（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发.pdf

摘要 无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) ，是一种利用无线媒介，提供无线对等和 点到点连接的数据通信系统。当前存在多种无线局域网标准，而i e e e8 0 2 1 1 标准 是其中应用最广泛的无线局域网协议。 i e e e8 0 2 1 l 无线局域网m a c 层协议有两种基本接入方式一d c f 和p c f 。本论 文主要对基于c s m a c a 的d c f 方式进行了系统、深入的分析，重点研究了其中的 载波侦听、随机退避机制、信道访问机制等技术。根据模块化程序设计思想，将 整个协议功能分成了五个功能模块，详细介绍了其中三个协议模块的功能，并具 体设计了这三个模块的程序。然后在用软件编程实现m a c 层协议的基础上搭建了 协议实现的软硬件平台，实现了嵌入式操作系统 _ t c o s i i 在a r m 7 处理器上的移 植。最后论文介绍了基于协同通信思想的m a c 层协议一c m a c ( c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nm a c ) 协议。 关键词：i e e e8 0 2 1 1d c f 嵌入式操作系统c m a c 协议 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) ，i sad a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e mt op r o v i d et h ec o n n e c t i o np o i n tt op o i n ta n de q u a le n t i t yt oe q u a le n t i t yt h r o u g h w i r e l e s sm e d i u m a tp r e s e n tt h e r ea r em a n y k i n d so fw l a ns t a n d a r d ，t h e r e i n t oi e e e 8 0 2 1ls t a n d a r di su s e dm o s tw i d e l y t h ew l a np r o t o c o li e e e8 0 2 11h a st w ok i n d so fb a s i ca c c e s sw a y s d c f ( d i s t r i b u t i o n a lc o o r d i n a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) a n dp c f ( c e n t r a l i s mc o o r d i n a t i o n c o n t r o lf u n c t i o n ) i nt h et h e s i s ，w eh a v eas y s t e m a t i c a la n dt h o r o u g ha n a l y s i so nd c f w h i c hb a s e do nc s m a c a ( c a r r ys e n s ed e t e c t e do fm u l t i p l ea c c e s so fc o l l i s i o na v o i d ) t e c h n o l o g ya n ds t u d yt h ec a r r i e rs e n s e ，r a n d o mb a e k o f rm e c h a n i s m ，c h a n n e la c c e s s c o n t r o lc t c a c c o r d i n gt ot h em o d u l a rd e s i g np r o c e s s ，w ed e s i g nt h em a cl a y e r p r o t o c o ls o r w a r e ，d i v i d et h ee n t i r ep r o t o c o lf u n c t i o ni n t of i v ef u n c t i o nm o d u l e s ， i n t r o d u c et h ef u n c t i o no ft h r e eb l o c k so ft h e mi nd e t a i l ，a n dd e s i g nt h es p e c i f i cp r o g r a m o ft h r e eb l o c k s a n dt h e n ，w eb u i l dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h ep r o t o c o lb a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fm a c l a y e rp r o t o c o lt h r o u g h s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a c c o m p l i s ht h et r a n s p l a n to ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m l _ t c o s - i ii nt h ea r m 7p r o c e s s o ra sam a cp r o t o c o ls o f t w a r er u n n i n ge n v i r o n m e n t f i n a l l y ，w ed e s c r i b ean e wm a cl a y e rp r o t o c o lb a s e do nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n - c m a c ( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm a c ) p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 1 d c fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc m a c p r o t o c o l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 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；也不包含为获得西安电子科技大 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所做的任 何贡献均已在论文中做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： 司否毛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。 ( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：多重鱼 导师签名：草鞋啦 日期：型2 ：立! 上 日期：，塑! ：三：2 第一章绪论 第一章绪论 1 i 引言 随着i n t c r n c t 应用的迅猛发展，以及便携机、p d a ( p e r s o n a ld a t a a s s i s t a n t ) 等移 动智能终端的使用的日益增长，用户要求互连的终端数量更多，类型也更为复杂。 现代电子技术的发展，使人们可以根据不同的要求选择不同的网络方案，但传统 的有线网络受到设计或环境条件的制约，在物理、逻辑和资金方面普遍存在着一 系列问题，所以发展一种可行的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充己成 为一种迫切需要，无线局域网( w l a n ) 正是在这种背景下产生的。 个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端( p d a l 以及多媒体终端的广 泛应用，要求传统的计算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多 媒体演进，这种趋势进一步推动了w l a n 的发展。目前无线局域网技术正处于一 个发展的关键时期，各种新的网络技术层出不穷，如b l u e t o o t h ，h o m e r f ，i e e e 8 0 2 1 1 ，h i p e r l a n 等，其中尤其是以i e e e 8 0 2 1 1 【1 】【2 】的发展最为迅猛，已成为目 前工业界普遍认可、追随和遵循的主流无线局域网协议。 1 2 无线局域网w l a n 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：无线网络的设置准许用户终端在整个无线网络扩展服务集所 覆盖范围内任意移动，在一定程度上不受地理位置的限制，组网灵活。对 于受地理位置限制和经常移动的通信终端组网特别方便； 网络构架灵活、快捷、简单：无线局域网系统消除布线的繁琐工作，网络 可遍及有线不能到达的地方，可以快速的组建网络，提高了工作效率； 投资少：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未 来发展的需要。一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行 网络改造，而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生，同时使用无线 网络可以避免铺设线缆、租用线路等费用，从而大大降低组网成本，应用 2 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 在频繁移动和变化的动态环境中，投资回报高； 扩展能力强：无线局域网可组成多种拓扑结构，容易从少数用户的对等网 络模式扩展到上千用户的结构化网络。 因此无线局域网在变动频繁、成长快速、突发性以及不方便铺设网络的情况 下，成为用户的一种最佳选择方案，目前主要应用在以下几个领域： 难以布线的环境：老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校 园和工厂。 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及 野外勘测、试验、军事、公安和银行等。 专门工程或高峰时间所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人 员流动较强的地方，零售商、空运和航运公司高峰时间所需的额外的工作 站等。 方使移动办公和娱乐的环境：如办公室、家庭、医院、机场候机厅、车站 等场所，人们可通过便携式计算机轻松接入i n t e r n e t 。 可见，随着开放办公的流行和便携式移动终端的普及，人们对移动性访问和 存储信息的需求愈来愈多，因而无线局域网将会在办公、生产和家庭等领域不断 获得更广泛应用。 无线局域网的组网方式比较灵活、简单。其主要的组网方式有两种：基础设 施形式( i n f r a s t r u c t u r e m o d e ) 和自组织形式( a d h o c m o d e ) ，分别如图1 1 和图1 2 所 示。 心 删4 ， 哪 多啦 k p 蹙 s w i t c h 匆 图1 1 基础设施形式 m n 2 图1 2 自组织形式 自组织形式的特点是：网络运行在无中心的分布对等的方式下，任意两个无 线设备之间可以直接进行通信，无需接入节点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 进行集中控制和转 发，相关的m a c 控制功能由各无线设备进行分布式的管理。其优势是：拓扑结构 简单，维护方便，网络的健壮性和自愈性比较理想( 某一个节点的故障不会影响 整个无线网络的运行) 。但是，由于工作在同一自组网内的无线设备均采用相同的 文呲 第一章绪论 3 无线信道，因此这种方式更适合于无线设备较少、网络覆盖面积较小的网络。与 此相对，对于无线设备众多、网络覆盖范围广的大规模无线局域网，则通常会采 用基础设施形式。 i e e e8 0 2 1 1 通过采用最新的无线传输技术，有效地提高了数据传输的速率， i e e e8 0 2 1 l b a g 分别最高达到1 1 m b p s 5 4 m b p s 5 4 m b p s ，远远高于3 g 目前所支持 的2 m b p s ，在一定程度上满足了人们对带宽的需求。i e e e8 0 2 1 1 所能覆盖的范围 从室内的几十米到室外的几百米，在一定程度上满足了人们对移动性的渴望。i e e e 8 0 2 1 1 标准分为两个组成部分，分别对应了o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 模型中 的物理层( p h y ) 和数据链路层中的m a c 子层，如图1 3 所示。 w i a n8 0 2 1 1e t h e m e t8 0 2 3 m n ；j # ? ”印p l i c a t i o n 。c j it c p ， i p o 一前 ， l l c ，： m a c8 0 2 3m a c p h y 7 8 0 2 3p h yj l l c m a c8 0 2 3 p h y 8 0 2 3 图1 3i e e e8 0 2 1 1 标准的结构及协议层次关系图 m a c 子层协议用于说明如何利用共享无线信道进行m a c 层服务数据单元的 传送，其主要功能包括：无线介质访问控制、建立网络连接以及保障数据安全。 本论文仅针对m a c 协议的无线介质访问控制功能进行研究和实现，因为它是 i e e e 8 0 2 1 1m a c 的核心功能，对无线局域网的整体性能起到了决定性的作用。 i e e e 8 0 2 1 1 协议的m a c 层部分是比较独立的一部分，而且作为网络结构中单独的 一层，m a c 层协议实现以后，可以在不同的硬件平台上运行，这样使m a c 层具 有很强的研究价值和实现价值。 1 3 课题研究的目的和意义 近年来，无线局域网技术快速发展，它被看作是继3 g 技术后通信领域的又一 新的热点。众多大的通信产品制造商都在该技术上投入了大量的人力和物力，抢 占无线局域网的技术制高点，在今天这个技术就是竞争力的时代，我们有必要掌 4 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 握无线局域网的核心技术。目前w l a n 的几大技术标准中，i e e e8 0 2 1 1 x 系列标准 应用最为广泛，i e e e8 0 2 1 1 x 标准主要定义了分层协议中的m a c 子层和物理层的 规范。在此本课题以i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 层规范为研究基础，对i e e e8 0 2 1 1 标准中的m a c 子层规范进行系统分析和研究，在此基础上完成协议的软件实现并 且完成基于嵌入式操作系统的m a c 协议的实现。 本课题研究的意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 1 协议是目前最具影响力的无线局域网标准。基于i e e e 8 0 2 1 1 协 议的芯片制造技术现在已经非常成熟，但是目前的芯片都是国外公司设计的，通 过对8 0 2 11 协议的研究发现生产具有自主知识产权的8 0 2 1 l 芯片是完全可行的。媒 体访问控制( m a c ) 协议是i e e e 8 0 2 1 1 的一个重要组成部分，文中提出了使用开源的 实时操作系统i t c o s i i 来实现i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议的一种方法，并在此基础上， 使用；，t c o s i i 验证并实现了i e e e 8 0 2 11m a c 协议，为下一步生产出具有自主知识 产权的8 0 2 11 无线网络芯片( m a c 层和p h y 层) 奠定了基础。 ( 2 ) 通信协议的研究与实现是网络通信技术研究的重点和难点，通过该课题的 研究可以掌握一套通信协议的核心技术。 1 4 论文的组织与安排 第一章是论文的绪论，介绍了论文的研究背景和主要研究内容。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 1 介质访问控制子层协议以及相关研究进展，并对 i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 子层协议的重点和难点做了系统、深入的研究和分析。 对m a c 层功能实现进行了模块化分析和设计，将m a c 子层分成了几个功能模块 来实现。 第三章简要介绍了嵌入式实时操作系统i - t c o s i i 以及a r m 7 处理器，并将实 时操作系统i ，t c o s i i 移植到了a r m 7 处理器，成功搭建了应用软件运行的软硬件 平台。 第四章提出了一种基于协同通信思想的m a c 层协议一协同m a c ( c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nm a c ) 协议。 最后，在第五章中作者给出了论文结论和对进一步工作的展望。 第二章i e e e 8 0 2 11 介质访问控制子层协议及其实现 第二章i e e e 8 0 2 1 1 介质访问控制子层协议及其实现 2 1i e e e 8 0 2 1 l 介质访问控制子层协议的概述 i e e e 8 0 2 1 1 标准集中于物理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 。而媒质访 问控制层和逻辑链路层一起构成o s i 中的数据链路层。m a c 层的协议详尽的阐述 了对信道的公用访问所应遵循的基本规范。由于在无线网络中冲突检测比较困难， 媒质访问控制层( m a c ) 采用冲突避免( c a ) 协议，而不是冲突检测( c d ) ， i e e e 8 0 2 1 1 物理层的无线媒体( w m ) 决定了它与现有的有线局域网的m a c 不同， 具有独特的媒质访问控制机制，各站点以载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 的方式共享无线媒体。 作为一个局域性的网络，它的基本工作单元是基本服务集( b s s ) ，这样一个 服务集包括两种不同的信道协调功能，一种是分布式协调功能( d c f ) ，一种是可 选的点协调功能( p c f ) 。而后者的功能是以前者为基础的。d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议的基本媒质访问方法，类似于传统的分组网，支持异步数据传输等异步业务， 所有要传输数据的用户拥有平等接入网络的机会，通过竞争模式以取得资料传输 的权利，而p c f 通过某终端或服务站来主控分配权，主要用于传输实时业务，可 支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。所有站点均支持d c f 。在a d & o c 网 中，d c f 独立工作；在基本结构网中，d c f 可独立工作也可与p c f 共同工作。 无竟争服务 罗獬饔磊隔勤蕤谶鬻黟q 竞邻务 影黪, ( p o i n tc o o r d i n a f i o nf u n c t i o n ；，) 霭士 静，i 。 分布协调功能d c f 一哪弦i 鬻辫雾餮 i 、( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n7 f u n c t i o n ) 。；荔 酝i 簇滋么藏自；黝锄锄渤篓凌黝a 燃纛缓荔褫i 磁磊缀磊么么2 貉幺蠡簏 2 4 g h z2 4 g h z 5g h z 2 4 g h z f h s s d s s s 取o f d m d s s s lm b s1m b s lm b s 6 ，9 ，1 2 ， 5 5m b s 2m b s18 , 2 4 ，3 6 ， 2m b s2 m b s1 1m b s 4 8 ，5 4m b s i e e e8 0 2 1 1 8 0 2 1 l a 。8 0 2 1 l b 图2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议结构 一 层 一 层 一 丁蝣孵上 一 物 一 6 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 d c f 在每个终端上使用c s m a 机制的分布式接入算法，让各个终端通过竞争 信道来获取发送权，因此d c f 向上提供竞争服务( c o n t e n t i o ns e r v i c e s ) ，适用于对 传输时延不敏感的数据业务。 p c f 是可选的，当工作在自组织形式下，网络就没有p c f 子层。p c f 使用集 中控制的接入算法( 一般在接入点a p 实现集中控制) ，用类似于探询的方法将发 送数据权轮流交给各个终端，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如 分组语音和视频，就应该使用提供无竞争服务的点协调功能p c f 。 d c f 和p c f 并不相互排斥，它们可以在同一个b s s 内交替使用。这种情况下， 终端的接入方式可以在竞争周期( c o n t e n t i o np e r i o d ，c p ) 期间工作在d c f 模式下， 而在非竞争周期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) 期间切换到p c f 模式下。 2 2 分布式协调功能( d c f 方式) d c f 是i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议中最重要和最基本的接入方式，它采用 c s m 刖c a 与二进制指数退避机制来支持用户终端的异步数据通信。它试图让各个 终端通过竞争来公平和高效的利用无线信道资源。在d c f 接入方式中，还包含基 本访问机匍j ( b a s i ca c c e s sm e c h a n i s m ) 与可选的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt o s e n d ) 访问机制。 为了尽量避免发生碰撞，i e e e8 0 2 1 1 规定，所有的终端在发送完成后，必须 再等待一段很短的时间( 继续监听) 才能发送下一帧。这段从上一次发送结束到 下一个帧起始发送的时间通称为帧间间隔i f s ( i n t e r f r a m es p a c i n g ) ，其具体的时间 长度取决于待发送帧的类型。在i e e e8 0 2 1 1 系统中，不同类型的帧具有不同的发 送优先级。例如：a c k 帧的发送优先级就高于用户的数据帧。高优先级的帧使用 较小的帧间隔，即其发送需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。 凰 巍b j u s r ym ”e d i u m 77 7 掣剖 b 诎。i f - w i n d o w 艮甄獭曩一、一咳口荔g 镕目 t 图2 2 几种i f s 的关系示意图 i e e e8 0 2 1 1 定义了四种类型的帧间间隔( 见图2 2 ) ： ( 1 ) s i f s ，即短( s h o r t ) 帧间间隔，长度为2 8 p s 。s w s 是最短的帧间间隔，用 于分隔开属于一次对话的各帧。使用s s 的帧类型有：a c k 帧、c t s 帧、由过 长的m a c 帧分段后的数据帧以及所有应答a p 探询帧和在p c f 方式中a p 发出的 任何帧。 ( 2 ) p i f s ，即点协调功能帧间间隔( 比s i f s 长) 。p i f s 是为了在开始使用p c f 第二章i e e e 8 0 2 1 1 介质访问控制子层协议及其实现 7 方式时优先获得接入到介质中。p i f s 的长度是在s i f s 加上一个时隙( s l o tt i m e ) 的 长度( 其大小为5 0 p s ，即7 8 a s 。对隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 b s s 内，当某个终端在一个时隙开始接入到介质时，那么在下一个时隙开始时其 他终端就都能检测出信道已转变为繁忙。 ( 3 ) d i f s ，即分布协调功能帧间间隔( 比p i f s 长) ，在d c f 方式中用来发送 数据帧和管理帧。d i f s 的长度比p i f s 再多一个时隙的长度，因此d i f s 的长度为 1 2 8 a s 。 ( 4 ) e i f s ，即扩展帧间间隔( 比d i f s 长) 。e i f s 是为了在终端再次开始发送 前为其它终端提供足够的时间以便对该发送终端的数据帧未能正确发送进行确 认。当帧发生错误时，发送终端应该等待e i f s 结束或在e i f s 期间收到一个正确 的帧时，才能重新进入正常的介质访问控制过程。 上述四种帧间间隔存在如下等式关系： p 口s = a s i f s t i m e + a s l o t t i m e d i f s = a s i f s t i m e + 2 木a s l o t t i m e e i f s = a s i f s t z m e + ( 8 * a c k s i z e ) 4 - a p r e a m b l e l e n g t h + a p r e a m b l e h e a d e r l e n g t h + d f s 式q b ( 8 * a c ks i z e ) + a p r e a m b l e l e n g t h4 - a p r e a m b l e h e a d e r l e n g t h 为以物理层最 低速率发送所需的微秒数。 2 2 1 基本访问机制c s m a a 尽管c s m a c d 在有线局域网中取得了巨大的成功，然而它的冲突检测机制 并不适合无线局域网的通信环境。因此，i e e e8 0 2 1 lm a c 层d c f 方式的基本访 问机制( b a s i ca c c e s sm e c h a n i s m ) 采用的是c s m a c a 协议。 在i e e e8 0 2 1 1 标准中，c s m a c a 的c s ( 载波检测) 部分包括物理层的载波 检测和m a c 层的虚拟载波检i 贝! j ( v i r t u a lc a r r i e rs e n s e ) 。在物理层，终端对物理层的 空中接口进行载波监听，当接收到相对信号强度超过一定的门限数值时就可判断 是否有其他的移动站在信道上发送数据。在m a c 层，标准采用了虚拟载波侦听机 制，即通过让发送终端将它要占用信道的时间( 包括接收终端发回确认帧所需的 时间) 通知给所有其他的终端，以便使其他所有终端在这一段时间内都停止发送 数据。这样就大大减少了发生碰撞的机会。“虚拟是表示其他终端并没有监听信 道，而是由于其它终端收到了发送终端的通知而不发送数据。这种效果好像是其 他终端都监听了信道。“源站通知 就是在其m a c 帧首部的第二个字段“持续时 间中填入了在本帧结束之后还要占用信道多少时间( 以微秒为单位) 。当一个终 端检测到正在信道中传送的m a c 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 络分配向量n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 。n a v 指出了必须经过多少时间才能 完成这次传输，从而使信道转回空闲状态。因此，信道处于忙状态，或者是由于 物理层的载波监听检测到信道忙，或者是由于m a c 层的虚拟载波侦听机制指出了 信道忙。 在d c f 接入机制中，终端在发送数据前必须先通过上面的方法检测信道。若 检测到信道空闲且等待发送的是它的第一个m a c 帧时，则在等待帧间间隔( d i f s ) 后就可以直接发送。接收终端若正确接收到此帧，则经过帧间间隔( s i f s ) 后，向发 送终端发送确认帧a c k 。若发送终端没有收到a c k 时，发送终端应该等待e i f s 结束或在e i f s 期间收到一个正确的帧时，才能重新进入正常的介质访问控制过程 尝试重传此帧，并直到收到a c k 或者经过若干次的重传失败后放弃此帧的发送。 当信道从繁忙状态转变为空闲时，任何一个终端要发送数据帧时，不仅都必 须等待一个d i f s 的帧间间隔，而且还要执行相应的退避算法i 并计算随机退避时 间以便能再次接入到无线信道。在c s m a c d 协议中，发生碰撞的各终端执行退 避算法是在发生了碰撞之后，但在i e e e8 0 2 1 1 的c s m 刖c a 协议中，由于没有碰 撞检测机制，因此在信道从繁忙状态转为空闲时，各终端就要执行冲突避免( c a ) 的退避算法。上述过程如图2 3 所示。 2 2 2 退避规程 图2 3d c f 基本访问方式 i e e e8 0 2 1 1 使用二进制指数退避( b a c k o f f ) 算法。具体方法如下： 应用二进制指数退避算法时，终端首先从0 和竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w , c w ) 之间选择一个随机数，然后终端通过这一随机数来计算所需的退避时间： t b a c k o f f = r a n d o m ( o ，c w ) a s l o t t i m e ，其中的s l o t t i m e 称为时隙，并设置一个 退避计时器( b a e k o f f t i m e r ) 。当检测信道处于空闲状态的时间超过d i f s 时，其后每 经过一个s l o t t i m e 退避计时器就减1 。有可能当退避计时器的时间还未减到零时 信道又转变为繁忙状态，这时就冻结退避计时器的数值，重薪等待信道变为空闲， 即再经过d i f s 后，重新启动退避计时器( 从剩下的时间开始) 。当退避计时器的 时间减少到零时，就开始发送数据。 第二章i e e e 8 0 2 1 l 介质访问控制子层协议及其实现 尽管使用了冲突避免机制，但是碰撞的发生还是不可避免的。标准规定，如 果在一个帧间间隔e i f s 内，发送终端没有收到a c k ，则发送终端就判定数据帧的 传送发生了碰撞，并再次进入退避过程重传该帧。为了降低再次发生碰撞的概率， 每次发送失败后，该终端的竞争窗口册加倍，直至达到预先设定的最大值c g m a x ( m a x i m u r nc o n t e n t i o nw i n d o w ) 。竞争窗口达到最大值之后，不再变化，直到数据 帧被正确传送或者该帧的重传次数超过了预设的最大重传次数后被丢弃，此后， 竞争窗口c w 回到初始值c g m i n ( m i n i m u mc o n t e n t i o nw i n d o w ) 。有意思的是，r t s 帧与一般数据帧的最大重传次数并不相等，一般r t s 帧的最大重传次数要少： 当物理或虚拟载波侦听机制指示媒体为忙时，s t a 激活退避过程进行帧的传 送，见图2 4 。 在发送终端推迟访问结束后，发送终端就开始执行退避过程，并以随机的退 避时间来设置退避定时器。媒体在d i f s 时间内被确认为一直空闲时，退避时隙紧 接在d i f s 后出现；或者在检测到一个未被正确接收的帧之后的e i f s 时间内，如 果媒体被认为一直空闲，那么在d i f s 后开始退避过程。 执行退避的终端根据载波侦听机制来确定在每个退避时隙期间信道的状态， 如果在退避时隙内，无媒体活动指示，则退避过程将退避时间减小a s l o t t i m e ；如 果在退避时隙的任何时刻，媒体被确定为忙，则退避过程被挂起。也就是说，退 避定时器在该时隙内不减小。直到媒体再次持续空闲d i f s 时间后才恢复退避过程， 当退避定时器减小到0 时，传输过程开始。 s t a t i o n s t a t i o n s t a t i o n s t a t i o n s t a t i o n d i f sd i f s d i f s d i f s c w i n d o w f r a m e ld e f e r 。 b a c k o f f _ j f 黜e l 一 一 d e f e r c w i n d o w f r a m e d e f e r c w i n d o w f r a m e l 一 一 _ l d e f e r _ 1 f r a m e c w i n d o w i 一 一 c w i n d 。w ；c 咖咖t i w i n d o w v - 7 = b a c k o f f _ 2 r e m a i n i a $ b a c k o f f 图2 4 退避规程 2 2 3r t s c t s 机制 以太网的m a c 协议是没有确认机制的，如果发送失败，则等待上层协议处理。 l o 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 因为如果对每一帧都确认传输是否成功，这样显得开销过大( 信道很多时间花在确 认信号的传输上) 。但是相比有线信道，无线信道的误码率( b e r ) 和丢包率( p l r ) 较高，完全靠上层协议来处理丢包，效率和实时性都无法保证，因此有必要在无 线网络的m a c 层引入确认机制。 除了不可靠的通信质量，无线信号有限的传输范围还给无线网络的m a c 协议 设计带来了隐蔽终端和暴露终端问题。如图2 5 ( a ) 所示，圆圈表示各个站点的覆盖 范围。站点a 和站点c 传输和监听范围都只到站点b ，a 和c 互相“够不着”也 “听不到”对方。当a 和c 都要往站点b 传输数据时，首先监听信道，如果没有 发现其他传输才进行传输。但由于a 和c 无法感知对方的发送，因此a 和c 的数 据在站点b 处有可能发生碰撞而造成传输失败。此时称站点a 和c 互为隐蔽站点。 相反的问题也存在，如图2 5 他) 所示，当站点b 有数据要发送给站点c 时，站点a 也有数据发送给非b 的其他站点如d ( 在b 的传输范围之外) ，由于b 监听到信道 忙碌，不必要地取消了给c 的发送，但其实b 向c 的发送可能不会影响a 的发送， 这时称站点b 为暴露终端。一个设计良好的无线网络m a c 协议必须考虑和尽量 解决以上的问题。 ( a ) 隐藏终端( b ) 暴露终端 图2 5 隐藏终端和暴露终端 为了避免上述问题的出现，d c f 接入方式除了上面的基本访问方式以外，还 定义了一种可选的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a r t os e n d ) 访问机制。这一机制实 际上就在终端发送数据帧之前首先对无线信道进行预约。具体的实现方法如图2 6 所示。发送终端a 在发送数据帧前先发送一个短的控制帧r t s ，其中包含源地址、 目的地址和这次通信( 包含相应的确认帧) 所需的持续时间。若该帧被正确接收， 则接收终端b 就发送一个响应控制帧c t s ，其中也包含这次通信所需的持续时间 ( 从r t s 帧中将此持续时间复制到c t s 帧中) 。a 收到c t s 帧后就可以发送其数 据帧。b s s 中的其余所有在a 、b 传输范围内的终端在监听到r t s 、c t s 帧后， 根据其中的发送持续时间来更新自己的n a v ，从而有效地避免了在a 、b 通信过 程中由于隐藏终端( 在彼此发送范围以外，但发送范围存在交叠的终端) 所带来 的碰撞问题( 隐藏终端同时向同一接收终端发送数据，导致在接收终端上发生的 冲突) 。 第二章i e e e 8 0 2 1 1 介质访问控制子层协议及其实现 1 1 s c r ( a ) d e s t ( b ) o t b c r s t a t i o n s p 叶i d a t a k 1 3 s i f s f s i f s s i f s i _ _ - r 一 + 十二一 c t sa c k ：；雾荔；奢a r 码广：侈j 善j 参孑 掣! ! - ?= 。r 鼍蜀 l 毛趣如么2 蠢，荔测 一 影j 嗽啊j ：移参 f ； i b a c k o 侬w i n d o w 图2 6d c f 的r t s c t s 访问方式 表面上看使用r t s c t s 机制会增大网络传输的开销，因为终端不仅在发送数 据帧前需要先发送r t s 、c t s 帧，而且还增加了两次握手协议。实际上，使用 r t s c t s 机制不仅可以有效的解决隐藏终端带来的碰撞问题，同时相对于数据帧 ( 最长可达2 3 4 6 字节) 而言，r t s 、c t s 控制帧都很短，其长度分别为2 0 字节和 1 4 字节，相对来讲开销不算太大。反过来，如果不使用这种控制帧，一旦发生碰 撞而导致数据帧重发，则浪费的系统资源就更多。因而在一定的条件下，r t s c t s 机制可以有效地改善协议的性能， 因此协议提供三种情况供用户选择：一种是使用r t s c t s 机制：一种是只有 当数据帧的长度超过某一数值时才使用r t s 和c t s 机制( 原因在于当数据帧本身 就很短时，再使用r t s 和c t s 帧只能增加开销) ；还有一种就是不使用r t s 和c t s 机制。虽然协议经过了精心设计，但碰撞仍然无法避免。对于r t s 桢发生碰撞的 处理与数据帧发生碰撞的处理完全一致，其退避计时器的算法也是使用二进制指 数退避。 2 3 点协调功能( p c f 方式) 由于d c f 并不提供任何延时或带宽的保证，因此难于满足部分对延时和带宽 敏感的应用对服务质量的要求。为此i e e e8 0 2 ，1 i 标准还定义了一种可选的访问方 法p c f 用以支持用户终端的面向连接、无竞争的数据帧传送。p c f 方式通过一个 通常运行在接入点a p 上的协调点( p o i n tc o o r d i n a t o r ) 来决定b s s 中各个终端的发送 权利，因此这种方式仅用于基础设施形式网络配置中。 p c f 机制实质上是轮询操作，p c 担任轮询控制器的角色，通过集中控制终端 数据帧的传送以消除有限时间段内的竞争。它使用访问优先权机制辅助的虚拟载 波监听机制，即通过在信标( b e a c o n ) 管理帧中发布信息来设置各个终端的网络分配 向量( n a v ) ，从而决定各个终端对信道的访问控制。此外，在p c f 方式下传送数 据帧采用的帧间间隔( p i f s ) 比通过d c f 机制传送帧时采用的帧间间隔d i f s 小。这 1 2 基于嵌入式操作系统的无线多址协议研发 意味着相对于在同一个b s s 内的d c f 而言，p c f 的通信量具有访问信道的优先权。 2 4 1 引言 2 4i e e e 8 0 2 1 1 介质访问控制子层协议的软件实现 i e e e 8 0 2 1 1 标准协议是一个非常复杂的整体，涉及了物理层和m a c 层两方面 很多详细的细节流程。在软件实现中，我们主要考虑其最核心的部分，即如何实 现d c f 的基本功能。 2 4 2d c f 核心功能的软件实现 i e e e 8 0 2 11 m a c 协议采用s d l ( s p e e i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述。 s d l 是一种抽象化的、面向对象的、系统级的功能规格与描述语言，采用文字和 图形结合的方式提供清晰准确的系统说明和描述，主要用于电信领域。采用s d l 描述的系统包含若干个功能块( b l o c k ) ，每个功能块内至少有一个进程( p r o c e s s ) ，划 程中的s d l 行为用扩展有限状态机描述，它由一系列的状态、输入信号和定时器 信号组成。外部的输入信号和进程内的定时器都可以导致进程中的状态转移，在 此过程中可能产生输出信号，从而触发其他进程的事件。 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议的s d l 描述可以分为以下几个功能模块： 1 ) m a c 数据服务模块：向l l c 层提供m a c 层的数据服务接口。模块主要由 m s d u t o l l c 和m s d u f r o m l l c 这两个进程组成。即发送m a c 层服务数据单 元m s d u 给l l c 层，和从l l c 层接收m a c 服务数据单元m s d u 。 2 ) m p d u 生成模块：将需要发送的m a c 服务数据单元m s d u 和m a c 管理 协议数据单元m m p d u 进行分割、封装，生成一个或多个符合i e e e 8 0 2 1 1 m a c 数据帧结构的协议数据单元m p d u 。如果需要，还将对数据帧进行加密操作，以 提高数据传输的可靠性。此外，模块还完成m p d u 的排队管理功能。该模块主要 包括p r e p a r e m p d u 进程和p m f i l t e r 进程。 3 ) 协议控制模块：协议控制模块是m a c 协议的核心模块，分为 t x c o o r d i n a t i o n 进程和r x c o o r d i n a t i o n 进程。其中t x c o o r d i n a t i o n 进程负责r t s 帧和a t i m 帧的生成，发送来自上层的m a c 协议数据单元，它是整个数据帧发送 流程中最关键的部分，其主要功能是通过一种控制调度过程最大限度地利用信道 把m p d u 在最短的时间里发送出去，与之协同工作的是b a e k o f f - p r o c e d u r e 退避进 程。r x c o o r d i n a t i o n