰 外界干扰可以对无线信道和无线局域网设备形成干扰，无线局域网系统内部 也会形成白干扰；同时，无线局域网系统还会干扰其他无线系统。因此，在无线 局域网的设计与使用时，要综合考虑电磁兼容性能和抗干扰性能，并采用相应的 措施。 6 安全性 无线局域网的安全性有两方面的内容：一个是信息安全( s e c u r i t y ) ，即保证 信息传输的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性；另一个是人员安全( s a f e t y ) ， 即电磁波的辐射对人体健康的损害。 7 节能管理 由于无线局域网的终端设备是便携设备，如笔记本电脑、p d a 等，为了节 省电池的消耗，延长设备的使用时问和提高电池的使用寿命，网络应具有节能管 理功能。当某站不处于数据收发状态时，应使机内收发处于休眠状态，当要收发 数据时，再激活收发信机。 8 多业务和多媒体 现有的无线局域网标准和产品主要面向突发数据业务，而对于语音业务、图 像业务等多媒体业务的适宜性很差，需要开发保证多业务和多媒体的服务质量的 相关标准和产品。 9 移动性 无线局域网虽然可以支持站的移动，但对大范围移动的支持机制还不完善， 也还不能支持高速移动。即使在小范围的低速移动过程中，性能还要受到影响。 1 0 小型化、低价格 这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。 2 1 3 无线局域网的网络拓扑结构 w l a n 体系结构由几个部件组成，它们之间相互作用而构成了w l a n 。 基本业务组( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 是w l a n 的基本构造模块。它有两 种基本拓扑结构或组网方式，分别是独立基本服务集和有基础设施的基本独立服 务集。 2 1 3 1 独立基本服务集( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c e ，i b s s ) 这种模式不包括任何基本设施，无线终端之问的关系是对等关系。采用这种 拓扑结构的网络，各站点竞争公用信道。这种网络又叫做对等网( p e e rt op e e r ) 或者非结构组网( a dh o c ) ，网络结构如图2 1 所示吲。 这种网络的显著特点是受时问和空间的限制，而这些限制使得其构造与解除 非常方便，以致于网络设备中的非专业用户也能很好地操作。次结构的突出优点 6 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 是结构简单，组网迅速，使用方便，网络抗毁性强，且费用较低。但当网中用户 数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害，同时管理上的复杂性也 将成为瓶颈。这种拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群规模。 耳h ，且 。岜 一圈 钕缎畿缀强溢 辍。戮 。一j z， v j 谬黝k 旦且 图2 - 1a dh o c 网络结构 2 1 3 2 有基础设施的基本独立服务集( i n f r a s t r u c t u r eb a s i cs e r v i c es e t ) 这种模式中的基础设施就是一个叫做访问点( a p ) 的设备，它将无线网络和有 线网络连接起来，这时同该a p 建立关联的终端的数据传输必须经过a p 转发。 通常称这种模式为基础结构模式，网络结构如图2 2 所示 6 1 。 凰凰旦 图2 - 2i n f r a s t r u c t u r e 网络结构 与i b s s 相比，i n f r a s t r u c t u r eb s s 的抗毁性较差，如果a p 遭到破坏，整个 网络就会瘫痪。此外，作为中心站的a p 的复杂度较大，实现成本也较昂贵。 在一个i n f r a s t r u c t u r e 网络中，如果一个站想要与另一个站通信，必须经过源 站到a p 和a p 到宿站的两跳过程并由a p 进行转接。虽然这样会需要较多的传 7 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 输容量，增加了传输时延，但比各站直接通信有以下许多优势【5 】： 1 i n f r a s t r u c t u r e 网络的覆盖范围或通信距离由a p 确定。一般情况下，两站 可进行通信的最大距离是进行直接通信时的两倍。i n f r a s t r u c t u r e 网络内的所有站 都需要在a p 的通信范围之内，而对各站之间的距离没有限制，即网络中的站点 的布局受环境的限制较小。 2 由于各站不需要保持邻居关系，其路由的复杂性和物理层的实现复杂度 较低。 3 a p 作为中心站，控制所有站点对网络的访问，对网络业务量增大时网络 的吞吐性能和时延性能的恶化并不剧烈。 4 a p 可以很方便地对各站点进行同步管理、移动管理和节能管理等，即可 控性( c o n t r o l l a b i l i t y ) 好。 5 为接入分布系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 或骨干网提供了一个逻辑接 入点，并有较大的可伸缩性。在一个b s s 中，a p 所能管理的站的数量总是有限 的。为了扩展无线基础网络结构，可通过增加a p 的数量，选择a p 合适位置等 方法来扩展覆盖区域和增加系统容量。 2 1 4 无线局域网主要协议标准 为了让w l a n 技术能够被广为接受和使用，必须要建立一种统一的标准， 以确保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准定义了无线通讯物 理层( p h y s i c a ll a y e lp h y ) 以及媒介接入控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c l a y e r ) 。 w l a n 现有的标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 、h o m e r f 等。其 中应用最为广泛的标准是基于i e e e 8 0 2 1 1 协议的系列标准。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组任务为研究1 m b s 和2 m b s 数据速率、 工作在2 4 g h z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月 公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问 控锋ij ( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。 在8 0 2 1 1 系列标准中，涉及物理层的主要有4 个标准：8 0 2 1 1 、8 0 2 1 1 b 、 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 。根据不同的物理层标准，无线局域网设备通常被归为不同的 类别，如常说的8 0 2 1 1 b 无线局域网设备、8 0 2 1 1 a 无线局域网设备等。 1 i e e e8 0 2 1 1 3 1 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域 网和校园网中用户的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2 m b p s 。由于它在速率和传输距离上都不能满足用户同益增长的需求，i e e e 又 相继推出了8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 三个新标准。 2 i e e e 8 0 2 1l b 【7 】 i e e e 8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h z 频带，使用直序扩频方式和补码键控，物理层 支持5 5 m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。它的传输速率可因环境干扰或传输距离而 变化，在1 1 m b p s 、5 5m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之间切换，而且在2 m b p s 、1 m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1d s s s ( 直接序列扩频) 系统交互操作，但不能与1 m b p s 和 2 m b p s 的8 0 2 1 1f h s s ( 跳频扩频) 系统交互操作。 3 i e e e 8 0 2 1 1a 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 i e e e 8 0 2 1 l a 工作于5 g h z 的频带，它采用o f d m ( 正交频分复用) 技术，物 理层速率可达5 4 m b p s ，这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。 而且，对数据加密方面，采用了更为严密的算法。但是，i e e e 8 0 2 1l a 芯片价格 昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点对点的传 输。需要注意的是，i e e e 8 0 2 1 l b 和工作在5 g h z 频带上的i e e e 8 0 2 1 1 a 标准不 兼容。 4 i e e e 8 0 2 1 l g 2 0 0 2 年1 1 月1 5 同，i e e e 试验性地批准一种新技术i e e e 8 0 2 1 1 9 ，使无线 网络传输速率可达5 4 m b p s 。8 0 2 1 1 9 是对8 0 2 1 1 b 的一种高速物理层扩展，同 8 0 2 1 l b 一样，8 0 2 1 1 9 工作于2 4 g h zi s m 频带，但采用了o f d m 技术，可以实 现最高5 4 m b p s 的数据速率，与8 0 2 1 1 a 相当；并且较好地解决了w l a n 与蓝牙 的干扰问题。8 0 2 1 1 9 与已经得到广泛使用的8 0 2 1 1 b 是兼容的，这是8 0 2 1 1 9 相 比于8 0 2 1 1 a 的优势所在。由于8 0 2 1 1 9 标准尚未完成，而符合8 0 2 1 l a 标准的产 品已经出现，相信8 0 2 1 1 a 将会得到较快发展，在一定程度上占据先机。 在m a c 层，8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 这四种标准均采用的是载 波侦听多址接入避免冲突( c s m a c a ) ，这有别于传统以太网上的c s m a c d 。 c s m a c a 相关内容在8 0 2 1 1 标准中定义，8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 直接沿用。 由于在r f 传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替在 8 0 2 3 协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估( c c a ) 算法来决定信道是否空闲， 通过测试天线口能量和决定接收信号强度r s s i 来完成。c s m a c a 使用r t s 、 c t s 和a c k 帧减少冲突。 8 0 2 1 1 是m a c 层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、q o s 等方 面的进一步要求，也为了与其他标准竞争，i e e e 相继提出了8 0 2 1 l e 、8 0 2 1 i f 8 0 2 1 l h 、8 0 2 1 l i 等标准。 5 i e e e 8 0 2 1l e t 8 】 8 0 2 11 e 增强了8 0 2 1 1m a c 层，为w l a n 应用提供了q o s 支持能力。8 0 2 1 1 e 对m a c 层的增强与8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 中对物理层的改进结合起来，就增强了整 个系统的性能，扩大了8 0 2 1 1 系统的应用范围，使得w l a n 也能够传送语音、 视频等应用。 6 i e e e 8 0 2 1 1 f 8 0 2 1 1 f 标准定义了一套称之为l a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的协议，以 实现不同供应商的接入点a p 问的互操作性。 7 i e e e 8 0 2 1 1 h 在8 0 2 1 1 a 基础上增加自动频率选择( d f s ) 和发送功率控制( t p c ) 功能， 以适应8 0 2 1 1 a 在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。 8 i e e e 8 0 2 1 l i 谈到8 0 2 1 1 i 标准，就不能不提到8 0 2 1 x 标准。8 0 2 1 x 标准完成于2 0 0 1 年， 它是所有i e e e8 0 2 系列l a n ( 包括无线l a n ) 的整体安全体系架构，包括认证 ( e a p 和r a d i u s ) 署i j 密钥管理功能。8 0 2 1 1 i 是对8 0 2 1 1m a c 层在安全性方面的增 强，它与8 0 2 1 x 一起，为w l a n 提供认证和安全机制。 除了上面己说明的标准之外，8 0 2 1 1 系列标准中，还有一个8 0 2 1 1 d 标准， 8 0 2 1 1 d 标准定义了一些物理层方面的要求( 诸如信道化、跳频模式等) 以适应 8 0 2 1 1 设备在一些国家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求。 9 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 2 2 服务质量介绍 2 2 1 服务质量基本概念 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 是对通信网络承载各种通信业务时的业务 性能的集中体现。对用户而言，它表现为用户对业务的质量的要求；而对网络而 言，它最终表现为网络的性能。这些业务性能决定了用户对业务的满意程度。从 技术角度而言，是指为保证所提供的业务的服务质量到达相应的标准而采取的一 系列措施的技术的总称。 由于不同的业务对网络的性能要求不同，例如电子商务对网络的差错率、丢 失率以及安全性有很高的要求，而p i 电话、视频点播等互动式应用要求网络提 供高吞吐率和低时延的服务，所以各种具体应用对网络的服务质量期望值也不 同，一般用q o s 参数来衡量这类期望值。它包括以下一些指标： 呼损率：用户新发起的呼叫被网络拒绝的概率。 吞吐量：在单位时间内，网络输出的净流量( 不包括重传恢复的流量) 。 平均时延：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一刻止 所经历的平均时间长度。 时延抖动：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一刻止 所经历的时间长度的标准差。 最大时延限：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一刻 止所允许经历的最大时间长度。 平均分组丢失率：对某条连接来说，在不考虑重传机制的情况下接收端未 收到的分组数与发送端发送的总分组数的比值。 以上是针对于某个服务或业务的技术指标，对于针对整个网络的技术指标， 还包括公平性。 在网络中如果要为用户提供服务质量必须解决以下几个问题： 1 服务质量的的分类与定义。 对服务质量进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的服务质量 进行管理和分配资源。例如，给实时服务分配较大的带宽和较长的c p u 处理时 间等，另一方面，对服务质量进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出相应 的需求。 2 准入控制和协商。 即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进行多媒体信息传输并协 商其服务质量。 3 资源预约。 为了给用户提供满意的服务质量，必须对端系统、路由器以及传输带宽等相 应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所占用。 4 资源调度与管理。 对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖于相应的资源调度与管 理系统。 l o 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 2 2 2 无线互联网服务质量机制概述 无线互联网的服务质量问题主要可以分为无线传输过程中的服务质量控制 和移动过程中的服务质量保证。无线互联网的无线传输部分主要可以分为蜂窝网 和无线局域网两大阵营，如何合理有效地分配有限的无线资源，以及如何简单公 平地保证服务质量成为人们越来越关注的问题。 与有线信道相比，无线信道的环境更加复杂，有很多独特的特性1 9 】。首先， 无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰，如多径衰落，多普勒频移，阴影效应， 远近效应等，从而导致无线信道的有效带宽不是一成不变的，而是随时间而动态 变化的。另外，由于信道的时变特性以及发射接收功率的不同，处于小区不同 位置的用户具有不同的信道特性，无线信道还具有位变的特性。无线信道的低带 宽及高误码特性，还使得某些上层的协议如t c p 等在无线链路的环境下效率低 下，并导致吞吐量恶化。 无线网络中有很多提供q o s 保证的方法：对于物理层，主要是通过降低误 码率来提高信道容量，如信道编码、调制、交织技术等。链路层则侧重于无线资 源的管理与利用，包括无线媒体接入控制( m a c ) 协议、无线连接的呼叫接纳 控制( c a c ) 及功率控制、无线连接的调度等。网络层则主要是通过本地重传、 路由优化等提供q o s 保证，具体有无线t c p 、快速无缝的越区切换、动态路由 和带宽分配等。 2 2 3i e e e 8 0 2 1 l x 无线局域网中的服务质量机制 随着无线局域网应用的同益广泛，对8 0 2 1 1m a c 如何支持实时业务和服务 区分的研究越来越引起研究者的关注和兴趣。主要的原因有以下几点： 1 各种多媒体业务越来越普及，如w o i p 、视频会议、可视电话、视频点播 等流媒体业务对无线局域网的o o s 要求越来越高。 2 现有的无线局域网技术主要应用于数据传输等业务，如e m a i l ，文件传输 等。但实际上数据业务应是有线网络的主体业务，实时业务更需要也更应该在无 线网络环境中成为主流业务。 3 无线移动网络将逐渐使用i p 的方式，与i n t e m e t 的交互也更加紧密。3 g 与w l a n 的融合也是未来无线移动环境的发展趋势。 4 无线技术本身就是现今通信网络中研究的重点。 在i e e e8 0 2 1 1 标准出台以来，i e e e8 0 2 1 1 设备在世界各国的企业集团、居 民小区、机场和许多热点地区得到了广泛应用，但与包括3 g 在内的其他移动通 信技术相比，由于采用的是c s m a c a 竞争机制，i e e e8 0 2 1 1 标准尚存在着服 务质量无保证等问题。而随着无线局域网的发展，我们必须越来越注重它的q o s 保障。 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的q o s 问题主要有以下几点f l o 】： 1 首先是因为i e e e8 0 2 1 l 无线局域网每个站有效的带宽远小于有线局域 网。不仅峰值速率低，i e e e8 0 2 1 1 b 为11 m b p s ，尽管i e e e8 0 2 1 1 a 和g 可实现 大约3 0 m b p s 的较高传输速率，但和有线网i e e e8 0 2 3 以太网的1 0 0 m b p s 和千 第二章无线局域网概述、服务质量介绍以及n s 2 仿真工具介绍与实现 兆以太网相比有很大差距。而且无线局域网是非交换的半双工网。 2 无线信道频率是稀有资源，而且由于无线信道的特性，它是共享资源， 这更要求高效利用信道。文献 1 1 通过理论研究、文献 1 2 通过仿真显示出i e e e 8 0 2 1 1 b 信道接入的效率大约只有7 0 ，还要受到站数目、帧长度等因素的影响。 而隐终端，信道干扰和无线信道的高误码率等问题进一步降低了信道效率。 3 i e e e8 0 2 1 1c s m a c a 协议使用二进制指数回退算法解决冲突，尽管算 法具有长期公平性【1 3 j ，每个站有平均的接入机会。但短期不公平，而且刚传输 的站有较高的机会接入信道。而且算法无法区分实时业务和非实时业务，对于实 时业务无法提供特定的q o s 保证，不能支持实时流量特定的q o s 需求。 4 对于无线网的集中控制也需要更多的开销，需要更大的同步字段，m a c 报文头也由8 0 2 3 中的1 4 b y t e s 提高到3 4 b y t e s 。对于使用a p 的轮询方式也需要 更多的管理报文，安全、认证措施。同步机制也更复杂。 对无线局域网而言，物理层采用的技术相对来说不如移动蜂窝网那么复杂， 否则就无法实现终端接入的简便灵活。因此，无线局域网保障q o s 的关键还是