（通信与信息系统专业论文）ieee80211无线局域网保证qos的媒体访问控制机制的研究.pdf

摘要 随着无线局域网系统中多媒体业务应用的迅速增长，在无线局域网中实现对 多媒体业务的服务质量保证的需求已成为亟需解决的问题。传统的i e e e 8 0 2 1 1 协 议已经不能满足业务的多样化对网络提出的要求，因此m e e 8 0 2 1 l 小组提出了具 有服务等级区分的e e 8 0 2 1 1 e 协议草案。 本文围绕国家自然科学基金项目资助展开工作。首先，详细地介绍了传统的 m e e8 0 2 1 l 协议信道接入机制和i e e e 8 0 2 1 1 e 协议草案，分析了两种协议的不足， 并通过仿真比较了m e e8 0 2 1 1 e 协议中规定的e d c f 机制与传统的d c f 机制的 性能。其次，给出了经典的二维马尔科夫链分析模型，分析了影响吞吐量大小的 因素。提出了传输区间的概念，对此概念中的各个参数进行了详细说明，并用经 典的二维马尔科夫链分析模型和传输区间共同描述了e d c f 机制，推导出各业务 的吞吐量表达式。 由于i e e e 8 0 2 1 l e 协议中e d c f 机制采用静态的参数设置，没有考虑信道负 载情况，所以在本文最后，提出了一种基于信道状态检测的动态优先级方案 ( d e d c f ) 。通过仿真，验证了该方案提高了系统性能，并且在信道负载轻的时 候改善了低优先级业务的服务质量。 关键字：无线局域网服务质量ie e e 8 0 2 1 1 e 动态优先级传输区问 a - b s t r a c t w i t ht l l er a p i dd c v d o p m e n to f m u l t i m c d i as e i c ci nw i r e l 鼯sl o c a la r e an e 晰o r k s y s o 锄，l h er e q u i r e m c n to f q u a l i t yo f s e r y i c c ( q o s ) s u p p o 晒n gi sb c o o m i l l gap r o b l e m n e e d c dt ob es o l v c d 州c u 弘砸e e 8 0 2 1 1c 观b ec 0 砸i d e d 硒a 丽r e l e s sv e r s i o no f e t h e m e tb yv i n i l eo fs i l p p o r t i n gab e s t - e f f b r ts c r v i c e ，b u tn o t 目擒期n t e e i n g 缸ys e r v i l e v dt ou 鲫铂p p l i c a t i o 珊1 km e e 8 0 2 1 1w b r 虹培g 咖l pi s 咖t l yd e 丘n i n ga n 州s u p p l 锄龃tt 0t h ee x i s 血gl e g a c yi e 髓8 0 2 1 1m c d i 啪a c c 嚣sc o n 的l 畔c ) 劬- 1 a y c ri no r d 贫t 0s u p p o r tq a n t yo fs c r v i c c ( q o s ) n em e e 8 0 2 1l ei s 趾 e 】【t e n s i o no fm em e e 8 0 2 1 lt op r o v i d eq l a l n yo fs e i c e ( q o s ) f o ra p p l i c a t i o n s r 。q u i r i n gr e a l - t i m es 盯v i c 器 f i r s 廿y ，t h i sp a p 盯i n 仃o d u c e sm ci e e e8 0 2 1 1m c d i 啪a c c c s sc o n 仃o l 文l b - i a y e r a n dt h ei e e e 8 0 2 1 1 ep r o t o c 0 1 s e o o n m 弘w ei n t r o d u c c 虹悖c o n c 印t i o no f 仃a n s m i s s i o n z o n eb a s c do nt l l em 破o vc h a i n ，w h i c ht a l 【锚i m oa c c o u ma l m o s ta l lt l l ei m p o 删 m a cp 咖e 晒s ，a n du s ei tt 0a n a l y s i st h ee d c fm e c h a i l i s m ，百v et h et h r o u 曲p u t e x p r e s s i o n so f 吖e r yp o r t f 0 1 i o s i n c e 吐擒p a f a m 船c o n f i g 啪i o no f e d c f i n 腰e e8 0 2 1 li sp c r f o 衄e di ns t 鲥c m o d e ，t h ee h a n g ei nt l l e 锄o u n to f s c r “c cl o a di sn o tc o 珊i d e r e di i lt h es e t u pp r o c c s s 髓 o fe a c hs 嘶o n ad - e d c fm e c h a n i 锄i sp r o p o s c dt om o d l d a t et h em i l l i m u n l c 0 n t e 以o nw i n d o wb 髂e do nh o wb u s yt h ec h 籼di s a tl a s t ，t l l es i m u l a t i o nd e 鲫l t s p r o v e t h a tt h i sm e c h a n i 滩l n i l i z 岱t h ec h a n n e lm o r ec 伍c i e n t l ya n di m p r o v e sm eq o s o f d a ：c as e i c ew h e i ln c ti s1 i g h t k e y w o r d ：w l a nq o s i e e e 8 0 2 1 1 e d y n a m i cp d o r i t y t r a n s m i s s i z o n e 翅安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨黔学风_ 帮优嶷的季萼学遂德，本人声明所里交豹论文怒我令人在 瑟师指导下进行的研究工作及敬得的研究成果。尽貔所知，除了文中特剐加以标 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袭或撰写过的研究成 莱；也不毯会秀获霉嚣安电子耱菝大学袋箕宅教育爨构豹学像或证书瑟馇羹蓬赘 材料。与我一同工作的同志对零研究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楚，本人承穗一切的法律责任。 本人签名： 莲毒猛 西安电予科技大学 关于论文使爝授权的说嗡 本人突全 鼷藿嶷逛子麓技大学骞关臻整霹傻溺学建论文戆袈定，帮：臻究 擞在校攻读学位期间论文工作的知识产税单位属西安电子科技大学。学校有权保 爨送交论文的复印件，允许查嘲和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 器，可敬允许采用影旃】、缩印域其它复制手段保存论文。弱嚣季本人傈诫，华韭詹 络合学位论文研究课题再撰写的文章一律溜名单位为西安电予科技大学。 ( 保密豹论文在鼷塞居遵孝戴援定 本学位论文属于保密，在一年解密厝适用本授权书。 本人签名： 导师签名； 日期塑堕二! ：f 笏 繁一章绻论 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪8 0 年代，是计算机局域网发展和普及的重要阶段，此类局域网以 瑶e 嚣8 泛3 戳太嬲为代表，傻鼹毫缓襄麦纾将蔗熬区域蠹豹谤算提要攘连接怒来， 完成计算机之间的数据传输和资源；咚享。然而，有线网络在某些场含要受到很多 羧测：毒线、改线量程量大，线路容爨撰螺，题孛懿各节煮不可移动。特裂是当 要把相离较近的节点连接起来时，铺设专用邋信线路的布线施工难魔大、费用高、 耗隧长，对簌在迅速扩大豹联阚嚣求澎成了严重的渡颈阻塞， 同时，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终 端约广泛应耀，人 3 开始考虑毙否褥计算机鼹终由鸯线良纛线，由麟定向移动， 由单一业务向多媒体发展。顺应这一需求的光线局域网技术得到了鬻遍的关注， 成为计算机嬲络发展过程中豹一个必然发展阶段。 无线局域网是一种能在几十米捌几公熙范围内支持较商数据遮率的无线网 络，它采用露线多址接入的宥效方式支持计算机之阗的通信，并为通信的移动化、 个性化和多媒体应用提供了实现的手段。无线局域网利用射频( r f ) 技术，取代 旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，明络所需的基 础设施不需褥堙在蛾下或隐藏在墙黧，也能够随需移动或交化，使襻无线局域网 络能利用简单的存取构架让用户透道它，达到“信息随身化、便利走天下”的理 想境界，成为宽带接入的有效手段乏一。 从无线岗域网标准的支持者及被采用的地域范围来看，光线局域网可以说有 三个阵营：i 嚣e e 的8 0 2 1 l 系弼标壤、欧澜的硪p 耐，a n l 俄i p e r l a n 2 和霹零酶 m m a c 系列标准。i e e e 8 0 2 1 l 系列标准作为全世界部署最为广泛的无线局域网 技米，被营遴谈茺将在下一代无线透信中发挥重要的作震。2 0 娩年，全球薪增加 了1 8 0 0 万个无线局域网接入点。在美国，殴有超过3 0 0 0 万个家庭和办公室在使 用秃线局域朔技零；j 美的笼线届壤翊露产瑟经达委铊o 万。丽2 0 0 s 年，设立在 家中和办公场所的经过无线硒域网认证的无线局域网超过5 5 0 0 万个，到2 0 0 7 年， 8 0 翡商监耀户熬祭秀p e 梳、钓静p 弧帮5 静6 零r s 帮3 g 电话都将支持 无线局域网功能，而且在美阂，预计支持无线局域网的设备数量达到9 1 0 0 刀。在 晷内，无线鼹壤瓣懿技术亵产瑟在实际应瘸镶域还怒凌较薪瓣。毽怒，无线崮予 其不可替代的优点，将会迅遥地应用于需要在移动中连网和在网间濑游的场合， 莠在不莠毒线翡缝方帮远鼯瓷豹数攒处理苇杰提供强大豹溺终支骜，尤其褒众效 应用、交通遥输、零售、医疗和教育等行业中，无线局域网有着很犬的发展【i 】。 霹敦羧趸，蕤着舞敖办公豹滚霉窝手特设冬瓣普及，久霞对移动毪诱运窝存谤薅 2 琵e e 8 托1 l 笼绫萄域跨绦涯( 两s 懿媒体访瓣整骞秀寄毛翻静臻究 息的需求愈来愈多，因而瓶e b 8 0 2 1 1 无线局域阿将会在办公、生产和家庭等领域 不断获得更广泛应用。 由予匝e e 8 0 2 1 l 无线局域网的快速发展，用户对于服务质量( q o s ，q u a l 毋 醴s o 划) 豹霉求与嚣貘穗，犍务夔多样纯慰擎蕤终捷鲞了不弱豹簧零，这藏嚣 要掰络为各种不溺豹瑶户簸务提供不同豹驻务旗羹保证。 按照w p a 仕a 均a t i k o m 等【2 】的定义，服务质鬣( q o s ) 是指个网络为不同类 型的业务提供在该网络范围内不同等级的持续传送数据的能力。q o s 系统常常包括 以下几个部分：q o s 映射、接入控制寝资源分簌。q o s 映射是指网络不阿层之间q o s 表述戆转换。接入控赣震寒确定甄终是否能够支持痰请求豹豢鸯s 要求戆堑务， 资源分酝指按照请求豹s 馀当她分配璃络资源。有线两终里餐爨q o s 的嚣素有； 可用带宽( a v a i l a b l eb a n d 谢d m ) ，数据包丢必率( p a c k e t1 0 昭r a t e ) ，时延估计 ( 鹊融a t c dd e l a y ) ，抖动( p a c k e tj i t t 盯) ，跳数( h o po o u n t ) 和路裰可靠性( p a m r e l i a b i l 坶) 。然而这些因素并不完全适用于无线隧络中。这是因为，现在的有线q o s 戆算法爱求精确懿连接状态窝网络舞羚售惑，嚣无线连接戆实孵变纯，煮羧兹带 宽资源帮节点鹃移动往傻缮维持上述捂标异鬻潮难。因诧对无线翊络来说，萁q b s 保证不可能做到与有线网络中的一样。为此，人们针对无线网络的特点，提出了 许多q o s 改进机制，主要可以分为两大类：一鼹在媒体访问控制( m a c ，m e d i a 觚e s sc o n 的1 ) 方面的改进，一是在差错控制( e 职| o r c o n 仃0 1 ) 方筒的改进。 露传统熬歪e e 8 酡1 l 礁媳辊篱l 存在以下秘题：( 1 ) d c f 仅投提供尽力丽为 ( b 融e 娲蛀) 戆藏务。农一个b s s ( b 舔i cs e 嬲c es 或) 孛熬所鸯潍熹或阍一个菇 点中的所有流( 玎o w ) 以相同的优先级竞争资源和信道。没有区分机制 ( d i f 敞吼f i a t i o nm e 妇i 甜n ) 来保证带宽、分组时延、时延抖动等服务质量指标。 由于竞争信道所花费的时间导致了吞吐量的下降和接入时延增加。( 2 ) p c f 虽然 可以支持时闯受限的多媒体痤震，但是它魇掇供的服务质量却誉鼹令人满意，原 嚣在影；抵效窝复杂豹集孛轮诲策略镬簿当照务受载较重嚣，篱德兔级豹韭务毪 能恶化；由于c p 和c f p 模式协同工作导致无法预测信标时延；被轮询移动台的传 输时间无法预知，这可能念阻止给其它站点( 猩剩余的c f p 期间) 提供q o s 保证。 因此i e e e 8 0 2 1 1 工作缀提出了m e e 8 0 2 1 l e 的草案，在i e e e 8 0 2 1 1 e 标准中， 对d c f 遴霞了扩充，提出了“增强分布式协调访勰”e d c f 枧涮，以满足用户 堑务戆 是逶遂蘩菝嚣令麓定靛毒线“n 瓣终， 即网络互联的方式进行的。 纯w l a n 适用于那些还没有建网的用户，或组建个临时性的网络。懈和有 线l a n 的组网方式非常相似。可以组成一个星形网，每个无线节点直接同中心 集线器通信；瓤以组成一个环形刚，每个节点像其邻聪传送数据，该邻羼接受想 正e e 8 0 2 1l 无线局域网保证q o s 的媒体访问控制机制的研究 要的信息或向下一节点转送信息；也可以组成一个总线型网，每个无线节点都能 听到其他节点发送的。切信息 组建一个临时性的w l a n ，最典型的应用是a dh o c 网通常是一群具有便 携式终端的用户为会议或其他目的聚集在一起，需要在无法预料的距离间构筑一 个临时性的w i 。a n 。 除了上述、i 。a n 标准的发展，人们还致力于为a 1 m 网络工作设计特殊的无 线接入系统。其中欧洲已开始了称作无线a t m 网络示范产品的工作，该工程目 标在于研究和证明a 1 m 通过一个高速无线接口可以很容易地完成接近h i p c r i ，a n 速率的速率转换。另外以德国为首，有1 1 个国家参加的m e d l a n 工程正在评价 和实现工作于6 0 g h z 。提供1 5 5 m b i 如的w l n 。1 9 9 7 年3 月r a d i o l a n 公司在 中国市场推出了它的1 0 m b i 以高速w l a n 产品，它是第一个提供与1 0 b a s e t 有线l a n 传输速率相当的w i ，a n 系统。随着a ： 阻“网络技术的发展和成熟，w l a n 接入到宽带朋阻讧网也已经成为现实的需要并日益受到人们的重视。 1 3 无线局域网协议的研究意义 无线局域网利用空中的电磁波或光波代替传统的缆线进行信息传输，可以作 为传统有线网络得延伸、补充或替代。与有线网络相比而言，无线局域网具有以 下优点： 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，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域 网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装个或多个接 入点设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 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。 而一旦无线局域网建成后，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。 一 经济节约：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，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，而无线局域网可以避免或减 少以上情况的发生。 易于扩展：无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样无线 局域网就能胜任从只有几个用户的小型局域网到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。 虽然无线局域网有着有线网络无可比拟的优点，但是它也并非是完美无缺的， 仍然存在着许多问题需要解决。由于无线网络的节点具有移动性，拓扑结构动态 蘩章绪论 ? 变化，信道资源有限，链路不稳定，功率受限，因此，传统有线网络中的些协 议或机制不能很好地适用于无线网络，针对无线网络本身的特点，主要有以下问 题需要进行研究： l 多懿无线瓣终孛戆路峦势议翔戆； 2t c p 在无线网络中的性能及公警性简题； 3隐藏终端和暴露终端的问题； 4 无线网络中的服务质量保证，包括路由、资源预留、区分服务、信令机制等 闯题； 5 移魂终凑瓣筑源管理逮题； 6 耱理层、m a c 层的协议性麓及改迸游透。 近年来，凭线局域网协议的性能和改进、服务质爨保 芷方面的问题一崴是研 究的热点。 1 4 主要内容及章节安排 研究表爨，传统静压e e 8 0 2 1 l 协议无法傈诞惩户对服务质量的簧求， m e e 8 0 2 1 l o 协议草案虽然根据帧间隔a i f s 、竞争窗口c w 和传输机会1 x o p 等 参数的设置来隧分业务的优先级，满足了用户对服务威慧的需求，然而也：i 掌在着 不足之处。例如，高优先级业务的饿能提高是以牺牲低优先级业务为代价的，静 态翦参数设爨炙法复浃痿道戆受载德菠等。本文赞霹戮嚣嚣8 0 2 。l l 蛰议进程了深入 研究。主要内容及章节安排懿下； 第一章燕簧介绍了无线局域网的现状、国内外的发展状况、8 0 2 1 l 系列标准、 无线局域网的正作模式和应用，最后指出了研究无线屑域网的意义。 第二章详绷的描述了传统的i 髓e 8 0 2 1 1 协议和磁e e 8 0 2 1 l e 协议，解释了协 议孛戆各令参数，分拆7 各携议静不是之整，并且逶遐镑真比较了传绞豹8 0 2 。l l 协议窝8 0 2 。l l # 协议翡经耱。 第三章绘嬲了在2 0 0 0 年由b i 毡n d l i 等人提出的经熊的二维m a r k d v 链分析模 型，推导出襁褥吐量最大时传输概率的取值。并在此攥础上，通过引入煮帮窗口 的概念，分析了i e e e 8 0 2 1 1 e 协议的e d c f 机制，并摊导出各个优先级业务的吞 睦量表达式。 第谣搴镑砖l 嚣e e 8 。2 1 l e 秘没采取静态参蘸竣霉瓣繁栗懿逡逶，器凑耱 基于信道状态检测的动态优先级方絮。通过仿真，证明了该方案提高了系统的总 体吞吐量，并融在信道负载重的情况下保证了语音业务的服务质量，可以很好的 区分服务；在信道负载轻的情况下提高了数据业务的释吐量。 第五章总结全文，著对下一莎玉作进行了震望。 第二章m e e 8 0 2 1 tm a c 协议概述 9 第二章m e 壬强0 2 。llm a c 协议概述 本章共分为四部分，第一部分较为详细介绍了传统的溅e e 9 0 2 n 协议信道接 入机制，描述了两种信道接入方法d c f 和p c f 的工作原理；第二部分详细介绍 了警魏最滚露豹避毯e s g 2 ，l l e 镑议，莠分辑了8 睨。l l 。携议缮在弱不足之韪 第三 部分遴过计算机傍嶷比较了传统的瑾e e8 0 2 。l l 协议和i e e e8 0 2 n e 协议的性能； 第四部分小结了强上内容。 2 。l 传统封隧嚣8 既。l l 信遭接入飙锻 鹏e e 8 0 2 1 1 媒体访问控制( m a c ) 子层协谢5 】【6 】定义了两种信道接入方式：基 本的分布式协作模式( d c f ) 和可选的点协佟模式( p c f ) 。其协议结构如图2 1 所 示。箕孛分毒式耱谣模式( 琢臻，臻s 拄谗氆舔c 砖趣a 畦罐f 黼c l i o n ) 是蒸予竞争黪 随机接入方式，作用于媒体竞争期( c p ，c o n t e 硝o np 舒o d ) ，支持对戤时不敏感 的数据传输。而点协调模式( 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 ) 建立程d c f 基础 之上，芏终予无竞参疑( c p ，e o 拄溉蛞。珏f 凇 积醴) ，芟终蹲封廷敏感黪始涂， 如谣裔和视频。c p 和c f p 总是交替出现，先由d c f 竞争媒体使用权，然后进入无 竞争期，由p c f 控制数据传输。 弼笋焦貉调模式( 笼竞争骚务)竞争羧务 d c f 分布式协调模式 2 1 1 分布式协作模式 圈2 1 搬e e 8 0 2 1l t a c 协议结梅 分布式资律横式是瑾e e 8 馘1 l 最基本的媒分访闯方法，采雳c s 醒 砧a 与二 进制指数退避机制朱支持用户终端的异步数据通信。由于脊线网络中c s m 刖c d 的冲突检测机制不适合无线局域网豹环境，因此d c f 使用c s m a c a 的虚拟载 渡簸断方式。藏终，琢翟采曩l 二迸撵数退避筏辜l 来送行耱突避免。在移e 擎接入 方式中，包含基本访问机制( b a s i c a c c e s sm e 巍a n i s m ) 与可选的r t s c t s ( r e q u e s t t 0s e i l d c l e 盯t os e n d ) 访问。由于d c f 比较简单，健壮性较好，所以在实际应 溪串获褥了广泛支终。 1 c s m a c a 机制 谯半双工无线局域网中，由予在发射的同时不能进行接收，无线信母强度的动 1 0 m e e 8 0 2 “无线局域网保证q o s 的媒体访f 刚空制机制的研究 态范围非常太这些都使得在发送站很难甚至无法实现碰撞榆测( c d ) ，而且即 使可以在发送端实现碰撞检测，但由于隐藏终端和黎露终端问题，如果在无线系 绕孛采焉c s 氧垂a 忿d 撬凝，在发送数豢辩检测到痿遵是空鼹豹，在接波端餐然鸯 可能发生磁撞。因此，一般改用带有冲突避免( c a ，c o l l i s i a v o i d 黼c c ) 的 c s 酝a 坨a 机制。在c s m a 忿a 孛，每个王作站都会在传输之翦检测僖遂忙闲状 态，如果发现信道忙，那么这个工作站就会延迟传输。 在m e e 8 0 2 1 1 标准中，c s m a 协议中的载波监听既可以在物理层进行，也可 滋在轰驺层遴簿。在耪霪屡，终壤对锈壤瑟戆空枣接口送磐载波整努，当接收 划相对信号强度超过一定的门限数值时就可判断是褥有其他的移动站在信道上发 送数据。载波监听是靠检测发送学四周范豳内的信号强弱来避免碰撞鸵，但是一 般都是两个或以上的赢福干挽的信号在按收者处穗汇，因诧磁撞一般发生在接收 者处，而不是在发送潸处。又因为发送者年盱接收者在地理上熙不相关的，从发送 纛处缮裂黪载波整瞬臻惠莠不筑逶囊接牧喾，霆戴这劳不能绘壅充分爨痿惠来避 免碰撞的发生。在m a c 层，标准采用了一种虚拟载波监听( v i m l a lc a r r i c rs e n s e ) 机制，即邋过让发送终端将它簧占用信遵的时间( 倪括接收终端发回确认帧所需 豹靖阕) 邋翔给所有箕谴酌终端，瑷覆捷箕谴所有终端在这一敬露闻蠹都停壹发 送数据，这样就大大减少了发生碰撞的机余。“虚拟”是表示其他终端并没有监听 傣遵，面是瞧予其它终端收到7 发送终端熬逶知嚣零发送数攒。这静效莱妊像是 其他终端都监听了信通。“源站通知”就照在其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债道多少耐间( 以微秒为单位) 。当一个 终端检溺鬟正在售遂审传送懿狐a c 谈蓄帮豹“持续辩润”字段辩，藏调整謇基 的网络分酉己向量( n a v ，n 咖o r ka l l o c a t i o n 、铳t o r ) 。n a v 指出了必须经过多少 对闻才能完成这次传埝，从两使信道转回室阕状态。因此，镶遂处于忙态，或者 楚由于物理朦的载波驻昕检测判倍道忙，或者是由于m a c 艨的虚拟载波监听机 制指出了信道忙。c 鲫t ，c a 的控制方式如图2 2 所示。 第二章e e 8 0 2 1 1m a c 协议概述 图2 2c s m 刖c a 的控制方式流程图 2 基本访问机制 在d c f 模式下，每一个站点在访问信道之前先侦听信道，若信道空闲，它等 待d i f s ( d c fi n t 盯f r a m es p a c c ) 时间才开始传输。如果信道忙，站点开始退避 过程，它在【o ，c 降】之间随机选择一个退避时间，其中c 阡幺是最小竞争窗口 ( c w ，c o n t e n 廿o nw i n d o w ) ，单位是时隙( t i l n es l o t ) 长度。当信道空闲d s 后则退避计数器以时隙为单位开始递减，若信道再次忙则退避计数器停止。当退 避计数器为o 且信道空闲时，站点等待d 礤s 后访问信道。当发送数据后，源站 点会等待从目的站点返回的响应( a c k n o w l c d g e m e n t ) 帧。若在指定时间内收到 响应帧，就认为数据帧被成功接受；若遇到碰撞，或在指定时间内没有接收到响 应帧时，竞争窗口乘以2 ( 若超过最大值c ，则取c ) ，即为 ( ( c + 1 ) x 一1 ) ，其中f 为发送的次数，如图2 3 。 9 蛔 嗣湘 嗣蜘 鼠蜘 自目| o i i m 吐丝遗嘲 f f l 犯匦 工蜘喊 m强衄 螋 c w h i 附- c 相细i 嗡w h 曲 圃：慧嘲 图2 3 采用基本机制的正e e 8 0 2 1 1d c f 1 2 啦8 0 2 1 1 无线局域网保证q o s 的媒体访问控制机制的研究 3 可选的r t s ，c t s 访问机制 d c f 接入方式除了上面的基本访问机制以外，还定义了一种可选的访问机制 i 汀s c t s 。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 4 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 ，从而避免了在a 、 b 通信过程中由于隐藏终端( h i d d e nt 锄i l l a l ) 所带来的碰撞问题( 隐藏终端是指 两个站点在彼此发送范围以外但发送范围存在交叠，当它们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) 。 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。 陬 _ il ”n 蕊1 毛捌 | h m w 口i | * 涨 o r “ib 嘲椭r d y 图2 4 采用了r t s c r s 机制的e e8 0 2 1 ld c f 4 帧间隙 站点是在监听到信道空闲超过协议规定的时间才发送数据帧的，这个规定的 时间称为帧间隔。e e 8 0 2 1 1 协议中规定四种帧间隙，从小到大列出如下： 最小帧间隙( s i f s ，s l 贼th l t 盱f r 锄es p a c i n g ) 适用于帧突发内间隙，如分 段数据帧和它们的确认帧间隙。当某站点已经占用信道，为了连续的数据帧发送， 且继续保持对信道的占用，这时要采用s i f s 帧间隙。其它站要发送信息，需要等 待更长的信道空闲时间间隙，所以采用最小帧间隙具有优先权。 第二章m e e 8 0 2 1 lm a c 协议概述 。，点协调帧间隙( p 妇晤，p c fh t c r ，衔a m es p a c i n g ) 是站点在点协作模式( 觅 2 1 2 节) 下使用的帧间隔，被接入点轮询的其它节点只需要等待p 礤s 时间就可 谤褥夯爱。 分布式协调帧间隙( d i f s ，d c fm 妇蛐es p a c i n g ) 是在分布试协调模式 躲等待对间。工作予d c f 模式豹站点使建d 疆s 时阆闯骗来发送数据j | 吱和管理帧。 如果一个工作予d c f 模式的站点在正确接收到数据帧，且在d 礤s 时隙边界处静 载波侦听驻示媒介激用，且其退避时间已经结束时，则可以发送数据。 踅长峻阂骧( 嚣藤s ，嚣) 【搬瓣磁琢静摹弧e 印妇g 是袋耀嚣f 按入痿遵藏 信道中出现冲突或传输出错时使用，如接收的数据校验出错，或发送数据后没肖 收到确认帧，此时僚道中可熊有冲突，为了消除冲突，必须在更长的信道空闶时 辩后，采雳随梳跨筑媒介接入方法竞争信遭。 帧间隙是物理媒介上的时间间隙，由物理层特性决定的，与数据比特传输速 度无关。 2 1 2 点协作模式 由于d c f 并不撵供任何鼷时或带宽的保证，霹诧难予满足部分对筵时帮带宽 敏感的业务对服务质量的要求。为此瑾e e 8 0 2 1 l 标准还定义了一种可选的访问方 法p c 琴麓淡支持霜户终壤豹瑟囊连接、冤竞争熬数据枣砉簧送。p e f 逶遨熹蛰谡器 ( p c ，p o i n tc o o r d i i l a t o r ) 与d c f 模式起工作，共同组成超帧( s u p 辨丘锄e ) ， 每一个超帧包括采用p c f 的獗竞争期( c f p ) 和采用d c f 的竞争期( c p ) 。p c 遗过发送信标( b e a n ) 帧标卷着c 殍鼢开始，倍标筷良d c f 方式巍争信遥。 p c 维护着一张需要发送数据的站点的列袭，这些站点以某种优先级或按顺序被轮 诲。p e 邋过发送c 擎锻疟涪息结束c 礴，进入竞争麓甄d c 擎模式工髂。鲤鹜2 5 所示。 c d m 蛐“。加嘣耐上c 蛳t m 晰棚 s b s 日ml 司商 匍- 圈离刊 j r 掣掣鬯丢掣逞蓦 捆 砒t 瞄嬲麓= 篓；劂i g 镕= 嗣焉；日日n 拦爨麓戳l ! ! 。蕊璺蕊霹豢；掰；：舅i * 嚣* ；i g ；g 强l 一 瓣2 5 d c 王潍c f 资俸模茂 l 瑶e 塞8 旺1 l 笼绫嚣壤耀穰迂q ! o s 豹髹髂访翘挖裁辊籁兹臻究 2 1 3 传统m e e 8 0 2 1 l 协议q o s 的局限 传统的匝e e 8 0 2 1 l 协议对q o s 的支持非常糟糕，从上面的描述可以看出， 分布式终终模式没有区分攮务类型，各耱业务农霹一佳先级下竞争臻遵，仅仅绳 供了“瑟力覆为”墅兹羧务，没有 壬俺q o s 绦诞。 ， 对予点协作模式，其q o s 支持也具有微火的局限性：由于竞争期节点发送的 数据长度不能控制，使得下一个目标信标传输时间( t b t t ) 的信标发送产生延迟； 丽在非党争期被轮询的节点发送的数据大小也不可控制，因此节点的传输时间也 不容易被接入节点所控涮；接入点貔轮诲调度簿法过予篱单，嗣榉没骞医分业务 类登。 跃上所述说明了i e e e 8 0 2 1 1 在q o s 保障方面还存在很大的改进空间。大量 的研巍者都针对协议的q o s 性能增强，进行了多方面的探索和研究。 2 。2 针对i e e e 8 0 2 。l lm a c 协议的q o s 增强技术 量激嚣8 0 2 1 l e 魏麓话音，视频业务豹遇速发展，薅产辩溅务质量q o s 要求瞧越来越毒。两 i e e e 8 0 2 1 1 协议最大的问题是只提供“尽力而为”服务，并不区分北务种类，无 法保诞q o s 。尤其是在负载较重的情况下，不能很好的支持实时业务。为了改善 对q o s 的支持，i e e e 8 0 2 “o 任务组增强了8 0 2 1 l 协议里m a c 的功能，制定了 l e e e 8 0 2 + l l e 辊制。该撬裁蠢两静谤超方式；璨强銎1 分蠢式协嚣模式( e d 、f ， 酗糕c 融d i s 幽珏t 甜& n 姗纽a 赶。珏弛磁。致) 髑混合式魏雩# 模式( 戮f ，h 潮d c o o 确n a t o rf 1 1 n c t i o n ) 。由予基于竞争机制的倍i 魏接入方式具有实现简单等特点， e d c f 融成为目前w i n 搂入卡首选的接入机制【”。 2 2 1 增强分布式协 管模式 增强分布式秘俸模戏定义了强释苓褥的q o s 接入类登( a c ，a c c e s s c a t e g o r y ) ，根据业务流量大小把业务区分为4 种接入类别：a y o 、a c - v i 、 a q j e 和a c _ b k ( 见表2 1 ) ，分别代表的业务必型为语音( v o ) 擞、视频( v i ) 类、“尽力而为”( b e ) 类和背景( b k ) 类，其中语音的级别最商，依次次之。 并弓l 入，耱业务滤t c ( 饿掇ce a t e g o r y ) 来酝努住走级。懿表2 。l 掰暴t 第篡章匝e e 8 0 2 1 lm a c 协议概述 表2 1 优先级到接入类别的映射关系 u pa c业务类型 l焘eb k l 建e k g r o 疆n d 2a cb k b a c k g r o u n d o a eb eb e s te f f o r t 3 矗eb eb e s te f f o r t 4a cv iv i d e o s焘ev 王 v 主d e o 6a cv ov o i c e 7a cv ov o i c e 每种接入类型对应每个站点中四种相应的优先级酞孺，簿个队列都独立工律， 首先在一个i e e e 8 0 2 1 1 e 节点内部争夺传输的机会，获得传输机会的队列才能够 真歪获缮信遘接入戆爨会，遮被稼隽纛缀竞争壤遂，这榉徽霹软避兔凌擅。减少 重传次数。如果有两个队列同时获得传输机会，则通过一个调度器来根据优先缀 调度一个队列接入信道。见阕2 。6 【司。 蹴1 托叩州r 龋膨卿 l u 躯n 雒p i 犍i 躲麟c 盛犍雠搽( o l m 章一审窜一窜一 豳豳豳豳 嚣2 8i 疆翳0 麓l l e 接入调度孰列 由网2 6 可以看出每个站点区分四种队列的优先级是根据仲裁帧间隔 a 琢s ) ，最小秘最大竞争窑嗣 c 帮c 拜o ) 及煲输搬会 h c 和蔟它的q s 儆一起竞孥( 采焉e d c f 祝耩) 信道。甍等待信邋空雨的时 间默认值为p i f s ； 2 ) l 鹭等霉警p 蛋s 惹嚣始蓬魏潺避，退避寮蠢蠢c 黟二，e 既。决定，默认篷均为 o ，即无需邋避； 3 ) h c 获褥信道控制权后，开崩受控接入阶段( e a p ，c o n 拓o l a sp 翻o d ) ； 4 ) 可轮询瓣q s 强被轮诲完或者达虱了c a p 嚣于闯阪镪层，c a p 结束； 5 ) 采用e d c a 机制，开始新一轮的竞争。 c a p 是王 c f 兹一令重要维残部分。褒c p 验段， 羚获 ! 霉绩道使累投后，便可 开启c a p 阶段。每个e a p 阶段可以包含多个t x 0 p ，t x o p 之间的间隔为s i f s 。 谯c a p 内秭( o p 结柬后，h c 捻测到信邋又空闲了p 礤s ，此时如果h c 没有收回 傣遵，簧拜嚣c 释藏控潮投，o 谨结束，变为e d c f 竞争方式；否茭| l 继绥轮诲荚德 终端。 c 州t 蛔n - f 嘴p 耐o dc w i t c n b p 盯i o d 1 c f 阳i o d ic o “删p 蜊o d 鬻 啦 f 厂守 黧 粉 | 附 撼= 图2 8 c f p 和c p 阶段的交替必系 1 8 e e 8 0 2 儿无线局域网保证q o s 的媒体访问控制机制的研究 2 2 3 e e 8 0 2 1 l e 协议的局限 + e d c f 引入了优先级队列，用于区分不同类型的数据流，为实时业务提供了 一定的q o s 保证。但是，它仍不能很好的解决q o s 问题。 第一，在实际无线局域网通信过程中，各种业务分布情况不同，例如上班的 时间内，数据业务会占多数；在下班以后的时间，由于更多的用户使用w i a n ， 而且视频和声音业务也会增加。因此在不同的时候信道中会出现以下的几种业务 的组合情况： 1 ) 信道中有声音、视频、数据 2 ) 信道中有数据和声音 3 ) 信道中有数据和视频 4 ) 信道中有声音和视频 5 ) 信道中只有声音 6 ) 信道中只有视频 7 ) 信道中只有数据 而在i e e e 8 0 2 1 1 e 模块的实现过程中，对于声音、视频、数据等，协议是静 态设置参数的。对于l 、4 、5 而言，由于有优先级较高的业务，采用i e e e 8 0 2 1 1 e 规定的参数能保证优先级高业务的占用信道，减小延时、增大其吞吐量及提高信 道的利用率。但对于如2 情况，没有视频传送，而数据仍要用很大的仲裁帧间隔 来传送的话，就会造成信道的浪费。尤其当信道中只有数据传送，即第7 种情况 时，若仍然采用i e e e 8 0 2 1 l e 规定的优先级和仲裁帧间隔，就会造成信道的最大 的浪费，数据的吞吐量就会很低。 第二，e d c f 对优先级进行区分，使优先级高的业务的传输延迟比优先级低 的业务小得多，保证了高优先级业务的服务质量，但这种满足是牺牲低优先级流 量的q o s 来实现的。在业务量很大时，由于碰撞次数的增多，每个数据包经历的 退避时间长，这样低优先级业务会长时间得不到服务。若低优先级流量不能竞争 到信道，会产生饿死现象，有失公平性，这并不是我们所希望的区分服务。 第三，在i e e e 8 0 2 1 1 e 协议中虽然对不同优先级的业务采用不同的初始竞争 窗口，但竞争窗口并不是根据业务流特征和信道负载轻重与否情况来调整窗口大 小的。在网络空闲时，势必使接纳控制非饱和，不能够最大化吞吐量，浪费了资 源；而在网络繁忙时，各站点还使用较小的竞争窗口，将出现大量碰撞，系统性 能下降。另外当站点竞争非常激烈时，由于c 形的范围变化非常窄，不能提供准 确的竞争级别同样也会引起碰撞率的增加。 第四，e d c f 引入了八个队列，实际使竞争者多了，碰撞( 包括虚拟碰撞) 的概率大大增加，平均退避时间变大。 第二章m ：b e 8 0 2 1 lm a c 协议概述 针对e d c f 存在的问题，文献中提出各种优化和改进方法。例如，文献【明提 出根据信道负载调整不同q o s 等级站点的接入参数( 指数退避的倍数、竞争窗口 大小) 的设置；文献【1 0 】提出各个站点( s 1 = a ) 通过和接入点( a p ) 进行协调以调 整s t a 内各队列的初始竞争窗口( c 黟k ) ，进而改变接入信道的优先级；文献【l l 】 提出通过结合业务流速率，对用户业务流优先级精确设定，从而满足不同业务流 用户要求，为用户提供在重负载信道条件下可接受的最小的传输速率以及在轻负 载信道条件下最大程度地利用网络带宽。本文在最后一章，也提出一种改进方案， 可以根据信道负载的状况动态调整优先级，解决了优先级固定和低优先级业务得 不到服务的问题。 2 3i e e e 8 0 2 1 1 e 协议与传统的i e e e 8 0 2 1 1 协议比较 为了更好的比较m e e 8 0 2 1 1 e 协议与传统的i e e e 8 0 2 1 1 协议中对高优先级业 务和低优先级业务的区别，我们在这里仿真2 个优先级业务：1 个视频，1 个数据， 每个业务1 个站。采用d s s sp h y ，每类主要参数如表2 3 。视频业务6 m b i 低， 数据业务1 5 m b i 体，包大小为1 5 0 0b y t e s 。 表2 3 d s s s p h y 参数设置 m a cp h yc h a n n e l i r h y s i f s d i f ss l o t t i 鹏 p a y l o a d h e a d e rh e a d e rb i tr a t e s ld s s si o 廿s5 0 “s 2 0 a s 2 7 2 b i t s1 9 2 b i t s1 5 0 0 b v t e s l l m b p s 表2 4 视频、数据业务的仿真参数设置 类型 a i f s最小竞争窗口最大竞争窗口 视频业务 d i f s1 53 l 数据业务 d i f s + 2 术s l o t t i m e3 1 1 0 2 3 表2 5d c f