（通信与信息系统专业论文）基于wlan的voip的qos研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文摘要 摘要 w l a n 技术和v o i p 技术的发展，使得利用无线局域网来进行廉价v o l p ( v o w l a n ，v i 才eo v e rw l a n ) 通话成为可能。但传统的i p 网络采用尽力而为的服 务方式，同时无线网络的带宽资源有限，很难有效满足语音等实时业务的服务质 量要求。影响v o i p 服务质量的主要因素有延时、抖动、丢包率以及带宽。 本文首先叙述了v o l p 的原理，然后讲了8 0 2 1 l 系列的协议标准，重点分析了 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 接入机制( d c f 和p c f ) ，分析了两种机制的工作原理，数据接 入信道的访问方式以及两种机制在支持q o s 上的局限性，由此，i e e e 8 0 2 1 l e 对 此进行了增强以满足时限业务要求的q o s ，但仍然存在一些问题。在e d c f 中， 当语音站点数增多的时候，高负载情况下碰撞概率变高，引起时延变大，吞吐量 降低。针对这一问题，我们提出了运用预约窗口机制并提出一定的维护算法，来 减少网络碰撞，减小时延，提高网络吞吐量。在h c f 中，由于其轮询机制效率 不高，轮询开销比较大，大量的延迟等问题。我们提出了动态轮询策略，通过 h c 来维护两个动态轮询列表，从而减少接入时延和轮询开销。然后，我们在n s 2 的环境下进行了仿真，结果表明，通过这些措施的应用，无线网络的v o i p 可以 更好的满足用户的要求。随后从整个i p 网络考虑，考虑到和u m t s 蜂窝网络的 融合，提出将i n t s e r v 的r s v p 的参数映射到i e e e 8 0 2 1l e t s p e c 中，以提供漫 游服务。 关键词：无线局域网；服务质量；i e e e 8 0 2 1 l e ；媒体接入控制 a b s t r a c t 砀pd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sl a n t e c h n o l o g ya n dv o l pt e c h n o l o g ym a k e si t p o s s i b l et ot r a n s m i tv o i c eo v e rw i r e l e s sl a n b u tb e c a u s eo ft h ei pn e t w o r k s b e s t - e f f o r ts e r v i c ea n dt h el i m i t e db a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r k q o sr e q u i r e m e n t s o fr e a l t i m ea p p l i c a t i o n ss u c ha sv o i c ec a n tm e t t h em a i nf a c t o r s t h a ta f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo fv o l pa r ed e l a y , j i t t e r ，p a c k e tl o s sr a t ea sw e l la sb a n d w i d t h b a s e do nab r i e fd e s c r i p t i o no ft h e p r i n c i p l eo fv o l pa n d8 0 2 1 1p r o t o c 0 1 t h e p a p e rw o r k so v e rt h en e x ts t e pt og u a r a n t e ev o i c et r a n s m i s s i o ni nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：d e t a i l i n g o nt h ei e e e 8 0 2 1lm a ca c c e s sm e c h a n i s m ( d c fa n d p c f ) ， a n a l y z i n g t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h et w om e c h a n i s m sa n da c c e s sm o d eo fd a t a a c c e s s i n gc h a n n e la sw e l la st h es h o r t c o m i n go ft h et w om e c h a n i s m si nr e g a r dt o s u p p o r t i n gq o s t h e r e o u t ，i e e e 8 0 2 1les t a f fe n h a n c e s o nt h e p r i m a r ym a c m e c h a n i s mi no r d e rt o s a t i s f yt h ed e l a yb o u n ds e r v i c eo fq o s t h e nt h ea u t h o r r e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e so nm e c h a n i s mo fe d c fa n dh c f i ni e e e 8 0 2 1le w h i c h a r ea b l et om e e tw i t ht h ed e l a yb o u n ds e r v i c eo fq o s ，b u ts t i l lh a v es o m e p r o b l e m s ， t h e r ea r em a n yp r o b l e m si ne d c f , s u c ha sh i g hc o l l i s i o np r o b a b i l i t yi nt h eh e a v y l o a dn e t w o r k ，l e a d i n gt ot h eh i g hd e l a ya n dl o wt h r o u g h p u t t h ea u t h o rp r o p o s ea m e t h o do fw i n d o w so fr e s e r v a t i o na n dm a i n t e n a n c ea l g o n i t h mt od e c r e a s et h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t ya n dt h e d e l a y t h e r ea r em a n yp r o b l e m s i n h c f ，s u c ha s i n e f f i c i e n tf a i m e s sp o l l i n g ，p o l l i n go v e r h e a da n dh i i g hd e l a y s t h ea u t h o rp r o p o s e sa n a d a p t i v ep o l l i n gs c h e m e ，w h i c hw o r k so nt h eh cs i d ei nh c c am o d e ，i nw h i c hh c m a i n t a i n st w od y n a m i cp o l l i n gl i s t st or e d u c eb o t ha c c e s sd e l a ya n dp o l l i n go v e r h e a d a f t e r w a r d s ，h et a k e st h es i m u l a t i o no nn s 一2p l a t f o r m r e s u l ts h o w st h a tt h ea b o v e m e a s u r ec a ne n s u r et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r kt o s a t i s f yt h ed e m a n do f c u s t o m s u b s e q u e n t l y , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ee n d t o e n dq o sm e c h a n i s mf r o mt h e v i e wo ft h ew h o l ei pn e t w o r k c o n c e r n i n gt h ei n t e g r a t i n gw i t hu m t sc e l ln e t w o r k ， h e p u t s f o r w a r daw a yt o m a pt h ep a r a m e t e ro fr s v pi ni n t s e r vi n t o i e e e 8 0 2 1ie t s p e ct op r o v i d i n gr o a m i n gs e r v i c e k e y w o r d s - w l a n ；q o s ；i e e e 8 0 2 1 le ；m a c i i 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今的i n t e m e t 不断地在变化着自己的角色，网络中流动的“比特”所代表的内 容已从原来单纯的“数据”逐渐向“多媒体”演变。网络中信息流量在不断增长，而 基于w l a n 的各种业务的发展更是令人眼花缭乱。v o i p 就是其中之一。 以w l a n 为基础架构执行的v o i p 应用县i j v o w l a n ( v o l po v e rw l a n ) 与传统 的p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 网相比具有高灵活性，高频宽适 合数据传输等优点。随着通信技术综合化，数字化，智能化的发展，在单一平台 上实现语音，数据，图像等多种综合业务已经成为电信网络发展的趋势。基于 w l a n 的v o l p ，力图实现利用现有的无线局域网来传递话音业务，在一个网络中 完成话音和数据的同时传输，这样传统的集群电话所带来的建设成本和维护成本 将被省下来，同时因为v o w l a n 的布网简单，维护方便，扩容便捷的特点，为日 常维护和日后的扩容带来了非常大的便利。而且用户可同时进行多个通信以及使 语音业务和数据业务综合到一起等传统电话无法比拟的优势。 由于在w l a n 的无线传输中l lj ，串扰和多径传播将导致衰落和色散，因此无 线网络具有数据传输率低而误码率高的特点服务质量保证是影响w l a n 上 v o l p 发展的一个重要技术难题。而w l a n 等为了保证灵活性和兼容性，协议标准 一般只制订m a c 层和p h y 层规范，从而造成网络上层的q o s 与无线链路层的分 离，最终q o s 无法得到充分利用。 随着无线接入技术的发展，异构网络的应用 将越来越普及，各种应用一般会经过无线接入。在这种情况下，仅依靠传统的有 线网络q o s 机制已经无法提供端到端的服务质量保障，迫切需要一种能够针对无 线信道的特点，在无线链路层媒体访问控制( m a c ) 子层提供网络业务的区分、优 先级控制、资源分配等的q o s 控制和保障，从而对无线网络和有线网络的q o s 进 行整体规划。语音通信业务是在i p 网络上传输实时语音信号，而i p 网络本身并非 为实时业务而设计，因此i p 网络给v o l p 语音通信业务带来的主要问题就是服务质 量问题。 1 2v o w l a n 的相关研究现状 通常人们在使用w l a n 时，主要应用的是网页浏览、收发邮件、文件传输 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 等功能的，现在要进行语音的传输就必须保障它的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。它是以i p 分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行模数转换、 数据压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 协议进行传 输。由于无线网络的固有的特征，在支持上层的实时业务与有线网络有很大的差 异，导致无线网络传输的i p 语音质量比有线网络要差很多。无线局域网中的物 理媒体和有线环境下的媒体不同，它被覆盖范围内的所有站点共享。由于无线环 境特有的隐藏终端、捕获效应等因素的影响，无线局域网中的媒体访问控制 ( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议比有线以太网更为复杂。w l a n 属于接 入网络的领域，对于端到端的q o s 而言，只是其中的一段链路。有关w l a n 的 端到端的q o s ，还需要依靠各个层面的技术支撑。 当前，对无线网络q o s 的支持的研究【2 】，主要集中在q o s 模型，q o s 媒体 访问控制，q o s 路由以及资源路由信令协议的功能，再通过后三者各自的具体 实现，相互协作，共同来完成q o s 支持的目标。w l a n 网络层的q o s 机制是通 过标记i p 数据报头的形式来实现的，受控于区分服务( d i f s e r v ) 体系，数据链路 层的q o s 机制则通过w l a nq o s 支持机制( 8 0 2 1l e ) 、m a c 帧优先指示( 8 0 2 1 p ) 以及虚拟局域i r x j ( v l a n ) 标识( 8 0 2 1 q ) 来实现，网络层和数据链路层的q o s 机制 均受q o s 管理体系的控制。w l a n 接人点提供m a cq o s 机制，w l a n 的路由 器提供i pd i f s e r v 机制。 在w l a n 中，由于早期的标准没有考虑开展实时业务的需要，不能提供q o s 保障机制。目前，i e e e 特别成立了8 0 2 1 1 e 任务组，通过细化8 0 2 1 1 的m a c 层， 以改善q o s 。8 0 2 1 l e 任务组定义了一个新的信道接入方法混合协调功能 ( h c f ，h y b r i dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) ，h c f 把分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 的功能 结合起来并有所增强，来保证实时业务的服务质量。其中h c f 采用的基于竞争 的信道访问方式称为增强d c f ( e d c f ，e n h a n c e dd c f ) 。e d c f 是传统有线局 域网排队机制的扩展，为数据包加上标记并利用区分优先次序的信道访问功能来 传输。h c f 是一种查询访问机制，在使用时，不同的传输流被分配给专用的通 信时隙。这两种机制结合起来可以使那些优先权的级别较高的服务对象的通信质 量得到较大的改善。 1 3 本文的主要内容概要 本文首先叙述了v o l p 的原理，然后讲了8 0 2 1 l 局域网的类型以及m a c 子 层，重点分析了i e e e 8 0 2 1 1 m a c 接入机制( d c f 和p c f ) ，分析了两种机制的 2 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 工作原理，数据接入信道的访问方式以及两种机制在支持语音业务的q o s 上的 局限性。由此，i e e e 8 0 2 1 l e 对此进行了增强以满足时限业务要求的q o s ，但仍 然存在一些问题。在e d c f 中，当语音站点数增多的时候，高负载情况下碰撞概 率变高，引起时延变大，吞吐量降低。针对这一问题，我们提出了运用预约窗口 机制并提出一定的维护算法，来减少网络碰撞，减小时延，提高网络吞吐量。在 h c f 中，由于其轮询机制效率不高，轮询开销比较大，大量的延迟等问题。我 们提出了动态轮询策略，通过h c 来维护两个动态轮询列表，从而减少接入时延 和轮询开销。然后，我们在n s 2 的环境下进行了仿真，结果表明，通过这些措 施的应用，无线网络的v o i p 可以更好的满足用户的要求。随后从整个i p 网络 考虑，分析了端到端的q o s 机制，考虑到和u m t s 蜂窝网络的融合，提出将i n t s e r v 的r s v p 的参数映射到i e e e 8 0 2 1 1e t s p e c 中，以提供漫游服务，同时也考虑骨 干网采取d i f f s e r v ，将d s c p 和8 0 2 1 1 e t c i d 的参数映射，以提供端到端的服务 质量。 1 4 论文的组织和结构 本文紧紧围绕如何保障v o w l a n 的q o s 进行研究。在分析和介绍v o l p 的 原理和w l a n 的基本知识及相关协议标准的基础上，针对现有的v o w l a n 保 障技术缺点和不足，提出一些改进措施，并对其进行仿真。文章具体安排如下： 第一章：绪论。主要介绍v o w l a n 的概念、产生、发展和存在的问题，以 及论文的主要研究内容。 第二章：v o l p 技术的基本原理和q o s 问题 第三章：i e e e 8 0 2 11 m a c 接入机制对v o l p 的q o s 支持，介绍了8 0 2 1 1 网 络类型以及m a c 接入机制。 第四章：i e e e 8 0 2 1l ee d c f 机制对v o w l a n 的q o s 支持。分析了e d c f 对v o w l a n 的q o s 支持机制，以及不足之处。并提出了运用预约窗口机制的改 进策略。 第五章：i e e e 8 0 2 1l eh c f 机制对v o w l a n 的q o s 支持，分析了h c f 对 v o w l a n 的q o s 支持机制，以及不足之处。对其轮询机制效率不高，轮询开销 大问题提出了动态轮询策略来改善。 第六章：v o w l a n 的实现面临的挑战。考虑到v o w l a n 和u m t s 的网络 融合问题，提出将i n t s e r v 的r s v p 的参数映射到8 0 2 1 l e t s p e c 中，以提供漫游 服务。 第七章：对全文进行了总结，并作出进一步的展望。 重庆邮电人学硕十论文第二章v o i p 技术 第二章v o i p 技术 v o i p 电话是一种数字电话【3 1 ，它对语音进行压缩编码、打包分组、分配路由、 存储交换及解包解压等交换处理，在i p 网或互联网上实现语音通信。当前的v o i p 业务根据服务对象不同分为专用v o i p 网和公用v o i p 网。按用户对话音质量及实 时性要求的不同来分，包括实时v o l p 和非实时的v o i p ( 如语音邮件) 。 2 1i p 电话的原理 i p 电话也称互联网电话，是基于i n t e m e t ( 因特网) 上的电话v o i p ( v o i c eo v e r i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ，简称i p 电话。它与传统的电路交换语音网络不同，是使用因特 网传送分组语音信息。v o i p 传输过程可以大致分为五个阶段： 1 将模拟语音信号进行编码，通过对模拟语音信号进行8 位或6 位的量化使得 语音信号得以在i p 网络中传输。数字化的过程可以使用多种语音编码方案来实 现，目前主要采用的是i t u t g 7 1 l 语音编码标准。 2 将语音包以特定的帧长进行压缩编码，同时并添加寻址及控制信息，这样 才能通过网络将数据转发到目的地。 3 i p 包的传送，根据每个数据报文的目的地址，路由完成报文从源地址到目 的地址的传送。 4 i p 包的数据处理，到了目的地址，由目的地的v o i p 设备接收这个i p 数据并 开始处理，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给 解码器。 5 将数字语音重新还原为模拟语音，并通过特定的频率用扬声器播出 其信号传输过程如图所示 图2 1v o i p 原理图 4 2 2v o l p 通信过程 黧鬈嚣瓣黧鬻麓鬈患要凳篙 妻篓羰篇燃燃淼淼溯 r t p 语音分组数据传输及进行带宽管理，通话质量富埋寺；够卜怵叼h 川“。 为 j w i k i i 一 r 2 s s t q 9 31 r a s 信道 一- ( h 2 2 5 0 r a s 繇 ) 吣2 彩(h2250, 输入被叫号码 q 9 3 1 ，快速 建立连接)r 2 s s 7 q 9 3i 一 呼叫彼叫 网关问连接 。 被叫状态 t i h 2 4 5 逻辑信 一 道 通话 通话 r 巡望- 图2 2 基本通信过程流程 2 3v o i p 的信令协议 图2 3 列出了目前涉及v 。i p 技术的主要协议 5 重庆邮电大学硕十论文 第二章v o i p 技术 图2 3v b l p 的主要协议 ( 1 ) h 3 2 3 协议【4 1 i t u 的h 3 2 3 系列协议定义了在业务质量保证的因特网或其它分组网络上多 媒体通信的协议及规程。 图2 4 示出了h 3 2 3 的体系构成。h 3 2 3 系统的基本网络元件有终端( t e r m i n a l ) 、 网关( g a t e w a y ) 、网守( g a t e k e e p e r ) 和多点控制单元( m c u ) 等，其中m c u 的功 能可以由网守或者终端来完成。h 3 2 3 的适用业务包括语音、数据和视频及其组 合的多媒体通信，其中对语音通信的支持是必备功能，数据和视频通信是任选功 能。它的适用网络是基于分组的网络( p b n ) ，并可实现与不同网络的端到端连接。 h 3 2 3 协议假设p b n 不能提供确保的q o s ，即需要另外的技术来确保实时通信。 图2 4h 3 2 3 的结构体系 ( 2 ) s i p 初始会话协议1 5 j 一个s i p 系统主要由两部分组成：用户代理和网络服务器。用户代理有用户代 理客户机( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，其中用户代理客户机用于发起呼叫， 而用户代理服务器则用于响应呼叫，这两个程序是用户端必备，由它们完成呼叫 的发起和接收。网络服务器也有两类，即代理服务- 器( p r o x y ) 和重定位服务器 ( r e d i r e c t ) 。代理服务器有点像中继器，它本身并不对用户请求进行响应，只是转 发用户信息的中继器，然后将自身地址加入该消息头部的路径部分，以保证将响 应按原路返回并防止环路的发生。重定位服务器收到用户请求后，若判定自身不 是目的地址，则向用户响应下一个应访问服务器的地址，而不是转发请求提出报 文。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章v o i p 技术 2 4v o l p 的q o s 问题 v o l p 的o o s 直接反映了i p 电话中的语音的质量，包括可懂性，清晰度等方面。 也就是说o o s 直接反映- j v o l p 的效果和人们对i p 语音的满意程度。关于q o s 的定 义，r f c 2 3 8 6 6 1 中描述为：q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请 求，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。具体 到语音来说，衡量v o i p 服务质量的主要参数有：端到端延时、抖动、分组丢失以 及带宽。例! ! i i t u t g 1 1 4 对语音延时做了规定，如表2 1 所示。 表2 1 两种编码算法的延时 v o l p 回路延时 ( 3 711 压缩算法( m s ) t 3 7 2 6 压缩算法( m s ) 编码侑翠码 5 55 5 聚合拆分 1 02 0 抖动缓存 1 02 0 w l a n 接入时延 1 0 2 0 接入点路由时延 l o1 0 企业网路由延时 55 主骨干网延时 9 9 56 9 5 总延时 1 5 01 5 0 2 4 1 丛& 而l i d 王u 丛& 而t l i 延时 端到端延时是影响交互式语音通信质量的最重要因素之一，它必须被控 制在一定范围之内。对用户来说，严格的端到端延时是语音信息从说话方的口到 收听方的耳朵所经历的时延，但通常只考虑承载语音信息的包从发送系统到接收 系统所经历的时延。根据不同的网络负载状况，端到端的时延会发生变化。 2 4 2 时延抖动 时延抖动一般是指数据流中两个连续分组端到端时延的差值。时延抖动对 v o i p 业务传输性能有显著影响，对语音包按照原始序列和周期模式进行重建十分 不利。最大时延抖动是衡量传输性能的一项重要指标，设法减轻时延抖动的不利 影响是v o i p 业务应用需要解决的一个主要问题。常用的解决方法为在接受端缓存 数据，吸收时延抖动。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章v o i p 技术 2 4 3 分组丢失 在i p 网络中分组丢失是不可避免的，丢失的原因可能是线路误码或网络路由 故障，更常见的原因则是传输延时过长或网络拥塞导致分组被丢弃。由于数据业 务对延时要求不高，如要恢复丢失的分组，发送端只需简单地重新发送丢失的数 据并降低它们的通信速率；但对于语音，由于实时性的要求，没有时间重新发送 丢失语音。可采用插值法来补偿。由于低比特率声码器都是基于线性预测编码原 理，其当前值是通过以前历史值线性组合而得，因此通过内插的方法不难得到丢 失分组的近似估计值。这个技术能帮助掩盖一个分组的丢失，但不能用于多个丢 失分组。在多个连续丢失分组的情况下，c o d e c 会简单插入安静时间段。i t + u t 定义的标准编码的解码器都已包含分组丢失补偿这一功能。另一种分组丢失 补偿方法是发送冗余语音帧，女, f e c 方法，即在发送第n + 1 个分组时，一并发送第 n 个分组的语音帧。 2 4 4 带宽 带宽是指在网上传输任何业务信息时每秒所能传输的字节数。一般认为带宽 越大越有利于数据业务的传输，但任何传输介质的带宽都是有限的，所要求的带 宽是某种应用能够正常工作的最基本要求。例如，6 4 k b it s 的脉冲编码调制( p c m ) 语音需要6 4 k b i t s 的传输带宽。所有的q o s 控制技术都是在带宽一定的情况下研 究怎样保证服务质量。 对于分组交换所支持的业务，如果在同一时刻没有其他的业务发生，它就可 以占用网络的全部带宽。然而在因特网上同一时刻会产生许多业务，这就使得数 据必须进行缓冲，排队等待发送，因而就要产生一定的延时，所以带宽与延时是 相关的。 8 重庆邮电大学硕十论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 m a c 接入机制对v o i p 的支持 第三章i e e e 8 0 2 11 m a c 接入机制对v o ip 的支持 如今，i e e e 8 0 2 1 1w l a n 标准正在被广泛地运用于各种领域。这一技术和 语音、图像通信相结合，无疑将会给无线局域网和语音、图像通信，v o l p 等多 媒体传输业务带来发展前景。 3 1 i e e e 8 0 2 1 1 网络类型 8 0 2 1 1 网络的基本要素是基本服务集1 7 j ( b a s i cs e r v i c e ss e t ，b s s ) ，它是 由一组相互通信的结点组成。结点的通信在一个基本服务区域内进行，并且该区 域是由无线媒介的传播特征所决定的。当结点处在这个基本服务区域时，它可以 和b s s 内的其它节点进行通信，基本服务集b s s 一般分为3 种类型：独立基本服 务集( i b s s ) 网络，基本服务集( b s s ) n 络，扩展服务集( e s s ) 网络。 ( 1 ) 独立基本服务集( i b s s ) n 络 i b s s 是一个独立b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ：基本业务集) 。它没有接人点作为 连接的中心。这种网络又叫做对等网( p e e r - t o p e e r ) 或者非结构组网( a dh o c ) ，网 络结构如图3 1 所示。这种方式连接的设备互相之间都直接通信而不用经过一个 无线接人点来和有线网络进行连接。在i b s s 网络中，只有一个公用广播信道， 各站点都可竞争公用信道，采用c s m c am a c 协议。 这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易且费用较低。但当网络中用户数 ( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。并且为了满足任意两个站 点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。因此这种拓扑结构适用于用户 相对减少的工作群网络规模。 vv 国舀一应 ( 2 ) 基本服务集( b s s ) 网络 在b s s 网络中，要求有一个无线接人点充当中心站，所有站点对网络的访 9 匆络袅 r 重庆邮电大学硕士论文第三章i e e e 8 0 2 1i m a c 接入机制对v o l p 的支持 问均由其控制。这样，当网络业务量增加时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化 并不剧烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其他站点通信，故网 络中点站布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑 接入点。如图3 2 所示b s s 网络 b s s 网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心点的故障容易导致整个网络瘫 痪，并且中心站点的引人增加了网络成本。在实际应用中，w l a n 往往与有线 主干网络结合起来使用。这时，无线接人点充当无线网与有线主干网的转接器。 wir edi ocalnet wor k s1a2 图3 2b s s 网络 ( 3 ) 扩展服务集( e s s ) 网络 为了实现跨越b s s 范围，i e e e8 0 2 1 1 标推中规定了一个e s sl a n ，也称为 i n f r a s t r u c t u r e 模式，如图3 3 所示。该配置满足了大小任意、大范围覆盖网络需 要。在该网络结构中，b s s 是构成无线局域网的最小单元，近似于蜂窝移动电话 中的小区，但和小区有明显的差异。 在i n f r a s t r u c t u r e 模式中，无线网络有多个和有线网络连接的无线接人点，还 包括一系列无线的终端站。一个e s s 是由两个或者多个b s s 构成的一个单一子 网。由于很多无线的使用者需要访问有线网络上的设备或服务( o n 文件服务器、 打印机、互联网连接) ，他们都会采用这种i n f r a s t r u c t u r e 模式。 w i r e dl o c a ln e t w o r k 3 2i e e e 8 0 2 1 l m a c 子层 图3 3e s s 网络 i e e e 8 0 2 11 m a c 层标准是其它8 0 2 1l 协议的基础，其后发展的标准具有 8 0 2 11 m a c 层相同的规定，只是在物理层上所采用的传输方式不同。m a c 层的 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章i e e e 8 0 2 1i m a c 接入机制对v o l p 的支持 所有任务都是在m a c 子层和m a c 管理子层之间进行分配。m a c 子层的主要任务 是定义访问机制和m a c 帧格式。 最初i e e e 8 0 2 1 l 规定了三种信道访问机带t j ：c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 、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 ) 、 p c f ( p o i n tc o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，这三种机制都能够支持竞争和无竞争的访问。 3 2 1i e e e 8 0 2 1 1 m a c 管理子层 m a c 管理子层的功能主要是定义e s s 中实现漫游的支持方式、电源管理和 安全，并负责在站内和a p 之间进行通信的初始化等。一般的m a c 管理帧格式 如图3 4 所示。 f r a m ed u r a t i o n d a 目的 b s s i d 基f c s ( c r 本服务集 s e q u e n c e f r a m e c o n t r o li d 地址 c o n t r o l b o d y c ) 帧校验 的标识序列 图3 4 一般的i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 管理帧结构 3 2 2i e e e 8 0 2 11 m a c 帧格式 m a c 层有三种类型的帧【8 j = 数据帧、管理帧和控制帧。这三种帧统一的格式 如图3 5 所示 字节； 2 2 66 6 2 60 - - 2 3 1 24 l 帧控制 行续时间 帧校验序i 标识符 地址l地址2地址3序列控制地址4帧体 列 i 一一 l m a c 头 一 图3 5m a c 管理帧格式 各字段含义如下： 1 ) 帧控制( f r a m ec o n t r 0 1 ) ：以及与该类型帧相关的信息，提供发送帧 的类型( 数据帧、管理帧或控制帧) ，如是否为重传帧，是否加密，是否有后 续分段等。 2 ) 持续时l 日j 标识符( d u r a t i o n i d ) ：对于控制帧中的p o w e rs a v e ( p s ) 一p o l l 帧，该字段携带的是站点的关联i d ：对于在p c f 下的c f p 期间发送的 帧，该字段被设为3 2 7 6 8 ：而对于其它类型的帧，该字段包含的是下一帧的持 续时间。 3 ) 地址( a d d r e s s ) ：m a c 帧结构中共有四个地址字段，包含不同类型的地 址，地址的类型取决于帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识 ( b s s i d ) ，源地址( s a ) 、目的地址( d a ) 、发送站地址( t a ) 以及接收站地址( r a ) 。 重庆邮电人学硕七论文第三章i e e e 8 0 2 1 i m a c 接入机制对v o l p 的支持 4 ) 序列控制( s e q u e n c ec o n t r 0 1 ) ：该字段包含一个1 2 位的序列号和一 个4 位的分段号。序列号表明m s d u 或m m p d u 的序列号，分段号表明一个m s d u 或m m p d u 的分段。 5 ) 帧体( f r a m eb o d y ) ：可变长度，包含指定类型帧的特定信息。 6 ) 帧校验序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，f c s ) ：该字段使用循环冗余校 验法( c y c l er e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 对包括m a c 头和帧体在内的所有字段 进行计算，并将结果存入该字段。接收端的m a c 层会运用c r c 将收到帧的m a c 头和帧体进行计算，并将结果和f c s 字段的内容进行比较。如果两者相同， 说明传输过程未发生错误：否则，说明该帧发生错误，m a c 层丢弃该帧。 3 3 最初的8 0 2 11 m a c 协议原理 i e e e 8 0 2 1 1 标准的结构包含着m a c 层矛i p h y 层，以m a c 层为核心的功能就是 m s d u 传输，m s d u 传输包括信道的接入控制和传输的差错控制。最初i e e e 8 0 2 11 m a c 层有两种接入机制：分布协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 。d c f 只提供异步数 据服务，而p c f 既提供异步数据服务，也提供延迟受限的服务，此时需要一个 接入点来控制介质访问，避免冲突。m a c 层协议的基本体系如图3 6 所示。 提供无竞争服 务 提供竞争服 务，并作为 p c f 基础 图3 6m a c 协议的基本体系 在i e e e8 0 2 1 1 中，通过定义不同的帧间隔时间( i f s ，i n t e r - f r a m es p a c e ) 来区分 对介质访问的优先级。一个节点通过载波侦听机制确定介质处于空闲状态，并且 持续空闲达到特定的间隔时间时才能进行发送。共有四个不同的间隔时间，由短 到长依次为： 短帧间间隔( s i f s s h o r ti n t e r f r a m es p a c e ) ； p c f 帧问间隔( p i f s ，p c fi n t e r f r a m es p a c e ) ； d c f 帧间间隔( d i f s ，d c fi n t e r f r a m es p a c e ) ； 延长的帧间间隔( e i f s ，e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c e ) 。 s i f s 是最短的帧问间隔。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 的节点具有了更高的优先级。s i f s 主要用于 确认帧( a c k ，a c k n o w l e d g e m e n t ) 、c t s 以及一个分片序列中第二个分片之 后的子帧等的发送。 1 2 重庆邮电大学硕+ 论文第三章i e e e 8 0 2 1im a c 接入机制对v o i p 的支持 p i f s 只用于p c f 模式下，节点在无竞争周期c f p 开始时抢占信道。 d i f s 是由在d c f 模式下发送数据帧或管理帧的节点使用的帧间间隔，一个 节点要进行发送，必须侦听信道，如果信道保持空闲状态达到d i f s 时间，那么 该节点进入退避过程，产生一个随机整数给退避计数器，并在每个时隙中递减1 当退避计数器递减到0 时方可发送。 e i f s 用在d c f 模式下，当物理层通矢n m a c 层，由于所发送帧的帧检验序列 ( f c s ) 值不j 下确，而不能被正确接收时，开始进入e i f s 时间，以保证有足够的 时间让接收节点确认所收到的不正确的帧。 3 3 1 指数退避机制 当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙闲状态， 如果信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达至u d i f s 时间，为了避免发送 冲突，这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退 避时间( b a c k o f f t i m e ) ，并存入退避计数器，如果退避计数器中已经包含有一 个非o 的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法如 下： b a c k o f ft i m e = 1 n t ( r a n d o m 0 ) 木a s l o t t i m e式( 3 一1 ) 其中，r a n d o m ( ) 是均匀分布在【0 ，c w 范围内的随机整数，c w ( c o n t e n t i o n w i n d o w ，竞争窗口) 是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口c w m i n 和最大竞争 窗口c w m a x 之间的一个整数值，即c w m i n c w c w m a x 。a s l o t t i m e 是由物理层 特性决定的一个时隙的实际长度值，对于d s s s ，一个时隙的长度是2 0 1 x s 。因此， 退避时间是一个以时隙为单位的随机整数。 一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲， 则将退避时间计数器减l ；如果信道忙，则退避过程将被推迟，退避时间计数器 被冻结( 即不再递减) ，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到d i f s 时间，退 避过程重新被激活，继续递减。当退避计数器递减到o 时，节点就可以执行发送。 当多个节点同时竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占 有信道，这样就大大减少了发送冲突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的 冻结机制，使得被推迟的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时 间，只需继续进行计数器递减，那么，等待时间长的节点的优先级就高于新加入 的节点，就可能优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性。图3 7 显 示了退避过程，在节点a 发送时，节点b 、c 、d 都有帧要发送，等待信道连续 空闲d i f s 时间后，进入退避阶段，每个节点在c w 内随机产生一个退避时间。因 重庆邮电大学硕士论文第三章i e e e 8 0 2 1im a c 接入机制对v o l p 的支持 为节点c 所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至o ，开始发送帧，节 点b 和d 的退避计时器被冻结。在节点c 传送过程中，节点e 也有帧要发送，进 入等待过程。信道空闲d i f s 后，节点b 和d 的退避计时器解冻，节点e 产生随机 退避时间。因为节点d 的退避计时器最先减至0 ，所以节点d 获得发送机会。 d 瞒 s t a i o n a s t 撕o nb s t a t i o nc s l a i o nd s l n i o ne c w f i 矾 降b d f r 1 1 7