（通信与信息系统专业论文）港口无线局域网组网优化的研究.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 无线局域网是由一组移动节点在局部区域内通过无线介质连接而建立的无 线网络。近年来，由于无线局域网具有使用方便，组网迅速，以及高可靠性等 优点，因此得到了飞速的发展。无线局域网在国外港口很早就开始得到应有， 我国的许多港口目前还是通过对讲机来进行信息交流的，这样就存在着信息交 换不够准确、不够实时、抗干扰能力不强等问题，严重影响了港口的工作效率， 所以对港口无线局域网进行组网优化的研究是很重要的。 本文基于港口无线局域网设计原则，对以下几个方面进行了深入的分析和 研究优化工作： 1 本文对无线局域网标准的选择、i e e e8 0 2 1l 网络的基本组成以及网络 架构等关键技术进行了深入的分析；深入研究了i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议下的 载波侦听机制、退避规则、恢复和重传规则以及访问帧问隔；分析了设计无线 局域网时的关键技术指标。 2 本文深入的研究了d c f 协议基本访问方式和可选r t s c t s 访问方式的 工作原理，并通过o p n e t 仿真平台，对两种访问方式进行了仿真比较研究， 通过比较分析得出在设计无线网络时需要根据不同情况来选用不同的访问方式 来进行通信的结论。 3 本文深入的研究了d c f 退避算法，对i e e e8 0 2 1 1 标准下的二进制指数 退避算法进行了优化，通过o p n e t 平台进行仿真实验表明，优化后的算法具 有更好的适应性，网络吞吐量性能也得到了改善。 4 本文深入的研究了港口无线局域网的抗干扰措施，对不覆盖状态、半覆 盖状态以及全覆盖状态下的干扰模型进行了分析，得出可采用频率跳转的方式 来进行优化的结论；对如何提升信号有效覆盖面进行了优化分析。 通过结合厦门海天港的实际地理情况，提出了厦门海天港无线局域网设计 部署方案，并基于o p n e t 平台对优化前后的无线局域网进行了仿真比较实验， 为方案的验证提供了可靠的依据。 关键词：无线局域网，i e e e8 0 2 1 1 ，o p n e t 仿真，d c f ，优化， 武汉理j ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ki sc o m p o s e do fag r o u po fm o b i l en o d ew h i c h c o n n e c t st h r o u g hw i r e l e s sm e d i u mi nl o c a la r e a i nt h er e c e n ty e a r s ，w l a nh a v ea r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e i r c o n v e n i e n c e ，q u i c k l y e s t a b l i s h m e n ta n d h i g h c r e d i b i l i t y t h e s ea d v a n t a g e sm a k e t h er e s e a r c ho nw l a nb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r t i nt h ef i e l d so fn e t w o r k s t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kw a sv e r ye a r l yb e e nu s e d i nt h ef o r e i g np o r t s ，m a n yp o r t ss t i l l c a r r yo nt h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h e i n t e r c o ma tp r e s e n ti no u rc o u n t r y ，t h i sm a k e st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ei si n a c c u r a t e a n dn o tr e a l t i m e ，a n dt h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yi sn o ts t r o n g t h e s ep r o b l e m sw e r e s e r i o u si n f l u e n c et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h i s t o p i c t h i sp a p e rb a s e do nt h eh a r b o rw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kd e s i g np r i n c i p l e ，h a s c a r r i e do nt h o r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： f i r s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h o i c eo fw l a ns t a n d a r d ，a n dr e s e a r c ht h eb a s i c c o m p o s i t i o n 、n e t w o r kc o n s t r u c t i o no fw l a nu n d e rt h ei e e e8 0 2 11s t a n d a r d ，t h e n a n a l y z e st h ec a r d e ri n t e r c e p t i o nm e c h a n i s m ，a v o i d a n c er u l e ，r e s t o r e sw i t ht h e r e t r a n s m i tr u l ea n da c c e s si f su n d e rt h ep r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1lm a cl a y e r ，a n d a n a l y s i st h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei n d e xo f t h em a c p r o t o c 0 1 s e c o n d l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo f t h eb a s i ca c c e s sm o d ea n do p t i o n a l r t s c t sa c c e s sm o d eo fd c fp r o t o c o l ，a n dw eh a v ec a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt o t w oa c c e s sm o d e st h r o u g ht h eo p n e tp l a t f o r m t h r o u g ht h ea n a l y s i sw eg e tt h e c o n c l u s i o nt h a tw en e e dt os e l e c tt h ed i f f e r e n tm o d ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t s i t u a t i o nt oc o m m u n i c a t ew h e nd e s i g n st h ew i r e l e s sn e t w o r k t h i r d l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed c f b a c k o f fm e c h a n i s m w eh a v ec a r d e do nt h e o p t i m i z a t i o nt ob e b u n d e rt h ei e e e8 0 2 11s t a n d a r d t h es i m u l a t i o nt h r o u g ht h e o p n e tp l a t f o r ms h o w st h a tt h eo p t i m i z e da l g o r i t h mh a sab e t t e rc o m p a t i b i l i t ya n d t h en e t w o r kt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ew a sa l s oi m p r o v e d f o u r t h l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e so fw l a n o np o r ta n d 武汉理j ：人学硕十学位论文 a n a l y s i st h en oc o v e rc o n d i t i o n ，h a l fc o v e rc o n d i t i o na sw e l la st h ee n t i r ec o v e r c o n d i t i o nm o d e l sa n dg e t st h ec o n c l u s i o nt h a tw ec o u l du s e f r e q u e n c ys k i p p i n gw a y t oo p t i m i z e w eh a v ec a r r i e do nt h eo p t i m i z e da n a l y s i sh o wt ob o o s t e rs i g n a l e f f e c t i v ec o v e r a g e t h r o u g hu n i f i e st h ea c t u a lg e o g r a p h ys i t u a t i o no ft h ex i a m e nh a i t i a np o r t ，w e p r o p o s e st h ed e s i g na n dd e p l o y m e n ts c h e m eo fx i a m e nh a i t i a nw l a n ，a n dw eh a v e c a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt ot h i ss c h e m e i tp r o v i d e dr e l i a b l eb a s i sf o rt h es c h e m e c o n f i r m a t i o n k e yw o r d s ：w l a n ，i e e e8 0 2 1l ，o p n e ts i m u l a t i o n ，d c f ，o p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：曩龇日期：趁配笸! ； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 盈和午 武汉理，l ：人学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于国防科工委“北斗二号 交通综合应用示范工程港口高 精度实时定位调度控制系统。无线局域网作为系统建设的一部分，承载着系统 中所有实时数据的传输，是该系统的重要组成部份。 1 1 2 研究目的与意义 近几年随着世界贸易的发展，国际航运市场出现了前所未有的繁荣，从而 也带动了国际造船及租船市场的繁荣，进而强化了世界范围内集装箱码头之间 的市场竞争，这就要求我国港口加快建设的步伐，改善港口设施，满足国际集 装箱运输的要求。在传统的集装箱码头，由于大型吊车，运输道路和货物通道 不能敷设电缆，厂桥、拖车等作业设备利用对讲系统进行信息交流传递，不仅 效率低下，而且经常由于信息传递错误而产生错误操作，导致用户不能及时得 到满意服务；同时集装箱码头业务流程比较复杂，涉及的工序相当多，随着客 户对提高港1 ：3 效率的要求越来越强，港口集装箱码头需要一种有效的控制方法 来减少货物的在港滞留时间，使港口的效益最大化。 对无线局域网进行组网优化涉及到很多方面，其中m a c 层协议的优化工作 就是其中很重要的一方面，因为一个性能优良的m a c 协议可以提供有效的调 度机制来共享无线信道下的有限资源，进而获得尽可能高的吞吐量等网络性能。 退避算法是节点在进行无线媒体接入时用来减少冲突的一种具体方法，算法设 计得是否合理直接关系到m a c 协议的整体性能。所以通过改进退避算法来提 高协议性能、增强协议适应性是很重要的。另外，由于港口工作环境比较复杂， 各种干扰比较多，严重影响了无线局域网的性能，而同频干扰就是其中主要一 种，所以对同频干扰进行优化也是很重要的。 通过对本课题进行研究，提出一种优化的无线网络传输方案，进而解决控 武汉理工大学硕士学位论文 制中心与装卸机械的操作人员、装卸工人以及理货员通过对讲机完成对集装箱 装卸信息的交换不够准确、不够实时、抗干扰能力不强的问题，让码头的信息 传输真j 下达到准确实时化，这对于全面提高港口工作效率是有着重要意义的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无线局域网的研究现状 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s ，w l a n ) 是在局部区域内以无 线媒体或介质进行通信的无线网络。它具有无可比拟的优越性能和灵活性，用 户可在限定的室内范围内随意移动联网设备，甚至可在室外移动，无需考虑接 线和插座i ij 。 在无线局域网的发展过程中，多址接入技术一直是关键技术之一，它是解 决在网络中多个用户如何高效共享一个物理链路的技术，它涉及多址通道的分 割、接入方式、分配策略和控制机制等多方面内容。多址接入技术的一个核心 问题是：对于一个共享信道，当信道的使用产生竞争时，如何采用有效的协调 机制或服务准则来分配信道的使用权。m a c 协议就是定义以一定的顺序和有效 的方式分配节点访问信道的规则1 2 】。 不同于有线网络，无线环境下的m a c 技术将要面对更多的问题。例如，有 线网络中很容易实现的冲突检测，在无线网络中却只有采用冲突避免；无线信 道的数据传输也不如有线方式可靠，误码率将大大高于有线网络；在有线环境， 不存在隐藏终端和暴露终端等题，在无线网络中，它却是导致网络性能恶化的 重要因素。无线网络，尤其是在分布式方式下，终端的移动会导致网络拓扑结 构的变化，这也会给m a c 的设计带来问题。无线局域网m a c 技术的目标就是 要在如此复杂多变的环境下，尽可能地提高传输媒质的利用率，并保证一定的 接入公平性。根据应用场景的不同，对m a c 技术还可能有更多的要求，如提 供节能、数据验证与保密支持等。通常情况下，m a c 协议还需要与上层协议， 如路由协议，密切配合，以期达到更好的网络整体性能。 1 2 2 无线局域网在港口的应用 无线网络在国外港口很早就开始得到应有，德国的汉堡港是目i j 世界上率 2 武汉理1 ：人学硕十学位论文 先全面实行港口地理信息、卫星定位、计算机、通讯、自动化等为一体的3 c 2 s 系统管理的国际性大型港口之一。 我国的主要港口离国际先进水平还是有很大差距的，大部分港口还是通过 对讲机来进行信息交换的，这样传输的信息就很不及时，抗干扰能力也差，严 重影响了码头作业的效率，已不适应企业现代化管理的需要。为了将在码头分 散作业的这些岸桥、场桥、流动机械与控制中心连接起来，实现控制中心对货 运调度以及流动机械动态管理实时控制，必须要采用适应港口需要的通讯方式， 这样无线局域网就可以发挥它的作用了： ( 1 ) 在港口的某些地段，尤其是常受海潮影响的近海作业区，不适合大面 积在地面铺设线路，而大型起重装置在作业区是移动的，架空明线也是港口尤 其是作业区不允许的，使用步话机报告货位、货号容易产生差错。通过无线局 域网可以把货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理，大大提高工作效率 和服务质量，避免了不必要的差错。 ( 2 ) 相当部分的港口作业具有移动性，不允许采用有线的通信方式，码头 因为复杂的地理位置和特殊功能造成了传统有线网络利用上的不便，而无线局 域网具有高移动性、强保密性、抗干扰性和架设与维护便捷等特点。因此在位 置变动频繁以及不方便铺设有线网络的情况下，无线局域网在港口的应用同益 普及。 1 3 课题的研究工作及内容安排 论文研究的主要内容如下： 第一章：绪论。主要介绍论文的研究背景、国内外发展现状、研究的主要 问题及论文体系结构。 第二章：无线局域网组网关键技术研究。首先对无线局域网现有的技术标 准、i e e e8 0 2 1 1 标准下的无线局域网的基本组成以及网络架构进行了分析研 究；然后分析了i e e e8 0 2 1lm a c 协议和无线局域网设计的关键技术指标。 第三章：港口无线局域网组网优化分析。首先基于o p n e t 平台，对d c f 协议中的两种访问方式基本访问方式和可选r t s c t s 访问方式进行了仿 真比较研究；接着对d c f 退避算法进行了优化研究，并提出了一个优化的退避 算法；然后对港口抗同频干扰以及信号覆盖进行了优化分析。 武汉理丁大学硕十学位论文 第四章：港1 3 无线局域网组网实例及仿真分析。提出了厦门海天港无线局 域网设计部署方案，基于o p n e t 仿真平台对优化前后的无线局域网进行了仿 真比较实验。 第五章：总结与展望。分析了本文的主要研究成果，并对未来需要进行改 进的工作进行了分析与展望。 4 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章无线局域网组网关键技术研究 2 1 无线局域网标准的选择 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激 烈，主要有i e e e8 0 2 1 1 家族、h o m e r f 和中国自己制定的w l a ng b 1 5 6 2 9 1 1 2 0 0 3 系列标准等，它们各有特点，其应用领域也不尽相同。 ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1 系列标准 i e e e8 0 2 1 1 是1 9 9 7 年i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解 决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存 取，速率最高只能达到2 m b s 。这是在无线局域网领域内的第一个国际上被广 泛认可的协议，随后i e e e8 0 2 1 l b 、i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 9 、i e e e8 0 2 1 1 n 、 等一系列标准相继完成，推动着w l a n 走向安全、高速、互联方向快速发展。 几种标准的对比见表2 1 所示。 表2 18 0 2 1 1 系列标准对比表 标准 i e e e8 0 2 1 1l e e e8 0 2 1l aj e e e8 0 2 1l bi e e e8 0 2 il g 工作频段( g h z ) 2 45 82 42 4 调制方式f s s s 、d s s s o f d m d s s s 、c c ko f d m 、c c k 是否付费频段 否 是 否否 最人传输速率( m b s ) 25 4l l 5 4 传输距离( m )1 0 02 0 5 0l0 0 - - 4 0 01 0 0 4 0 0 不重叠的子信道 31 233 应用范围语音语音、数据、图像 i e e e8 0 2 1 l b 是i e e e8 0 2 1 l 标准的扩充，它采用2 4 g h z 频带，数据传送 速率最高可以达到1 1 m b i t s ，目前i e e e8 0 2 1 l b 设备比较成熟，不同厂家设备 的兼容性较好，可以与更高速率的i e e e8 0 2 11 9 兼容，国家无线电委员会将在 该频段放开功率的限制，允许有效全向辐射功率e i r p 达到1 0 0 m w ，半开放环 境中最远传输距离为1 1 5 m ，然而只有在5 0 m 范围内的无线终端，才能以1 1 m b p s 武汉理t 大学硕士学位论文 的速率进行通信，在9 0 1 1 5 m 距离范围内的无线终端能以1 m b p s 的速率进行 数据通信。 i e e e8 0 2 1 l a 致力于5 8 g h z 频段内的物理层中提供新的、更高的数据传送 速率( 2 0 5 4 m b i t s ) ，它的e i r p 可以达到2 w ，但设备价格相对较高，不能与 i e e e8 0 2 1 1 b 向后兼容，由于i e e e8 0 2 1 l a 工作在更高频段，所以在相同发射 功率下覆盖距离只有i e e e8 0 2 1 l b 设备的3 0 左右，因此要覆盖相同区域，就 需要布放4 , - - 7 倍i e e e8 0 2 1 1 b 设备数量的i e e e8 0 2 1 1 a 设备。 i e e e8 0 2 1l g 是一种混合标准，它不但支持5 4 m b p s 的高速无线数据传输， 还完全兼容8 0 2 1 l b 标准，在相同的物理环境下，i e e e8 0 2 1 l a 标准也能达 5 4 m b p s 的传输速率，但i e e e8 0 2 1 l g 设备却能提供大约两倍于i e e e8 0 2 1 1 a 设备的覆盖距离，当两者同时达到1 1 m b p s 的传输速率时，i e e e8 0 2 1 1 9 设备能 提供和i e e e8 0 2 1 l a 设备的相同的覆盖距离p j 。 ( 2 ) h o m e r f 标准 1 9 9 8 年，由i n t e l 、i b m 、c o m p a q 、3 c o m 、p h i l p s 、m i c r o s o t t 、m o t o r o l a 等 成立家用射频工作组( h r f w g ，h o m er fw o r k i n gg r o u p ) 。这个工作组由美国 家用射频委员会领导，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音 和数据通信网。它于2 0 0 1 年8 月推出h o m e r f 2 0 版，h o m e r f 2 0 集成了语音 和数据传送技术，工作频段在1 0 g h z ，数据传输速率达到1 0 m b i t s ，在w l a n 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。 h o m e r f 是针对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采 用i e e e8 0 2 1 1 规范中的t c p i p 传输协议；在进行语音通信时，则采用数字增 强型无绳( d e c t ，d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s s ) 通信标准1 4 j 。 ( 3 ) 中国的w l a n 标准 中华人民共和国信息产业部正在制定w l a n 的行业配套标准，包括公众 无线局域网总体技术要求和公众无线局域网设备测试规范。该标准涉及的 技术体制包括8 0 2 1l x 系列和h i p e r l a n 2 。信息产业部通信计量中心承担了相 关标准的制定工作，并联合设备制造商和国内运营商进行了大量的试验。同时， 信息产业部通信计量中心和深圳市中兴通讯股份有限公司等联合建成了w l a n 的试验平台，对w l a n 系统设备的各项性能指标、兼容性和安全可靠性等方面 进行全方位的测评。 另外，国家标准化管理委员会已正式颁布了由“中国宽带无线i p 标准工作 6 武汉理l = 人学硕士学位论文 组 负责起草的中国w l a ng b1 5 6 2 9 1 1 - 2 0 0 3 系列标准1 5 】。该w l a n 标准是 在原则采用国际标准i s o i e c 8 8 0 2 1 1 系列标准的前提下，在充分考虑和兼顾 w l a n 产品互连互通的基础上，针对w l a n 的安全问题，给出了技术解决方 案和规范要求。它把国家对密码算法和无线电频率的要求纳入了进来，是基于 国际标准之上的符合中国安全规范的w l a n 标准，且这两个标准属于国家强制 执行标准，在2 0 0 4 年6 月已经正式执行，不符合此标准的w l a n 产品将不允 许出现在市场上。 无线网络标准繁多，各有优势，各有不足，选择合适的无线局域网标准应 结合实际环境、网络需求以及设备市场等实际情况。 2 2i e e e8 0 2 11 网络的基本组成 无线局域网由无线访问点a p 、无线网卡n i c 、无线网桥及配套软件组成。 一个w l a n 内的所有用户都具有一个可以实现无线连接的无线网卡，它们通过 一个称为a p 的无线h u b 组成无线局域网络，两个或多个局域网络通过无线网 桥连接起来。 ( 1 ) 无线网卡 提供与有线网卡一样丰富的系统接口，包括p c m c i a 、c a r d b u s 、p c i 和u s b 等。在有线局域网中，网卡是网络操作系统与网线之间的接口。在无线局域网 中，它们是操作系统与天线之间的接口，用来创建透明的网络连接。 ( 2 ) 无线访问点 无线访问点的作用相当于局域网集线器。它在无线局域网和有线网络之间 接收、缓冲存储和传输数据，以支持一组无线用户设备。无线访问点通常是通 过标准以太网线连接到有线网络上，并通过天线与无线设备进行通信。在有多 个无线访问点时，用户可以在无线访问点之间漫游切换。接入点的有效范围是 2 0 - - 一5 0 0 m 。根据技术、配置和使用情况，一个接入点可以支持1 5 - - 2 5 0 个用户， 通过添加更多的无线访问点，可以比较轻松地扩充无线局域网，从而减少网络 拥塞并扩大网络的覆盖范围。 ( 3 ) 无线网桥 无线网桥是为使用无线( 微波) 进行远距离点对点网间互联而设计。它是 一种在数据链路层实现l a n 互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其它 7 武汉理r 人学硕士学位论文 固定数字设备之间的远距离、高速无线组网。特别适用于城市中的远距离高速 组网和野外作业的临时组网。只实现链路层功能的无线网桥是透明网桥，而具 有路由等网络层功能、在网络层实现异种网络互联的设备叫无线路由器，也可 作为第三层网桥使用。 ( 4 ) 无线网关 无线网关，也叫无线协议转换器，它在传输层实现网络互联，是最复杂的 网间互联设备，仅用于两个高层协议不同的网络互联【6 1 。无线网关通过不同设 置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连接外部网络如w a n ，同 时还可以实现a p 功能。 2 3i e e e8 0 2 1l 网络的网络架构 我们根据网络中是否部署a p ，可以把i e e e8 0 2 1 l 网络分为有中心网络和 无中心网络。 无中心网络也称对等网络或a d h o c 网络，它覆盖的服务区称i b s s 。这是最 简单的无线局域网结构。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成，这些 计算机要有相同的工作组名和密码。对等网络组网灵活，任何时间只要两个或 更多的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。 有中心网络又可以分为以下三种形式： ( 1 ) a p 模式 a p 模式，又称为基础架构模式，由无线访问点( a p ) 、无线工作站( s t a ) 以及分布式系统( d s s ) 构成，覆盖的区域称基本服务区【7 】。其中a p 用于在无 线站点和有线网络之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通讯都经过a p 完 成。a p 通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。a p 可以连接到有 线网络，实现无线网络和有线网络的互联。 ( 2 ) 多a p 模式 是指由多个a p 以及连接它们的分布式系统( d s ) 组成的基础架构模式网 络，也称为扩展服务区( e s s ) 。扩展服务区的每个a p 都是一个独立的无线网 络基本服务区( b s s ) ，所有a p 共享同一个扩展服务区标示符( e s s i d ) 。分布 式系统( d s ) 在8 0 2 1 1 标准中并没有定义，但是目前大多是指以太网1 8 j 。相同 e s s i d 的无线网络间可以进行漫游，不同e s s i d 的无线网络形成逻辑子网。 武汉理一i ：人学硕十学位论文 ( 3 ) 无线中继模式 无线中继模式可以实现信号的中继和放大，从而延伸无线网络的覆盖范围。 中心a p 最多支持四个远端无线中继模式的a p 接入【9 1 。无线分布式系统( w d s ) 的无线中继模式，提供了全新的无线组网模式。可适用于那些场地开阔、不便 于敷设以太网线的场所，像大型开放式办公区域、仓库、码头等。 2 4i e e e8 0 2 11m a c 层协议研究 i e e e8 0 2 1lm a c 层的首要任务就是控制介质访问，它的基础是载波监听 多址接入碰撞避免方式( c s m a c a ) o o j 。它定义了两种控制介质访问的方法： 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 ) 和分柿式协调功能( 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 ) 。 p c f 是可选的介质访问方法，用于基础架构模式的网络中。p c f 使用集中 控制的接入算法，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避 免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应该使用提供无争用 服务的点协调功能。 d c f 是i e e e8 0 2 1l 最基本的介质访问方法，只提供异步数据服务，它在每 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。 基本的c s m 刖c a 机制较为简单，过程是这样的：当要发送数据的s t a 检测到 信道空闲期间大于某一i f s ( 间隔时间) 后立即开始发送帧；否则，延迟接入 直到检测到需要的i f s ，然后选择退避时间进入退避】。下图2 1 为c s m a c a 机制的流程图。i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议对网络性能产生影响的相关因素有如 下四个方面： 9 武汉理一r ：人学硕+ 学位论文 2 4 1 载波侦听机制 图2 1c s m c a 机制流程图 i e e e8 0 2 1 1 根据w l a n 的介质特点提出了两种载波监听方法：一种是物理 层的直接载波监听，从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质 量来估计信道的忙闲状态，基本的c s m a c a 就是利用物理层的直接载波监听 来检测信号的；另一种是m a c 层的虚拟载波监听方式，通过m a c 的报头或 r t s c t s 方式中的网络分配矢量( n a v ) 来实现l l2 。n a v 为一个倒计时的记数 器。这种监听方式的目的是：源站将它要占用信道的时间( 包括目的站发回确 认帧所需的时间) 通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止 发送数据，从而减少碰撞。“虚拟”指其他站并没有监听信道，而是由于其他站 收到了源站的通知而不发送数据，这种效果好像是其他站都监听了信道。“源站 i o 武汉理t 人学硕十学位论文 的通知 就是在其m a c 帧首部的第2 个字段“持续时间 中，填入了本数据 帧结束后还需要占用信道多少时间。如果这两种载波监听方式中任何一种指示 信道正在被使用，信道就认为己处于忙态。 2 4 2m a c 层退避规则 在无线局域网中，当s t a 发送数据时，如果检测到信道忙，就进入退避规 则，即根据当前的竞争窗口随机选择一个时间推迟发送。随机退避时间的计算 方法是【1 3 】： b a c k o f f f i m e = r a n d ( ) 宰s l o t t i m e ( 2 - 1 ) 其中，r a n d ( ) 是在0 - c w 上的平均分布的伪随机数，c w ( c o m p e t i t i o n w i n d o w ) 为竞争窗口，i e e e8 0 2 11 b 标准中建议如果物理层采用直序列扩频 技术d s s s 时，竞争窗e l 最小值为c 吒= 3 2 ，最大为c 戤= 1 0 2 4 ，c w 介于 c i 。和c 。之间。 竞争窗口初始化大小为c 佃，根据i e e e8 0 2 1 l b 标准规定，对碰撞包的重 传采用二进制指数回退策略，即每次数据重传，竞争窗口的大小等于当前的2 倍；当成功发送一个帧后，竞争窗e l 恢复为c 如。 退避规则调用的时机可分为下面两种情况： ( 1 ) 当s t a 要发送帧时，发现信道忙( 即n av 0 ) ，启动退避规程。 ( 2 ) 当发送帧的s t a 预测到发送失败后，启动退避规程和重传规程。 退避规则启动后，当检测到n a v 0 时，则退避计时器不进行减时隙操作， n a v 递减；当检测到n a v = 0 时，并且物理载波检测也表明信道空闲时，在等 待d i f s 或e i f s 的空闲时间后，退避计时器丌始减时隙操作，直到退避时间为 0 ，发送数据1 1 4 j 。 因为载波侦听机制无法检测到半覆盖状态下的相邻同频b s s 的信道状态， 因此，如果覆盖区域内有负载，则很容易出现碰撞。碰撞导致发送站对同一个 数据帧进行多次重传，并且每次重传退避时间按指数概率增长，严重占用信道 资源，会导致整个e s s 系统整个吞吐量的急剧下降。 2 4 3m a c 层恢复和重传规则 在无线局域网中，当s t a 发送数据并且n a v = 0 后收不到a c k 信号，则认 武汉理一l ：人学硕十学位论文 为数据发送失败，启动重传规则15 1 。i e e e8 0 2 1 1 b 标准建议，对于短帧，重传 的最大次数为7 ，对于长帧，重传的最大次数为4 。每重传一次，则重传次数计 时器加1 ，直到达到最大重传次数为止，就将该帧丢弃。 2 4 4m a c 层访问帧间隔 为了避免碰撞，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 协议规定，所有的站在完成发送后， 必须再等待一段很短的时间( 继续监听) 才能发送下一帧，这段时间统称为帧 间隔。帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型i l 酬。8 0 2 1 l b 标准中规定物 理层采用直序列扩频技术d s s s 时，有如下四种帧问隔： ( 1 ) s h o r t 帧间隔( s i f s ) ：它是最短的帧间隔，当一个节点需要占用信道 并持续执行帧交换时使用s i f s ，这时如果有其它节点要使用信道，必须等待信 道空闲并持续一个更长的时间间隔才能参与竞争，从而使用s i f s 的节点具有最 高的优先级。s i f s 仅用于a c k 应答、c t s 清除、分段的第二个或碎发数据单 元m s d u 。 ( 2 ) p c f 帧间隔( p i f s ) ：它是工作在中心控制方式下的工作站获得介质 访问权的时间间隔，它的优先级高于分布式控制方式。这类工作站一旦监听到 介质空闲，就可以进行无竞争的通信。 ( 3 ) d c f 帧间隔( d i f s ) ：所有工作在分布式控制方式下的工作站都使用 d i f s 来发送数据帧和管理帧，基于d c f 的帧发送优先级比基于p c f 的帧发送 级别低。 ( 4 ) 扩展帧间隔( e i f s ) ：当发现错误帧时，接收站需要等待的时间间隔。 在载波侦听机制和退避规程的运行中，都需要根据上述的帧间隔进行。 2 5 关键技术指标 一个无线网络建好之后，如何对其性能做出定量的评估? 这些问题对网络 设计及优化十分重要。评价一个无线网络性能的技术指标主要有系统丢包率、 吞吐量、总业务量、传输时延、稳定性和有效覆盖面等。下面介绍五个关键的 技术指标：系统丢包率、吞吐量、总业务量、传输时延和有效覆盖面。 1 系统丢包率：由于各种原因系统丢失数据包的总量。 2 吞吐量：在单位时间内在信道上成功传输的信息量称为吞吐量。当信道 武汉理t 大学硕十学位论文 上发生传输碰撞和传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。假 设帧长度固定且长度为l 比特，而且单位时间( 以下设为秒) 内成功传输的帧 数为n ，则吞吐量可表示为n l ( b p s ) ( 比特秒) 。另外，也可以用信道传输速 率r ( b p s ) 对吞吐量归一化，归一化的吞吐量由t 表示，即i l 7 j ： t = r xl r( 2 2 ) 式中l r 为每帧在信道上的发送时间。如果在信道上，帧不发生碰撞，且 帧问隔为o 的话，信道将被最大限度的使用，这时刀l = r ，即吞吐量t = l 。 相反如果信道上所有的帧均发生碰撞，即成功传输的帧数n = 0 的话，吞吐量降 到最小值t = 0 。 3 总业务量：信道上所有的站在单位时间内所传输的帧的信息量称为信道 的总业务量。进入信道要求传输的帧可以被分为两类：一类是各站新产生的帧， 另一类是由于碰撞或传输错误要求重传的帧。显然总业务量等于单位时间内新 产生的帧的信息量与重传帧的信息量之和。与吞吐量类似，也可以用信道传输 速率对总业务量归一化，归一化的总业务量常用符号g 表示。对于m a c 协议， 吞吐量特性与总业务量密切相关，t 随总业务量的变化特性称为吞吐量性能。 理想情况下，当g 小于信道速率时，t = g ；当g 大于等于信道速率时，t = l 。 实际上，当g 较小时，t 可能会随g 的增加而增大；但当g 增加到一定程度时， 由于碰撞加剧的原因，t 可能会随g 的增大反而减小，甚至为o ，使系统瘫痪。 4 传输时延：某一帧从进入发送主机的缓冲器时刻开始，到成功到达目的 主机接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为该帧的传输时延【l 引。当某一帧被 成功传输时，其时延时间主要由发送等待时间( 即为获得信道使用权的等待时 间) 和该帧在信道上的传输时间组成。如果发生碰撞或传输错误，时延时间还 应包括由于重传而带来的时延时间。由于每帧的传输时延可能不同，一般取一 帧的平均传输时延作为帧时延的量度。定义归一化的平均传输时延d 为一帧的 传输时间与平均传输时延的比值。假设每帧从刚产生就立即被发送到信道( 即 发送等待时间为零) ，并且必定一次发送成功，如果忽略信号在信道上的传输时 间，则平均传输时延最小。通常随着总业务量g 的增加，发送等待时间及重传 时延会增大，导致平均传输时延增大。 5 有效覆盖面：无线网络信号所能覆盖到的范围，我们可以将单个a p 的 覆盖范围作为有效覆盖面来讨论。 武汉理+ r 大学硕十学位论文 2 6 本章小结 本章是对无线局域网组网关键技术进行的分析研究，首先介绍了w l a n 现 有的技术标准，包括i e e e8 0 2 1 l 系列标准、h o m e r f 以及中国的标准，并对i e e e 8 0 2 1 1 系列标准进行了比较分析；然后对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的基本组成、 网络架构进行了分析；最后分析了设计无线局域网时的关键技术指标。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章港口无线局域网组网优化分析 3 1d c f 协议两种访问方式的仿真比较研究 分布式协调功能( d c f ) 是i e e e8 0 2 1 lm a c 层协议最基本的信道共享机 制，它是一种带冲突避免的载波监听多址接入的随机访问方法，主要包括两种 访问方式：基本访问方式和可选r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 访问 方式【l9 1 。本节通过o p n e t 仿真平台，对d c f 基本访问方式和可选r t s c t s 访问方式进行了仿真设计，比较研究了两种方式下w l a n 网络性能的优劣。 3 1 1d c f 协议基本访问方式工作原理 d c f 协议基本访问方式的实质是两次握手的c a 机制，又称a c k 机制，即 只有数掘帧( d a t a ) 和确认帧( a c k ) 的发送，是一种简单的握手机制。这 种方式的实现较为简单，当目的站点已经正确地接收数据帧后，就会发送确认 帧，源站收到确认帧，就知道原数据帧已成功发送【2 们。如图3 1 所示，当一个 站( 源站) 要发送数据帧时，首先通过监听信道来确定信道上是否有其它站正 在发送数据，如果信道是空闲的，并且空闲时间持续一个d i f s 时间间隔，源 站就开始发送；如果源站监听信道时，信道处于忙态( 无论是最初监听到忙， 还是在d i f s 周期内监听到) ，源站将继续监听信道，直到信道持续一段d i f s 时间，随后源站启用退避机制。当退避机制完成后，源站再发送数据。退避机 制就是该协议冲突避免的特点，能使本站与其他站发送数据发生碰撞的概率最 小化