（通信与信息系统专业论文）ieee+80211e网络中的qos保障机制研究与仿真.pdf

i e e e8 0 2 1 i e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 摘要 近年来，无线局域网( w l a n ) 的应用越来越广泛，人们对其需求也越来 越多。w l a n 以其安装便捷，使用灵活等优势，获得了人们的青睐。w l a n 所承载的业务也覆盖了从标准互联网业务到实时业务的范围。因此，w l a n 的服务质量( q o s ) l h - j 题成了研究的热点。 为了支持w l a n 中不同业务q o s 的不同要求，i e e e 工作组推出了 8 0 2 1 1 e 协议来增强w l a n 的q o s 性能。这个协议提供了m a c 层的区分 服务机制，主要针对家庭与企业环境提供服务质量与多媒体通讯，包括实 时与非实时的语音、视频、数据等服务。本文详细介绍了8 0 2 1 1 e 协议，并 通过o p n e t 仿真来分析和论证其区分服务的机制，以及各种q o s 参数的 作用。 虽然8 0 2 1 1 e 协议可以为w l a n 中的业务提供q o s 区分保障，为语音 视频等业务提供高优先级，但是w l a n 的q o s 问题仍然面对许多困难和 挑战。w l a n 的q o s 保障需要一个全面复合的体系，而不仅仅是m a c 机 制的设计。 本文综述了w l a n 的q o s 问题面临的挑战，提出了它们对q o s 的影 响，并且调查和总结了当前存在的相关技术和解决方案。w l a n 的q o s 问 题主要体现在三个方面：网络时变性处理，业务配置自适应和链路资源管 理。其中，在链路资源管理方面，主要的解决方案集中在m a c 资源管理， 接入控制，以及无线接入点选择。 无线接入点选择机制的主旨是通过网络的负载均衡来最大限度的利用 链路资源，从而提高q o s 。在w l a n 的扩展服务集模式下，当节点有多个 无线接入点可选时，这个机制显得尤为重要。目前，8 0 2 1 l e 协议中并没有 相关定义，研究和工程上所采用的机制是基于网络信噪比( s n r ) 的。基于 s n r 的无线接入点选择算法不能有效地平衡网络负载，显然无法满足 w l a n 的q o s 需求。本文主要从这一点着手，研究了现有的机制和算法， 并提出了一种新的无线接入点选择算法。本算法采用了主动扫描的方式， 以网络的上下行时延作为衡量负载和接入点选择的主要参数。 最后，本文采用o p n e t 仿真工具实现提出的新算法，并将其与传统的 基于s n r 的算法相比较。在同种业务量情况下，新算法可以达到更大的网 络吞吐量和更低的时延。结果证明，在保障了语音，视频等业务q o s 需求 的同时，使用新算法可以获得更大的网络吞吐量。 关键词：w l a ni e e e8 0 2 1 l e 标准q o s 无线接入点选择。 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no f q u a l i t yo fs e r v i c es c h e m e i ni e e e8 0 2 1 l en e t w o r k s a b s t r a c t r e c e n t l y , t h e r eh a sb e e nag r o w i n gi n t e r e s ti nt h eu s eo fm 。a nt e c h n o l o g y 、礼a na t t r a c t sm o r ea n dm o r ec u s t o m e rb e c a u s eo fi t s e a s yd e p l o y m e n t f l e x i b i l i t ya n ds oo n e x a m p l e so fa p p l i c a t i o nr a n g ef r o ms t a n d a r di n t e r n e t s e r v i c e s ，s u c ha sw 曲a c c e s s ，t or e a l - t i m es e r v i c e sw i t hs t r i c tl a t e n c y t h r o u g h p u t r e q u i r e m e n t s ，s u c ha sm u l t i m e d i av i d e oa n dv o i c eo v e ri p s ot h eq o sb e c a m e o n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ht o p i c s i no r d e rt os u p p o r td i v e r s ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，an e ws t a n d a r dc a l l e d i e e e8 0 2 “ei sp r o p o s e dt oi m p r o v eq o si nw l a nn e t w o r k s t h i ss t a n d a r d p r o v i d e dd i f f e r e n t i a t i o nm e c h a n i s m sa tt h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e l f o c u s i n go nt h eq o sr e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o no ff a m i l ya n d o f f i c ee n v i r o n m e n t ，s u c ha sv o i c e ，v i d e oa n dd a t as e r v i c e s i nt h i sa r t i c l e ， 8 0 2 1les t a n d a r di s d e s c r i b e d ，a n di t sd i f f e r e n t i a t i o nm e c h a n i s m ，q o s p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e dt h r o u g ho p n e ts i m u l a t i o n h o w e v e r , a l t h o u g h8 0 2 1lep r o v i d e dw l a nq o sd i f f e r e n t i a t i o na n d e n d u r a n c e ，g a v eh i g hp r i o r i t yt ov o i c ea n dv i d e os e r v i c e s ，t h e r ea r eaf e w r e m a i n i n gc h a l l e n g e s t h a tn e e dt ob ea d d r e s s e di no r d e rt oe n a b l e c o m p r e h e n s i v eq o ss u p p o r tu s i n g8 0 2 1le o n l ym a cs c h e m ed e s i g ni sn o t e n o u g h i nt h i sa r t i c l ew ep r o v i d ea l lo v e r v i e wo faf e wo ft h e s ec h a l l e n g e s ， d e s c r i b et h e i rp o s s i b l ei m p a c to nq o s ，a n dp r o v i d eas u r v e yo f t e c h n i q u e st h a t p o t e n t i a l l yc o u l db eu s e dt oa d d r e s st h ei d e n t i f i e dc h a l l e n g e s t h e r ea r et h r e e m a i n sa s p e c t ：h a n d l i n gt i m e v a r y i n gn e t w o r kc o n d i t i o n s ，a d a p t i n gt ov a r y i n g a p p l i c a t i o np r o f i l e s ，a n dm a n a g i n gl i n kl a y e rr e s o u r c e s i nt h et h i r da s p e c t ， s o l u t i o n sm a i n l yf o c u so nm a cr e s o u r c em a n a g e m e n t ，a d m i s s i o nc o n t r o la n d w i r e l e s sa c c e s sp o i n ts e l e c t i o n t h ep u r p o s eo fw i r e l e s sa c c e s sp o i n t ( a p ) s e l e c t i o ni st om a x i m i z et h el i n k r e s o u r c eu s i n ge f f i c i e n c yt h r o u g hl o a db a l a n c i n g ，l l o nt h e r ea r es e v e r a lb s s s i i lm ，a nn e t w o r k , t h i ss c h e m ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f o rt h e r ea r es e v e r a l a c c e s sp o i n t sa v a i l a b l ef o ro n en o d e t i nn o w , 8 0 2 1 1ed on o td e f i n es u c h s c h e m e w h a tw eu s ei nr e s e a r c ho ri n d u s t r yi st h es c h e m eb a s e do ns i g n a lt o n o i s er a t i o ( s n r ) t h es c h e m ed on o tc o n s i d e rl o a db a l a n c i n go ft h en e t w o r k , s oc a nn o tg u a r a n t e eq o s t h i sa r t i c l ef o c u s e do na ps e l e c t i o ns c h e m e ，d i da s u r v e yo fc u r r e n tr e s e a r c ha n dp r o p o s e dan e wa ps e l e c t i o na l g o r i t h m t h i s a l g o r i t h mu s e sa c t i v es c a np a r e r na n du s et h en e t w o r kd e l a ya sm a i np a r a m e t e r o fl o a dm e a s u r e m e n ta n da ps e l e c t i o n a tl a s t ，t h i sa r t i c l ei m p l e m e n t e dt h ep r o p o s e da l g o r i t h ma n do r i g i n a ls n r b a s e da l g o r i t h mu s i n gt h es i m u l a t i o nt o o l0 p n e t w i t ht h es a m el o a d t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a na c h i e v el a r g e rt h r o u g h p u ta n dl o w e rn e t w o r kd e l a y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mc a na c h i e v el a r g e rt h r o u g h p u tw h i l e e n s u r i n gt h eo o sr e q u i r e m e n to fv o i c ea n dv i d e os e r v i c e s k e yw o r d s ：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 ) i e e e8 0 2 1les t a n d a r d q o s w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ( a p ) s e l e c t i o n i e e e8 0 2 i l e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 w l a n m a c 敞 c s w c a d c f p c f e d c a h c c a c w c w m i i l c w m a x t x o p q o s s n r r s s i c b r b s s e s s u l d l 符号说明 无线局域网 介质访问控制 接入节点 载波监听冲突避免 分布式协调功能 点协调功能 增强型分布式信道访问 混合协调信道访问 竞争窗口 最小竞争窗口 最大竞争窗口 传输机会 服务质量 信号噪声比 接收信号强度 固定比特率 基本服务集 扩展服务集 上行 下行 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：匠红圣白兰! 宴日期：呈：竺笸：三：! 三 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) 非保密论文注释：本学位论文不属丁保密范围，适片j 本授权书。 本人签名：盈亟圣幺j 兰生 导师签名：二麦笋盼 彰，入。上 e t l i 习：至二竺垡：三：三至 日期：2 凶金：望：查 i e e e8 0 2 il e 网络中的o o s 保障机制研究与仿真 1 1 引言 第一章绪论 随着信息社会的到来以及人们对通信业务的需求日益增多，通信系统正面临前所未 有的发展。一方面，目前核心网的建设已带有明显的超高速和大容量的特征，以光缆为 主体的骨干网基本可满足当前通信的需求。而另一方面，随着无线通信技术和因特网的 发展，人们对接入网的需求激增，在任何时间地点以任何方式接入网络的理念，使接入 技术，特别是低成本，较少依赖基础设施的接入技术成为科研的热点问题，同时也成为 电信运营的主流之一。 无线局域n ( w l a n ) 以其组网灵活，升级维护方便以及高速率等优势获得了运营商 的青睐，其在北美和欧洲的大量设置和成功应用也证明了它的技术优势和广阔的市场空 间。w l a n 结合了无线通信技术和计算机网络的优势，以无线信道为传输介质，实现 在短距离内的无线网络通信。w l a n 的移动性，易用性和合理价格使它被越来越多的 人们接受，应用到日常的工作和生活中。 关于w l a n 协议标准主要分为两个系列l lj ：i e e e8 0 2 1 l 系列和h i p e r l a n 系列。 其中，前者是主流。1 9 9 7 年，i e e e 发布了8 0 2 1 1 协议，这也是在无线局域网领域内的 第一个国际上被认可的协议。在1 9 9 9 年9 月，他们又提出了8 0 2 1 1 b ”h i g hr a t e ”协议， 用来对8 0 2 1 1 协议进行补充，8 0 2 1 l b 在8 0 2 1 1 的l m b p s 和2 m b p s 速率下又增加了 5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新的网络吞吐速率。8 0 2 1 1 协议主要工作在i s o 协议的最低两 层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。 因为w l a n 网络的灵活组网和移动等特殊性，所以媒体接入子层( m a c ) 在其中的 作用举足轻重。而m a c 协议是i e e e8 0 2 1 1 中的重要组成部分，也是本文研究的重点。 传统i e e e8 0 2 1 lm a c 协议使用载波监听多路访问冲突避免( c s m a c a c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s c 0 1 1 i s i o na v o i d a n c e ) 协议。 近年来，随着无线通信技术的飞速发展，各种新业务层出不穷，给w l a n 网络带 来了新的挑战。w l a n 网络中承载了各种多媒体业务类型，已经不局限于传统的数据 业务，由此引出了w l a n 网络中的服务质量保证问题。不同的业务类型对服务质量的 要求不同，需要的网络资源也不一样，因此入们越来越希望w l a n 网络能提供某种程 度的服务质量( q o s q i l a l i 锣o f s e r v i c e ) 。传统的i e e e8 0 2 1 1 协议中没有相关的设定， 因此，针对这个问题，i e e e8 0 2 1 l e 协议应运而生它针对网络中涌现出来的不同业务 种类，区分业务类型，提供相应的业务优先级，从而实现了分级的服务质量区分和保障。 另外，由于w l a n 被广泛应用于办公室会议室等小型环境中，通信范围小，而用户的 i e e e8 0 2 1 1 c 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 数目多。为了保证网络中业务的q o s ，在i e e e8 0 2 1 l e 的基础上，用户接入网络的机制 也是研究的热点。 1 2 论文的主要研究内容 本文主要研究了w l a n 网络的i e e e8 0 2 11m a c 层协议，并从网络的q o s 入手， 研究针对q o s 的协议i e e e8 0 2 1 l e 。详细介绍8 0 2 1 l e 的保障机制，并通过仿真对其性 能和特点进行分析。最后，本文针对当前w l a n 网络中存在的无线接入点选择问题， 提出方案，并进行分析验证。在8 0 2 1 l e 协议的基础上保障业务特别是语音业务的q o s 。 1 3 论文的组织结构 第l 章，绪论。简要介绍本课题的研究背景，主要研究内容，和章节划分。 第2 章，w l a n 简介。主要介绍w l a n 网络的概念，特点，组网方式，以及当前 的研究方向和趋势。 第3 章，i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的介绍及研究。首先综述了8 0 2 1 1 协议簇，然后 重点介绍和分析了8 0 2 1 1m a c 层协议。 第4 章，i e e e8 0 2 1l em a c 协议的研究及仿真。阐述w l a n 网络中服务质量的需 求，并研究了为区分不同业务等级而提出的8 0 2 1 1 e 协议。针对协议中各种区分q o s 的 机制和参数，利用o p n e t 仿真软件，进行分析和仿真。 第5 章，基于8 0 2 1l em a c 协议，提出了一种在扩展服务集模式下，无线接入点( a p ) 选择算法。并在o p n e t 仿真软件8 0 2 1 1 e 模块的基础上对其进行了分析和仿真。 2 i e e e8 0 2 1l e 网络中的o o s 保障机制研究与仿真 2 1w l a n 网络概念 第二章w l a n 简介 w l a n 即无线局域网【l l ，结合了无线通信技术和计算机网络的优势，以无线信道为 传输介质，实现在短距离内的无线网络通信。w l a n 的基础还是传统的有线局域网，它 只是在有线局域网的基础上通过无线访问点( a p ) 、无线网桥、无线网卡等设备使无线通 信得以实现。此时，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够 随着你的需要移动或变化。 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。 2 2w l a n 网络特点 1 安装便捷 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线施工工 程。在施工过程中，往往要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优势就是免去或减少 了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点a p 设备，就可建立覆盖整个建 筑或地区的局域网络。 2 使用灵活 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦w l 建成 后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 3 经济节约 由于有线网络缺少灵活性，要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这就往 往导致预设大量利用率较低的信息点。而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w l a n 可以避免或减少以上情况的发生。 4 易于扩展 w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，w l a n 就能胜任从只有几 个用户的小型局域网到有上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游等有线网络无 法提供的特性。由于w l a n 具有多方面的优点，所以发展十分迅速。在最近几年里，无 线局域网已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛应用。 5 安全性 3 i e e e8 0 2 1i e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 由于最早是作为军事应用的背景，w l a n 通常内置的安全监测特性使其比大多的 布线局域网都要安全得多。依靠复杂的加密技术，对于那些非法的接收者来说，截听 w l a n 的流量信号是比较困难的。 w l a n 具有易安装、易扩展、易维护、可移动性、速率高、使用开放频段等诸多特 点，无论企业、个人，还是运营商都已经认同了w l a n 在无线数据传输方面的优势。 w l a n 可与目前广泛应用的以太网无缝地结合，使用户可以访问互联网、进行在线交易、 远程办公等各种应用。随着应用领域的不断扩展，各种业务应用对w l a n 提出了更高的 要求，比如速率、安全、q o s 、漫游等方面。此外，除了数据传输以外，w l a n 还有望 在无线语音方面有所突破。 2 3w l a n 网络组网方式 了一一矿、 召吣 、囡 自 、，- - - - - 一， ，- - - - ， ，：i：iil5：i：。：。：l：。：。：j。!ii!f!。：j。：。：l：=-，、 厂 夕、伪一白、 、向、。勖 。 - - ，- 一- ，、，- ，- ，- - 。， 4 i e e e8 0 2 i l e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 在一条通路，每个站点也起到路由器的作用。如图2 1 所示的a dh o c 模式中，网络中的 节点都是对等的，即充当主机，又有路由器的功能。 i n f r a s t r u c t u r e i 膜式由无线接入点( a p ) 和用户主机( s t a ) 组成，普通用户之间不能相互 通信，必需通过a p 。这种模式又包括基本服务集和扩展服务集两种结构。基本服务集 由一个a p 和一组无线站点组成，扩展服务集由多个a p 和多组无线站点组成，无线站点 可以在多个a p 之间漫游。如图2 2 所示，网络中包括两个服务集( b s s ) ，即扩展服务集模 式。 2 4w l a n 网络研究方向和发展趋势田 1 速率 带宽是一切业务的基础。目前广泛使用的w l a n 设备是基于8 0 2 1 1 b 标准的，最高 无线速率可达到1 1 m b p s 。实际上，由于w l a n 标准的无线帧头开销、接入控制等，用 户真正获得的速率只能达到最高速率的一半左右。8 0 2 1 1 瘌8 0 2 1 1 9 设备的无线接口速 度在5 4 m b p s ，实际吞吐量最大也只有3 0 m b p s 左右。目前i e e e8 0 2 1 1 n 工作组正在制定 更高速率的w l a n 标准，可将速率增强至1 0 8 3 2 0 m b p s ：并进一步改进其管理开销及 效率，以增强w l a n 的性能。 2 信道接入技术 信道接入是w l a n 网络的重要内容和基础之一。它控制着节点如何接入信道，对 w l a n 网络的性能起着决定性作用。w l a n 的信道不同于普通网络的共享广播信道，也 不同于蜂窝移动系统。终端通过竞争获得信道资源。此外，还有隐藏终端和暴露终端问 题，这些都要通过设计专门的信道接入技术来解决。 3 安全问题 w l a n 网络的安全性问题倍受关注，i e e e 8 0 2 1 1 协议标准建议使用两种安全解决方 案。一种是i e e e8 0 2 1 1 安全任务组( t q ) 构建的安全框架一鲁棒型安全网络( r s n ) 。 这种网络用i e e e8 0 2 1 x 提供基于端1 3 的接入控制、鉴权和密钥管理。该标准用可扩展 鉴权协议( e a p ) 实现对用户的鉴权。鉴权服务器和用户之间使用远程鉴权拨入用户服 务协议( 黜心砌s ) 进行通信，r a d i u s 协议在网络接入的鉴权、授权和计费( a a a ) 中得到广泛采用。由于i e e 8 0 2 1 x 主要是针对有线局域网设计的，在无线局域网中使用 i e e 8 0 2 1 x 不可避免地存在漏洞。所以，尽管它对无线局域网的安全性能有很大改善， 8 0 2 1 x 和8 0 2 1 1 的结合仍然不能提供足够的安全。 i e e e 8 0 2 1 1 i 标准结合8 0 2 1 x 中的用户端口身份验证和设备验证，对w l a n 的m a c 层进行修改和规范，定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善w l a n 的安全性。 i e e e 8 0 2 1 1 i 标准主要包括两项内容：w i f i 保护访问w p a ( w i f i p r o t e e t e da c c e s s ) 技术 和强健安全网络r s n 技术。w p a 技术采用临时密钥完整性协议t k i p 5 i e e e8 0 2 i l c 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 ( t e m p o r a r yk e yi n t e g r i t yp r o t o c 0 1 ) 及运算法则，以提高w e p 的安全性。t k i p 像w e p 一样也是基于r c 4 加密，但创建密钥的方法有所不同，它能提供快速更新密钥的功能， 解决了w e p 脆弱性的缺憾。r s n 以8 0 2 1 x 协议和可扩展身份验证协议e a p 为依据，采用 高级加密标准a e s ，在接入点和移动设备之间使用动态身份验证和加密运算法则，以实 施更强大的加密和信息完整性检查。 另一种方式则是目前广泛应用于局域网络及远程接入等领域的虚拟专用网( n ) 安全技术。与8 0 2 1 l b 标准所采用的安全技术不同，在口网络中，v p n 主要采用i p s e c 技 术来保障数据传输的安全。对于安全性要求更高的用户，将现有的v p n 安全技术与 8 0 2 1 l b 安全技术结合起来，是目前较为理想的无线局域网络的安全解决方案。 4 节省能耗机制 w l a n 的用户节点多是手机电脑等终端，终端的移动性使得能耗成为其在网络中生 存时间的关键。可以采用自动功率控制调整移动节点的功率，还可以采用休眠机制等延 长电池的使用寿命。 5 漫游切换问题 在w l a n 中，如果一边使用w l a n 接入服务，一边移动接入位置，那么一旦移动终 端超越子网覆盖范围，i p 数据包就无法到达移动终端，正在进行的通信将被中断。为此， i e t f f l i 定了扩展i p 网络移动性的系列标准。针对无线局域网用户在接入点之间的漫游问 题，i e e e 工作组制定了8 0 2 1 1 肋议，详细阐述了接入点内部协议l a p p ( i n t e r a c c e s s p o i mp r o t o c 0 1 ) ，l a p p 协议旨在向用户提供a p 间的移动功能，以满足用户对移动性的 需求。它的主要功能是便于扩展服务集e s s 的创建和维护，支持8 0 2 1 1 移动终端在a p 间 的移动，保证每个移动终端在确定时刻与a p 间只有一个连接关系。 6 语音应用 v o l p 目前已经得到了大众的普遍接受，同时人们可通过w l a n 可方便地接入网络， 这两种优势技术结合起来就出现了v o w l a n 应用。目前已经有w i f i 手机面世，但限于 w l a n 的覆盖范围，主要还是在企业内部使用，未来有可能在数字家庭领域有所应用。 还有一些设备厂商，正在开发w l a n + g s m 或c d m a 双模手机，使得w l a n 语音应用与 移动网络有机结合起来。 7 q o s 保证 在w l a n 网络应用初期，主要用于传输少量的数据信息，随着应用的不断扩展，需 要在网络中传输话音，图像等多媒体信息。多媒体信息对带宽，时延，时延抖动都提出 了很高的要求，这就需要提供一定的服务质量保证。w l a n 中的服务质量保证是个系统 性问题，不同层都要提供相应的机制。比如应用层要提供自适应编码和压缩技术，网络 层q o s 路由，链路层资源预留等。 m a c 层在w l a n 网络中起到至关重要的作用，因此，m a c 层面的q o s 就更加重要 6 i e e e8 0 2 1 l e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 了：可以采用区分不同的业务优先级，分级保障q o s 等。在当前的w l a n 应用中，扩展 服务模式是主流，也就是网络中同时存在多个b s s 。在这种模式下，接入控制方式，无 线接入点选择算法，对进一步保证网络的q o s 起着关键作用。本文的研究主要从这里着 手，研究m a c 层面的q o s 保障机制，对现有的机制进行分析和仿真，并提出一种接入点 选择方案，进一步改善、，a n 网络的q o s 保障。 总之，w l a n 技术的发展是与应用需求息息相关的，用户对移动的广泛性和速率的 高带宽的要求都在不断地提高，标准组织和设备厂商、运营商正在积极开发相关的标准 和产品、服务，满足用户的需求。一方面，应用新的标准和技术解决目前存在的技术难 题和设备缺陷；另一方面，通过与其他技术的融合实现技术优势互补，达到各种技术共 同发展。 7 i e e e8 0 2 1i e 网络中的o o s 保障机制研究与仿真 第三章ie e e8 0 2 1 1 协议的介绍及研究 3 1v v l l a n 的标准与应用 3 1 1i e e e8 0 2 1 1 系列 h 罔罔罔二 图3 - 1 ：i e e e8 0 2 协议簇 1 i e e e8 0 2 1 1 【3 1 1 9 9 0 年i e e e8 0 2 标准化委员会成立i e e e8 0 2 1 l 无线局域网标准工作组。该工作 组任务为研究lm b p s 和2m b p s 数据速率、工作在2 4g 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i e e e8 0 2 1 1 标准，它是第一代无线局域网 标准之一。该标准定义了物理层和媒体访问控f l j t ( m a c - - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层规 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。标准中物理层定义了数据 传输的信号特征和调制。在物理层中，定义了两个r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 传输方法和一 个红外线传输方法，r f 传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国家工作规范。在 该标准 e r f 传输标准是跳频扩频( f h s s - - f r e q u e n c yh o p p e ds p r e a ds p e c t r u m ) 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 ) ，工作在2 4 0 0 0 - - - 2 4 8 3 5 g h z 频段。 d s s s 采用二进制相移键控( b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 和四进制差分相移键控 ( d q p s k d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 调制技术，支持lm b p s 和2m b p s 数据速率，使用1 l 位b a r k e r 序列，处理增益1 0 4d b 。跳频扩频采用2 - 4 电平高斯频 移键控( g f s k - - - g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 调制技术，支持l m b p s 数据速率，共有 2 2 组跳频图案，包括7 9 信道，在美国规定最低跳频速率为每秒2 5 跳。红外线传输方 法工作在8 5 0 - - 9 5 0 n m 段，峰值功率为2 w ，使用4 或1 6 电平p u l s e - p o s i t i o n i n g 调制技 术，支持数据速率为lm b p s 和2m b p s 。 i e e e8 0 2 1 l e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 m a c 层使用c s m a c a 协议。由于在r f 传输网络中冲突检测比较困难，所以该协 议用冲突避免代替在8 0 2 3 协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估算法来决定信道是 否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度来完成。c s m a c a 使用r t s ( r e q u e s t t os e n d ) 、c t s ( c l e a rt os e n d ) 和a c k 帧减少冲突。数据加密与有线网的等同加密算法一 样。由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继 推出了8 0 2 1l b 和8 0 2 1 l a 两个新标准。 2 i e e e8 0 2 1l b 4 l 1 9 9 9 年9 月通过，主要是工作在2 4g h z ( 2 4t o2 4 8 3g h z ) 频段的高速物理层规范， 在物理层上其实是8 0 2 1 1 的扩展版本，支持5 5m o p s 和1 1m b p s 两个新速率。物理层 的调制方式为补码键控( c c k - - c o m p l e m e n t t x tc o d ek e y i n g ) 的d s s s 。 8 0 2 1 l b 在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在8 0 2 1 l 协议的物理层增加了两 个新的速度：5 5 m b p s 和11 m b p s 。为了实现这个目标，d s s s 被选作该标准的唯一的物 理层传输技术，这个决定使得8 0 2 1 1 b 可以和1 m b p s 和2 m 的8 0 2 1l h p sd s s s 系统互操作。 最初8 0 2 1 l 的d s s s 标准使用1 1 位c h i p p i n g - - b a r k e r 序列来将数据编码并发送，每一个 1 1 位的c h i p p i n g 代表一个一位的数字信号1 或者0 ，这个序列被转化成波形( 称为一个 s y m b 0 1 ) ，然后在空气中传播。这些s ”l b o l 以l m s p s ( 每秒1 m 的s y m b o l s ) 的速度进行传送， 传送的机制称为b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f t i n gk e y i n g ) ，在2 m b p s 的传送速率中，使用了 一种更加复杂的传送方式称为q p s k ( q u a n d r a t u r ep h a s es h i f t i n gk e y i n g ) ，q p s k 中的数据 传输率是b p s k 的两倍，以此提高了无线传输的带宽。 在8 0 2 1 l b 标准中，一种更先进的编码技术被采用了，在这个编码技术中，抛弃了 原有的1 1 位b 破e r 序列技术，而采用y c c k ( c o m p l e i n e n t a r yc o d ek e y i n g ) 技术，它的核 心编码中有一个6 4 个8 位编码组成的集合，在这个集合中的数据有特殊的数学特性使得 他们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接受问题后还能够被正确地互相区分。 5 5 m b p s 使用c c k 串来携带4 位的数字信息，而11 m b p s 的速率使用c c k 罢b 来携带8 位的数 字信息。两个速率的传送都利用q p s k 作为调制的手段，不过信号的调制速率为 1 3 7 5 m s p s 。这也是8 0 2 1 1 b 获得高速的机理。 为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，8 0 2 11 b 采用了动态速率调 节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在 理想状态下，用户以1 1 m 的全速运行，然而，当用户移出理想的1 1 m 速率传送的位置或 者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 、 1 m b p s 。同样，当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至1 1 m b p s 。速率 调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。 8 0 2 1 1 b 规定的是动态速率，允许数据速率根据噪音状况进行自动调整。这就意味 着8 0 2 1 1 b 设备在噪声的条件下将以更低速率lm b p s 、2m b p s 、5 5m b p s 、1 1m b p s 等 9 i e e e8 0 2 1i e 网络中的q o s 保障机制研究与仿真 多种速率传输。多速率机制的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l lm b p s 自动降到5 5m b p s ，或者根据直接序列扩频技 术调整到2m b p s 和lm b p s 。 8 0 2 1 1 b 的物理层分为p l c p ( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 和p m d 0 h y s i c a l m e d i u md e p e n d e n o 子层。p l c p 是专为写入m a c 子层而准备的一个通用接口，并且提 供载波监听和无干扰信道的评估。p l c p 有两种结构：长报头和短报头。所有相应的 8 0 2 1 1 b 系统必须支持长报头，而短报头( 可选项) 是在传输诸如语音、v o i p ( v o i c eo v e r i p ) 和视频流之类的特殊数据。p m d 子层则承担无线编码的任务。早期的8 0 2 1l bw l a n 技术已经在纵向市场应用方面取得成功，例如生产、存货控制和零售点等方面。而且目 前8 0 2 1 1 b 实际上已经成为w l a n 市场上的主流技术。随着8 0 2 1 1 b 性能价格比实质性 的提高，一个全新的横向市场应用将全面展开。 3 i e e e8 0 2 1l a 5 】 8 0 2 1 l a 扩充了标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的频带，频段为5 1 5 5 2 5 ， 5 2 5 5 3 5a n d5 7 2 5 5 8 2 5g h zb a n d s ，其物理层的吞吐量分为6 、1 2 、1